石墨压力容器研究进展

殷小明* 宋友立 朱旭晨 王 克

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 引言

石墨是一种过渡型晶体碳，为非金属脆性材料，其具有良好的导热性及耐腐蚀性，常用于制造压力容器。石墨压力容器属于非金属压力容器，被广泛应用于石油、化工、医药、冶金等领域。石墨压力容器，包含的容器类型较多，根据用途不同可分为换热器类、合成炉类、反应釜类及塔类等[1]。最常见的石墨压力容器是石墨换热器，其应用领域广、使用量大、结构形式多样。石墨压力容器的制造、安装、使用及检验过程都应遵循TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中的规定，其性能与石墨的材料及制造工艺有关，当石墨材料采用不同的浸渍工艺时，其物理特性和使用寿命也不同[2]。

1 石墨压力容器的制造研究

用于制造石墨压力容器的石墨为不透性石墨，不透性石墨是经过处理的人造石墨。人造石墨是一种多孔性材料，在制造过程中，有机物气化逸出，使其内部产生空隙及通孔，易导致石墨开裂或渗漏，使用时需对石墨材料进行不透性处理，消除空隙及通孔，使其成为不透性石墨。常用的石墨原料主要有两种：一种是热挤压型粗颗粒结构材料——冶金电极石墨，另一种是冷压型细颗粒结构材料——电碳石墨。冶金电极石墨坯材颗粒大、结构粗糙、性能差、利用率及成本低，而电碳石墨坯材颗粒细、导热性能好、强度大、技术难度和成本较高。不透性石墨包括浸渍石墨、浇注石墨及压制石墨，石墨压力容器的换热元件常采用浸渍石墨来制造。石墨压力容器的性能与石墨的原材料及石墨的制造工艺过程紧密相关。

水丹萍等[3]对石墨材料浸渍工艺的技术要点进行了分析，浅析了浸渍剂质量控制、石墨件存放、浸渍过程和热固化过程的质量控制及石墨浸渍前后的质量检验的方法及重要性。石墨受压元件的制造过程必须在合格的浸渍工艺评定的指导下展开。石墨浸渍过程的质量控制对石墨压力容器的耐压、耐腐蚀性能至关重要。

杭玉宏等[4]对不透性石墨材料的浸渍工艺以及与浸渍工艺评定相结合的相关标准进行了详细介绍，并对浸渍石墨的浸渍剂要求及浸渍工艺过程细则进行了说明。

TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中新增了压力容器用石墨的渗透系数的要求来确保产品的安全性能，但并没有给出明确的试验方法和标准。顾伟群[5]提出了一种浸渍石墨渗透系数的真空试验法和计算方式，并对该试验方法进行了验证。

吴召洪等[6]对酚醛树脂浸渍石墨的热稳定性进行了研究，结果表明：在160 ℃固化条件下，浸渍石墨增重率最大、开孔气率最低、肖氏硬度最高；但在140 ℃固化条件下，浸渍石墨的抗折强度最高，热稳定性较好。当固化温度超过450 ℃时，浸渍石墨开始分解，热稳定性较差。

刘国钦等[7]研究了不同的石墨粒度对膨胀石墨孔隙结构的影响后发现，采用不同粒度石墨制备的膨胀石墨孔隙结构的特征区别不大，但其尺寸随石墨粒度呈现规律性变化，石墨粒度对石墨的膨胀倍数具有较大影响。

不同的浸渍剂直接影响浸渍石墨的耐腐蚀性及稳定性，不透性石墨浸渍工艺质量控制及评定对石墨制压力容器的质量起着至关重要的作用。石墨颗粒度越大，密度越低，石墨坯材的机械强度就越低，稳定性也越差，在进行不透性处理时，使用的浸渍量也越多。石墨压力容器坯材材料制造工艺对石墨材料的颗粒度影响较大，也是目前需要解决的技术难题。

2 石墨压力容器的失效研究

石墨压力容器在实际使用过程中面临各种失效问题，甚至导致停工停产，降低生产效率，造成财产损失。对石墨压力容器进行失效分析研究时，首先，可以在设计阶段对石墨压力容器的结构进行充分改进，其次，在石墨压力容器的安装及使用过程中应当特别注意，降低对石墨压力容器的损伤及破坏程度。

郭志明[8]对某化工装置中石墨换热器在开车过程中石墨上封头发生破裂导致设备失效的问题进行了详细调查及分析，从而有效解决了设备故障，并提出了改进措施。调查后发现，由于石墨热传递性能较好，石墨受热伸长量大于金属的伸长量，螺栓承受的载荷较大，使上盖板失稳变形，局部出现应力集中的现象，进一步导致石墨上封头受力不均匀，最终发生断裂。他也提出了相应的临时预防措施，即在开车过程中缓慢升温，减缓由于石墨膨胀较快导致应力不均匀而产生破裂的进程，长期措施则是对设计结构进行优化，使上盖板加厚。吴彩霞[9]也发现，大型PVC项目中介质为气体的石墨换热器在开车时封头产生破裂，导致物料泄漏，她对石墨换热器的结构设计、安装及开车提出了建议，解决了石墨换热器上封头破裂的问题。

何飞等[10]对列管式石墨换热器失效原因进行研究后发现，通常石墨列管式换热器的换热管与浮头之间通过胶泥粘接，但二者的膨胀系数完全不同，当加热或冷却时，石墨换热管极易破裂，影响设备运行，且维修不便。他们同时提出了一种新型连接结构，将陶瓷换热管放置在浮头里，通过石墨套管与填料进行密封，再用石墨套管挤压，避免密封处泄漏。这种新型碳化硅陶瓷结构连接与密封形式的密封性较好、拆卸方便、维修简单。

