Ktorý materiál tesnení je najvhodnejší pre vŕtaciu strojníčku? Porovnanie PU/HNBR/PTFE

Otázka, ktorý materiál tesniacich prvkov je najvhodnejší, má frustrovanú, no presnú odpoveď: záleží na tom, ktorý režim poruchy sa snažíte predísť. PU (polyuretán) zlyháva v dôsledku tepelnej kompresnej deformácie nad 90 °C. HNBR (hydrogenovaný akrylnitril-butadiénový kaučuk) zlyháva v dôsledku povrchovej opotrebovania v prostrediach s vysokým obsahom častíc. PTFE (polytetrafluóretylén) zlyháva v dôsledku vytláčania do medzier v otvore, ak nie je v dynamických aplikáciách správne podopretý. Každý materiál má dominantný režim poruchy a správna voľba je tá, ktorej dominantný režim poruchy je v konkrétnych prevádzkových podmienkach najmenej pravdepodobný.

To znie ako problém z oblasti vedy o materiáloch. V praxi ide o posúdenie podmienok na mieste s tromi vstupmi: prevádzkovou teplotou, chemickým zložením kvapaliny a rýchlosťou cyklu dynamického zaťaženia. Ak tieto tri vstupy určíte správne, výber materiálu logicky vyplýva. Ak ich určíte nesprávne – alebo použijete všeobecný „štandardný PU komplet“ pre aplikáciu, ktorá vyžaduje HNBR – tesnenie zlyhá tak, ako zlyháva PU pri prehriatí: postupne a ticho, bez vonkajšieho úniku, kým sa úplne nevytvorí kompresná deformácia a netesnosť nezačne postupne narastať mesiace.

PU: Štandardné dynamické tesnenie a jeho teplotný limit

Polyuretán je základný materiál pre tesniace kružky pre úderové piesty, vodidlá a dynamické tesniace krabičky v hydraulických skalných vŕtačkách. Dôvody sú praktické: PU má vynikajúcu odolnosť voči opotrebovaniu, vysokú pevnosť v ťahu pri dynamickom zaťažení a dobrú pružnosť na udržanie tesniaceho kontaktu pri cyklických úderových frekvenciách 30–60 Hz. Vydrží minerálne hydraulické oleje bez výrazného nafukovania a je rozmerovo stabilný v teplotnom rozsahu typickom pre povrchové a podzemné prevádzky v miernom klíme.

Limitom je tepelná záťaž. Pri trvalých teplotách vyšších ako 90–95 °C dochádza u PU k zrýchlenej kompresnej deformácii – elastomér stráca schopnosť pružného obnovovania sa a tesniaca časť sa trvale prispôsobí rozmerom drážky v plášti bez návratu do pôvodnej navrhovanej geometrie tesniaceho kontaktu. Tesniaca kružka vyzerá fyzicky nepoškodená; jednoducho prestala fungovať ako pružinovo zaťažený tesniaci prvok. Pretekánie v úderovej komore začína ešte pred tým, než sa objaví akýkoľvek vonkajší únik.

Hlboké banícke dôlny, kde je teplota okolia vyššia ako 35 °C a teplota hydraulického oleja pri návrate vyššia ako 75 °C, pravidelne prekračujú teplotné rozsahy polyuretánových (PU) materiálov počas predĺženej nepretržitej percusie. Rovnaký problém môže vzniknúť aj pri povrchových prevádzkach v tropickom klíme bez primeraného chladenia oleja. V týchto prostrediach nie je použitie PU ekonomicky nesprávne len preto, lebo je lacné; je nesprávne preto, lebo interval údržby, pri ktorom sa materiál poruší, je nepredvídateľný a poškodené tesnenia v percusnom obvode neposkytujú zreteľné varovné signály.

HNBR: Vylepšenie s vysokou odolnosťou voči teplote a chemikáliám

Hydrogenovaný akrylonitril-butadiénový kaučuk (HNBR) odstraňuje teplotnú slabosť PU nasýtením nenasýtených uhlík-uhlík dvojných väzieb v nitrilovej reťazci vodíkom. Výsledný polymér si zachováva odolnosť nitrilu voči olejom – polárne skupiny C≡N, ktoré bránia nafukovaniu v minerálnych olejoch, zostávajú nezmenené – zároveň však nasýtený reťazec odoláva tepelnej degradácii a chemickému útoku ozónu, agresívnej chemického zloženia vody a hydraulických kvapalín na báze esterov.

