Propriétés et utilisations du graphite de carbone

Les produits pétroliers propulsent les véhicules, chauffent les bâtiments et produisent de l'électricité. En 2021, la consommation de pétrole aux États-Unis était en moyenne d'environ 19,78 millions de barils par jour, dont environ un million de barils de biocarburants. Les produits pétroliers et gaziers font partie intégrante de l'infrastructure des sociétés. Le graphite de carbone possède une combinaison de propriétés, lui permettant d'être utilisé dans les équipements rotatifs et ses composants tels que les joints à gaz mécaniques/secs, les roulements de pompe, les sièges de soupape, les générateurs et les compresseurs pour produire, distribuer et déplacer le pétrole et le gaz.

La première propriété de l'utilisation du graphite de carbone est sa résistance à la température. Qu'il s'agisse de températures élevées telles que 350 F à 1 100 F dans des environnements oxydants et jusqu'à 6 000 F dans des environnements non oxydants, ou de températures cryogéniques allant de -30 F à -450 F, ces matériaux ont un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui signifie que la taille et la forme du matériau ne changent pas radicalement avec un changement de température.

Une propriété distinctive du carbone est sa résistance à la corrosion à des centaines de produits chimiques. Ceux-ci comprennent, mais sans s'y limiter, le benzène, le dioxyde de soufre, le pétrole, le formaldéhyde, les hydrocarbures et le mercure. Le graphite de carbone est une forme allotropique du carbone. Les atomes de carbone sont liés ensemble dans un motif hexagonal par des liaisons covalentes et forment des couches de graphène. Ces liaisons sont fortes, ce qui rend les attaques par d'autres produits chimiques difficiles. Le graphite est considéré comme plus inerte que les autres éléments et formes de carbone.

Le graphite de carbone a également des caractéristiques autolubrifiantes. Les couches de graphène sont liées entre elles par les forces de Van der Waals. Ce sont des forces d'attraction faibles entre les atomes. Contrairement aux liaisons ioniques ou covalentes, ces attractions ne résultent pas d'une liaison électronique chimique ; ils sont relativement faibles et donc plus sensibles aux perturbations.

Permettre aux couches de graphène de graphite de carbone de frotter contre le matériau d'accouplement remplissant la rugosité de la surface et créant un film hydrodynamique permet essentiellement au graphite de courir contre lui-même. Cette capacité autolubrifiante donne au matériau la capacité de ne pas se gripper ou de se gripper dans des conditions de fonctionnement sèches. Comme il est autolubrifiant et possède des propriétés thermiques et électriques, le matériau en graphite de carbone est également anti-étincelles. L'étincelle est appelée ici étincelle mécanique ou frictionnelle.

Une dernière propriété du graphite de carbone est la porosité disponible dans le matériau issu du processus de cuisson. Après avoir mélangé et moulé des constituants de carbone brut constitués de poudres de carbone et de liants, le matériau vert est envoyé dans un processus de cuisson contrôlé et sans oxygène pour carboniser le liant de brai, le durcissant ainsi et le transformant en carbone amorphe.

Pendant le processus de cuisson, un dégazage se produit, ce qui signifie que les hydrocarbures contenus dans le brai sont chassés en raison de la chaleur extrême, laissant une structure de carbone amorphe. Lors du dégazage, ces gaz se frayent un chemin hors du matériau, laissant derrière eux un réseau de porosités interconnectées. Cette porosité donne aux fabricants de carbone la possibilité d'imprégner le matériau avec divers types de métaux, de résines et de sels, ce qui peut améliorer ou ajouter des propriétés mécaniques/chimiques supplémentaires au graphite de carbone. La prochaine partie de cet article détaillera les graphites de carbone imprégnés utilisés pour les produits et les applications dans les équipements rotatifs.

Un robinet à tournant sphérique est une vanne d'arrêt qui contrôle le débit d'un liquide ou d'un gaz. Pour ce faire, il utilise une boule avec un trou cylindrique au milieu. Lorsque le robinet à tournant sphérique est ouvert, le trou dans le robinet à tournant sphérique est aligné avec le tuyau pour permettre au fluide de s'écouler.

En position fermée, la vanne est tournée de 90 degrés. Un composant qui peut être fait de graphite de carbone est les sièges de soupape. Ils s'assoient en prenant le ballon. L'étanchéité se produit lorsque la pression amont augmente, poussant la bille et le siège amont dans le sens de l'écoulement vers le siège aval.

L'imprégnation couramment utilisée pour le graphite de carbone dans cette application est le coke. Le coke est le résidu solide qui reste après que les charbons bitumineux sont chauffés à haute température. Le résidu est principalement carboné, contient peu d'impuretés et a une structure graphitique développée.

Le coke confère au matériau de base une meilleure résistance à l'oxydation et aux produits chimiques. En conséquence, les propriétés physiques du matériau restent les mêmes dans des conditions d'application extrêmes. Ce matériau permet aux vannes de sécurité incendie de répondre aux normes 607 de l'American Petroleum Institute (API).

Il existe une variété de pompes, allant des pompes à boues centrifuges aux pompes submersibles verticales. Chacun ayant des paramètres de fonctionnement différents, le graphite de carbone est une solution optimale pour les roulements de pompe. La fonction du roulement est de supporter un arbre mobile. Un exemple de pompe centrifuge est une pompe à turbine verticale. Ces pompes déplacent le fluide, le pétrole par exemple, d'un réservoir souterrain profond jusqu'au niveau du sol.

Le type d'imprégnation nécessaire dans le graphite de carbone dépend du type de pompe et des conditions physiques auxquelles les roulements seront exposés. De nombreux types d'imprégnations existent. Deux, en particulier, se sont avérées performantes dans une large gamme d'applications de pompes. Ce sont du régule et du nickel. Babbitt est un métal doux avec des propriétés lubrifiantes robustes. C'est le meilleur pour les applications d'eau à basse température où le roulement fonctionne immergé. Le graphite de carbone imprégné de nickel est solide et a la meilleure résistance à la corrosion. Il est courant dans les pompes soumises à des charges et à des températures élevées.

Les joints à gaz secs sont des types de joints mécaniques sans contact et fonctionnant à sec. Ils contiennent des faces d'étanchéité constituées d'un anneau d'accouplement et d'un anneau primaire. L'anneau d'accouplement tourne, tandis que l'anneau primaire reste immobile. Ils utilisent des produits chimiques différents des autres joints mécaniques afin de ne pas causer de contamination. Ces joints sont utilisés dans des environnements de travail difficiles tels que l'exploration pétrolière, l'extraction, le raffinage et le transport de gaz.

Le composant primaire de l'anneau est généralement constitué de graphite de carbone imprégné d'antimoine. L'antimoine ajoute de la rigidité et de l'imperméabilité pour fournir un coussin d'air. Il est également stable sur une large plage de températures, ce qui lui permet de rencontrer des produits chimiques tels que l'huile chaude et les hydrocarbures à des températures allant jusqu'à 700 F, ou avec de l'oxygène/hydrogène liquide à des températures aussi basses que -450 F.

Robert Riccio est ingénieur d'application chez Metallized Carbon Corporation. Il a obtenu un baccalauréat en ingénierie avec une spécialisation en génie mécanique du Rensselaer Polytechnic Institute en 2019. Il possède plus de trois ans d'expérience professionnelle dans la conception et la fabrication. Il peut être joint à [email protected]. Pour plus d'informations, visitez www.metcar.com.