วัสดุซีลแบบใดเหมาะสมที่สุดสำหรับสว่านหิน? การเปรียบเทียบระหว่าง PU / HNBR / PTFE

คำถามที่ว่า วัสดุซีลแบบใดดีที่สุดนั้นมีคำตอบที่น่าหงุดหงิดแต่ถูกต้อง: ขึ้นอยู่กับโหมดการล้มเหลวที่คุณพยายามหลีกเลี่ยง PU (พอลิอูรีเทน) จะล้มเหลวจากการยุบตัวภายใต้ความร้อนเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 90°C HNBR (ยางไนไตรล์ที่ผ่านกระบวนการไฮโดรเจนเนชัน) จะล้มเหลวจากการสึกกร่อนที่ผิวในสภาพแวดล้อมที่มีอนุภาคจำนวนมาก PTFE (โพลีเตตราฟลูโอโรเอทิลีน) จะล้มเหลวจากการถูกบีบออก (extrusion) เข้าไปในช่องว่างของกระบอกสูบ หากไม่มีวัสดุรองรับที่เหมาะสมในแอปพลิเคชันแบบไดนามิก วัสดุแต่ละชนิดมีโหมดการล้มเหลวหลักของตนเอง และทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดคือวัสดุที่มีโหมดการล้มเหลวหลักนั้นเกิดขึ้นได้น้อยที่สุดภายใต้สภาวะการใช้งานเฉพาะของคุณ

นั่นฟังดูเหมือนเป็นปัญหาด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ แต่ในทางปฏิบัติแล้ว คือการประเมินสภาพพื้นที่ใช้งาน ซึ่งมีปัจจัยสามประการเป็นข้อมูลนำเข้า ได้แก่ อุณหภูมิขณะใช้งาน เคมีของของไหล และอัตราการเปลี่ยนแปลงโหลดแบบไดนามิก ถ้าระบุปัจจัยทั้งสามประการนี้ได้อย่างถูกต้อง การเลือกวัสดุก็จะตามมาอย่างสมเหตุสมผล แต่หากระบุผิด หรือใช้ชุดซีล PU แบบทั่วไปสำหรับงานที่ต้องการวัสดุ HNBR ซีลก็จะเสียหายในลักษณะเดียวกับที่ PU เสียหายเมื่อได้รับความร้อนเกินไป กล่าวคือ เกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปและไม่มีเสียงเตือน ไม่มีการรั่วไหลภายนอกให้สังเกตเห็นจนกว่าจะเกิดการยุบตัวภายใต้แรงกด (compression set) อย่างสมบูรณ์ และการรั่วไหลแบบเบี่ยงเบน (bypass flow) ได้สะสมมาเป็นเวลาหลายเดือนแล้ว

PU: ซีลแบบไดนามิกมาตรฐานและเพดานอุณหภูมิของมัน

พอลิอูรีเทนเป็นวัสดุหลักที่ใช้สำหรับซีลแบบลูกสูบกระทบ ซีลแบบปลอกนำทาง และซีลแบบกล่องล้างแบบไดนามิกในสว่านหินไฮดรอลิก เหตุผลคือความเหมาะสมในการใช้งาน: พอลิอูรีเทนมีคุณสมบัติต้านการสึกหรอได้ดีเยี่ยม มีความแข็งแรงดึงสูงภายใต้โหลดแบบไดนามิก และมีความยืดหยุ่นดีเพื่อรักษาการสัมผัสกันอย่างแน่นหนาในการปิดผนึกที่ความถี่การกระทบแบบเป็นจังหวะ 30–60 เฮิร์ตซ์ นอกจากนี้ยังทนต่อน้ำมันไฮดรอลิกชนิดแร่ได้โดยไม่บวมอย่างมีนัยสำคัญ และมีความเสถียรของมิติในช่วงอุณหภูมิที่พบโดยทั่วไปในการปฏิบัติงานบนพื้นผิวดินและในสภาพแวดล้อมใต้ดินที่มีอากาศอบอุ่น

