Eigenschaften und Verwendung von Kohlenstoffgraphit

Erdölprodukte treiben Fahrzeuge an, heizen Gebäude und erzeugen Strom. Im Jahr 2021 betrug der durchschnittliche Erdölverbrauch der Vereinigten Staaten etwa 19,78 Millionen Barrel pro Tag, darunter etwa eine Million Barrel Biokraftstoffe. Öl- und Gasprodukte sind integraler Bestandteil der Infrastruktur einer Gesellschaft. Kohlenstoffgraphit verfügt über eine Kombination von Eigenschaften, die den Einsatz in rotierenden Geräten und deren Komponenten wie mechanischen/trockenen Gasdichtungen, Pumpenlagern, Ventilsitzen, Generatoren und Kompressoren zur Produktion, Verteilung und Bewegung von Öl und Gas ermöglichen.

Die erste Eigenschaft der Verwendung von Kohlenstoffgraphit ist seine Temperaturbeständigkeit. Unabhängig davon, ob es sich um hohe Temperaturen wie 350 bis 1.100 F in oxidierenden Umgebungen und bis zu 6.000 F in nicht oxidierenden Umgebungen oder um kryogene Temperaturen im Bereich von -30 bis -450 F handelt, haben diese Materialien einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, d. h. die Größe und Form des Materials ändern sich bei einer Temperaturänderung nicht drastisch.

Eine besondere Eigenschaft von Kohlenstoff ist seine Korrosionsbeständigkeit gegenüber Hunderten von Chemikalien. Dazu gehören unter anderem Benzol, Schwefeldioxid, Erdöl, Formaldehyd, Kohlenwasserstoffe und Quecksilber. Kohlenstoffgraphit ist eine allotrope Form von Kohlenstoff. Kohlenstoffatome sind durch kovalente Bindungen in einem hexagonalen Muster miteinander verbunden und bilden Graphenschichten. Diese Bindungen sind stark und erschweren Angriffe durch andere Chemikalien. Graphit gilt als inerter als andere Elemente und Formen von Kohlenstoff.

Kohlenstoffgraphit verfügt außerdem über selbstschmierende Eigenschaften. Die Graphenschichten werden durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden. Dabei handelt es sich um schwache Anziehungskräfte zwischen Atomen. Im Gegensatz zu ionischen oder kovalenten Bindungen resultieren diese Anziehungskräfte nicht aus einer chemischen elektronischen Bindung; sie sind vergleichsweise schwach und daher anfälliger für Störungen.

Dadurch, dass die Graphenschichten aus Kohlenstoffgraphit am Gegenmaterial abreiben, die Oberflächenrauheit ausfüllt und ein hydrodynamischer Film entsteht, kann der Graphit im Wesentlichen gegen sich selbst laufen. Diese selbstschmierende Fähigkeit verleiht dem Material die Fähigkeit, unter trockenen Betriebsbedingungen nicht festzufressen oder zu verschleißen. Da es selbstschmierend ist und über thermische und elektrische Eigenschaften verfügt, ist Kohlenstoffgraphitmaterial außerdem funkenfrei. Der Funke wird hier als mechanischer oder Reibungsfunke bezeichnet.

Eine letzte Eigenschaft von Kohlenstoffgraphit ist die im Material durch den Backprozess verfügbare Porosität. Nach dem Mischen und Formen der rohen Kohlenstoffbestandteile, bestehend aus Kohlenstoffpulvern und Bindemitteln, durchläuft das Grünmaterial einen kontrollierten, sauerstofffreien Backprozess, um das Pechbindemittel zu karbonisieren, es so zu verfestigen und in amorphen Kohlenstoff umzuwandeln.

Während des Backprozesses kommt es zu Ausgasungen, was bedeutet, dass Kohlenwasserstoffe im Pech durch extreme Hitze ausgetrieben werden und eine amorphe Kohlenstoffstruktur zurückbleibt. Beim Ausgasen dringen diese Gase aus dem Material heraus und hinterlassen ein Netzwerk miteinander verbundener Porosität. Diese Porosität gibt Kohlenstoffherstellern die Möglichkeit, das Material mit verschiedenen Arten von Metallen, Harzen und Salzen zu imprägnieren, die den Kohlenstoffgraphit entweder verbessern oder ihm zusätzliche mechanische/chemische Eigenschaften verleihen können. Im nächsten Teil dieses Artikels werden imprägnierte Kohlenstoffgraphite detailliert beschrieben, die für Produkte und Anwendungen in rotierenden Geräten verwendet werden.

