مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة القاسية

لا يوجد تعريف رسمي للخدمة. يمكن اعتباره إشارة إلى التكلفة العالية لاستبدال الصمام أو ظروف العمل التي تقلل من قدرة المعالجة.
الحاجة العالمية لخفض تكاليف إنتاج العمليات من أجل تحسين ربحية جميع القطاعات المشاركة في ظروف الخدمة القاسية. وتتراوح هذه من النفط والغاز والبتروكيماويات إلى الطاقة النووية وتوليد الطاقة ومعالجة المعادن والتعدين.
يحاول المصممون والمهندسون تحقيق هذا الهدف بطرق مختلفة. الطريقة الأكثر ملاءمة هي زيادة وقت التشغيل والكفاءة من خلال التحكم الفعال في معلمات العملية (مثل إيقاف التشغيل الفعال والتحكم الأمثل في التدفق).
ويلعب تحسين السلامة أيضًا دورًا حيويًا، لأن تقليل عدد عمليات الاستبدال يمكن أن يؤدي إلى بيئة إنتاج أكثر أمانًا. بالإضافة إلى ذلك، تعمل الشركة على تقليل مخزون المعدات (بما في ذلك المضخات والصمامات) والتخلص منها. وفي الوقت نفسه، يتوقع أصحاب المنشآت دورانًا ضخمًا من أصولهم. ولذلك، فإن زيادة قدرة المعالجة ستؤدي إلى عدد أقل من الأنابيب والمعدات (ولكن ذات قطر أكبر) وأدوات أقل لنفس تيار المنتج.
يوضح هذا أنه بالإضافة إلى ضرورة أن تكون أكبر لأقطار الأنابيب الأوسع، تحتاج مكونات النظام المختلفة أيضًا إلى تحمل التعرض لفترات طويلة للبيئات القاسية لتقليل الحاجة إلى الصيانة والاستبدال أثناء الخدمة.
يجب أن تكون المكونات، بما في ذلك الصمامات وكرات الصمامات، قوية لتناسب التطبيق المطلوب، ولكنها قد تطيل عمرها أيضًا. ومع ذلك، فإن المشكلة الرئيسية في معظم التطبيقات هي أن الأجزاء المعدنية قد وصلت إلى حدود أدائها. ويشير هذا إلى أن المصممين قد يجدون بدائل للمواد غير المعدنية في التطبيقات الصعبة، وخاصة المواد الخزفية.
تشمل المعلمات النموذجية المطلوبة لتشغيل المكونات في ظل ظروف قاسية مقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التعب، والصلابة، والقوة، والمتانة.
تعد المرونة عاملاً أساسيًا، لأن المكونات الأقل مرونة يمكن أن تفشل بشكل كارثي. يتم تعريف صلابة المواد الخزفية على أنها مقاومة انتشار الشقوق. وفي بعض الحالات، يمكن قياسها باستخدام طريقة المسافة البادئة للحصول على قيمة عالية بشكل مصطنع. يمكن أن يوفر استخدام شعاع الشق أحادي الجانب نتائج قياس دقيقة.
ترتبط القوة بالمتانة، ولكنها تشير إلى نقطة واحدة تتعرض فيها المادة لأضرار كارثية عند تعرضها للضغط. ويشار إليه عادة باسم "معامل التمزق"، والذي يتم الحصول عليه عن طريق إجراء قياس قوة الانحناء بثلاث أو أربع نقاط على قضيب الاختبار. قيمة اختبار النقاط الثلاث أعلى بنسبة 1% من قيمة اختبار النقاط الأربع.
على الرغم من أنه يمكن استخدام العديد من المقاييس بما في ذلك صلابة روكويل وصلابة فيكرز لقياس الصلابة، فإن مقياس فيكرز للصلابة الدقيقة مناسب جدًا للمواد الخزفية المتقدمة. تتغير الصلابة بما يتناسب مع مقاومة التآكل للمادة.
