石墨換熱設(shè)備浸漬工藝探討

李 剛*

（淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 前言

石墨換熱設(shè)備具有較良好的耐腐蝕性、耐熱性及良好的傳熱效果，在石油、化工等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。但炭石墨材料是多孔材料，坯料的氣孔率可達(dá)20%～30%,這會(huì)降低石墨換熱設(shè)備的力學(xué)性能，一般可以通過浸漬的方法制備不透性石墨材料，浸漬劑性能是影響石墨換熱設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。酚醛樹脂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，親和性好，價(jià)格低，不需要添加其他固化劑，除了堿、強(qiáng)氧化性酸介質(zhì)外的石墨設(shè)備多選用酚醛樹脂作為浸漬劑。

某石墨換熱設(shè)備制造企業(yè)以酚醛樹脂、改性酚醛樹脂作為浸漬劑，介紹了浸漬工藝評(píng)定的一般程序、浸漬固化過程以及試樣的制備、試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)結(jié)果，比較了兩種浸漬劑的性能，驗(yàn)證了浸漬固化工藝的正確性。

1 浸漬固化工藝

浸漬工藝評(píng)定試樣制備、試驗(yàn)程序如圖1 所示。

圖1 浸漬工藝評(píng)定程序

1.1 浸漬前的準(zhǔn)備工作

檢查浸漬工藝所需自控裝置、浸漬罐、固化罐、樹脂貯存罐及真空泵和空氣壓縮機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

檢查浸漬前的原材料是否符合質(zhì)量指標(biāo)要求；用于浸漬的人造石墨材料應(yīng)無(wú)裂紋、局部松動(dòng)、干顆粒、大通孔等缺陷，材質(zhì)均勻、表面不應(yīng)有油污及雜物等，質(zhì)量指標(biāo)可見表1，理化指標(biāo)符合YB/T 2818—2005《石墨塊》標(biāo)準(zhǔn)。

表1 石墨材料質(zhì)量指標(biāo)

A 組選用酚醛樹脂浸漬劑，B 組選用改性樹脂浸漬劑，酚醛樹脂中加入20%糠醇樹脂（質(zhì)量比）。浸漬劑選用某樹脂公司生產(chǎn)的酚醛樹脂，相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)可見表2。

表2 浸漬劑質(zhì)量指標(biāo)

石墨試驗(yàn)塊取樣時(shí)，以相同原料、配方及生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的同一規(guī)格不超過30 t 的石墨作為一批，隨機(jī)抽樣，數(shù)量不少于3 塊。

1.2 石墨件烘干處理

（1）吹灰處理

用壓縮空氣吹掃石墨電極孔道內(nèi)、換熱件表面附著的石墨粉及雜質(zhì)，以防止阻塞浸漬表面空隙，影響浸漬效果。

（2）烘干處理

在烘干罐內(nèi)通電加熱，升溫至120 ～140 ℃，保溫3 h 后取出并自然冷卻，從而除去石墨管料氣孔中的水分。烘干時(shí)，釜蓋與釜之間需留出20 ～30 mm的間距，以保證水蒸氣充分散發(fā)。

1.3 浸漬、固化處理

（1）真空操作

將石墨件放在吊筐內(nèi)，石墨件應(yīng)留有間隙，以使樹脂與表面充分接觸，裝好后將吊筐放入立式浸漬罐中密封。打開真空泵管線閥門，開啟真空泵，將釜內(nèi)及石墨孔隙中的空氣抽出，真空度達(dá)到-0.098 MPa（不得低于-0.096 MPa），保持2.5 h，然后打開樹脂貯罐閥門，吸入樹脂, 樹脂應(yīng)浸沒石墨件并確保液位不低于150 ～200 mm。

（2）浸漬加壓操作

抽完樹脂保持真空狀態(tài)30 min 后，開啟排空閥，當(dāng)真空度降為0 時(shí)，關(guān)閉真空管線，打開壓縮空氣管線，開啟壓縮機(jī)，對(duì)浸漬罐進(jìn)行加壓，當(dāng)壓力達(dá)到0.70 MPa 后，保壓3 h。開啟壓力表閥門前必須先關(guān)閉真空度表，以免損壞真空度表。保壓后，開啟樹脂貯存罐閥門，將樹脂壓回后打開排氣閥，當(dāng)罐內(nèi)、外壓相等時(shí)打開罐蓋。

（3）樹脂流掛處理

浸漬卸壓后，應(yīng)在浸漬釜內(nèi)做適當(dāng)?shù)牧鲯焯幚恚幚頃r(shí)間為6 h。

（4）固化處理

將浸漬好的石墨件送入固化罐內(nèi)，石墨件之間應(yīng)有3 mm 以上空隙，防止石墨件黏連。密封后，開啟空壓機(jī)并送入壓縮空氣，加壓至0.7 MPa（不低于浸漬壓力），防止升溫過程中石墨孔隙中的樹脂大量逸出。然后按照設(shè)定的升溫程序進(jìn)行固化處理，按照TSG 21—2020《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，最高固化溫度應(yīng)取石墨設(shè)備最高允許工作溫度165 ℃，固化升溫曲線如圖2 所示。固化完成后，排空并緩慢卸壓，使其自然冷卻至室溫，打開固化罐，取出石墨件降溫,至此完成一次浸漬和熱處理工藝。浸漬及固化過程，一般要重復(fù)循環(huán)3 次才能滿足質(zhì)量要求。