Ein Kugelhahn ist ein Absperrventil, das den Durchfluss einer Flüssigkeit oder eines Gases steuert. Dies geschieht durch die Verwendung einer Kugel mit einem zylindrischen Loch in der Mitte. Bei geöffnetem Kugelhahn ist das Loch im Kugelhahn auf das Rohr ausgerichtet, um den Durchfluss des Mediums zu ermöglichen.

In der geschlossenen Position ist das Ventil um 90 Grad gedreht. Eine Komponente, die aus Kohlenstoffgraphit hergestellt werden kann, sind die Ventilsitze. Sie sitzen da und umfassen den Ball. Die Abdichtung erfolgt, wenn der stromaufwärtige Druck ansteigt und die Kugel und der stromaufwärtige Sitz in Strömungsrichtung zum stromabwärtigen Sitz gedrückt werden.

Die bei dieser Anwendung üblicherweise für Kohlenstoffgraphit verwendete Imprägnierung ist Koks. Koks ist der feste Rückstand, der nach dem Erhitzen von Steinkohle auf eine hohe Temperatur zurückbleibt. Der Rückstand besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff, weist wenige Verunreinigungen auf und weist eine ausgeprägte Graphitstruktur auf.

Koks verleiht dem Grundmaterial eine bessere Oxidations- und Chemikalienbeständigkeit. Dadurch bleiben die physikalischen Eigenschaften des Materials auch unter extremen Einsatzbedingungen erhalten. Dieses Material trägt dazu bei, dass Brandschutzventile die Standards 607 des American Petroleum Institute (API) erfüllen.

Es gibt eine Vielzahl von Pumpen, von Kreiselpumpen bis hin zu vertikalen Tauchpumpen. Aufgrund der jeweils unterschiedlichen Laufparameter ist Kohlenstoffgraphit eine optimale Lösung für Pumpenlager. Die Funktion des Lagers besteht darin, eine bewegliche Welle zu stützen. Ein Beispiel für eine Kreiselpumpe ist eine vertikale Turbinenpumpe. Diese Pumpen fördern Flüssigkeiten, beispielsweise Öl, aus einem tiefen unterirdischen Reservoir auf Bodenniveau.

Die Art der erforderlichen Imprägnierung von Kohlenstoffgraphit hängt vom Pumpentyp und den physikalischen Bedingungen ab, denen die Lager ausgesetzt sind. Es gibt viele Arten von Imprägnierungen. Insbesondere zwei haben sich in einer Vielzahl von Pumpenanwendungen bewährt. Dies sind Babbitt und Nickel. Babbitt ist ein weiches Metall mit robusten Schmiereigenschaften. Es eignet sich am besten für Wasseranwendungen mit niedrigen Temperaturen, bei denen das Lager unter Wasser läuft. Mit Nickel imprägnierter Kohlenstoffgraphit ist stark und weist die beste Korrosionsbeständigkeit auf. Dies kommt häufig bei Pumpen vor, die hohen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt sind.

Trockengasdichtungen sind Arten von Gleitringdichtungen, die berührungslos und trocken laufen. Sie enthalten Gleitflächen, die aus einem Gegenring und einem Primärring bestehen. Der Gegenring dreht sich, während der Primärring stationär bleibt. Sie verwenden andere Chemikalien als andere Gleitringdichtungen, sodass sie keine Kontamination verursachen. Diese Dichtungen werden in rauen Arbeitsumgebungen wie der Ölexploration, der Förderung, der Raffinierung und der Gasübertragung eingesetzt.

Die Primärringkomponente besteht normalerweise aus mit Antimon imprägniertem Kohlenstoffgraphit. Antimon erhöht die Steifigkeit und Undurchlässigkeit und sorgt so für ein Luftpolster. Es ist außerdem in einem weiten Temperaturbereich stabil und kann daher Chemikalien wie heißem Öl und Kohlenwasserstoffen bei Temperaturen bis zu 700 °F oder flüssigem Sauerstoff/Wasserstoff bei Temperaturen von bis zu -450 °F ausgesetzt werden.

Robert Riccio ist Anwendungsingenieur bei Metallized Carbon Corporation. Er erwarb 2019 einen Bachelor-Abschluss in Ingenieurwissenschaften mit Schwerpunkt Maschinenbau am Rensselaer Polytechnic Institute. Er verfügt über mehr als drei Jahre Berufserfahrung in Design und Fertigung. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.metcar.com.