ซีลสว่านหินแบบต้านการกัดกร่อน: ทนทานในสภาวะที่รุนแรง

ความล้มเหลวของซีลในสว่านเจาะหินที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง มักไม่เริ่มต้นด้วยการกัดกร่อนที่มองเห็นได้บนพื้นผิวของยางสังเคราะห์ แต่เริ่มต้นด้วยการบวม สารประกอบซีลดูดซับของเหลวหรือไอจากสภาพแวดล้อม—เช่น น้ำแร่ที่มีความเป็นกรด ของเหลวหล่อลื่นแบบอิมัลชัน หรือน้ำมันไฮดรอลิกที่ปนเปื้อนด้วยน้ำ—ทำให้ยางสังเคราะห์ขยายตัวเกินช่องว่างที่ออกแบบไว้สำหรับร่องยึดซีล รูปร่างของขอบซีลบิดเบี้ยว แรงสัมผัสระหว่างซีลกับผนังรูเจาะจึงเปลี่ยนจากแรงซีลตามการออกแบบไปเป็นแรงกดจุดที่คาดเดาไม่ได้ ภายในเวลาเพียงไม่กี่ร้อยชั่วโมงของการใช้งาน ซีลที่ดูสมบูรณ์ดีเมื่อตรวจสอบด้วยตาเปล่าก็เริ่มรั่วและยอมให้ของไหลเล็ดลอดผ่าน

การออกแบบซีลที่ต้านการกัดกร่อนมุ่งจัดการกลไกการบวมเริ่มต้นนี้ โดยไม่ใช่รูปแบบความล้มเหลวที่เกิดขึ้นภายหลัง การเลือกสารประกอบอีลาสโตเมอร์ที่มีอัตราการดูดซับของเหลวต่ำในสภาพแวดล้อมเฉพาะ—ไม่ว่าจะเป็นน้ำใต้ดินเค็มในเหมืองชายฝั่ง น้ำทิ้งกรดซัลฟิวริกในกระบวนการผลิตทองแดง หรือน้ำล้างที่มีค่า pH สูงในโครงการอุโมงค์คอนกรีต—จะเป็นตัวกำหนดว่าซีลนั้นจะคงทนได้นาน 200 ชั่วโมง หรือ 600 ชั่วโมง ก่อนต้องเปลี่ยนใหม่ รูปทรงเรขาคณิตและการติดตั้งมีความสำคัญรองลงมาเมื่อเทียบกับการเลือกสารประกอบ

เคมีศาสตร์เบื้องหลังสมรรถนะในการต้านการกัดกร่อนของอีลาสโตเมอร์

ยางนิไตรล์ (NBR) เป็นสารอีลาสโตเมอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตซีลไฮดรอลิก เนื่องจากมีคุณสมบัติต้านทานน้ำมันแร่และของเหลวไฮดรอลิกส่วนใหญ่ได้ดี จุดอ่อนของมันคือพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอนที่ไม่อิ่มตัวในโครงสร้างหลักของบิวตาไดอีน ซึ่งไวต่อการโจมตีจากโอโซน อุณหภูมิสูง และสารเคมีบางชนิด ในสภาพแวดล้อมเหมืองที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 60°C โดยใช้น้ำมันไฮดรอลิกที่สะอาด ยาง NBR สามารถทำงานได้อย่างเพียงพอ แต่หากมีน้ำกรดซึมเข้ามา มีอุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น หรือใช้ของเหลวไฮดรอลิกสังเคราะห์ที่มีสารเติมแต่งแบบเอสเทอร์ ระยะเวลารับใช้งานของยาง NBR จะลดลงอย่างมาก

