石墨墊片檢測技術詳解

引言
石墨墊片因其優異的耐高溫性、化學惰性及良好的壓縮回彈性能，廣泛應用于高溫高壓密封場景。為確保其可靠性，系統化檢測至關重要。本文深入探討檢測原理、標準流程、數據分析及常見問題對策，為質量控制提供技術支撐。

一、檢測原理

基于石墨材料的物理特性及密封工況需求，核心檢測項目及原理如下：

1. 壓縮回彈性能測試：

   • 原理: 模擬工況下墊片受力行為，通過萬能材料試驗機施加軸向載荷，測量厚度變化。
   • 關鍵參數:
     • 壓縮率 (Cr): (初始厚度 - 壓縮后厚度) / 初始厚度 × ，反映材料可壓縮性。
     • 回彈率 (Rr): (卸載后恢復厚度 - 壓縮后厚度) / (初始厚度 - 壓縮后厚度) × ，反映彈性恢復能力。
     • 壓縮永久變形 (Cp/%): (初始厚度 - 卸載后恢復厚度) / 初始厚度 × ，反映塑性變形程度。

2. 密封性能測試 (氣密性/液密性)：

   • 原理: 在標準法蘭密封試驗臺上，墊片承受規定螺栓載荷和內介質壓力（氣體或液體），通過高靈敏度流量計或壓力降監測泄漏率。
   • 關鍵參數: 泄漏率 (mL/min, mg/s 或 cm³/s)，直接評價密封有效性。

3. 密度測定：

   • 原理: 采用幾何測量法（尺寸與質量計算）或流體置換法（如阿基米德原理）。密度影響墊片的機械強度、導熱性和密封能力。

4. 抗拉強度測試：

   • 原理: 對啞鈴型或矩形試樣施加拉伸載荷直至斷裂，測量大破壞力。反映材料的機械強度及內部結合力。

5. 熱失重分析 (TGA - 可選)：

   • 原理: 在程序控溫下（惰性或空氣氛圍），測量材料質量隨溫度/時間的變化，定量分析揮發份含量、有機物殘留及灰分。

二、實驗步驟 (通用流程，遵循相關ISO/ASTM標準規范)

1. 樣品準備：

   • 從同批次材料中隨機抽取代表性墊片或板材。
   • 尺寸測量： 使用高精度數顯卡尺或測厚儀，多點測量墊片厚度、內外徑，精確至0.01mm。
   • 狀態調節： 依據標準（如23±2°C, 50±10%RH）放置樣品≥24小時，消除溫濕度影響。

2. 壓縮回彈性能測試：

   1. 設定試驗機：加載速率通常為1-3 mm/min，設定目標載荷（如50-200 MPa，依據標準或工況）。
   2. 放置樣品：將墊片置于上下平行壓板中心。
   3. 預加載：施加輕微初始載荷（如0.5-1 MPa）消除間隙，記錄初始厚度T0。
   4. 加載：按設定速率加載至目標載荷，穩壓特定時間（如30s），記錄壓縮后厚度T1。
   5. 卸載：按相同速率完全卸載，等待特定恢復時間（如60s），記錄恢復厚度T2。
   6. 計算Cr、Rr、Cp。

3. 密封性能測試：

   1. 安裝：將墊片置于標準法蘭密封試驗臺兩法蘭面之間。
   2. 螺栓加載：按標準扭矩程序或目標應力緊固螺栓至規定值。
   3. 介質加壓：通入試驗介質（通常為氮氣或氦氣），逐步升至目標試驗壓力并穩壓。
   4. 泄漏檢測：使用經校準的流量計或壓力傳感器，持續監測并記錄特定時間段內的泄漏量，計算泄漏率。可進行多壓力階梯測試。

4. 密度測定 (幾何法為例)：

   1. 精確測量試樣尺寸（長寬厚或直徑厚），計算體積V (cm³)。
   2. 用精密天平稱量試樣質量M (g)。
   3. 計算密度 ρ = M / V (g/cm³)。

5. 抗拉強度測試：

   1. 使用專用模具從板材上沖切標準啞鈴型或矩形試樣。
   2. 在萬能試驗機上安裝夾具夾持試樣。
   3. 設定拉伸速率（如5-50 mm/min），啟動試驗直至試樣斷裂。
   4. 記錄大載荷Fmax (N) 和試樣斷裂處小截面積A (mm²)。
   5. 計算抗拉強度 TS = Fmax / A (MPa)。

6. 熱失重分析 (TGA)：

   1. 精確稱取少量（通常5-20mg）粉末或小塊試樣置于坩堝。
   2. 設定測試程序：升溫速率（如10°C/min）、終溫（如1000°C）、氣氛（N?或Air）。
   3. 運行測試，儀器自動記錄質量變化曲線。
   4. 分析特定溫度區間（如105°C烘干失重、300-500°C有機物揮發失重、800°C以上灰分殘留）的質量損失百分比。

三、結果分析

1. 壓縮回彈性能：

   • 理想范圍： Cr適中（15%-40%），Rr高（>40%，理想>60%），Cp低（<20%，理想<10%）。
   • 過低壓縮率： 安裝需過大螺栓力，易導致法蘭變形或墊片碎裂風險升高。
   • 過低回彈率/高壓縮永久變形： 預示高溫蠕變或應力松弛嚴重，長期密封性不佳，易泄漏。

2. 密封性能 (泄漏率)：

   • 結果必須與目標應用工況（介質、壓力、溫度）要求的允許泄漏率比較。通常要求泄漏率遠低于標準規定限值（如R類墊片要求極低泄漏）。
   • 泄漏率超標直接判定密封不合格。

3. 密度：

   • 通用柔性石墨墊片密度范圍：1.0~1.6 g/cm³。
   • 過低密度: 通常伴隨強度低、易掉屑、壓縮回彈差、高泄漏風險。
   • 過高密度： 可能損失部分柔韌性，安裝適應性下降。

4. 抗拉強度：

   • 通用柔性石墨墊片抗拉強度范圍：4~15 MPa (垂直于壓制方向)。 帶增強層墊片通常更高。
   • 強度過低表明材料內部結合差或存在缺陷，易在安裝、受壓或振動中破損。

5. 熱失重分析：

   • 高揮發份殘留 (>1-2%): 高溫下易產生氣體導致墊片內壓升高，引發起泡、分層或加速泄漏。
   • 高灰分含量： 降低材料純度，可能影響耐腐蝕性或高溫穩定性。

四、常見問題及解決方案

結論
系統化的石墨墊片檢測是保障密封系統安全可靠的基石。深入理解檢測原理，嚴格執行標準化實驗步驟，科學分析各項關鍵性能數據，并針對常見問題實施有效的工藝改進措施，才能持續提升石墨墊片的質量水平，滿足日益嚴苛的工業應用需求。持續關注標準更新與檢測技術進步，是保持質量控制領先的關鍵。