कार्बन सील 90% से ज़्यादा औद्योगिक पंपों में दिखाई देते हैं। आपने शायद दर्जनों बार इनका सामना किया होगा, बिना यह सोचे कि ये असल में कैसे काम करते हैं।
संक्षिप्त उत्तर यह है: कार्बन सील एक यांत्रिक सीलिंग उपकरण है जो तरल या गैस रिसाव को रोकने के लिए कार्बन ग्रेफाइट पदार्थ का उपयोग करता है, जिसे घूमते हुए शाफ्ट कॉलर पर दबाया जाता है। कार्बन रिंग स्थिर रहती है जबकि एक स्प्रिंग इसे घूमती हुई मेटिंग सतह पर दबाए रखती है।
कार्बन सील कैसे काम करता है?
कार्बन सील, दो परिशुद्ध मशीनी सतहों के बीच निरंतर संपर्क बनाए रखने के लिए स्प्रिंग दबाव का उपयोग करके, घूर्णनशील और स्थिर सतहों के बीच एक सघन, कम घर्षण अवरोध उत्पन्न करती है।
एक बार जब आप इसे घटकों में तोड़ देते हैं तो तंत्र सरल हो जाता है।
बुनियादी घटकों को समझना
प्रत्येक कार्बन सील में चार आवश्यक भाग एक साथ काम करते हैं।
स्टेटर एक स्थिर रिंग है जो एक ओ-रिंग के ज़रिए पंप हाउसिंग से जुड़ी होती है। यह हिलती नहीं है। रोटर एक घूर्णन रिंग है जो शाफ्ट से जुड़ी होती है, वह भी एक ओ-रिंग के ज़रिए। यह शाफ्ट के साथ घूमती है।
इन दोनों के बीच, आपको वसंत या धौंकनी अक्षीय संपीड़न प्रदान करने वाली प्रणालियाँ। यह स्प्रिंग दाब अत्यंत महत्वपूर्ण है। यह घिसाव या मामूली आयामी परिवर्तनों के बावजूद, चेहरों को संपर्क में रखता है।
सील के दोनों चेहरों को अविश्वसनीय रूप से सपाट सतह पर पॉलिश किया जाता है, आमतौर पर 2-3 लाइट बैंड (जो स्कोर रखने वालों के लिए 0.6-0.9 माइक्रोमीटर है)। इसे परिप्रेक्ष्य में रखें, तो आप एक ऐसी समतलता सहनशीलता देख रहे हैं जो मानव बाल से भी 100 गुना पतली है।
सीलिंग तंत्र की क्रियाविधि
जब पंप चालू होता है तो क्या होता है?
स्प्रिंग घूर्णनशील और स्थिर फलकों के बीच निरंतर संपर्क बल बनाए रखती है। जैसे-जैसे शाफ्ट घूमता है, सील फलकों के बीच एक पतली तरल फिल्म बनती है। यह फिल्म आवश्यक है। यह संपर्क क्षेत्र को चिकनाई प्रदान करती है और ऊष्मा को दूर ले जाती है।
कार्बन के स्व-स्नेहन गुण तुरंत काम करने लगते हैं। कार्बन पदार्थ में मौजूद ग्रेफाइट के कण अपनी अनूठी परतदार आणविक संरचना के कारण एक-दूसरे पर फिसलते हैं। इसे ताश के पत्तों के एक डेक की तरह समझिए। हर परत अगली परत पर आसानी से फिसलती है।
यही कारण है कि कार्बन वहां भी इतनी अच्छी तरह काम करता है जहां अन्य पदार्थ स्वयं ही टुकड़ों में टूट जाते हैं।
स्व-स्नेहन कैसे होता है
जादू सामग्री की संरचना में है। एक सामान्य कार्बन सील फेस में 80% कार्बन / 20% ग्रेफाइट मिश्रण अनुपात का उपयोग किया जाता है।
ग्रेफाइट की संरचना एक लेमिनर (पंखों के बीच की) संरचना होती है। कागज़ की शीटों को एक के ऊपर एक रखने की कल्पना कीजिए। शीटों के बीच के बंधन कमज़ोर होते हैं, इसलिए वे एक-दूसरे के ऊपर से न्यूनतम प्रतिरोध के साथ फिसलते हैं। आणविक स्तर पर ग्रेफाइट के कण मूलतः यही करते हैं।
प्रारंभिक संचालन के दौरान, कार्बन फ़ेस पर कुछ घिसावट होती है। इससे अत्यंत सूक्ष्म कार्बन कण बनते हैं जो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं। ये कण आपस में जुड़कर कार्बन फ़ेस और मेटिंग काउंटरफ़ेस, दोनों पर एक सुरक्षात्मक कार्बन-कण परत बनाते हैं।
यह चमकीली फिल्म एक ठोस स्नेहक का काम करती है। यह स्वयं-नवीनीकृत भी होती है। सील के संचालन के दौरान, फिल्म पदार्थ के निरंतर सूक्ष्म स्थानांतरण के माध्यम से स्वयं को बनाए रखती है।
कार्बन सील के विभिन्न प्रकार क्या हैं?
