Materiaalkeuze voor afdichtingen met schurend zand: balans tussen slijtvastheid en betrouwbaarheid van de afdichting

In sectoren zoals olie- en gasproductie, mijnbouw, slibtransport, baggeren, scheepsbouw en chemische verwerking, werken afdichtingssystemen vaak in een van de meest uitdagende omgevingen:toepassingen van zandhoudende en schurende media.

In tegenstelling tot schone vloeistoffen of gassen, vereisen schurende media niet alleen afdichtingen die bestand zijn tegen temperatuur, druk en chemische invloeden, maar ook een uitzonderlijke weerstand tegen slijtage door vaste deeltjes. In veel gevallen zijn defecten aan afdichtingen niet het gevolg van materiaalveroudering, maar worden ze veroorzaakt door continue erosie, krassen en slijtage door zanddeeltjes. Daarom is de keuze van het juiste afdichtingsmateriaal cruciaal voor het maximaliseren van de betrouwbaarheid van apparatuur, het verlengen van de levensduur en het verlagen van de onderhoudskosten.

Hoe zanddeeltjes de afdichtingsprestaties beïnvloeden

Vaste deeltjes die in de vloeistof zweven, botsen tijdens bedrijf continu tegen de afdichtingsoppervlakken. Wanneer de deeltjes een hoge hardheid hebben, fungeren ze als schuurmiddelen die het afdichtingsvlak geleidelijk afslijten.

Veelvoorkomende slijtagemechanismen zijn onder andere:

• Erosieve slijtage
• Slijtage
• Slijtage door krassen
• Deeltjesinbedding slijtage

Kwartszand heeft bijvoorbeeld een Mohs-hardheid van ongeveer 7, aanzienlijk harder dan de meeste elastomeren en veel technische kunststoffen. Zodra schurende deeltjes in het afdichtingsvlak terechtkomen, kunnen ze het contactoppervlak beschadigen en leiden tot:

• Verhoogde oppervlakteruwheid
• Verlaagde contactdruk
• Hogere lekkagesnelheden
• Voortijdig falen van de afdichting

Bij hoge stroomsnelheden kan de slijtage aanzienlijk toenemen, wat leidt tot een snelle verslechtering van de afdichtingsprestaties.

Belangrijke factoren bij de selectie van afdichtingsmaterialen voor schurende media

Bij de keuze van afdichtingsmaterialen voor vloeistoffen die zand bevatten, richten ingenieurs zich doorgaans op een aantal cruciale eigenschappen.

Slijtvastheid

Slijtvastheid is de belangrijkste factor.

Het materiaal moet bestand zijn tegen continue slijtage en impact van deeltjes zonder overmatig materiaalverlies. Een slechte slijtvastheid leidt vaak tot snelle aantasting van de afdichting en hogere onderhoudskosten.

Mechanische sterkte

Bij toepassingen onder hoge druk moeten afdichtingsmaterialen hun structurele integriteit behouden.

Materialen met onvoldoende sterkte kunnen de volgende problemen ondervinden:

• Koude stroming
• Extrusie
• Permanente vervorming

Deze problemen kunnen de afdichtingseffectiviteit verminderen en de levensduur verkorten.

Deeltjesaccommodatievermogen

Sommige zachtere materialen kunnen fijne deeltjes absorberen of in hun oppervlak opnemen, waardoor schade aan de bijbehorende onderdelen wordt beperkt.

Deze eigenschap is met name waardevol bij dynamische afdichtingstoepassingen waar deeltjesverontreiniging niet te vermijden is.

Chemische compatibiliteit

Zandhoudende media worden vaak gecombineerd met agressieve vloeistoffen zoals:

• Ruwe olie
• Geproduceerd water
• Zeewater
• Boormodder
• Chemische additieven
• Zure of alkalische oplossingen

Daarom moeten afdichtingsmaterialen ook een uitstekende chemische bestendigheid bieden.

Prestaties van gangbare afdichtingsmaterialen in toepassingen met zand.

PTFE (polytetrafluorethyleen)

PTFE wordt veel gebruikt in chemische processen vanwege de uitstekende chemische bestendigheid en de lage wrijvingscoëfficiënt.

Zuiver PTFE kent echter een aantal beperkingen:

• Relatief slechte slijtvastheid
• Gevoeligheid voor koudestroming
• Verminderde dimensionale stabiliteit onder hoge druk

Om die reden wordt het over het algemeen alleen aanbevolen voor licht schurende toepassingen.

Veelvoorkomende versterkte kwaliteiten zijn onder andere:

• Glasvezelversterkt PTFE
• Met koolstof gevuld PTFE
• Grafietgevuld PTFE

Deze gemodificeerde materialen kunnen de slijtvastheid aanzienlijk verbeteren in vergelijking met onbewerkt PTFE.

PEEK (Polyetheretherketon)

PEEK is een van de meest gebruikte hoogwaardige materialen voor afdichtingstoepassingen in schurende omgevingen.

De voordelen zijn onder meer:

• Uitstekende slijtvastheid
• Hoge mechanische sterkte
• Uitstekende dimensionale stabiliteit
• Continue bedrijfstemperaturen tot circa 250 °C.

PEEK wordt veel gebruikt voor de productie van:

• Klepzittingen
• Reserveringen
• Geleideringen
• Draag ringen

In olieveldapparatuur, hogedrukkogelkranen, afsluitkleppen en hydraulische fracturing-systemen biedt PEEK vaak een aanzienlijk langere levensduur dan conventionele PTFE-materialen.