朱小峰等[11]发现列管式石墨换热器管板与换热管间的配合对产品质量有较大的影响。换热管与管板间常采用粘接连接，而常规检修方法会使换热面积越来越小，换热效率越来越低，无法满足换热目的和生产需求。因此，他们取消了原有的连接方式，设计了一种新的连接结构，即采用螺纹石墨管和O 形圈进行密封，石墨管可以沿滑槽自由移动，不会由于膨胀而受到温度限制，同时也保证了检修面积。

王明等[12]发现硅钢酸再生机组预脱硅区域的孔氏石墨换热器频繁出现污垢堵塞的情况，难以疏通，影响了生产效率。通过对污垢堵塞故障进行分析后发现，堵塞物主要是SiO2，因此在系统中增加了在线碱洗系统设备。在线碱洗系统设备可以有效解决石墨换热器被污垢堵塞的问题，减少了维修次数，降低了维修费用和备件损坏的几率。

石墨压力容器属于特种设备，失效后果非常严重，对石墨压力容器的故障进行研究与分析后可以发现，主要问题为设计结构、材质、安装方式及污垢等导致设备失效，降低了生产效率，增加了维修次数及成本。为了降低石墨压力容器的失效概率，可以从以下几个方面进行改进:

（1）设计人员应充分了解石墨压力容器的使用场所、介质及材质特性，在设计时应充分考虑石墨压力容器材质的膨胀系数、温度应力、强度等关键指标。

（2）在安装时，安装人员应尽量降低安装应力，不要使石墨压力容器直接承受作用力，可以适当借助膨胀节、垫片及其他辅助设备。

（3）在使用时，生产人员应严格按照操作规程，对其进行定期检查及维护保养，一旦发现有结垢及其他故障，应及时找出原因并采取相关措施。

3 石墨压力容器的应用研究

研究石墨压力容器在不同的行业中的使用情况对认识石墨压力容器的特性具有重要意义，充分了解其特性对指导石墨压力容器的设计、选型、优化、安装及修理过程具有较大帮助。

戴佐峰等[13]结合PVC 生产工艺对圆块式石墨换热器在PVC 行业的应用情况进行了介绍，并对比了圆块式与列管式石墨换热器的换热特性和效果。详细介绍了HCL 冷却器、一二级石墨冷却器、预热器、合成气冷却器及EDC 冷却器等设备的使用原理及情况，结合具体使用情况分析了石墨换热器的原材料对不同介质的承受能力及选型时的优缺点。

吴峰等[14]对石墨换热器在盐酸解析工艺中的应用进行了介绍，结合盐酸解析的生产工艺对YKB 型圆块孔式石墨换热器内、外结构设计的优势进行了分析。石墨换热器内部间接换热件采用圆柱形石墨材质，其轴向和径向为物料通道，二者互不相通，上下封头、石墨块之间采用聚四氟乙烯垫密封，石墨块轴向孔介质为解析液，径向孔介质为蒸气，这种直角设计传热效率高、性能稳定、抗冲击且耐高温。

石海英[15]对石墨制三合一盐酸合成炉工艺系统应用进行了分析，并提出了改进方向。石墨制三合一盐酸合成炉是将氯气、氢气合成氯化氢气体，吸收、反应、冷却三个过程在一个设备内完成。该结构减少了工艺系统管线数量，缩小了占地面积，操作较为便利。但为了使三合一盐酸合成炉的效率更高、应用更广，当设备的直径和高度不变时，分别对视镜及吸收液体再分布控制、吸收圆块及石墨筒体进行了改进。

赵玄等[16]介绍了石墨换热设备在氯化苯生产中的应用情况。石墨材料对氯化苯生产中的苯、氯苯及酸性介质具有良好的适用性，石墨材质的换热设备在粗馏及精馏回收苯工艺中的使用寿命远远长于碳钢材质。并从石墨换热器的特性、材质、结构及应用等角度出发，对石墨换热设备的安装、使用及修理提出了详细的建议。

戴佐峰[17]对石墨合成炉在氯碱工业中的应用进行了研究及分析，分别从颗粒大小、浸渍剂及石墨化程度等原材料的特性等方面分析了其对合成炉的使用寿命和安全性能的影响，并结合盐酸生产工艺对合成炉的选型、加工、使用及安全问题进行了详细分析，对石墨合成炉的设计及优化具有指导意义。

江鲁奔[18]对石墨制四合一盐酸合成炉在FL100-120 t 盐酸生产项目中的使用情况进行了介绍，根据合成炉的结构特点及工作原理说明了国产石墨合成炉在盐酸生产工艺中的作用及优势，并对合成炉的运行状态及异常情况进行了分析，并提供了解决方案，该合成炉安全可靠、使用合理且效率较高。

根据相关研究可以看出，石墨压力容器具有优良的导热性和耐腐蚀性，在盐酸、氯碱及氨等生产过程中被广泛应用，详细了解石墨材料性能和实际应用过程中石墨压力容器的使用特性，对指导石墨压力容器的选型、加工、结构设计及优化具有重要意义。

4 结论

石墨压力容器的安全性能与石墨材料的制造及工艺密切相关，石墨材料的研究及工艺过程的质量控制对提升石墨制压力容器的寿命和安全性能有着重要影响，同时结合石墨压力容器的失效研究结果，可以为石墨压力容器设计、安装及维修过程提供参考。