Sızdırmazlık Ürünlerinde Malzeme Seçimi: Karbon, SiC, Elastomer ve PTFE Rehberi

Sızdırmazlık ürünlerinde malzeme seçimi, bir salmastranın akışkanla temas eden her parçası için kimyasal uyumu, sıcaklık ve basınç sınırını ve aşınma davranışını aynı anda karşılayan malzemeyi belirlemektir. Mekanik salmastrada bu karar üç grubu kapsar: yüzey çifti, elastomer veya PTFE ikincil sızdırmazlık elemanları ve metal parçalar; yumuşak salmastra ve contada ise örgü ve levha malzemesi seçilir.

Bu gruplar birbirinden bağımsız değildir. Doğru seçilmiş bir silisyum karbür yüzey, akışkanla uyumsuz bir o-ring yüzünden birkaç hafta içinde kaçak yapmaya başlayabilir; dayanıklı bir elastomer de klorürlü suda çatlayan bir yayı kurtaramaz. Salmastranın ömrünü çoğu zaman en zayıf malzemesi belirler. Bileşenlerin salmastra içindeki görevi için mekanik salmastra nedir yazısına bakabilirsiniz.

Bu rehber önce seçimi belirleyen etkenleri sıralar; ardından yüzey çiftlerini, elastomerleri, PTFE'yi, metal parçaları ve yumuşak salmastra ile conta malzemelerini ayrı ayrı ele alır. Sonunda ortama göre bir seçim tablosu ve malzeme uyumsuzluğundan doğan tipik arızalar yer alır. Tablolardaki değerlendirmeler nitel bir ön eleme aracıdır; kesin seçim akışkan analizi ve üretici malzeme verisiyle yapılır.

Malzeme kararı akışkanın adıyla değil, çalışma koşullarının tamamıyla verilir. Aynı pompa gün içinde proses akışkanı, yıkama suyu ve temizlik kimyasalı görebilir; seçim bu listenin en zorlayıcı kalemine göre yapılır.

Etkenler birbirini sınırlar: bir elastomer oda sıcaklığında uyumlu olduğu bir akışkanda yüksek sıcaklıkta şişebilir; bir karbon kalitesi temiz suda uzun süre çalışıp aynı suya kum karıştığında kısa sürede aşınabilir. Bu yüzden uyumluluk tabloları her zaman sıcaklık ve partikül içeriğiyle birlikte okunur. Bu bölümdeki listede yer alan etkenler genellikle bu sırayla değerlendirilir.

• Ortam (akışkan): kimyasal yapı, pH, çözücü içeriği, oksitleyici özellik ve yağlama kabiliyeti. Elastomer ve karbon emdirmesi için ilk eleme ölçütü budur.
• Sıcaklık: sürekli çalışma sıcaklığı kadar en düşük sıcaklık ve temizlik döngüsü, buharla sterilizasyon veya kısa kuru çalışma sırasındaki tepe değer. Elastomer sınıfının sıcaklık uygunluğu sürekli değere göre değil, bu tepe değere göre kontrol edilir.
• Basınç: yüzeylere binen yükü, dolayısıyla sürtünme ısısını artırır; elastomerde boşluğa ekstrüzyon riskini büyütür. Yüksek basınçta daha sert elastomer kalitesi veya destek halkası gerekebilir.
• Hız: çevresel hız, basınçla birlikte PV değerini oluşturur. PV yükseldikçe ısıl iletkenliği yüksek yüzey malzemeleri öne çıkar.
• Partikül ve aşındırıcı içerik: katı yük arttıkça yumuşak karbon yüzey hızla aşınır; sert/sert yüzey çifti ve korumalı mekanizma gerekir. Ayrıntılar için aşındırıcı sıvılar için mekanik salmastra rehberine bakın.
• Gıda, ilaç ve içme suyu gereksinimi: FDA, ABD'de gıda ile temas eden malzemelerin formülasyonunu düzenleyen kuralları belirler; WRAS, Birleşik Krallık'ta içme suyu ile temas eden ürün ve malzemeler için bir onay programıdır. Bu gereksinimler malzeme sınıfını değil, sınıf içindeki uygun kaliteyi seçtirir.
• Maliyet ve ömür dengesi: gerekmediği yerde FFKM veya sert/sert yüzey çifti ömür kazancı sağlamadan maliyet ekler; sınırda çalışan ucuz bir malzeme ise tasarrufu erken arızayla geri alır.