圖2 固化升溫曲線

2 試樣制備與試驗(yàn)步驟

2.1 抗拉強(qiáng)度試樣

2.1.1 制備

試樣尺寸及形狀如圖3 所示，試樣表面粗糙度≤3.2 μm,試樣有效斷裂部位表面不應(yīng)帶有影響試驗(yàn)結(jié)果的缺陷，每組試樣共10 個(gè)。

圖3 抗拉試樣（單位：mm）

2.1.2 試驗(yàn)條件及步驟

（1）為了驗(yàn)證石墨材料的力學(xué)性能，浸漬工藝評(píng)定內(nèi)容應(yīng)包括石墨材料室溫及材料最高允許使用溫度下的抗拉強(qiáng)度。A、B 兩組試樣分別在室溫和165℃條件下進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)采用WDS 型液晶顯示電子試驗(yàn)機(jī)，將試樣放入試驗(yàn)夾具中，然后將試驗(yàn)夾具裝入試驗(yàn)機(jī)上端，使其自然下垂到中心位置，再將試驗(yàn)夾具裝入試驗(yàn)機(jī)下端。

（3）平衡地施加載荷，確保加載速度為10 ～15 mm/min直至試樣斷裂，讀取試件斷裂時(shí)的載荷值。

（4）將合格試樣編號(hào)，并標(biāo)明斷裂有效部位，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣有效斷裂部位截面尺寸。

按下式計(jì)算石墨件抗拉強(qiáng)度σb，單位為MPa。

式中：p——試樣斷裂時(shí)的載荷值， N；

D——試樣直徑， mm。

2.2 抗彎強(qiáng)度試樣

2.2.1 制備

試樣尺寸及形狀如圖4 所示，試樣表面粗糙度≤3.2 μm,每組試樣為10 個(gè)。

圖4 抗彎試樣（單位：mm）

2.2.2 試驗(yàn)裝置

抗彎試驗(yàn)裝置如圖5 所示，上壓頭寬度應(yīng)大于或等于石墨塊材試樣直徑，上壓頭長(zhǎng)度不小于80 mm；支座跨距L=100 mm。

圖5 抗彎試驗(yàn)裝置（單位：mm）

2.2.3 試驗(yàn)步驟

（1）沿試樣軸向測(cè)量3 處，每處測(cè)量互相垂直的直徑各處1 次，取所得6 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

（2）按要求調(diào)整好支座跨距，放好試樣，且使壓頭、支座軸向皆垂直于試樣軸。

（3）壓頭壓在試樣上，以5 ～10 mm/min 的加載速度均勻、無(wú)沖擊地施加載荷，直至試樣斷裂，讀取斷裂負(fù)荷值。

石墨件抗彎強(qiáng)度σ 可按下式計(jì)算，單位為MPa。

式中：L—支座跨距， mm。

2.3 抗壓強(qiáng)度試樣

2.3.1 制備

試樣尺寸及形狀如圖6 所示，試樣受壓面平行度偏差≤0.05 mm，試樣表面粗糙度≤3.2μm,每組試樣為10 個(gè)。

圖6 抗壓試樣（單位：mm）

2.3.2 試驗(yàn)裝置

抗壓試驗(yàn)裝置如圖7 所示。

圖7 抗壓試驗(yàn)裝置

2.3.3 試驗(yàn)步驟

（1）沿試樣軸向測(cè)量3 處，每處測(cè)量互相垂直的直徑各處1 次，取所得6 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

（2）將試樣放在試驗(yàn)機(jī)臺(tái)工作面中心，試樣周圍有1 個(gè)保護(hù)套，防止試樣斷裂時(shí)碎塊飛出。

（3）壓頭壓在試樣上，以10 ～15 mm/min 的加載速度均勻、無(wú)沖擊地施加載荷，直至試樣斷裂，并讀取斷裂時(shí)的負(fù)荷值。

石墨件抗壓強(qiáng)度σ可按下式計(jì)算：

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 抗拉強(qiáng)度

試樣A、B 兩組在不同的溫度下拉伸試驗(yàn)結(jié)果可見表3。

表3 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 抗彎強(qiáng)度

試樣A、B 兩組在室溫下抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可見表4。

表4 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 抗壓強(qiáng)度

試樣A、B 兩組在室溫下抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可見表5。

表5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

石墨試樣的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)性能指標(biāo)均符合GB/T 21432—2021《石墨制壓力容器》不透性石墨材料物理力學(xué)性能的規(guī)定值，試驗(yàn)匯總結(jié)果可見表6。

表6 試驗(yàn)結(jié)果匯總

由表6 可見，改性樹脂浸漬劑石墨試樣的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度性能指標(biāo)高于單純選用酚醛樹脂的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，改性酚醛樹脂的浸漬性能好于酚醛樹脂，實(shí)際生產(chǎn)過程中可以根據(jù)用戶的需求，優(yōu)先選用改性酚醛樹脂；同時(shí)，石墨件生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)浸漬劑的種類，按照評(píng)定合格的工藝評(píng)定（CMQ）,編制浸漬工藝規(guī)程（CMS），制造中應(yīng)嚴(yán)格控制浸漬、固化處理的溫度、時(shí)間、壓力等工藝參數(shù)，確保石墨件的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

當(dāng)以下因素發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行工藝評(píng)定工作：

（1）碳或者石墨材料（例如材料制造單位、等級(jí)或者批號(hào)、密度范圍、顆粒度范圍）；

（2）合成樹脂（例如材料制造單位、樹脂牌號(hào)、比重范圍、室溫下的黏度范圍、重要成分及范圍）；

（3）工藝參數(shù)（例如工藝壓力范圍、工藝時(shí)間范圍、工藝溫度范圍、真空范圍）。