SZCZELIWA DŁAWNICOWE NA BAZIE WĘGLA I GRAFITU

Niezwykle trudno jest rozróżnić szczeliwo dławnicowe wykonane z włókna węglowego od szczeliwa z włókna grafitowego lub grafitu elastycznego. W istocie wszystkie te szczeliwa mają podobne właściwości chemiczne oraz wysoką odporność na temperaturę i często używane są zamiennie. Istnieją między nimi jednak różnice, a każde z nich ma swoje zalety i wady co implikuje ich specyficzne domeny zastosowań.

Porównanie włókien węglowych i grafitowych w aspekcie uszczelnień

Zarówno włókna węglowe, jak i grafitowe, składają się z niemal czystego węgla, ale z wyraźnymi różnicami w strukturze wewnętrznej. Różnice te wynikają głównie ze stopnia krystalizacji oraz rodzaju obróbki cieplnej. Pod względem struktury, włókna grafitowe bardziej zbliżone są do grafitu krystalicznego, mają wyższą zawartość węgla (ponad 95%), podczas gdy włókna węglowe zbudowane są głównie z węgla amorficznego.

Włókna grafitowe i węglowe produkuje się z prekursorów wysokowęglowych, między innymi: poliakrylonitrylu (PAN) i z paku naftowego. Surowce te, po wyciągnięciu we włókna i podgrzaniu ulegają pirolizie i karbonizacji, dając w efekcie włókno węglowe. Włókno węglowe, poddane działaniu wysokiej temperatury – ponad 2500°C w warunkach próżni, ulega grafityzacji i przekształca się we włókno grafitowe.

Włókno węglowe charakteryzuje się doskonałą wytrzymałością i rozciągliwością oraz stosunkowo niskimi kosztami produkcji. Ponieważ uszczelnienia na bazie włókna węglowego są zwykle twardsze, są one bardziej odporne na media ścierne. Charakteryzują się także wyższą zdolnością do pracy w warunkach większych obciążeń ściskających, z którymi użytkownicy mają do czynienia w warunkach wysokiego ciśnienia. Maksymalna temperatura pracy wynosi 300°C, a w przypadku wyższej jakości włókien preparowanych powierzchniowo wzrasta do 400°C.

Włókna grafitowe charakteryzują się dużą wytrzymałością i wysokim modułem sprężystości, mają lepsze właściwości smarne, ale nie są tak odporne na ścieranie jak włókna węglowe. Materiał ten, wykorzystywany w uszczelnianiu wałów obrotowych, może pracować w wyższych temperaturach – nawet ponad 600°C oraz lepiej rozprasza ciepło generowane w wyniku tarcia. Te właściwości sprawiają, iż szczeliwo z włókna grafitowego idealnie nadaje się do czystych mediów oraz pracy w warunkach wysokich prędkości obrotowych wału oraz do uszczelniania trzpieni zaworów w armaturze energetycznej.

Zagadnienia szczelności materiałów z włókien węglowych

Wadą wszystkich szczeliw wykonanych z materiałów włóknistych jest to, iż nie gwarantują one wystarczającej szczelności, a jedynie w pewnym stopniu ograniczają przeciek. W celu uzyskania pełnej szczelności, szczeliwa te impregnowane są różnego rodzaju środkami blokującymi. Są to kleiste smary i dyspersje, które można zastosować w celu wypełnienia pustych przestrzeni pomiędzy włóknami, a także w celu poprawy właściwości smarnych szczeliwa.

W przeszłości typowymi impregnatami były: łój, wosk i różnego rodzaju smary i oleje. Były one wykorzystane w celu poprawy właściwości azbestu, bawełny oraz tradycyjnych pakuł lnianych i konopnych. Obecnie najczęściej wykorzystywanym dodatkiem blokującym w szczeliwach są emulsje PTFE i dyspersje grafitowe oraz wysokiej jakości oleje, których dodatek waha się w granicach 10 do 25%.

Dyspersja PTFE jest skutecznym impregnatem, ale w ograniczonym zakresie temperatur do 300°C. W wyższych temperaturach – powyżej 370°C polimer PTFE może ulegać rozkładowi i wydzielać agresywne związki fluoru,
które są szkodliwe, a ponadto powodują korozję elementów dławnicy. Te problemy skutecznie rozwiązują impregnaty na bazie grafitu koloidalnego i eksfoliowanego, które można stosować do 450°C, a w środowisku redukcyjnym praktycznie bez ograniczeń – do 2000°C.

