Tesniaci systém hydraulického kameňového vŕtacieho zariadenia: štruktúra, materiál, poruchy a údržba

Považovať tesniací systém hydraulického kameňolomného vŕtacieho stroja za súbor jednotlivých tesniacich krúžkov (O-krúžkov), ktoré sa vymenia až po výskyte úniku, znamená prehliadnuť architektonický aspekt. Tesniaci systém v percusnom vŕtacom stroji má štruktúru – dynamické tesnenia v percusnom vŕtacom otvore, statické tesnenia na všetkých rozhraniach obsahujúcich tlak, tesnenia preplachového okruhu, ktoré izolujú vodný okruh od olejového okruhu, a tesnenia rotačného puzdra, ktoré riadia hranicu mazania medzi pohonným mechanizmom a zvyškom puzdra. Každá zóna pracuje pri inom tlaku, teplote a rýchlosti posúvania. Zmesi a profily, ktoré správne fungujú v jednej zóne, môžu v inej zóne rýchlo zlyhať.

Porozumenie štruktúre tesniaceho systému – kde sa ktoré tesnenia nachádzajú, akú funkciu plnia a ako sa prejavuje ich porucha – je základom pre stanovenie rozumnej údržbovej frekvencie a pre správny výber zmesí pri opätovnom tesnení.

Zóna 1: Tesnenia percusného vŕtacieho otvoru

Perkutánny vŕtací priestor je najnáročnejším tesniacim prostredím v vŕtacom zariadení. Piest sa pohybuje vo výkyvoch s frekvenciou 30–65 Hz po stene vŕtacieho priestoru, ktorá zároveň tvorí tlakovú hranicu pre prednú aj zadnú perkutánnu komoru. Tesnenie piesta musí udržiavať účinný tlakový rozdiel cez neho po stovkách miliónov cyklov, pričom povrch vŕtacieho priestoru, teplota oleja a nárazové zaťaženia sa neustále menia.

Štandardné tesniace kružky pre udávacie vrtáky sú z PU (polyuretánových) zliatin: tvrdosť podľa Shore A zvyčajne 90–95, prevádzkový rozsah −30 °C až +90 °C, vynikajúca odolnosť voči opotrebovaniu pri dynamickom klznom kontakte. PU sa dobre osvedčuje pri kontaktných tlakoch v udávacích vrtákoch, pretože jeho vysoká pevnosť v ťahu (zvyčajne 35–55 MPa) odoláva silám vytláčania, ktoré vtlačujú elastoméry s nižšou tvrdosťou do medzery medzi časťami pri tlaku 160–220 bar. Ak teplota oleja trvalo presahuje 80 °C – v dôsledku tepla nosnej konštrukcie, okolitého tepla pod zemou alebo nedodržiavania pravidelnosti výmeny hydraulického oleja – zrýchľuje sa kompresná deformácia PU a tesnenie stráca navrhovanú kontaktnú silu na stenách vrtáka pred uplynutím svojej nominálnej životnosti.

HNBR (hydrogenovaný akrylnitril-butadiénový kaučuk) je alternatívou pre použitie pri vyšších teplotách: nepretržité prevádzkové zaťaženie až do 150 °C, vynikajúca odolnosť voči horúcej minerálnej olejovej látke a ozónu a lepšia odolnosť voči tepelnému starnutiu v porovnaní s PU. Kompenzáciou je mierne nižšia odolnosť proti opotrebovaniu pri vysokocyklových šmykových aplikáciách v porovnaní s PU s vysokou tvrdosťou podľa Shoreovej stupnice. Pri prevádzkach, kde sa teplota vracajúceho oleja v driftere pravidelne zvyšuje nad 80 °C – čo je možné zmerať infračerveným teplomerom na vypúšťacom otvore – sa odporúčajú nárazy HNBR. Pri prevádzkach s normálnou teplotou oleja, avšak s vysokou kontamináciou hydraulického oleja abrazívnymi časticami, sa odporúča použiť PU.

Zóna 2: Tesnenia pre umývacie skrinky

Tesnenia výplachovej skrinky fyzicky oddelujú obvod výplachovej vody od obvodu hydraulického oleja na prednej strane vŕtacej hlavice. Výplachová voda vstupuje cez držiak vŕtacej tyče, preteká cez priechodný otvor adaptéra hriadeľa alebo okolo neho podľa konštrukcie a opúšťa vrták spolu s vŕtaným materiálom. Tesnenia výplachovej skrinky udržiavajú túto vodu na strane vŕtacej tyče a úderný olej na opačnej strane.

Porucha tesnení výplachovej skrinky je zdrojom najnákladnejšej kontaminačnej kaskády v hydraulickom vŕtaní. Keď sa tesnenie opotrebuje, voda sa presúva späť cez oblasť vodidlá do údernej dutiny. Vzniknutý emulgovany olej má približne o 30–40 % nižšiu viskozitu ako čistý hydraulický olej pri rovnakej teplote a prenáša jemné častice horniny zo výplachovej vody do medzier v údernej súčiastkovej sústave. Oba tieto efekty zrýchľujú opotrebovanie údernej dutiny. Emulgácia je viditeľná ako mliečny alebo zamutnený olej vo vzorke oleja odobratej z vypúšťacieho otvoru vŕtacej hlavice.