في الصمامات التي تعمل بطريقة دورية، يكون التعب هو مصدر القلق الرئيسي بسبب الفتح والإغلاق المستمر للصمام. التعب هو عتبة القوة. وبعد هذه العتبة، تميل المادة إلى الانهيار تحت قوة الانحناء الطبيعية.
تعتمد مقاومة التآكل على بيئة التشغيل والوسط الذي يحتوي على المادة. بالإضافة إلى "التحلل الحراري المائي"، تتفوق العديد من المواد الخزفية المتقدمة على المعادن في هذا المجال، وستخضع بعض المواد القائمة على الزركونيا إلى "التحلل الحراري المائي" بعد تعرضها لبخار بدرجة حرارة عالية.
تتأثر الهندسة ومعامل التمدد الحراري والتوصيل الحراري والمتانة وقوة المكونات بالصدمة الحرارية. هذه المنطقة مواتية للتوصيل الحراري العالي والمتانة، لذلك يمكن للمكونات المعدنية أن تعمل بفعالية. ومع ذلك، فإن التقدم في المواد الخزفية يوفر الآن مستويات مقبولة من مقاومة الصدمات الحرارية.
تم استخدام السيراميك المتقدم لسنوات عديدة ويحظى بشعبية كبيرة بين مهندسي الموثوقية ومهندسي المصانع ومصممي الصمامات الذين يحتاجون إلى أداء عالي وقيمة عالية. وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة، فهو مناسب لتركيبات مختلفة في مجموعة متنوعة من الصناعات. ومع ذلك، هناك أربعة أنواع من السيراميك المتقدم لها أهمية كبيرة في مجال صمامات الصيانة المطلوبة، بما في ذلك كربيد السيليكون (SiC)، ونيتريد السيليكون (Si3N4)، والألومينا والزركونيا. يتم اختيار مواد الصمام وكرة الصمام وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة.
يستخدم الصمام شكلين رئيسيين من الزركونيا، اللذان لهما نفس معامل التمدد الحراري والصلابة مثل الفولاذ. يتمتع أكسيد المغنيسيوم المستقر جزئيًا بالزركونيا (Mg-PSZ) بأعلى مقاومة للصدمات الحرارية وصلابة، في حين أن الإيتريا رباعي الزركونيا متعدد البلورات (Y-TZP) أصعب، ولكنه عرضة للتدهور الحراري المائي.
نيتريد السيليكون (Si3N4) له تركيبات مختلفة. يعد نيتريد السيليكون الملبد بضغط الغاز (GPPSN) المادة الأكثر شيوعًا المستخدمة للصمامات ومكونات الصمامات. بالإضافة إلى صلابته المتوسطة، فإنه يتمتع أيضًا بصلابة وقوة عالية، ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والثبات الحراري. بالإضافة إلى ذلك، في بيئات البخار ذات درجة الحرارة العالية، يمكن لـ Si3N4 أن يحل محل الزركونيا لمنع التدهور الحراري المائي.
مع ميزانية أكثر صرامة، يمكن للمكثف الاختيار من SiC أو الألومينا. تتميز كلتا المادتين بصلابة عالية، ولكنها ليست أصلب من الزركونيا أو نيتريد السيليكون. وهذا يدل على أن المادة مناسبة جدًا لتطبيقات المكونات الثابتة، مثل بطانات الصمامات ومقاعد الصمامات، بدلاً من الكرة أو القرص الذي يتعرض لضغط أعلى.
بالمقارنة مع المواد المعدنية المستخدمة في تطبيقات الصمامات الصعبة (بما في ذلك الفيروكروم (CrFe)، وكربيد التنغستن، وHastelloy، وStellite)، تتمتع المواد الخزفية المتقدمة بصلابة أقل وقوة مماثلة.