Birincil sızdırmazlığı, biri dönen diğeri sabit iki yüzey sağlar ve salmastra malzemeleri arasında en çok yük taşıyan grup budur. Yerleşik pratik, yüzeylerden birinin diğerinden yumuşak olmasıdır: yumuşak yüzey karşısındakine uyum sağlar ve aşınma kontrollü ilerler. İki sert yüzeyin birlikte çalıştığı çiftler genellikle aşındırıcı ortamlara, yüksek yüzey yüküne veya karbonun kimyasal olarak uygun olmadığı akışkanlara ayrılır.

Yumuşak yüzey tarafında seçim neredeyse her zaman karbon grafittir. Seçim açısından önemli olan, karbonun hangi emdirmeyle sipariş edildiğidir: reçine emdirilmiş kaliteler su ve genel kimyasallarda, antimon emdirilmiş kaliteler daha yüksek basınç ve sıcaklıkta ve yüksek viskoziteli yağlarda görülen kabarmaya (blister) karşı tercih edilir; kostik ve kuvvetli asit servislerinde emdirmenin o ortama dayanıklı olması ayrıca istenir. Karbonun kendi kendini yağlaması kısa kuru çalışma anlarında salmastrayı korur; katı yüklü akışkanda ise yumuşaklığı en büyük zayıflığıdır ve hızla aşınır.

Sert yüzey tarafında seçim çoğu zaman silisyum karbürle (SiC) başlar; sertliği, ısıl iletkenliği ve kimyasal direnci onu en yaygın sert yüzey yapar. Ortama göre seçimde belirleyici olan, SiC'nin iki üretim tipinden hangisinin istendiğidir. Serbest silisyum içermeyen sinterlenmiş SiC (SSiC) kostik, kuvvetli asit ve yüksek saflık gerektiren servislerde güvenli seçimdir; daha ekonomik reaksiyon bağlı SiC (RBSiC) nötr akışkanlarda ve temiz suda yeterlidir, ancak serbest silisyumu kuvvetli alkalide ve hidroflorik asitte çözünebilir. Bu yüzden kostik bir hat için şartnameye tip belirtmeden yalnızca SiC yazmak eksik bir tanımdır. Her iki tip de kırılgandır.

Tungsten karbür (WC), tokluğun sertlikten daha önemli olduğu yerde SiC'nin alternatifidir: titreşim, kavitasyon ve darbe yükü taşıyan pompalarda yüzey kenarı daha az kırılır. Malzeme seçiminde dikkat edilecek ayrıntı bağlayıcıdır; asidik veya deniz suyu içeren ortamlarda kobalt yerine nikel bağlayıcılı kalite istenir. Alümina seramik ise maliyetin belirleyici olduğu temiz su uygulamalarının sert yüzeyidir; ısıl iletkenliği düşük olduğundan termal şoka duyarlıdır ve kuru çalışma riski taşıyan hatlarda genellikle tercih edilmez.

Ürün verisinde MS-7 SiC, tungsten karbür ve karbon yüzey seçenekleriyle listelenir. Sertlik, ısıl iletkenlik ve malzeme kodlarıyla ayrıntılı karşılaştırma için silisyum karbür ve tungsten karbür rehberine bakın.

Bu bölümdeki tablo en yaygın yüzey çiftlerini, malzeme seçiminde en sık belirleyici olan üç ölçüte göre karşılaştırır: kuru çalışma ve termal şok davranışı, aşındırıcı ortama uygunluk ve asit ile baz karşısındaki sınırlar. Bir çiftin uygunluğu yalnızca malzemeye değil; salmastra tasarımına, yıkama düzenine ve çalışma noktasına da bağlıdır.