ข้อจำกัดหลักคือด้านอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิคงที่เกิน 90–95°C พอลิอูรีเทนจะเกิดปรากฏการณ์การยุบตัวแบบถาวร (compression set) อย่างเร่งตัว—ยางยืดจะสูญเสียความสามารถในการคืนรูปแบบยืดหยุ่น และขอบซีลจะปรับรูปร่างเข้ากับขนาดร่องของผนังกระบอกอย่างถาวร โดยไม่สามารถคืนกลับสู่รูปทรงการออกแบบเดิมที่จำเป็นต่อการสร้างการสัมผัสปิดผนึกอย่างมีประสิทธิภาพได้ แม้ซีลจะดูสมบูรณ์ทางกายภาพ แต่ก็หยุดทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบปิดผนึกที่ขับเคลื่อนด้วยแรงสปริงแล้ว การรั่วไหลผ่านห้องกระทบจะเริ่มขึ้นก่อนที่จะมีการรั่วไหลภายนอกให้สังเกตเห็นได้

เหมืองลึกที่ดำเนินการอย่างต่อเนื่องจนเกิดความร้อนสูง — อุณหภูมิพื้นผิวบริเวณหน้าตัดเกิน 35°C และอุณหภูมิน้ำมันไฮดรอลิกที่ไหลกลับเกิน 75°C — มักเกินช่วงอุณหภูมิที่โพลียูรีเทน (PU) สามารถทนได้ในระหว่างการตีด้วยแรงกระแทกแบบต่อเนื่องเป็นเวลานาน ขณะเดียวกัน การปฏิบัติงานบนพื้นผิวดินในเขตอากาศร้อนชื้นโดยไม่มีระบบระบายความร้อนของน้ำมันที่เพียงพอ ก็อาจก่อให้เกิดปัญหาเช่นเดียวกัน ในสภาพแวดล้อมดังกล่าว การใช้ PU ไม่ได้ผิดทางเศรษฐกิจเพราะราคาถูก แต่ผิดเพราะช่วงระยะการบำรุงรักษาที่วัสดุล้มเหลวไม่สามารถคาดการณ์ได้ และซีลที่เสียหายในวงจรการตีด้วยแรงกระแทกไม่ก่อให้เกิดสัญญาณเตือนที่ชัดเจน

HNBR: การอัปเกรดด้านความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและสารเคมี

ยางไนไตรล์ไฮโดรเจนเนต (Hydrogenated nitrile rubber) แก้จุดอ่อนของ PU ด้านอุณหภูมิ โดยการเติมไฮโดรเจนเข้าไปทำให้พันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอนที่ไม่อิ่มตัวในโครงสร้างหลักของไนไตรล์กลายเป็นพันธะเดี่ยวที่อิ่มตัว โพลิเมอร์ที่ได้จึงยังคงรักษาคุณสมบัติในการต้านทานน้ำมันของไนไตรล์ไว้ — กลุ่มไซยาโน (C≡N) ที่มีขั้วซึ่งต้านการบวมในน้ำมันแร่ยังคงมีอยู่ — ในขณะที่โครงสร้างหลักที่อิ่มตัวแล้วนี้สามารถต้านการเสื่อมสภาพจากความร้อนและการโจมตีทางเคมีจากโอโซน น้ำที่มีองค์ประกอบทางเคมีรุนแรง และของเหลวไฮดรอลิกชนิดเอสเทอร์

HNBR รักษาคุณสมบัติการปิดผนึกที่มีประโยชน์ได้ถึงอุณหภูมิ 150°C แบบต่อเนื่อง — สูงกว่า PU ถึง 60°C ซึ่งในสภาพแวดล้อมเหมืองที่ร้อนจัด ช่วงอุณหภูมิส่วนเกินนี้ส่งผลโดยตรงให้อายุการใช้งานของซีลยาวนานขึ้นและสามารถคาดการณ์ช่วงเวลาการบำรุงรักษาได้แม่นยำยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น ดริฟเตอร์ในเหมืองทองคำลึกที่อุณหภูมิน้ำมันกลับเข้าสู่ระบบอยู่ที่ 95°C อย่างสม่ำเสมอ จะทำให้ซีลที่ผลิตจาก HNBR มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าซีลจาก PU ถึง 40–70% ในวงจรการตี (percussion circuit) นี่ไม่ใช่การปรับปรุงเพียงเล็กน้อย — หากพิจารณาตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ที่ 5,000 ชั่วโมง จะเท่ากับความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนชุดซีล 12 ครั้ง กับ 8 ครั้ง ต่อหนึ่งหน่วย