HNBR udržiava užitočné tesniace vlastnosti až do teploty 150 °C počas trvalého zaťaženia – teda o 60 °C viac ako PU. V horúcom ťažobnom prostredí sa tento rozdiel priamo prejavuje dlhšími a predvídateľnejšími intervalmi údržby. V prípade vŕtacej zariadenia (driftera) v hlbokom zlatej banke, kde teplota oleja pri návrate stále dosahuje 95 °C, sa tesniace prvky z HNBR v percusnom obvode ukážu o 40–70 % životnejšie ako tie z PU. To nie je len marginálny pokročilý výsledok; počas životnosti zariadenia 5 000 hodín ide o rozdiel medzi 12 a 8 výmenami kompletu tesniacich prvkov na jednotku.

HNBR sa tiež lepšie vyrovnáva s kyslým banským odtokom a so slanou podzemnou vodou než PU. V medi a zlatej ťažbe, kde je voda z vrstiev kyslá (pH 4–5), sa základný reťazec PU napáda koncentráciou vodíkových iónov, čo nasýtený polymér HNBR odoláva. Príznakom je zrýchlené povrchové trhlinovanie tesniacich prvkov z PU – mikrotrhliny, ktoré sa šíria dovnútra a vytvárajú obezličkové tokové cesty – zatiaľ čo tesniace prvky z HNBR v rovnakom obvode ukazujú normálne vzory opotrebovania.

PTFE: chemicky neaktívny, ale mechanicky náročný

Polytetrafluoroetylén – PTFE – patrí do inej kategórie ako PU a HNBR. Jeho uhlík-fluórová kostra je v podstate chemicky neaktívna; neswellinguje v kyselinách, zásadách, rozpúšťadlách ani v žiadnych agresívnych kvapalinách, s ktorými sa v ťažobnom priemysle stretávame. Má extrémne nízku trenie, čo vyžaduje menej maziva v porovnaní s elastomérnymi tesneniami, a udržiava svoje vlastnosti v širokom rozsahu teplôt.

Mechanickou realitou je, že PTFE má veľmi nízku pružnosť. Neprispôsobí sa geometrii valca tak, ako to robí elastomér – na udržanie tesniaceho kontaktu pri opotrebovaní povrchu potrebuje pružinový napínač alebo podoporný prvok. V dynamických percusných aplikáciách sa čisté PTFE tesnenie bez podoporného krúžku pri cyklických tlakových špičkách v rozsahu 160–220 bar v percusii vytlačí do medzery medzi piestom a valcom. Vytlačený materiál zlyhá do niekoľkých hodín.

Príslušná úloha PTFE v tesniacom súprave pre kameňové vŕtačky je v statických obvodoch: O-krúžky na prípojke akumulátora, tesnenia sediel vstupného otvoru na čistenie vodou, statické rozhrania bloku ventilov. V rýchlochodovej hydraulickej kameňovej drtičke testovanej v bauxitovej banke sa tesnenia piestov z elastoméru HNBR porušovali kvôli kontaminácii a vysokým teplotám. Ich náhrada samozávesnými tesneniami s telesom z PTFE odstránila časté výmeny – pretože v tomto konkrétnom rýchlochodovom, kontaminovanom prostredí prevyšujú odolnosť PTFE proti opotrebovaniu a jeho chemická neaktívnosť jeho nižšiu pružnosť. Ide o špecifické použitie; nedá sa všeobecne uplatniť na všetky dynamické percusné tesnenia.

Porovnanie materiálov podľa obvodu kameňovej vŕtačky a podmienok

Správna voľba bez laboratórnej analýzy

Väčšina lokalít nemá k dispozícii údaje z analýzy oleja alebo zloženia banej vody v čase objednávky súpravy tesnení. Tri polní indikátory umožňujú spoľahlivú voľbu bez formálneho testovania. Prvý: aká je teplota návratného hydraulického oleja? Použite infračervený teplomer na návratný hadicový potrubný úsek po 30 minútach percusie. Ak je teplota trvalo vyššia ako 80 °C, použite HNBR pre percusný okruh. Druhý: ako vyzerá voda z bane na vŕtacej hlave? Zelený alebo oranžový odtieň naznačuje prítomnosť minerálnych kyselín; pre tesnenia pri prúdení použite HNBR. Tretí: došlo u predchádzajúcich súprav PU k predčasnému zlyhaniu v podobe povrchovej trhlinovitosti alebo kompresného deformovania namiesto opotrebovania abrazívnym účinkom? Ak áno, príčinou zlyhania je teplota alebo chemické prostredie, nie mechanické zaťaženie – prejdite na iný materiál.

HOVOO dodáva komplety tesniacich prstencov pre kladivové vŕtačky z materiálov PU a HNBR pre všetky hlavné modely drifterov, vrátane statických tesnení zo zliatiny PTFE pre aplikácie s chemicky agresívnymi prostrediami. Označenie kompletu obsahuje označenie materiálu, čím sa zabezpečuje jednoznačnosť objednávok namiesto predvoleného použitia jediného štandardného materiálu. Úplné odkazy na modely a materiály nájdete na webovej stránke hovooseal.com.