مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة القاسية

نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتعزيز تجربتك. من خلال الاستمرار في تصفح هذا الموقع فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط. مزيد من المعلومات.
الخدمة الجادة ليس لها تعريف رسمي. ويمكن اعتبارها إشارة إلى ظروف التشغيل حيث يكون استبدال الصمام مكلفًا أو يقلل من قدرة العملية.
هناك حاجة عالمية لخفض تكاليف إنتاج العمليات لتحسين الربحية في جميع الصناعات التي تنطوي على ظروف خدمة قاسية. وتتراوح هذه من النفط والغاز والبتروكيماويات إلى توليد الطاقة النووية والطاقة ومعالجة المعادن والتعدين.
ويعمل المصممون والمهندسون على تحقيق ذلك بطرق مختلفة. والنهج الأكثر ملاءمة هو 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، حيث يمكن أن يؤدي عدد أقل من عمليات الاستبدال إلى بيئة إنتاج أكثر أمانًا. بالإضافة إلى ذلك، تحاول الشركة تقليل مخزون المعدات، بما في ذلك المضخات والصمامات، والتعامل المطلوب. وفي الوقت نفسه، يتوقع أصحاب المنشآت دوران ضخم على أصولهم. ونتيجة لذلك، تؤدي زيادة قدرة المعالجة إلى عدد أقل من الأنابيب والمعدات (ولكن ذات قطر أكبر) لنفس تدفق المنتج وعدد أقل من الأمتار.
يشير هذا إلى أنه بالإضافة إلى ضرورة أن تكون أكبر لأقطار الأنابيب الأوسع، تحتاج مكونات النظام الفردية إلى تحمل التعرض لفترات طويلة للبيئات القاسية لتقليل الحاجة إلى الصيانة والاستبدال أثناء الخدمة.
يجب أن تكون المكونات، بما في ذلك الصمامات والكرات، قوية لتناسب التطبيق المطلوب، ولكنها توفر أيضًا عمر خدمة ممتدًا. ومع ذلك، فإن المشكلة الرئيسية في معظم التطبيقات هي أن المكونات المعدنية قد وصلت إلى حدود قدرات أدائها. وهذا يشير إلى أن المصممين قد إيجاد بدائل للمواد غير المعدنية، وخاصة المواد الخزفية، لتطبيقات الخدمة الصعبة.
تشمل المعلمات النموذجية المطلوبة لتشغيل المكونات في ظل ظروف الخدمة القاسية مقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التعب، والصلابة، والقوة والمتانة.
تعد المرونة معلمة أساسية حيث أن المكونات الأقل مرونة يمكن أن تفشل بشكل كارثي. يتم تعريف صلابة مادة السيراميك على أنها مقاومة انتشار التشققات. وفي بعض الحالات يمكن قياسها باستخدام طريقة المسافة البادئة، مما يؤدي إلى قيمة عالية بشكل مصطنع. باستخدام قيمة واحدة توفر شعاع الشق ذو الجوانب قياسات دقيقة.
ترتبط القوة بالمتانة، ولكنها تشير إلى النقطة الوحيدة التي تنهار عندها المادة بشكل كارثي عند تطبيق الضغط. ويشار إليها عادة باسم "معامل التمزق" ويتم قياسها بأخذ قوة انثناء من ثلاث أو أربع نقاط. القياس على شريط الاختبار. يوفر اختبار النقاط الثلاث قيمًا أعلى بنسبة 1% من اختبار النقاط الأربع.
بينما يمكن قياس الصلابة على مجموعة متنوعة من المقاييس بما في ذلك روكويل وفيكرز، فإن مقياس الصلابة الدقيقة فيكرز مناسب تمامًا للمواد الخزفية المتقدمة. وتختلف الصلابة بما يتناسب مع مقاومة المادة للتآكل.
في الصمامات التي تعمل بطريقة دورية، يمثل التعب مشكلة كبيرة بسبب الفتح والإغلاق المستمر للصمام. التعب هو عتبة القوة التي تميل المادة بعدها إلى الفشل تحت قوة الانثناء العادية.
تعتمد مقاومة التآكل على بيئة التشغيل والوسائط التي تحتوي على المادة. وتتفوق العديد من المواد الخزفية المتقدمة على المعادن في هذا المجال، باستثناء بعض المواد القائمة على الزركونيا والتي "تتحلل حرارياً" عند تعرضها لبخار عالي الحرارة.
تتأثر هندسة الأجزاء ومعامل التمدد الحراري والتوصيل الحراري والمتانة والقوة بالصدمة الحرارية. وهذا مجال يعزز التوصيل الحراري العالي والمتانة، وبالتالي تعمل الأجزاء المعدنية بفعالية. ومع ذلك، فإن التقدم في المواد الخزفية الآن توفير مستويات مقبولة من مقاومة الصدمات الحرارية.