औद्योगिक अनुप्रयोगों में तीन मुख्य प्रकार प्रमुख हैं, जिनमें से प्रत्येक को विशिष्ट परिचालन स्थितियों के लिए डिज़ाइन किया गया है।
कार्बन ग्रेफाइट मैकेनिकल सील
ये हैं काम करने वाले घोड़े। आपको कार्बन ग्रेफाइट मिलेगा मेकेनिकल सील हर उद्योग में पंप और घूर्णन उपकरण में।
इस डिज़ाइन में कार्बन फ़ेस को सिलिकॉन कार्बाइड, टंगस्टन कार्बाइड या सिरेमिक जैसी काफ़ी सख़्त मेटिंग सामग्री के साथ जोड़ा गया है। यह सख़्त/मुलायम संयोजन घर्षण को कम करता है और घिसाव प्रतिरोध को अधिकतम करता है।
आप इन्हें सिंगल फेस व्यवस्था में प्राप्त कर सकते हैं, जहाँ एक कार्बन फेस सीधे एक कठोर फेस से सील करता है। डबल फेस व्यवस्था में दो कार्बन फेस एक-दूसरे से जुड़े होते हैं, ऐसे अनुप्रयोगों के लिए जिनमें उच्च सीलिंग अखंडता की आवश्यकता होती है। रासायनिक प्रसंस्करण संयंत्र अक्सर खतरनाक तरल पदार्थों के लिए डबल सील निर्दिष्ट करते हैं।
कार्बन रिंग सील
कार्बन रिंग सील एक अलग दृष्टिकोण अपनाती हैं। एक सतत रिंग के बजाय, इनमें खंडित कार्बन रिंग होते हैं जो एक गार्टर स्प्रिंग द्वारा एक साथ बंधे होते हैं।
ये हवा, नाइट्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड जैसी गैर-खतरनाक गैसों के लिए विशेष रूप से कारगर हैं। खंडित डिज़ाइन के कारण, उपकरण के महत्वपूर्ण गति से गुजरने पर रिंग शाफ्ट की रेडियल गति का अनुसरण कर सकते हैं।
नतीजा? लेबिरिंथ सील की तुलना में कम रिसाव, और बियरिंग क्लीयरेंस की तुलना में कम क्लीयरेंस पर काम करने की अतिरिक्त सुविधा। नुकसान यह है कि कार्बन रिंग्स को समय-समय पर बदलने की ज़रूरत पड़ती है क्योंकि वे रगड़ के संपर्क में आते हैं।
संसेचन के प्रकार
सभी कार्बन सील एक जैसे नहीं बनाए जाते। संसेचन सामग्री प्रदर्शन को नाटकीय रूप से प्रभावित करती है।
| संसेचन प्रकार | सर्वोत्तम अनुप्रयोग | तापमान सीमा | प्रमुख लाभ |
|---|---|---|---|
| राल (फेनोलिक/एपॉक्सी) | मानक अनुप्रयोग | 200 ° C तक | लागत प्रभावी, व्यापक रासायनिक अनुकूलता |
| सुरमा धातु | उच्च तापमान/दबाव, API 682 | 350 ° C तक | बेहतर ड्राई-रनिंग, बेहतर तापीय चालकता |
| इलेक्ट्रोग्राफाइट | अत्यधिक तापमान | 538 ° C तक | अधिकतम तापीय स्थिरता |
रेज़िन-संसेचित कार्बन आपका मानक ग्रेड है। यह अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है और बजट से ज़्यादा महंगा नहीं होगा। रेज़िन छिद्रयुक्त कार्बन संरचना को भर देता है, जिससे रिसाव के रास्ते कम हो जाते हैं और मज़बूती बढ़ती है।
एंटीमनी-संसेचित कार्बन सबसे ज़्यादा प्रभावी है। रेज़िन कार्बन उच्च दबाव और उच्च तापमान की परिस्थितियों को सहन नहीं कर सकता। जब उन्होंने एंटीमनी संसेचन पर दोबारा स्विच किया, तो समस्या गायब हो गई।
400°C से अधिक के अत्यधिक तापमान के लिए, इलेक्ट्रोग्राफाइट ही एकमात्र विकल्प है। ग्रेफाइटीकरण प्रक्रिया कार्बन ग्रेफाइट को नियंत्रित वातावरण में 2200°C (4000°F) से ऊपर गर्म करती है। यह अनाकार कार्बन को असाधारण तापीय स्थिरता वाले एक अत्यधिक संगठित ग्राफीन-स्तरित मैट्रिक्स में पुनर्गठित करता है।
कार्बन सील किस सामग्री के साथ जोड़ी जाती है?