Koolstofvezelversterkt PEEK (CF-PEEK)

CF-PEEK wordt beschouwd als een geavanceerde oplossing voor toepassingen met zware slijtage.

In vergelijking met ongevuld PEEK biedt CF-PEEK de volgende voordelen:

• 30% tot 100% hogere slijtvastheid
• Verbeterde dimensionale stabiliteit
• Groter draagvermogen

Het wordt veelvuldig gebruikt in:

• Hogedruk kogelklepzittingen
• Fracturering van boomafdichtingssystemen
• Boorputkopapparatuur
• Onderzeese productiesystemen

Bij toepassingen waarbij sprake is van continue erosie door kwartszand, kan CF-PEEK de onderhoudsintervallen aanzienlijk verlengen en de bedrijfskosten verlagen.

UHMWPE (polyethyleen met ultrahoge moleculaire massa)

UHMWPE staat bekend om zijn uitzonderlijke slijtvastheid.

De belangrijkste voordelen zijn onder meer:

• Extreem lage wrijvingscoëfficiënt
• Uitstekende slagvastheid
• Goede deeltjesinbeddingscapaciteit

Het wordt veelvuldig gebruikt in de mijnbouw, in systemen voor het transport van slib en in baggerapparatuur.

De bedrijfstemperatuur is echter doorgaans beperkt tot ongeveer 80 °C, waardoor het apparaat het meest geschikt is voor abrasieve omgevingen met lage temperaturen.

Polyurethaan (PU)

Polyurethaan wordt veel gebruikt in hydraulische afdichtingssystemen.

De belangrijkste voordelen zijn onder meer:

• Hoge elasticiteit
• Uitstekende scheurweerstand
• Goede slijtvastheid

Typische toepassingen zijn onder meer:

• Hydraulische zuigerafdichtingen
• Stangafdichtingen
• Ruitenwisserafdichtingen

Hoewel polyurethaan (PU) goed presteert in schurende hydraulische systemen, is de temperatuurbestendigheid ervan mogelijk onvoldoende voor sommige toepassingen in de olie- en gasindustrie bij hoge temperaturen.

Elastomere materialen

Veelvoorkomende elastomeren zijn onder andere:

• NBR (nitrilbutadieenrubber)
• HNBR (gehydrogeneerd nitrilbutadieenrubber)
• FKM (Fluoroelastomeer)

Deze materialen bieden voornamelijk elastische afdichtingseigenschappen.

Hun sterke punten zijn onder meer:

• Uitstekende afdichtingsconformiteit
• Goede deeltjestolerantie
• Betrouwbare statische afdichtingscapaciteit

In zeer schurende omgevingen slijten elastomeren op zichzelf echter vaak snel en worden daarom doorgaans gecombineerd met slijtvaste steunringen of anti-extrusie-elementen.

Waarom metalen afdichtingen worden gebruikt bij toepassingen met extreme slijtage

Bij toepassingen met extreem hoge concentraties harde deeltjes bieden conventionele zachte afdichtingsmaterialen mogelijk geen voldoende lange levensduur.

Voorbeelden zijn:

• Terugstroomsystemen voor hydraulische fracking
• Pijpleidingen voor mineraalslurry met hoge dichtheid
• Oliezandproductiefaciliteiten
• Bagger- en graafapparatuur

Onder deze omstandigheden wordt vaak de voorkeur gegeven aan metaal-op-metaal afdichtingsoplossingen.

Veelgebruikte oppervlaktebehandelingstechnologieën zijn onder andere:

• Wolfraamcarbide (WC) coating
• Chroomcarbide coating
• Stellite-hardfacing
• Afdichtingsoppervlakken van gecementeerd hardmetaal

Hoewel metalen afdichtingen mogelijk een iets lagere dichtheid bieden dan zachte afdichtingen, kunnen ze een aanzienlijk langere levensduur garanderen onder zware, schurende omstandigheden.

Aanbevolen afdichtingsmaterialen voor verschillende abrasieve mediaomstandigheden

De volgende richtlijnen kunnen ingenieurs helpen bij het selecteren van geschikte afdichtingsmaterialen:

Het is belangrijk om te benadrukken dat de levensduur van een afdichting niet alleen afhangt van het materiaal zelf, maar ook van de deeltjesgrootte, de deeltjesconcentratie, de stroomsnelheid, de druk, de temperatuur en de hardheid van het contactoppervlak. Daarom moeten afdichtingsmaterialen, afdichtingsontwerp en oppervlaktebehandeling als een geïntegreerd systeem worden geoptimaliseerd.

Conclusie

Bij toepassingen met zand en schurende media is slijtvastheid een belangrijkere factor geworden dan corrosiebestendigheid voor het bepalen van de prestaties en levensduur van afdichtingen. Naarmate de olie- en gaswinning zich verplaatst naar ruigere omgevingen en mijnbouwactiviteiten steeds meer schurende slurries verwerken, worden geavanceerde materialen zoalsPEEK-, CF-PEEK-, versterkte PTFE- en metalen afdichtingssystemenvervangen steeds vaker traditionele afdichtingsoplossingen.

Door het juiste afdichtingsmateriaal te selecteren en het afdichtingssysteem af te stemmen op de specifieke abrasieve omgeving, kunnen operators het risico op lekkage aanzienlijk verminderen, de onderhoudsintervallen verlengen en de betrouwbaarheid van apparatuur verbeteren. Naarmate industriële toepassingen zich blijven ontwikkelen, zullen gespecialiseerde afdichtingsoplossingen voor abrasieve media een belangrijk innovatiegebied blijven binnen de afdichtingstechnologie.