Statické tesnenia s podložkou z PTFE sa uprednostňujú na rozhraní vyplachovacej krabice, pretože PTFE je chemicky neaktívny voči obom – minerálnemu hydraulickému oleju aj vyplachovacej vode – bez ohľadu na ich pH alebo obsah minerálov. Nízke trenie PTFE je tu menej dôležité ako jeho chemická kompatibilita v prostredí, kde sa môžu v agresívnom podzemnom prostredí veľmi intenzívne miešať rôzne kvapaliny.

Zóna 3: Statické rozhraniové tesnenia (O-krúžky a tesniace dosky)

Všetky tlakom zaťažené spoje medzi jednotlivými časťami tela vŕtacej hlavy – predný kryt so valcom, valec s zadným krytom, tesniace plochy prípojok akumulátora a montážne plochy riadiaceho bloku – sú utesnené O-krúžkami v štandardizovanej drážkovej geometrii. Ide o statické tesnenia: počas prevádzky sa tieto dve povrchy voči sebe nepohybujú.

NBR (akrylonitril-butadiénový kaučuk) je štandardná zmes pre statické tesnenia v obvodoch hydraulického oleja na báze minerálnych olejov. Rozsah teplôt je od −40 °C do +120 °C, čo je vhodné pre väčšinu prevádzkových podmienok v percusných obvodoch. Hlavným režimom poruchy statických NBR tesniacich krúžkov v kameňolomnách nie je degradácia spôsobená teplotou, ale deformácia pod tlacom (tzv. kompresná deformácia) v dôsledku dlhodobej záťaže vysokým tlakom v kombinácii s tepelnými cyklami počas viacerých smien. Tesniaci krúžok, ktorý bol 500 hodín stlačený proti stene drážky pri tlaku 200 bar, má nižšiu zvyšnú schopnosť elastického obnovovania ako nový krúžok; pri demontáži a opätovnej montáži spoja môže plochý tesniaci krúžok znova netesniť bez jeho výmeny.

Štandardný postup: všetky tesniace krúžky sa vymenia pri každej úplnej výmene percusného kompletu. Náklady na tesniace krúžky sú zanedbateľné v porovnaní s nákladmi na následný únik po opätovnej montáži a tesniace krúžky sú v komplete už obsiahnuté.

Referencia tesniacej zóny: štruktúra, materiál a kritériá na kontrolu / výmenu

Bežné vzory porúch a čo odhaľujú

Skoré zlyhanie tesniaceho kruhového tesnenia – pred dosiahnutím 200 hodín percusie – takmer vždy naznačuje príčinu ležiacu mimo kvality samotného tesnenia. Tri najčastejšie príčiny sú: poškodenie steny vrtáku („bore scoring“) spôsobené kontamináciou kovovými časticami z predchádzajúcej prevádzky, ktorá nebola odstránená pred inštaláciou nového kompletu; medzera medzi vodidlom a objímkou presahujúca 0,4 mm, čo spôsobuje nesúosé zaťaženie zástrčky a tým koncentrované, nesymetrické opotrebovanie tesniaceho okraja; alebo trvalá teplota oleja vyššia než 80 °C, ktorá zrýchľuje kompresnú deformáciu polyuretánového materiálu (PU compression set). Na určenie konkrétnej príčiny je potrebné preveriť povrch steny vrtáku (na prítomnosť drážok), zmerať výkyv zástrčky a zaznamenať teplotu oleja – nie stačí jednoducho nainštalovať ďalší komplet.

Porucha tesniacej manžety vypúšťacej krabice po menej ako 300 hodinách zvyčajne svedčí o agresívnej chemickom zložení vypúšťacej vody, nie o bežnom opotrebovaní. Báňová voda s vyšším obsahom minerálov alebo kyslým pH účinnejšie napáda tesniace manžety na báze akrylonitril-butadiénového kaučuku (NBR) v porovnaní s čistou vodou. Sady s podložkou z polytetrafluóretylénu (PTFE) vydržia širší rozsah chemického zloženia vody a sú vhodnou voľbou pre podzemné prevádzky s známymi problémami kvality vody.

Tesniace sady HOVOO: Prispôsobenie zmesi oblasti

Kompletný balík tesniacich prvkov pre drifter obsahuje tesnenia pre úderové vŕtacie hlavy, tesnenia pre čistiace skrinky, tesnenia pre vodidlá, O-krúžky pre akumulátory a tesnenia rozdeľovacej dosky ventilového bloku. Určenie nesprávneho materiálu pre len jednu zónu spôsobuje selektívne predčasné poškodenie, ktoré sa môže mylne diagnostikovať ako nedostatok celkovej kvality balíka namiesto nesprávneho výberu materiálu. HOVOO dodáva modelovo špecifické balíky pre všetky hlavné značky driftrov – Epiroc COP, Sandvik HL/RD, Furukawa HD/HF, Montabert – s možnosťou výberu materiálu v štandardnom polyuretánovom (PU), vodovzdornom nitrilovom kaučuku (HNBR) a PTFE-podložených variantoch pre čistenie. Pre prevádzky s vyššou teplotou alebo agresívnou chemickou zložkou vody je k dispozícii podrobné odporúčanie materiálov pre jednotlivé zóny. Referencie na stránke hovooseal.com.