تم استخدام السيراميك المتقدم لسنوات عديدة ويحظى بشعبية كبيرة بين مهندسي الموثوقية ومهندسي المصانع ومصممي الصمامات الذين يطالبون بأداء وقيمة عالية. اعتمادًا على متطلبات التطبيق المحددة، هناك تركيبات فردية مختلفة مناسبة لمختلف الصناعات. ومع ذلك، هناك أربعة أنواع من السيراميك المتقدم هي ذات أهمية في مجال صمامات الخدمة الشديدة، وهي تشمل كربيد السيليكون (SiC)، ونيتريد السيليكون (Si3N4)، والألومينا والزركونيا. ويتم اختيار مواد الصمامات وكرة الصمامات بناءً على متطلبات التطبيق المحددة.
هناك نوعان رئيسيان من الزركونيا المستخدمة في الصمامات التي لها نفس معامل التمدد الحراري والصلابة مثل الفولاذ. تتمتع الزركونيا المستقرة جزئيًا بالمغنيسيوم (Mg-PSZ) بأعلى مقاومة للصدمات الحرارية وصلابة، في حين تتمتع الزركونيا رباعية البلورات (Y-TZP) بأعلى مقاومة للصدمات الحرارية. ) أصعب ولكنه عرضة للتدهور الحراري المائي.
نيتريد السيليكون (Si3N4) متوفر في تركيبات مختلفة. نيتريد السيليكون الملبد بضغط الغاز (GPPSN) هو المادة الأكثر استخدامًا للصمامات ومكونات الصمامات، مما يوفر صلابة وقوة عالية، ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والثبات الحراري بالإضافة إلى المتانة المتوسطة. بالإضافة إلى ذلك، يوفر Si3N4 بديلاً مناسبًا للزركونيا في بيئات البخار ذات درجة الحرارة العالية، مما يمنع التدهور الحراري المائي.
نظرًا لضيق الميزانيات، يمكن للمحددين الاختيار من بين SiC أو Alumina. تتمتع كلتا المادتين بصلابة عالية، ولكنها ليست أقوى من الزركونيا أو نيتريد السيليكون. وهذا يدل على أن هذه المواد مناسبة تمامًا لتطبيقات المكونات الثابتة مثل البطانات والمقاعد للصمامات، بدلاً من كرات أو أقراص ذات ضغط أعلى.
تتميز المواد الخزفية المتقدمة بصلابة أقل وقوة مماثلة للمواد المعدنية المستخدمة في تطبيقات صمامات الخدمة القاسية، بما في ذلك حديد الكروم (CrFe)، وكربيد التنغستن، وHastelloy، وStellite.
تتضمن تطبيقات الخدمة القاسية استخدام الصمامات الدوارة مثل صمامات الفراشة والمرتكزات والصمامات الكروية العائمة والينابيع. في مثل هذه التطبيقات، يوفر Si3N4 والزركونيا مقاومة الصدمات الحرارية والمتانة والقوة لتحمل أقسى البيئات. نظرًا للصلابة ومقاومة التآكل بالنسبة للمادة، فإن عمر خدمة المكونات أعلى بعدة مرات من عمر المكونات المعدنية. وتشمل المزايا الأخرى خصائص أداء الصمام طوال عمره الإنتاجي، خاصة في المناطق التي يتم فيها الحفاظ على قدرة الإغلاق والتحكم.
تم توضيح ذلك من خلال استخدام كرة وبطانة صمام كينار/RTFE مقاس 65 مم (2.6 بوصة) المعرضة لحمض الكبريتيك والإلمنيت بنسبة 98%، والتي يتم تحويلها إلى صبغة أكسيد التيتانيوم. وتعني الطبيعة العدوانية للوسط أن هذه المكونات يمكن أن يدوم لمدة تصل إلى ستة أسابيع. ومع ذلك، باستخدام زخرفة الصمام الكروي (الشكل 1) المصنعة من Nilcra!"، وهي عبارة عن زركونيا مثبتة جزئيًا من المغنيسيا (Mg-PSZ) والتي توفر صلابة ممتازة ومقاومة للتآكل، وتوفر خدمة متواصلة لمدة ثلاث سنوات دون أي ارتداء يمكن اكتشافه.
في الصمامات الخطية بما في ذلك الصمامات الزاوية أو الخانقة أو الكروية، يكون الزركونيا ونيتريد السيليكون مناسبين لكل من القابس والمقعد نظرًا لطبيعة "المقعد الصلب" لهذه المنتجات. وبالمثل، يمكن استخدام أكسيد الألومنيوم في بعض البطانات والأقفاص. درجة عالية يمكن تحقيق الختم عن طريق مطابقة كرات الطحن على مقعد الصمام.
بالنسبة لبطانات الصمامات، بما في ذلك سدادة الصمام أو المدخل والمخرج أو بطانات الجسم، يمكن استخدام أي من المواد الخزفية الأربعة الرئيسية وفقًا لمتطلبات التطبيق. وقد أثبتت الصلابة العالية للمادة ومقاومتها للتآكل أنها مفيدة للأداء والخدمة حياة المنتج.