Temiz akışkanlarda çoğu uygulama karbon grafitli bir çiftle çözülür; sert/sert çiftler aşındırıcı partikül veya yüksek mekanik yük olduğunda devreye girer. Sert/sert çiftlerin kuru çalışma toleransı düşüktür; bu nedenle kesintisiz bir yağlama, yıkama veya bariyer akışkanı güvencesiyle birlikte kurulurlar.

Elastomerler mekanik salmastranın ikincil sızdırmazlık elemanlarıdır: dönen yüzeyi mil veya gömlek üzerinde, sabit yüzeyi gövde içinde sızdırmaz tutar ve o-ring ya da elastomer körük biçiminde kullanılır. O-ringli (pusher) tasarımlarda dinamik o-ring, yüzey aşınmasını izlemek için eksenel yönde kayar; şişen veya sertleşen bir elastomer bu hareketi kilitler; yüzeyler açılır ve kaçak yüzeylerde görülse de kök neden elastomerdir.

NBR (nitril kauçuk), mineral yağlar, yakıtlar, su ve soğutma suyu ile iyi uyum gösteren ekonomik, genel amaçlı bir elastomerdir; ozon, hava koşulları ve sıcak suda sınırlıdır. Hidrojenlenmiş türevi HNBR ısı ve ozon direncini artırır. EPDM ise sıcak su, buhar, glikollü soğutma suyu, seyreltik asit ve bazlar ile ketonlarda iyi davranır; buna karşılık mineral yağ ve hidrokarbonlarla temas ettiğinde şişer. Bu nedenle EPDM elemanların montajında mineral yağ esaslı gres yerine uyumlu bir kaydırıcı kullanılır.

FKM (florokarbon kauçuk); hidrokarbonlar, yağlar, yakıtlar ve aromatik çözücülerde çok iyi, çoğu mineral asitte iyi direnç gösterir ve yüksek sıcaklık kapasitesiyle proses pompalarında yaygındır. Zayıf olduğu ortamlar ketonlar, esterler, aminler, kuvvetli bazlar ile sıcak su ve buhardır; standart kalitelerin düşük sıcaklık esnekliği de sınırlıdır. FKM ile EPDM birbirinin neredeyse tersi bir uyumluluk profili çizer; ikisi arasındaki seçim çoğu zaman akışkanın hidrokarbon mu, yoksa su ve polar çözücü mü olduğuna göre netleşir.

FFKM (perfloroelastomer), tam florlu omurgası sayesinde elastomerler arasında en geniş kimyasal direnci ve en yüksek sıcaklık kapasitesini sunar; agresif kimyasalların yüksek sıcaklıkla birleştiği veya akışkan listesinin çok geniş olduğu kimya proseslerinde kullanılır. Bedeli yüksek birim maliyettir. Kalrez®, DuPont'un tescilli markasıdır; malzemenin jenerik adı FFKM'dir. Ayrıntılar için FFKM ve Kalrez® rehberine bakın. Silikon (VMQ) ise geniş sıcaklık aralığı sunar, ancak yırtılma ve aşınma direnci düşük olduğundan dinamik sızdırmazlıkta sınırlı kullanılır.

PTFE (politetrafloroetilen) sızdırmazlık ürünlerinde üç yerde karşımıza çıkar: mekanik salmastrada ikincil sızdırmazlık elemanı olarak, yumuşak salmastrada örgü ipliği veya emdirme malzemesi olarak ve flanş contalarında levha malzemesi olarak. PTFE sızdırmazlık halkalı mekanik salmastra, elastomer o-ring yerine PTFE kama, V-halka veya körük kullanan salmastradır; elastomerin uyumsuz kaldığı geniş kimyasal listelerde tercih edilir.