تتضمن تطبيقات الخدمة المطلوبة استخدام الصمامات الدوارة، مثل صمامات الفراشة، ومرتكز الدوران، والصمامات الكروية العائمة، والينابيع. في مثل هذه التطبيقات، يتمتع Si3N4 والزركونيا بمقاومة الصدمات الحرارية والمتانة والقوة، ويمكنهما التكيف مع البيئات الأكثر تطلبًا. نظرًا لصلابة المادة ومقاومتها للتآكل، فإن عمر خدمة المكون أكبر عدة مرات من عمر المكون المعدني. وتشمل المزايا الأخرى خصائص الأداء على مدى عمر الصمام، خاصة في المناطق التي يتم فيها الحفاظ على قدرات القطع والتحكم.
تم توضيح ذلك في حالة كرة وبطانة صمام كينار/RTFE مقاس 65 مم (2.6 بوصة) المعرضة لحمض الكبريتيك بنسبة 98% بالإضافة إلى الإلمنيت، حيث يتم تحويل الإلمنيت إلى صبغة أكسيد التيتانيوم. إن الطبيعة المسببة للتآكل للوسائط تعني أن عمر هذه المكونات يمكن أن يصل إلى ستة أسابيع. ومع ذلك، فإن استخدام زخرفة الصمام الكروي (زركونيا أكسيد المغنيسيوم المستقر جزئيًا (Mg-PSZ)) المصنعة بواسطة Nilcra™ (الشكل 1) يتمتع بصلابة ممتازة ومقاومة للتآكل وقد تم توفيره لمدة ثلاث سنوات. خدمة متقطعة، دون أي تآكل يمكن اكتشافه.
في الصمامات الخطية (بما في ذلك الصمامات الزاوية أو الصمامات الخانقة أو الصمامات الكروية)، يعتبر الزركونيا ونيتريد السيليكون مناسبين لكل من سدادات الصمامات ومقاعد الصمامات نظرًا لخصائص "الختم الصلب" لهذه المنتجات. وبالمثل، يمكن استخدام الألومينا في بطانات وأقفاص معينة. من خلال الكرة المطابقة على حلقة المقعد، يمكن تحقيق درجة عالية من الختم.
بالنسبة لقلب الصمام، بما في ذلك الصمام التخزيني، المدخل والمخرج أو جلبة جسم الصمام، يمكن استخدام أي من المواد الخزفية الأربعة الرئيسية وفقًا لمتطلبات التطبيق. أثبتت الصلابة العالية ومقاومة التآكل للمادة أنها مفيدة من حيث أداء المنتج وعمر الخدمة.
خذ صمام الفراشة DN150 المستخدم في مصفاة البوكسيت الأسترالية كمثال. يتسبب المحتوى العالي من السيليكا في الوسط في حدوث مستويات عالية من التآكل على البطانات الصمامية. تم تصنيع قرص البطانة والصمام المستخدم في البداية من 28٪ من سبيكة CrFe واستمر لمدة ثمانية إلى عشرة أسابيع فقط. ومع ذلك، نظرًا لإدخال الصمامات المصنوعة من زركونيا Nilcra™ (الشكل 2)، تمت زيادة عمر الخدمة إلى 70 أسبوعًا.
نظرًا لصلابته وقوته، يعمل السيراميك بشكل جيد في معظم تطبيقات الصمامات. ومع ذلك، فإن صلابتها ومقاومتها للتآكل هي التي تساعد على إطالة عمر الصمام. وفي المقابل، يؤدي ذلك إلى زيادة السلامة عن طريق تقليل وقت التوقف عن العمل لقطع الغيار، وتقليل رأس المال العامل والمخزون، والحد الأدنى من المعالجة اليدوية، وتقليل التسرب، وبالتالي تقليل تكاليف دورة الحياة الإجمالية.
لفترة طويلة، كان تطبيق المواد الخزفية في صمامات الضغط العالي أحد الاهتمامات الرئيسية، لأن هذه الصمامات تخضع لأحمال محورية أو الالتوائية عالية. ومع ذلك، يقوم اللاعبون الرئيسيون في هذا المجال بتطوير تصميمات كروية للصمام تعمل على تحسين بقاء عزم دوران التشغيل.