मेटिंग सामग्री का चुनाव आपके सील के प्रदर्शन को बना या बिगाड़ सकता है। अगर आप इसमें गलती करते हैं, तो समय से पहले ही खराबी और अनियोजित डाउनटाइम का सामना करना पड़ेगा।
संभोग सामग्री का चयन क्यों मायने रखता है?
ज़्यादातर कॉन्फ़िगरेशन में कार्बन "मुलायम" सतह होती है। ऐसा जानबूझकर किया गया है। मुलायम कार्बन को एक सख़्त सतह के साथ मिलाने से, आपको कम घर्षण और एक स्व-पॉलिशिंग प्रभाव मिलता है जो समय के साथ उत्कृष्ट सतही फ़िनिश बनाए रखता है।
काउंटरफेस सतह की फिनिश बेहद महत्वपूर्ण है। उद्योग के दिशानिर्देशों में 16 माइक्रो-इंच (0.4 माइक्रोमीटर) या उससे कम खुरदरापन निर्दिष्ट किया गया है। अगर सतह इससे ज़्यादा खुरदरी है, तो कार्बन की पॉलिश की हुई परत खुद को टिकाए नहीं रख पाएगी। कार्बन उस सुरक्षात्मक परत को बनाने के बजाय तेज़ी से घिसता है।
कार्बन बनाम सिलिकॉन कार्बाइड बनाम टंगस्टन कार्बाइड
यहां बताया गया है कि तीन मुख्य संभोग सामग्री कैसे ढेर होती हैं:
| संपत्ति | कार्बन ग्रेफाइट | सिलिकन कार्बाइड | टंगस्टन कार्बाइड |
|---|---|---|---|
| कठोरता (मोह) | 1-2 | 9-9.5 | 8-9 |
| स्व-चिकनाई | हाँ | नहीं | नहीं |
| अधिकतम तापमान | 350 डिग्री सेल्सियस | 500° सेल्सियस+ | 400 डिग्री सेल्सियस |
| रासायनिक प्रतिरोध | उत्कृष्ट (ऑक्सीडाइज़र को छोड़कर) | उत्कृष्ट | अच्छा |
| सबसे अच्छा है | स्वच्छ तरल पदार्थ, सूखा चलना | अपघर्षक माध्यम, उच्च तापमान | उच्च दबाव, प्रभाव |
| सापेक्ष लागत | निम्न | उच्च माध्यम | हाई |
अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए सिलिकॉन कार्बाइड और कार्बन ग्रेफाइट का संयोजन सर्वोत्तम माना जाता है।
सिलिकॉन कार्बाइड की कठोरता (मोह्स पैमाने पर 9.5, हीरे के बाद दूसरे स्थान पर) इसे अत्यधिक घिसाव-प्रतिरोधी बनाती है। इसकी तापीय चालकता कार्बन ग्रेफाइट से पाँच गुना अधिक है, जो सीलिंग इंटरफ़ेस से ऊष्मा को नष्ट करने में मदद करती है।
टंगस्टन कार्बाइड शारीरिक रूप से कठिन कार्यों में भी उत्कृष्ट है। यह सिलिकॉन कार्बाइड से अधिक सघन है और अत्यधिक दबाव को बेहतर ढंग से झेलता है।
कार्बन सील की परिचालन सीमाएँ क्या हैं?