خذ على سبيل المثال صمام الفراشة DN150 المستخدم في مصفاة البوكسيت الأسترالية. يمكن أن يتسبب المحتوى العالي من السيليكا في الوسائط في مستويات عالية من التآكل على بطانات الصمامات. تم تصنيع البطانات والأقراص الأصلية من سبيكة CrFe بنسبة 28% وتم استخدامها فقط من 8 إلى 10 أسابيع. ومع ذلك، مع الصمامات المصنوعة من نيلكرا!" زركونيا (الشكل 2)، زادت مدة الخدمة إلى 70 أسبوعًا.
بسبب صلابته وقوته، يعمل السيراميك بشكل جيد في معظم تطبيقات الصمامات. ومع ذلك، فإن صلابته ومقاومته للتآكل هي التي تساهم في طول عمر الصمام. وهذا بدوره يقلل من تكاليف دورة الحياة الإجمالية عن طريق تقليل وقت التوقف عن قطع الغيار، وخفض رأس المال العامل. والمخزون، والحد من المناولة اليدوية، وتحسين السلامة من خلال تقليل التسريبات.
لقد كان استخدام المواد الخزفية في صمامات الضغط العالي أحد الاهتمامات الرئيسية منذ فترة طويلة لأن هذه الصمامات تخضع لأحمال محورية أو الالتوائية عالية. ومع ذلك، يقوم اللاعبون الرئيسيون في هذا المجال الآن بتطوير تصميمات كروية الصمام لتحسين بقاء عزم دوران المحرك.
هناك قيد رئيسي آخر وهو الحجم. أكبر مقعد وأكبر كرة (الشكل 3) المنتجة من زركونيا المغنيسيا المستقرة جزئيًا هما DN500 وDN250، على التوالي. ومع ذلك، يفضل معظم المحددين حاليًا السيراميك لمكونات هذه الأحجام.
على الرغم من أن المواد الخزفية أثبتت الآن أنها خيار مناسب، إلا أنه يجب اتباع بعض الإرشادات البسيطة لزيادة أدائها إلى أقصى حد. يجب استخدام المواد الخزفية أولاً فقط عندما يكون ذلك ضروريًا لتقليل التكلفة. يجب تجنب الزوايا الحادة وتركيزات الضغط داخليًا وداخليًا. خارجيا.
يجب أخذ أي عدم تطابق محتمل للتمدد الحراري في الاعتبار أثناء مرحلة التصميم. ولتقليل إجهاد الطوق، من الضروري الحفاظ على السيراميك من الخارج، وليس من الداخل. وأخيرًا، يجب مراعاة الحاجة إلى التفاوتات الهندسية وتشطيب السطح بعناية، حيث أن هذه يمكن أن تضيف تكلفة كبيرة وغير ضرورية.
ومن خلال اتباع هذه الإرشادات وأفضل الممارسات لاختيار المواد والتنسيق مع الموردين منذ بداية المشروع، يمكن تحقيق حل مثالي لكل تطبيق خدمة جدي.
هذه المعلومات مستمدة من المواد والمراجعات والتعديلات المقدمة من Morgan Advanced Materials.
مواد مورغان المتقدمة - السيراميك الفني. (28 نوفمبر 2019). مواد سيراميك متقدمة لتطبيقات الخدمة الصعبة. AZOM. تم الاسترجاع في 14 يناير 2022 من https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
"مواد مورغان المتقدمة - السيراميك الفني."مواد سيراميك متقدمة لتطبيقات الخدمة القاسية".AZOM.14 يناير 2022..
مواد مورغان المتقدمة – السيراميك الفني.
مواد مورجان المتقدمة – السيراميك الفني.2019. مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة القاسية.AZoM، تم الوصول إليها في 14 يناير 2022، https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
في هذه المقابلة، تحدثت AZoM مع محمد رحمان، الأستاذ الفخري لعلوم وهندسة المواد في جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا، حول السيراميك الحيوي واستخداماته المحتملة في الهندسة الطبية الحيوية.
تحدثت AZoM مع الدكتورة يولاندا دوارتي وجوليان مورا حول أبحاثهما، والتي تأخذ في الاعتبار وجود النباتات المتطرفة على الألواح الكهروضوئية.
تحدث عزوم مع البروفيسور أندريا فراتالوتشي من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية حول بحثه، الذي يركز على جوانب غير معروفة سابقًا للفحم.
يمكن أن يؤدي الاستخدام غير الصحيح للشحم إلى العديد من حالات فشل المحامل. مع عدم كفاية 40٪ من عمر المحمل لتوفير قيمته الهندسية، يعد التشحيم الزائد والتشحيم الزائد من المجالات الرئيسية التي يجب مراقبتها. يتيح لك LUBExpert استخدام مادة التشحيم المناسبة في المكان المناسب في الوقت المناسب.
هذه هي رقائق النحاس الملفوفة القياسية لشركة JX Nippon Mining & Metals مع مرونة مثالية ومقاومة للاهتزاز.
جهاز XRDynamic (XRD) 500 من Anton Paar عبارة عن مقياس حيود مسحوق للأشعة السينية آلي متعدد الأغراض. وهو جهاز XRD فعال ومتعدد الاستخدامات.