القيد الرئيسي الآخر هو الحجم. حجم أكبر مقعد صمام وأكبر كرة صمام (الشكل 3) التي تنتجها زركونيا المغنيسيا المستقرة جزئيا هي DN500 وDN250، على التوالي. إلا أن معظم المحددات الحالية تفضل استخدام السيراميك في صناعة الأجزاء التي لا تتجاوز أبعادها هذه الأبعاد.
على الرغم من أنه ثبت الآن أنه يمكن استخدام المواد الخزفية كخيار مناسب، إلا أنه لا تزال هناك بعض الإرشادات البسيطة التي يجب اتباعها لتحقيق أقصى قدر من الأداء. يجب استخدام المواد الخزفية أولاً فقط إذا كانت هناك حاجة لتقليل التكاليف. يجب على كل من الداخل والخارج تجنب الزوايا الحادة وتركيز التوتر.
يجب مراعاة أي عدم تطابق محتمل للتمدد الحراري أثناء مرحلة التصميم. من أجل تقليل إجهاد الطوق، من الضروري إبقاء السيراميك في الخارج وليس في الداخل. وأخيرا، ينبغي النظر بعناية في الحاجة إلى التفاوتات الهندسية وتشطيب الأسطح، لأن هذه التفاوتات قد تزيد بشكل كبير من التكاليف غير الضرورية.
ومن خلال اتباع هذه الإرشادات وأفضل الممارسات في اختيار المواد والتنسيق مع الموردين منذ بداية المشروع، يمكن تحقيق حل مثالي لكل تطبيق خدمة متطلب.
تم الحصول على هذه المعلومات ومراجعتها وتكييفها من المواد المقدمة من شركة Morgan Advanced Materials.
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. (28 نوفمبر 2019). مواد سيراميكية متقدمة مناسبة لتطبيقات الخدمة الجادة. أزوم. تم الاسترجاع من https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 في 9 مارس 2021.
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. "مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الجادة". أزوم. 9 مارس 2021.
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. "مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الجادة". أزوم. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (تم الوصول إليه في 9 مارس 2021).
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. 2019. مواد سيراميكية متقدمة مناسبة لتطبيقات الخدمة الجادة. AZoM، وقت العرض 9 مارس 2021، https://www.azom.com/article.aspx? معرف المقالة = 12305.
Elodie Verzoli هو مدير منتج حلول UHV في OSAY PHYSICS (شركة تابعة لـ TOH). تمت مقابلتها حول الوظائف الرئيسية لـ NanoSpace ولماذا أصبحت جزءًا مهمًا من مجموعة منتجات TOH.
في هذه المقابلة، ناقش روهيت رامناث، كبير مهندسي المنتجات في AZoM وماستر بوند، موضوع المعالجة السطحية وسبب التوصية بأفضل التصاق.
في هذه المقابلة، تحدث مدير العمليات في AZoM وTRB فرانسيس آرثر عن حلول النقل التي تقدمها TRB ومنتجاتها المركبة.
X500-25BC-600 عبارة عن جهاز اختبار ضغط جهاز فك التشفير لسطح المكتب. يأتي مزودًا بـ 4 خلايا تحميل متوازنة لتحسين الدقة وتحمل الحمل غير المتساوي. يمكن للتحكم في الكمبيوتر ومحركات المؤازرة القوية تحقيق دقة مذهلة.
تم تصميم منظف البلازما Evactron U50 للمنشآت التي تفضل استخدام واجهة لوحة لمس سلكية لبرمجة معلمات التنظيف.
يُعد معاير الأدوات المتعددة Thermo Scientific™ MIC-6 مكملاً مثاليًا لجهاز TVA2020 الرائد في الصناعة، والذي يعمل على تحسين الدقة وتوفير الوقت لتحسين مراقبة امتثال LDAR.
نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتحسين تجربتك. من خلال الاستمرار في تصفح هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط. معلومات اكثر.