प्रत्येक सील सामग्री इसकी भी अपनी सीमाएँ होती हैं। अगर आप उनसे आगे बढ़ेंगे, तो मुसीबत मोल ले लेंगे। कार्बन सील बेहद बहुमुखी हैं, लेकिन उनकी सीमाओं को समझने से उपकरण चलते रहते हैं।
| प्राचल | मानक कार्बन | उच्च प्रदर्शन | इलेक्ट्रोग्राफाइट |
|---|---|---|---|
| अधिकतम तापमान | 200 डिग्री सेल्सियस (392 डिग्री फ़ारेनहाइट) | 350 डिग्री सेल्सियस (662 डिग्री फ़ारेनहाइट) | 538 डिग्री सेल्सियस (1000 डिग्री फ़ारेनहाइट) |
| दबाव की श्रेणी | 100 psi तक वैक्यूम करें | 250 बार तक | एप्लिकेशन-विशिष्ट |
| पीवी सीमा | 150,000 साई-फीट/मिनट | 200,000 साई-फीट/मिनट | बदलता रहता है |
सामान्यतः मैकेनिकल सील -200°C से +450°C तक काम कर सकती हैं और 150 मीटर/सेकंड तक के फिसलन वेग को संभाल सकती हैं। कार्बन सील इस सीमा के एक बड़े हिस्से पर कब्जा कर लेती हैं।
पीवी सीमा (दबाव गुणा वेग) एक उपयोगी दिशानिर्देश है। औद्योगिक असंतुलित सीलों के लिए आमतौर पर 200,000 psi-ft/min की ऊपरी पीवी सीमा का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, 1,750 आरपीएम पर सिरेमिक बनाम कार्बन ग्रेफाइट फेस का उपयोग करने वाली एक आंतरिक सील की पीवी रेटिंग 150°F पानी के साथ 150,000 psi-ft/min हो सकती है, लेकिन हल्के हाइड्रोकार्बन तेल के साथ 205,000 हो सकती है।
कार्बन सील का चयन करते समय इंजीनियरों को क्या विचार करना चाहिए?
चयन में गलतियाँ महंगी पड़ती हैं। उचित मूल्यांकन पर खर्च किए गए कुछ अतिरिक्त घंटे, हफ़्तों के अनियोजित अवकाश से बचाते हैं।
मुख्य चयन मानदंड
- प्रक्रिया द्रव रासायनिक अनुकूलता की ज़रूरतें तय करता है। इसकी श्यानता कितनी है? क्या इसमें ठोस पदार्थ हैं? क्या यह सील के किनारों को पर्याप्त चिकनाई प्रदान करेगा?
- तापमान सब कुछ प्रभावित करता है। मानक कार्बन 200°C तक काम करता है। और चाहिए? एंटीमनी संसेचन या इलेक्ट्रोग्राफाइट का प्रयोग करें। केवल स्थिर-अवस्था संचालन पर ही नहीं, बल्कि तापमान में परिवर्तन पर भी विचार करें।
- दबाव सील डिज़ाइन और सामग्री के चयन को प्रभावित करता है। स्थिर अवस्था का दबाव मायने रखता है, लेकिन उछाल की स्थितियाँ और भी गंभीर हो सकती हैं। उच्च दबाव वाले अनुप्रयोगों में अतिरिक्त मजबूती के लिए एंटीमनी-संसेचित कार्बन की आवश्यकता हो सकती है।
- गति पीवी सीमा को सीधे प्रभावित करता है। शाफ्ट आरपीएम ज़्यादा होने का मतलब है सील के किनारों पर ज़्यादा ऊष्मा उत्पादन। तेज़ गति के लिए ज़्यादा मज़बूत मेटिंग सामग्री या बेहतर शीतलन की आवश्यकता हो सकती है।
- वातावरण सील के आसपास का माहौल मायने रखता है। ऑक्सीकारक कार्बन पर हमला करेंगे। सिर्फ़ सीलबंद तरल पदार्थ का ही नहीं, बल्कि वायुमंडलीय परिस्थितियों का भी मूल्यांकन करें।
- विश्वसनीयता आवश्यकताएँ निर्णयों को दिशा देनी चाहिए। आपका लक्ष्य MTBF क्या है? रखरखाव के लिए उपकरण कितने सुलभ हैं? महत्वपूर्ण अनुप्रयोग लंबे जीवन के साथ उच्च लागत वाली सामग्रियों को उचित ठहराते हैं।
कार्बन का उपयोग कब नहीं करना चाहिए?