HNBR — ยางนิไตรล์ไฮโดรเจนเนต — เพิ่มอะตอมไฮโดรเจนเข้าไปที่พันธะหลังคาที่ไม่อิ่มตัวระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ ทำให้พันธะคู่ที่มีปฏิกิริยาแรงถูกแทนที่ด้วยพันธะเดี่ยวที่มีเสถียรภาพ กลุ่มไนไตรล์ซึ่งให้คุณสมบัติต้านทานน้ำมันยังคงไว้ตามเดิม ขณะที่ความไวต่อโอโซนและความร้อนลดลงอย่างมาก HNBR ยังคงรักษาคุณสมบัติยืดหยุ่นที่ใช้งานได้จนถึงอุณหภูมิ 150°C แบบต่อเนื่อง และต้านทานการกัดกร่อนจากของเหลวสำหรับการขุดเจาะ น้ำมันที่อยู่ในรูปอิมัลชัน และน้ำเกลือ ซึ่งจะทำลายยาง NBR แบบมาตรฐานภายในเวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์ วัสดุชนิดนี้ถูกผลิตเชิงพาณิชย์ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1984 และได้กลายเป็นทางเลือกหลักโดยปริยายสำหรับซีลแบบไดนามิกที่ใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในระบบไฮดรอลิก

PTFE ใช้แนวทางที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง โครงสร้างหลักของมันที่ประกอบด้วยคาร์บอน-ฟลูออรีน ซึ่งมีพันธะที่แข็งแรงที่สุดในเคมีอินทรีย์ จึงไม่ทำปฏิกิริยากับสารเคมีเกือบทุกชนิดที่พบในการทำเหมืองและก่อสร้าง มันไม่บวมเมื่อสัมผัสกับกรด ด่าง ตัวทำละลาย หรือน้ำเค็ม ข้อจำกัดอยู่ที่คุณสมบัติด้านกลศาสตร์: PTFE เป็นพอลิเมอร์ที่มีความแข็งแกร่งสูงแต่มีความยืดหยุ่นต่ำ จึงจำเป็นต้องใช้สปริงช่วยเสริมแรงหรือองค์ประกอบรองรับเพื่อรักษาการสัมผัสแบบปิดผนึกไว้แม้เมื่อวัสดุสึกหรอ สำหรับวงจรปิดผนึกแบบคงที่ ร่องรองรับโอริงบนวาล์วบล็อก และพื้นผิวปิดผนึกแบบคงที่ของกล่องล้าง (flushing box) ชิ้นส่วนที่ทำจาก PTFE จะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าทางเลือกที่ทำจากยางสังเคราะห์อย่างมากในสภาพแวดล้อมที่มีสารเคมีรุนแรง

หมวดหมู่สภาวะที่รุนแรงและวัสดุปิดผนึกที่เหมาะสม

การเลือกวัสดุซีลสำหรับวงจรแบบสถิต—เช่น O-ring บนบล็อกวาล์ว ซีลที่ช่องต่อแอคคิวมูเลเตอร์ และซีลที่ช่องรับน้ำล้าง—มักมีผลต่อช่วงเวลาการบำรุงรักษาโดยรวมมากกว่าซีลแบบไดนามิกสำหรับการส่งแรงกระแทก ซีลแบบสถิตที่สัมผัสกับน้ำล้างที่มีฤทธิ์รุนแรงจะอยู่นิ่งระหว่างรอบการเจาะ และจมน้ำอยู่ในสารเคมีใดๆ ก็ตามที่ไหลเวียนผ่านระบบล้าง ตัวอย่างเช่น O-ring ที่ทำจาก NBR ในวงจรน้ำล้างอุโมงค์ที่มีค่า pH สูง อาจเสียหายจากการเกิด compression set ภายใน 100 ชั่วโมงหลังสัมผัสน้ำครั้งแรก แม้ว่าเครื่องเจาะจะทำงานด้วยแรงกระแทกเพียง 20 ชั่วโมงในช่วงเวลานั้นก็ตาม

การระบุรูปแบบความล้มเหลวจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงก่อนที่ปัญหาจะลุกลาม