PTFE'yi seçtiren iki özellik vardır. Birincisi kimyasal dirençtir: karbon zinciri tamamen flor atomlarıyla çevrili olduğundan asitlere, bazlara ve çözücülerin büyük çoğunluğuna karşı inerttir; bilinen istisnalar erimiş alkali metaller ve elementel flor gibi çok reaktif maddelerdir. İkincisi düşük sürtünmedir: katı malzemeler arasında en düşük sürtünme katsayılarından birine sahiptir ve yapışmaz bir yüzey sunar. Tipik sürekli kullanım sıcaklığı yaklaşık 260 °C'ye kadar çıkar ve çok düşük sıcaklıklarda da tokluğunu korur.

Sınırları ise tasarımı doğrudan şekillendirir. PTFE sabit yük altında oda sıcaklığında bile zamanla akar; bu soğuk akış (sünme) sıcaklıkla artar ve kama contada sıkılığın, flanş contasında cıvata yükünün azalmasına yol açar. Elastikiyeti çok düşüktür: sıkıştırıldıktan sonra bir elastomer gibi geri yaylanmaz. Isıl genleşme katsayısı metallere göre kat kat yüksektir; ısınma ve soğuma döngülerinde boyutu çevresindeki metal parçalardan farklı değişir. Isıl iletkenliği ve saf hâldeki aşınma direnci de düşüktür.

Bu nedenle mekanik salmastrada PTFE elemanlar genellikle bir yayla yüklenir: kama halka yay kuvvetiyle yuvasına itilir ve soğuk akışla oluşan gevşeme yay tarafından telafi edilir. Elastikiyet gereken yerlerde florpolimer (FEP veya PFA) kaplı o-ringler kullanılır; kaplama kimyasal direnci, içteki FKM veya silikon çekirdek geri yaylanmayı sağlar. Bu o-ringler yine de elastomer kadar esnek değildir; montajda kaplamanın çizilmemesi gerekir. Cam, karbon veya grafit dolgulu PTFE kaliteleri soğuk akışı azaltır ve aşınma direncini artırır. Ürün verisinde IS-1 Istanbul o-ring ve kama contalı montajla ve PTFE seçeneğiyle listelenir.

Yumuşak salmastrada saf PTFE iplikten örülmüş halkalar kimyasal olarak agresif akışkanlarda ve gıda uygulamalarında kullanılır; ancak ısıl iletkenliği düşük olduğundan yüksek çevresel hızda ısınır. Grafit katkılı PTFE iplikler ısıyı daha iyi uzaklaştırır; PTFE emdirilmiş aramid veya karbon örgülerde ise PTFE yağlayıcı ve dolgu işlevi görür. Ürün verisinde SQ5000 saf PTFE yumuşak salmastra olarak tanımlanır. Contada saf PTFE levha soğuk akış nedeniyle sınırlı kalır; dolgulu (modifiye) PTFE levhalar soğuk akışı azaltır, genleştirilmiş PTFE (ePTFE) ise düzgün olmayan flanş yüzeylerine iyi uyum sağlar.

Bu bölümdeki tablo beş ikincil sızdırmazlık malzemesinin ortam sınıflarına göre genel uygunluğunu verir. Sıcaklık değerleri kaliteye bağlı yaklaşık aralıklardır; aynı sınıftaki farklı formülasyonlar belirgin biçimde ayrışabilir. Kesin uyumluluk, akışkanın derişimi ve sıcaklığıyla birlikte üretici malzeme verisinden doğrulanmalıdır.

DIN 24960 ve EN 12756 malzeme kodunun ikincil sızdırmazlık hanesinde (3. hane) bu sınıflar harf kodlarıyla anılır; yaygın karşılıklar P = NBR, E = EPDM, V = FKM, K = FFKM ve T = PTFE biçimindedir. Aynı harfler yüzey hanelerinde başka malzemeleri gösterir; örneğin yüzey hanesinde V alümina seramiktir. PTFE için verilen aralık malzemenin kendi sınırıdır; kama veya körük tasarımı ve basınç bu aralığı daraltabilir.

Mekanik salmastranın metal parçaları; yaylar, sürücü ve tutucu parçalar, gömlek, flanş ve körüklü tasarımlarda metal körüktür. Bu parçalar sızdırmazlığı doğrudan sağlamaz, ama akışkanla temas ettikleri için seçimi korozyon direnci belirler. Genel endüstriyel uygulamaların çoğunda AISI 316 sınıfı östenitik paslanmaz çelik kullanılır; düşük karbonlu 316L kaynaklı parçalarda ve hijyenik uygulamalarda yaygındır. Daha az agresif su uygulamalarında 304 sınıfı da kullanılabilir.