HNBR ยังทนต่อน้ำกรดจากกระบวนการขุดเจาะ (acidic mine drainage) และน้ำใต้ดินเค็ม (saline groundwater) ได้ดีกว่า PU อีกด้วย ในเหมืองทองแดงและเหมืองทองคำที่น้ำในชั้นหินมีความเป็นกรด (pH 4–5) โครงสร้างหลักของ PU จะถูกทำลายโดยความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจน ขณะที่โครงสร้างพอลิเมอร์ที่อิ่มตัวของ HNBR สามารถต้านทานผลกระทบดังกล่าวได้ อาการที่สังเกตเห็นได้คือ ซีลจาก PU เกิดรอยแตกลาย (surface crazing) อย่างรวดเร็ว — ซึ่งเป็นรอยร้าวขนาดจุลภาคที่ขยายลึกลงไปภายในและก่อให้เกิดทางไหลผ่าน (bypass flow paths) — ในขณะที่ซีลจาก HNBR ที่ติดตั้งในวงจรเดียวกันแสดงรูปแบบการสึกหรอตามปกติ

PTFE: ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมี แต่ต้องการการรองรับเชิงกลที่สูง

โพลีเทตราฟลูออโรเอทิลีน—PTFE—อยู่ในหมวดหมู่ที่ต่างจาก PU และ HNBR โดยโครงสร้างหลักของมันที่ประกอบด้วยพันธะคาร์บอน-ฟลูออรีนนั้นมีความเฉื่อยทางเคมีโดยแท้จริง จึงไม่บวมเมื่อสัมผัสกับกรด ด่าง ตัวทำละลาย หรือของเหลวชนิดรุนแรงอื่นๆ ที่พบได้ในการทำเหมืองแร่ นอกจากนี้ PTFE ยังมีค่าแรงเสียดทานต่ำมาก จึงต้องการสารหล่อลื่นน้อยกว่าซีลแบบยาง และสามารถรักษาคุณสมบัติไว้ได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างมาก

ข้อเท็จจริงเชิงกลศาสตร์คือ PTFE มีความยืดหยุ่นต่ำมาก มันจึงไม่สามารถปรับรูปร่างให้สอดคล้องกับเรขาคณิตของผนังกระบอกสูบได้เหมือนวัสดุยาง—ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบเสริม เช่น สปริงเพื่อให้เกิดแรงกด (spring energizer) หรือชิ้นส่วนรองรับ (backup element) เพื่อรักษาการสัมผัสที่แน่นหนาสำหรับการปิดผนึกขณะที่ผิวสัมผัสสึกกร่อน ในการใช้งานแบบกระทบแบบไดนามิก (dynamic percussion) ซีล PTFE แบบเปล่า (bare PTFE seal) ที่ไม่มีแหวนรองรับจะถูกบีบออก (extrudes) เข้าไปในช่องว่างระหว่างลูกสูบกับผนังกระบอกสูบภายใต้แรงดันแบบไซคลิกที่พุ่งสูงถึง 160–220 บาร์ ซึ่งเกิดขึ้นซ้ำๆ ในระหว่างการกระทบ วัสดุที่ถูกบีบออกนี้จะเสียหายภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง

บทบาทที่เหมาะสมของ PTFE ในการชุดซีลสำหรับเครื่องเจาะหินคือในส่วนวงจรแบบนิ่ง: แหวน O-ring ที่พอร์ตแอคคิวมูเลเตอร์ ซีลที่นั่งของทางเข้าของน้ำล้าง และพื้นผิวสัมผัสแบบนิ่งของบล็อกวาล์ว ในเครื่องบดหินไฮดรอลิกแบบจังหวะเร็วที่ทดสอบใช้งานในเหมืองบ๊อกไซต์ ซีลลูกสูบจากยางเอลาสโตเมอร์ชนิด HNBR เกิดความล้มเหลวเนื่องจากการปนเปื้อนและอุณหภูมิสูง การเปลี่ยนมาใช้ซีลแบบ self-energized ที่มีโครงสร้างหลักเป็น PTFE ทำให้ยุติวงจรการเปลี่ยนซีลบ่อยครั้งได้—เนื่องจากในสภาพแวดล้อมที่มีการปนเปื้อนและมีจังหวะเร็วเฉพาะนี้ คุณสมบัติทนการสึกหรอและความเฉื่อยทางเคมีของ PTFE มีความสำคัญเหนือกว่าความยืดหยุ่นที่ต่ำกว่าของมัน นี่คือการประยุกต์ใช้งานเฉพาะกรณี ไม่สามารถทั่วไปได้กับซีลแบบไดนามิกทุกชนิดที่ใช้กับแรงกระแทก

การเปรียบเทียบวัสดุตามวงจรและสภาวะของการเจาะหิน

การตัดสินใจอย่างถูกต้องโดยไม่ต้องพึ่งห้องปฏิบัติการ

สถานที่ส่วนใหญ่ไม่มีข้อมูลการวิเคราะห์น้ำมันหรือองค์ประกอบทางเคมีของน้ำในเหมือง ณ จุดที่สั่งซื้อชุดซีล แต่สามารถตัดสินใจได้อย่างน่าเชื่อถือจากตัวบ่งชี้สามประการในสนาม ประการแรก: อุณหภูมิของน้ำมันไฮดรอลิกที่ไหลกลับคือเท่าใด? ใช้เทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรดวัดที่ท่อน้ำมันที่ไหลกลับหลังจากการเจาะแบบกระทบ (percussion) เป็นเวลา 30 นาที หากอุณหภูมิสูงกว่า 80°C อย่างสม่ำเสมอ = ควรใช้ HNBR สำหรับวงจรการเจาะแบบกระทบ ประการที่สอง: น้ำในเหมืองที่หน้าเจาะมีลักษณะอย่างไร? หากมีสีเขียวหรือสีส้ม = แสดงว่ามีกรดแร่ปนอยู่ จึงควรใช้ HNBR สำหรับซีลระบบล้าง (flushing seals) ประการที่สาม: ชุดซีล PU ที่ผ่านมาเคยเสียหายก่อนกำหนดหรือไม่ โดยมีลักษณะเป็นรอยแตกลาย (crazing) บนผิวหรือการยุบตัวภายใต้แรงกด (compression set) แทนที่จะสึกหรอจากแรงขัดถู? หากคำตอบคือใช่ แสดงว่าสาเหตุของการเสียหายเกิดจากอุณหภูมิหรือสารเคมี ไม่ใช่จากปัจจัยเชิงกล — จึงควรเปลี่ยนชนิดของวัสดุ

HOVOO จัดจำหน่ายชุดซีลสำหรับเครื่องเจาะหินในวัสดุ PU และ HNBR สำหรับโมเดลดริฟเตอร์หลักทั้งหมด พร้อมตัวเลือกซีลแบบนิ่งที่ผลิตจากสารประกอบ PTFE สำหรับการใช้งานที่มีสารเคมีรุนแรง รหัสอ้างอิงของชุดซีลจะระบุวัสดุที่ใช้ชัดเจน เพื่อให้การสั่งซื้อมีความเฉพาะเจาะจง ไม่ใช่การเลือกใช้วัสดุมาตรฐานเพียงแบบเดียวเท่านั้น รายละเอียดแบบจำลองและรหัสวัสดุทั้งหมดสามารถดูได้ที่ hovooseal.com