รูปแบบสามแบบบ่งชี้ว่าซีลได้รับผลกระทบจากสิ่งแวดล้อม มากกว่าการสึกหรอตามปกติที่เกิดขึ้นเป็นรอบๆ ประการแรก คือ การเสื่อมสภาพของผิวสัมผัสซีลแบบไม่สมมาตร: การสึกหรอตามปกติจะทำให้เกิดการกัดกร่อนอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งความยาวรอบขอบของใบซีล แต่การบวมจากสารเคมีจะทำให้รูปร่างของใบซีลผิดเพี้ยนไปอย่างไม่สมมาตร ส่งผลให้เกิดลักษณะการสึกหรอที่สอดคล้องกับทิศทางที่วัสดุบวมมากที่สุด ประการที่สอง คือ การเปลี่ยนสีผิดปกติของน้ำมันไฮดรอลิกที่ถูกส่งกลับมา: หากน้ำมันไฮดรอลิกในวงจรคืนกลับมีสีเขียวอมเทาหรือขุ่นคล้ายนม แสดงว่ามีน้ำผสมเข้าไปในรูปแบบอิมัลชัน ซึ่งมักเกิดจากซีลของกล่องล้าง (flushing box) เสียหาย จนทำให้น้ำรั่วซึมเข้าสู่วงจรการตี (percussion circuit) ประการที่สาม คือ การเกิดเจล: ปฏิกิริยาบางประเภทที่เกิดจากการโจมตีด้วยสารเคมีอาจทำให้อนุภาคยางเอลาสโตเมอร์หลุดลอกและละลายบางส่วนลงในน้ำมันไฮดรอลิก ส่งผลให้เกิดสิ่งสกปรกที่มีลักษณะคล้ายเจล ซึ่งสามารถอุดตันองค์ประกอบตัวกรองได้เร็วกว่าปกติ และอาจทำให้เกิดรอยขีดข่วนบริเวณช่องว่างความแม่นยำสูงในบล็อกวาล์ว

สัญญาณใด ๆ เหล่านี้บ่งชี้ว่าจำเป็นต้องตรวจสอบชุดซีลอย่างละเอียดก่อนถึงรอบการบริการตามกำหนดครั้งต่อไป ไม่ใช่รอจนถึงเวลาที่กำหนดไว้ การใช้งานซีลที่เสื่อมสภาพจากปฏิกิริยาเคมีต่อเนื่องจนถึงจุดที่ควรเปลี่ยนตามกำหนด จะทำให้ความล้มเหลวลุกลามไปยังผิวของรูทรงกระบอก (bore surface) ซึ่งส่งผลให้ขอบเขตของการซ่อมแซมขยายตัวจากเพียงการเปลี่ยนชุดซีล ไปเป็นการขัดตกแต่งผิวรูทรงกระบอกใหม่ (bore regrind) หรือแม้กระทั่งการเปลี่ยนแปลงตัวเรือน (housing replacement)

ชุดซีลป้องกันการกัดกร่อน HOVOO สำหรับการใช้งานในเหมืองแร่และอุโมงค์

HOVOO จัดจำหน่ายชุดซีลสำหรับเครื่องเจาะหินที่มีวัสดุทำจาก HNBR และสารประกอบ PTFE สำหรับรุ่นดริฟเตอร์หลักที่ใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ชุดซีล PU มาตรฐานเหมาะสมสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ในภูมิอากาศแบบอบอุ่นและใช้น้ำสะอาดในการล้างระบบ ส่วนชุดซีล HNBR แนะนำสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิพื้นผิวโดยรอบเกิน 40°C อย่างต่อเนื่อง หรือเมื่อใช้น้ำใต้ดินที่มีความเป็นกรดเป็นตัวกลางในการล้างระบบ หรือเมื่อน้ำมันไฮดรอลิกมีอุณหภูมิสูงกว่า 80°C ในวงจรคืนกลับ ชุดซีลแบบ PTFE สำหรับรองรับวงจรคงที่มีจำหน่ายแยกต่างหากสำหรับการติดตั้งในโครงการอุโมงค์ที่มีสภาพแวดล้อมเป็นด่าง หรือการดำเนินงานบริเวณชายฝั่งที่มีน้ำเค็มซึมเข้ามา

การระบุวัสดุซีลที่ไม่เหมาะสมสำหรับสภาพแวดล้อมที่ทราบว่ารุนแรง และต้องเปลี่ยนชุดซีลบ่อยขึ้นเป็นสองเท่า จะมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการสั่งซื้อวัสดุซีลที่ถูกต้องเพียงครั้งเดียว รหัสอ้างอิงเฉพาะรุ่นของ HOVOO ซึ่งรวมถึงการระบุวัสดุซีลสำหรับแต่ละการใช้งานของดริฟเตอร์ มีแสดงไว้ที่ hovooseal.com