Klorür içeren ortamlar paslanmaz çeliğin zayıf noktasıdır. Molibden, 316'ya 304'e göre daha iyi çukurcuk korozyonu direnci kazandırır; ancak deniz suyu, tuzlu su ve sıcak klorürlü çözeltilerde 316 da çukurcuk ve gerilmeli korozyon çatlağına uğrayabilir. Bu ortamlarda dubleks paslanmaz çelikler daha yüksek dayanım ve klorür direnci sunar; daha ağır koşullarda süper dubleks, titanyum veya nikel esaslı alaşımlar değerlendirilir.

Yaylar bu açıdan en hassas parçadır: sürekli gerilme altında çalışırlar ve tel kesitleri incedir, dolayısıyla korozyon payları yok denecek kadar azdır. Çok yaylı tasarımlardaki küçük kesitli yaylar, tek yaylı tasarımlardaki kalın yaya göre korozyona ve tıkanmaya daha duyarlıdır. Kuvvetli asitler ve sıcak klorürlü ortamlar için yaylar C-276 gibi nikel-molibden-krom alaşımlarından üretilebilir. Metal körüklerde de ince cidar nedeniyle malzeme çoğu zaman gövdeden daha dirençli seçilir; körüklü tasarımların yeri için mekanik salmastra çeşitleri rehberine bakabilirsiniz.

İki ayrıntı daha gözden kaçmamalıdır. Farklı metallerin aynı akışkan içinde temas etmesi galvanik korozyonu hızlandırabilir. Yüksek sıcaklık ve derişimdeki kostik çözeltilerde ise östenitik paslanmaz çeliklerde gerilmeli korozyon çatlağı riski vardır; bu servislerde nikel ve nikel esaslı alaşımlar öne çıkar.

Yumuşak salmastra ve conta, mekanik salmastradan farklı bir prensiple çalışır. Yumuşak salmastrada örgülü halkalar bir gland ile mil çevresine sıkıştırılır ve soğutma için kontrollü bir damlama bırakılır; contada ise malzeme iki sabit flanş arasında sıkıştırılarak statik sızdırmazlık sağlar. Grubun yumuşak salmastra ve conta markası Carrara'dır. İki teknolojinin karşılaştırması için mekanik ve yumuşak salmastra yazısına bakabilirsiniz.

Yumuşak salmastrada malzeme; akışkan, sıcaklık, basınç ve özellikle mil çevresel hızına göre seçilir. Hız arttıkça sürtünme ısısını uzaklaştırma kabiliyeti belirleyici olur; bu yüzden grafit ve karbon elyaf yüksek hızlarda, saf PTFE daha düşük hızlarda öne çıkar. Aşındırıcı akışkanlarda aramid gibi sert elyaflar aşınmaya direnir, ancak mil veya gömlek yüzeyini de aşındırabilir; bu durumda sertleştirilmiş gömlek tercih edilir. Ürün verisinde GR8800 PAN karbon iplik ve grafit tozlu premium bir örgü, N1706 ise aramid elyaf örgü olarak listelenir. Vana milinde kullanılan örgülerin kaçak emisyon performansı ise, pompa uygulamasından ayrı olarak, API 622 gibi tip testi standartlarıyla değerlendirilir.

Conta malzemesi seçiminde akışkan ve sıcaklığa ek olarak flanş tipi, cıvata yükü ve basınç sınıfı belirleyicidir. Sıkıştırılmış elyaf levhalarda sıcaklık ve kimyasal sınırı büyük ölçüde bağlayıcı elastomer belirler; grafit levhalar yüksek sıcaklık ve buharda kullanılır ve sıklıkla metal takviyeyle güçlendirilir; dolgulu PTFE levhalar kimyasal flanşlarda tercih edilir. Ürün verisinde Planiflon B13 silika dolgulu modifiye PTFE conta levhası olarak tanımlanır.

