Propiedades y usos del grafito de carbono

Los productos derivados del petróleo impulsan vehículos, calientan edificios y producen electricidad. En 2021, el consumo de petróleo de Estados Unidos promedió alrededor de 19,78 millones de barriles por día, lo que incluía alrededor de un millón de barriles de biocombustibles. Los productos del petróleo y el gas son partes integrales de la infraestructura de las sociedades. El grafito de carbono tiene una combinación de propiedades que permiten su uso en equipos rotativos y sus componentes, como sellos mecánicos/de gas seco, cojinetes de bombas, asientos de válvulas, generadores y compresores para producir, distribuir y mover petróleo y gas.

La primera propiedad del uso de grafito de carbono es su resistencia a la temperatura. Ya sean altas temperaturas como 350 F a 1100 F en ambientes oxidantes y hasta 6000 F en ambientes no oxidantes, o temperaturas criogénicas que oscilan entre -30 F y -450 F, estos materiales tienen un bajo coeficiente de expansión térmica, lo que significa que el tamaño y la forma del material no cambian drásticamente con un cambio de temperatura.

Una propiedad distintiva del carbono es su resistencia a la corrosión frente a cientos de productos químicos. Estos incluyen, entre otros, benceno, dióxido de azufre, petróleo, formaldehído, hidrocarburos y mercurio. El grafito de carbono es una forma alotrópica de carbono. Los átomos de carbono están unidos entre sí en un patrón hexagonal mediante enlaces covalentes y forman capas de grafeno. Estos enlaces son fuertes, lo que dificulta los ataques de otras sustancias químicas. El grafito se considera más inerte que otros elementos y formas de carbono.

El grafito de carbono también tiene características autolubricantes. Las capas de grafeno están unidas entre sí mediante fuerzas de Van der Waals. Estas son fuerzas de atracción débiles entre átomos. A diferencia de los enlaces iónicos o covalentes, estas atracciones no resultan de un enlace químico electrónico; son comparativamente débiles y por lo tanto más susceptibles a las perturbaciones.

Permitir que las capas de grafeno del grafito de carbono se froten contra el material de contacto llenando la rugosidad de la superficie y creando una película hidrodinámica esencialmente permite que el grafito corra contra sí mismo. Esta capacidad de autolubricación le da al material la capacidad de no atascarse ni irritarse en condiciones de funcionamiento en seco. Dado que es autolubricante y tiene propiedades térmicas y eléctricas, el material de grafito de carbono tampoco produce chispas. La chispa se denomina aquí chispa mecánica o de fricción.

Una propiedad final del grafito de carbono es la porosidad disponible en el material durante el proceso de horneado. Después de mezclar y moldear componentes de carbono en bruto que consisten en polvos de carbono y aglutinantes, el material verde se envía a través de un proceso de horneado controlado y libre de oxígeno para carbonizar el aglutinante de brea, endureciéndolo y convirtiéndolo así en carbono amorfo.

Durante el proceso de horneado, se produce desgasificación, lo que significa que los hidrocarburos de la brea se eliminan debido al calor extremo, dejando una estructura de carbono amorfa. Durante la desgasificación, estos gases salen del material, dejando una red de porosidad interconectada. Esta porosidad brinda a los fabricantes de carbono la capacidad de impregnar el material con varios tipos de metales, resinas y sales, que pueden mejorar o agregar propiedades mecánicas/químicas adicionales al grafito de carbono. La siguiente parte de este artículo detallará los grafitos de carbono impregnados utilizados para productos y aplicaciones en equipos rotativos.

Una válvula de bola es una válvula de cierre que controla el flujo de un líquido o gas. Para ello, utiliza una bola con un agujero cilíndrico en el medio. Cuando la válvula de bola está abierta, el orificio de la válvula de bola está alineado con la tubería para permitir que el medio fluya.

En la posición cerrada, la válvula gira 90 grados. Un componente que se puede fabricar con grafito de carbono son los asientos de válvula. Se sientan sosteniendo la pelota. El sellado se produce cuando la presión aguas arriba aumenta, empujando la bola y el asiento aguas arriba en la dirección del flujo hacia el asiento aguas abajo.

La impregnación comúnmente utilizada para el grafito de carbono en esta aplicación es el coque. El coque es el residuo sólido que queda después de calentar los carbones bituminosos a alta temperatura. El residuo es principalmente carbono, tiene pocas impurezas y tiene una estructura grafítica desarrollada.

El coque le da al material base una mejor resistencia química y a la oxidación. Como resultado, las propiedades físicas del material siguen siendo las mismas en condiciones de aplicación extremas. Este material ayuda a que las válvulas de seguridad contra incendios cumplan con los estándares 607 del Instituto Americano del Petróleo (API).

Existe una variedad de bombas, que van desde bombas centrífugas para lodos hasta bombas sumergibles verticales. Dado que cada uno tiene diferentes parámetros de funcionamiento, el grafito de carbono es una solución óptima para los rodamientos de bombas. La función del rodamiento es soportar un eje en movimiento. Un ejemplo de bomba centrífuga es una bomba de turbina vertical. Estas bombas mueven fluido, como por ejemplo petróleo, desde un depósito subterráneo profundo hasta el nivel del suelo.

El tipo de impregnación necesaria en el grafito de carbono depende del tipo de bomba y de las condiciones físicas a las que estarán expuestos los rodamientos. Existen muchos tipos de impregnaciones. Dos, en particular, han demostrado funcionar bien en una amplia gama de aplicaciones de bombas. Estos son Babbitt y níquel. Babbitt es un metal blando con fuertes propiedades lubricantes. Es el mejor para aplicaciones de agua a baja temperatura donde el rodamiento funciona sumergido. El grafito de carbono impregnado de níquel es fuerte y tiene la mejor resistencia a la corrosión. Es común en bombas que experimentan altas cargas y temperaturas.

Los sellos de gas seco son tipos de sellos mecánicos que no hacen contacto y funcionan en seco. Contienen caras de sello que constan de un anillo de acoplamiento y un anillo primario. El anillo de acoplamiento gira, mientras que el anillo primario permanece estacionario. Utilizan productos químicos diferentes a los de otros sellos mecánicos para que no causen contaminación. Estos sellos se encuentran en entornos de trabajo hostiles, como exploración, extracción, refinación y transmisión de gas de petróleo.

El componente del anillo primario suele estar hecho de grafito de carbono impregnado con antimonio. El antimonio añade rigidez e impermeabilidad para proporcionar un colchón de aire. También es estable en un amplio rango de temperaturas, lo que le permite enfrentar productos químicos como aceite caliente e hidrocarburos en temperaturas de hasta 700 F, o con oxígeno/hidrógeno líquido en temperaturas tan bajas como -450 F.

Robert Riccio es ingeniero de aplicaciones en Metallized Carbon Corporation. Obtuvo una licenciatura en ingeniería con especialización en ingeniería mecánica del Instituto Politécnico Rensselaer en 2019. Tiene más de tres años de experiencia profesional en diseño y fabricación. Puede ser contactado en [email protected]. Para obtener más información, visite www.metcar.com.