Grafit elastyczny jako materiał uszczelniający

Grafit elastyczny, nazywany także grafitem ekspandowanym, powstaje z naturalnego grafitu płatkowego, który charakteryzuje się doskonałymi właściwościami smarnymi ale gorszymi możliwościami uszczelniającymi. Jednakże po wyekspandowaniu i ponownym sprężeniu przekształca się w miękką, elastyczną masę, stąd określenie grafit elastyczny. Jest odporny na działanie środków chemicznych i wysokiej temperatury, ma bardzo niski współczynnik tarcia oraz jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła, znacznie lepszym niż włókna węglowe i grafitowe. Dzięki temu może być stosowany do uszczelnień wałów, nawet przy ograniczonym przecieku i bez systemu cieczy chłodzącej.

Ponieważ grafit elastyczny charakteryzuje się niską wytrzymałością mechaniczną, wytwarzanie z niego włókna lub przędzy standardowymi metodami jest niemożliwe. Zwykle wykonuje się to przez prasowanie grafitu elastycznego wokół pilota – niewielkiej wiązki włókien wzmacniających, co powoduje, iż szczeliwo dziedziczy zarówno właściwości grafitu elastycznego, jak i włókien użytych na pilota. Standardowo stosuje się włókna węglowe lub grafitowe, szklane, a także włókna naturalne. W celu uzyskania odporności na wysokie ciśnienie do przędzy dodaje się wiązkę drutów metalowych lub oplot z siatki ze stopu wysokotemperaturowego, jak inconel, stal chromowa lub stopy wysoko niklowe.

Ponieważ grafit elastyczny jest materiałem homogenicznym o bardzo niskiej przepuszczalności dla gazów i cieczy, nie wymaga w zasadzie dodatkowych środków blokujących przepływ. Jednak zbyt duża ilość zbrojenia lub włókien wzmacniających może niekorzystnie wpłynąć na szczelność i powodować konieczność użycia impregnatu. Jako że czysty grafit jest materiałem stosunkowo kruchym, dzięki dodatkowi środka impregnującego można poprawić jego właściwości mechaniczne, nadając mu lepszą konsystencję, co ma duże znaczenie dla pewności montażu i rozruchu uszczelnienia.

Zakres stosowania i ograniczenia dla uszczelnień na bazie węgla i grafitu

Jak już wcześniej wspominaliśmy, zakres stosowania szczeliw z włókien węglowych i grafitowych wynika przede wszystkim z ograniczeń temperaturowych środków impregnujących, takich jak PTFE. Szczeliwa z grafitu elastycznego bez dodatku impregnatów mogą natomiast pracować w wyższych temperaturach – zasadniczo przyjmuje się, że do 450°C dla mediów utleniających i 550°C dla pary wodnej. W środowisku mediów nieutleniających wysokiej jakości czysty grafit praktycznie nie ma ograniczeń temperaturowych.

Uszczelnienia z grafitu elastycznego i włókna grafitowego zachowują odporność chemiczną w pełnym zakresie 0 – 14 pH. Jedynym ograniczeniem są media silnie utleniające, takie jak stężony kwas siarkowy, fluorowodorowy, azotowy powyżej 20%, ciekły tlen itp. Niestety grafit jest materiałem silnie anizotropowym i podatnym na ścieranie (stąd jego świetne właściwości smarne), dlatego nie jest zalecane stosowanie tych szczeliw w warunkach mediów abrazyjnych, krystalizujących lub cieczy z zawartością cząstek stałych. W takim wypadku polecane jest stosowanie szczeliw wzmocnionych na narożach materiałem odpornym na ścieranie. Ograniczenia te nie dotyczą szczeliw węglowych, które są bardziej podatne na wpływy chemiczne, ale za to posiadają dużą odporność na ścieranie i z powodzeniem radzą sobie w przepompowniach ścieków i systemach odwadniania.

Można powiedzieć, że przebyliśmy długą drogę od czasu, gdy podstawą budowy uszczelnień były włókna organiczne i azbest aż do obecnych technik opartych na graficie, wysokosprawnych polimerach i włóknach aramidowych. Prawdopodobnie przyszłość szczeliw dławnicowych jawi się w „czarnych barwach” w oparciu o materiały na bazie węgla i grafitu, zarówno w formie włóknistej, homogenicznej, jak i kompozytowej. Materiały te są obecnie intensywnie rozwijane w zakresie osiągów technicznych, ale także w zakresie nowych, bardziej ekonomicznych technik wytwarzania.