Bu bölümdeki tablo yaygın ortam sınıfları için çoğu uygulamada başlangıç noktası olan kombinasyonları verir. Tablo bir ön eleme aracıdır: derişim, sıcaklık, partikül yükü ve temizlik kimyası değiştikçe seçim de değişir; karışık akışkanlarda en kısıtlayıcı bileşen esas alınır.

Aynı ortam sınıfı içinde bile koşullar seçimi değiştirebilir. Örneğin seyreltik bir asit için yeterli olan FKM, aynı asidin derişik ve sıcak hâlinde yetersiz kalabilir; temiz suda uzun ömür veren karbon grafit / SiC çifti, suya kum karıştığında yerini SiC / SiC çiftine bırakabilir.

Malzeme kaynaklı arızaların çoğu, sökülen salmastranın üzerinde okunabilir bir iz bırakır. Bu bölümdeki listede yer alan belirtiler yanlış eşleşmenin hangi malzemede olduğunu gösterir ve bir sonraki seçimde neyin değişmesi gerektiğini işaret eder. Arıza analizinin genel yöntemi için mekanik salmastra arıza ve bakım rehberine bakabilirsiniz.

• Elastomer şişmesi: o-ring büyür, yumuşar ve yuvasından taşar; dinamik o-ring kayamaz, yüzeyler teması kaybeder. Neden genellikle uyumsuz akışkan veya montajda kullanılan uyumsuz gres olur.
• Sertleşme, çatlama ve kalıcı deformasyon: elastomer genellikle sıcaklık sınırının üzerinde çalışmış, kuru çalışmada aşırı ısınmış ya da kimyasal atağa uğramıştır (örneğin FKM'de aminler); kesiti düzleşmiş, yüzeyi çatlamış o-ring geri yaylanmaz.
• Karbon yüzeyde kabarma ve pullanma: viskoz yağlarda ve sık dur-kalk koşullarında görülür; emdirme tipinin uygulamaya göre seçilmesi gerekir.
• SiC yüzeyde pürüzlenme: kuvvetli alkali veya sıcak kostik servisinde reaksiyon bağlı SiC'nin serbest silisyum fazı çözünür; bu servislerde sinterlenmiş SiC seçilir.
• Tungsten karbür yüzeyde tane kopması: asidik ortamda kobalt bağlayıcı seçici olarak çözünür; nikel bağlayıcılı kalite veya SiC değerlendirilir.
• PTFE elemanda incelme ve yük kaybı: soğuk akış nedeniyle kama veya conta zamanla şekil değiştirir; yay yüklemesi, dolgulu kalite veya yeniden sıkma gerekir.
• Yay kırılması ve çukurcuk: klorürlü ortamda paslanmaz çelik yayda çukurcuk korozyonu ve gerilmeli korozyon çatlağı görülür; daha dirençli alaşım veya proses dışında kalan yay düzeni gerekir.

Meccanotecnica Umbra Turkey, İtalyan mekanik salmastra üreticisi Meccanotecnica Umbra S.p.A.'nın Türkiye şirketidir. İstanbul İkitelli OSB'den; otomotiv, beyaz eşya ve endüstriyel pompalar için mekanik salmastra, yumuşak salmastra, conta ve döner mafsal üretir ve tedarik eder.

Birçok endüstriyel serinin ürün verisi SiC ve karbon yüzeyleri NBR, EPDM ve FKM elastomerlerle birlikte listeler; DR2-S ve HUHNSEAL bu kombinasyonların örnekleridir. Malzeme önerisi için akışkanın adı ve derişimi, temizlik ve yıkama sıvıları, sıcaklık aralığı ve tepe değeri, salmastra odası basıncı, mil çapı ve devir, partikül içeriği ve varsa gıda veya içme suyu gereksinimi birlikte değerlendirilir. Seri bazında seçenekler için ürün kataloğunu inceleyebilir, uygulama verinizle bize ulaşabilirsiniz.