Energetyka cieplna i zawodowa zużywają duże ilości uszczelnień służących do uszczelniania pary wodnej, o temperaturze często powyżej 500^oC. Aktualnie stosowane bezazbestowe materiały miękkie do zastosowań wysokotemperaturowych to wszystkim grafit ekspandowany, Firma SPETECH jako lider w branży uszczelnień przemysłowych wykorzystuje płyty, folie, laminaty z grafitu ekspandowanego Sigraflex^® firmy SGL Carbon.

Folia grafitowa Sigraflex^® nie wykazuje żadnych oznak starzeniowych w kontakcie z większością stosowanych mediów. Jest to podstawowy walor, który sprawia, że w zastosowaniach przemysłowych właśnie ekspandowany grafit typu Sigraflex^® jest najpowszechniej aktualnie stosowanym materiałem uszczelniającym w Energetyce. Ze względu na utrwaloną w międzyczasie znajomość tego materiału oraz systematycznie malejące koszty związane z jego stosowaniem, wiele prognoz przewiduje także w przyszłości jego powszechne stosowanie. W związku jednak ze stale podnoszonymi przez użytkowników uszczelnień wymaganiami dotyczącymi trwałości firma SGL Carbon oraz producenci uszczelek np. SPETECH prowadzi od wielu lat prace nad obniżeniem skutków utleniania grafitu, który to efekt może być uciążliwy w temperaturach powyżej 400-450^oC. W tej bowiem temperaturze zaczyna się reakcja utleniania.

Jak pokazuje doświadczenie, szybkość utleniania zależy od następujących zasadniczych czynników:

- temperatury, 

- warunków ekspozycji – w szczególności wielkością powierzchni kontaktu z powietrzem atmosferycznym, warunkami zabudowy i postacią konstrukcyjną połączenia,

- łatwości penetracji w głąb grafitu – a więc od stopnia zagęszczenia,

i wreszcie - od rodzaju grafitu podobnego ekspozycji.

Te właśnie czynniki wyznaczają też kierunki rozwoju uszczelnień wysokotemperaturowych. Jednym z kierunków jest zatem specjalna konstrukcja uszczelki ograniczająca dostęp powietrza do materiału miękkiego. Będą to ogólnie takie konstrukcje, w których występuje element metalowy „zamykający” uszczelkę od strony atmosferycznej. Przykłady takich konstrukcji pokazuje rys. 1. Jak widoczne jest na w/w przykładach, zewnętrzna powierzchnia walcowa uszczelek jest metalowa, a więc przenikanie powietrza od zewnątrz, skrośnie przez metalowy element nie występuje. Ponadto można doprowadzić do doszczelnienia styku przylgi i zewnętrznego, metalowego elementu, w sposób uniemożliwiający wnikanie powietrza przez obszar kontaktu.

Rys. 1. Przykłady konstrukcji uszczelnień SPETECH o podniesionej odporności na utlenianie.

Można to osiągnąć np. wykorzystując zewnętrzne okuwki w pozycjach 1,2,3,4,8 rys. 1; dobierając folię grafitową o grubości ok. 2/3 głębokości wrębu – pozycja 5; odpowiednio modyfikując powierzchnie oporowe w pozycji 6 czy też stosując dwie strefy materiału miękkiego w uszczelkach spiralnych – pozycja 7. Są także rozwiązania polegające na zapobieganiu kontaktowi grafitu z tlenem, poprzez tworzenie przestrzeni buforowych z gazem ochronnym. To ostatnie rozwiązanie stosuje się np. przy uszczelnieniach pokryw armatury pracującej w temperaturze ponad 600^oC.

Rys. 2. Względna utrata masy w % różnych typów grafitu.

Innym sposobem jest obniżenie temperatury uszczelnienia. Rozwiązania takie spotyka się np. w armaturze rafineryjnej. Zabieg polega na wydłużeniu pokrywy tak, że dławnica  znajduje się w pewnym oddaleniu od strumienia medium, a ponadto jest żebrowana na kształt radiatora.

I wreszcie kierunek działania, który podjęto stosunkowo niedawno. Jest nim modyfikowanie odporności na utlenianie samego materiału. Zauważono, że skłonność do utleniania jest ściśle związana w pierwszej kolejności z pochodzeniem złóż grafitu naturalnego (rys. 2). Śladowa zawartość niektórych metali wpływa zasadniczo na katalizowanie procesu utleniania. Pierwszym więc krokiem do podniesienia trwałości jest właściwa selekcja grafitu, tj. stosowanie wyrobów wyłącznie z materiałów wykazujących niejako naturalnie niskie tempo utleniania.

Kolejnym krokiem jest modyfikowanie odporności na utlenianie poprzez dodanie inhibitorów utleniania. W tej chwili na rynku obecne są dwa specjalne materiały grafitowe z inhibitorami: Sigraflex^®APX oraz Sigraflex^®APX2. Materiały te zostały rozwinięte przez ostatnie lata, ze względu na rosnące wymagania dotyczące trwałości. Wynika to z wydłużania się cykli remontowych oraz faktu podnoszenia parametrów mediów dla zwiększenia sprawności obiegów (tzw. parametry nadkrytyczne pary wodnej).

Rys. 3. Porównanie szybkości utleniania (600°C, 1h) grafitu standardowego
(z lewej)i SPETOGRAF GUS^®30 zawierający inhibitor utleniania. 

Wprowadzenie tworzywa Sigraflex^®APX pozwala na ok. 10-krotne wydłużenie trwałości uszczelnień pracujących w wysokich temperaturach i niezawodną pracę w obiegach o podniesionych parametrach, z kolei Sigraflex APX2 trwałość tą wydłuża ok. 30-krotnie.

Na rysunku 3 pokazano tempo utleniana różnych uszczelek grafitowych.

Na rynku istnieje wiele rodzajów uszczelnienień grafitowych, z których niektóre nie tylko nie zawierają katalizatory utleniania. Są to zanieczyszczenia takimi pierwiastkami jak mangan, sód które przyspieszają utlenianie grafitu. Przykład takiej uszczelki po ok. 6 miesiącach eksploatacji pokazano na rysunku 4. Widoczny jest wyraźny ubytek masy od strony dostępu powietrza (z zewnątrz).

Warto zaznaczyć, że istnieje norma EN14772:2005 definiująca 3 kategorie grafitu pod względem utlenienia (1h, 670°C):

- utlenienie 2 do 4%

- utlenienie 10 do 15%

- utlenienie powyżej 20-30%

Rys. 4. Uszczelka grafitowa po 6 miesiącach, para wodna 535oC

Najwyższą jakość wg powyżej normy spełnia Sigraflex^® APX i APX2.

Z grafitu Sigraflex^®APX wykonywane są przez SPETECH wszystkie postaci konstrukcyjne uszczelnień serii SPETOGRAF^® GUS^®30 (a więc GUS^®30, GUS^®31, GUS^®32, GUS^®33 itd.) Wszystkie postaci konstrukcyjne uszczelek wielokrawędziowych – SPETOMET^® MWK^® i DryFlex^®, spiralnych SPETOSPIR^®, armaturowych Grafmet^®, itp. mogą być stosowanie z folią Sigraflex^®APX lub APX2. Zastosowanie tych uszczelnień nie wymaga modyfikowania połączeń kołnierzowo-śrubowych, naciągów śrub itd., gdyż wszelkie parametry mechaniczne uszczelki są identyczne jak w wykonaniu standardowym. Równocześnie stosowanie nowej technologii wprowadzania inhibitora powoduje zachowanie czystości grafitu oraz jego odporności chemicznej.

Autor: dr inż. Radosław Sieczkowski