कभी-कभी कार्बन पूरी तरह से गलत विकल्प होता है।
ठोस कणों वाला माध्यम नरम कार्बन सतह को जल्दी से घिस देगा। कार्बन भंगुर होता है। घर्षण कण सतह में धँस जाते हैं और कठोर सतह को घिस देते हैं। सिलिकॉन कार्बाइड बनाम सिलिकॉन कार्बाइड जैसे कठोर-पर-कठोर युग्मों पर स्विच करें।
प्रबल ऑक्सीकरण वातावरण कार्बन पर रासायनिक हमला करेगा। कार्बन समय के साथ वस्तुतः CO और CO2 में परिवर्तित हो जाता है।
रंग-संवेदनशील अनुप्रयोग कागज़ और पेंट जैसे उत्पादों के उत्पादन में कार्बन कणों से संदूषण हो सकता है। तैयार उत्पादों में दृश्य दोष अस्वीकार्य हैं।
भगोड़ा उत्सर्जन मानकों के साथ गर्म तेल अनुप्रयोग विभिन्न सामग्रियों की आवश्यकता हो सकती है। कुछ कार्बन ग्रेड वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों के लिए सख्त उत्सर्जन आवश्यकताओं को पूरा नहीं करते हैं।
कुछ विआयनीकृत जल अनुप्रयोग कार्बन पर हमला कर सकता है। विआयनीकृत जल की आक्रामक प्रकृति कुछ कार्बन ग्रेडों को अन्य की तुलना में अधिक प्रभावित करती है। इन अनुप्रयोगों के लिए अपने सील निर्माता से परामर्श करें।
लपेटकर
कार्बन सील एक बेहद सरल तंत्र के माध्यम से द्रव रिसाव को रोकते हैं: स्व-स्नेहन कार्बन ग्रेफाइट सतहें, जो स्प्रिंग दबाव द्वारा संपर्क में बनी रहती हैं। ग्रेफाइट की स्तरित आणविक संरचना एक नवीकरणीय सुरक्षात्मक फिल्म बनाती है जो घर्षण और घिसाव को कम करती है।
यहाँ आपने जिन भौतिक गुणों, संगम युग्मों और संचालन सीमाओं के बारे में सीखा है, वे आपको उचित चयन का आधार प्रदान करते हैं। सिलिकॉन कार्बाइड के साथ कार्बन युग्म अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं। टंगस्टन कार्बाइड उच्च-दाब और उच्च-प्रभाव स्थितियों के लिए उपयुक्त है। तापमान की आवश्यकताएँ यह निर्धारित करती हैं कि आपको रेज़िन, एंटीमनी या इलेक्ट्रोग्राफाइट संसेचन की आवश्यकता है।
90% से ज़्यादा औद्योगिक अनुप्रयोगों में कार्बन प्रमुख सील फ़ेस सामग्री बनी हुई है। यह जल्द ही बदलने वाला नहीं है। स्व-स्नेहन, रासायनिक प्रतिरोध, तापीय स्थिरता और किफ़ायतीपन का इसका अनूठा संयोजन इसे एक अच्छे कारण से डिफ़ॉल्ट विकल्प बनाता है।
लेकिन यह सार्वभौमिक नहीं है। अपघर्षक माध्यमों के लिए सिलिकॉन कार्बाइड युग्म, अत्यधिक तापमान के लिए लेबिरिंथ सील, या ठोस-युक्त तरल पदार्थों के लिए पैकिंग जैसे विकल्पों का मूल्यांकन करें। आपके अनुप्रयोग के लिए सही सील आपकी विशिष्ट परिचालन स्थितियों, विश्वसनीयता आवश्यकताओं और रखरखाव क्षमताओं पर निर्भर करती है।
