Materials ceràmics avançats per a aplicacions de servei dures

Utilitzem cookies per millorar la teva experiència. En continuar navegant per aquest lloc, acceptes l'ús que fem de les cookies. Més informació.
El servei seriós no té una definició oficial. Es pot pensar que es refereix a condicions de funcionament on la substitució de la vàlvula és costosa o redueix la capacitat del procés.
Hi ha una necessitat global de reduir els costos de producció del procés per millorar la rendibilitat en totes les indústries que impliquen condicions de servei dures. Aquestes van des del petroli i el gas i la petroquímica fins a la generació nuclear i d'energia, el processament de minerals i la mineria.
Els dissenyadors i enginyers estan treballant per aconseguir-ho de diferents maneres. L'enfocament més adequat és augmentar el temps de funcionament i l'eficiència mitjançant un control efectiu dels paràmetres del procés, com ara l'aturada efectiva i el control de flux optimitzat.
L'optimització de la seguretat també juga un paper vital, ja que menys reemplaçaments poden conduir a un entorn de producció més segur. A més, l'empresa està intentant minimitzar l'inventari d'equips, incloses les bombes i les vàlvules, i la manipulació necessària. Al mateix temps, els propietaris de les instal·lacions esperen gran rotació dels seus actius. Com a resultat, l'augment de la capacitat de processament es tradueix en menys canonades i equips (però de més gran diàmetre) per al mateix cabal de producte i menys comptadors.
Això suggereix que, a més d'haver de ser més grans per a diàmetres de canonades més amplis, els components individuals del sistema han de suportar una exposició prolongada a entorns durs per reduir la necessitat de manteniment i substitució en servei.
Els components, incloses les vàlvules i les boles, han de ser robusts per adaptar-se a l'aplicació desitjada, però també proporcionen una vida útil prolongada. No obstant això, un problema important amb la majoria d'aplicacions és que els components metàl·lics han arribat als límits de les seves capacitats de rendiment. Això suggereix que els dissenyadors poden trobar alternatives als materials no metàl·lics, especialment materials ceràmics, per a aplicacions de servei exigents.
Els paràmetres típics necessaris per operar components en condicions de servei severes inclouen la resistència al xoc tèrmic, la resistència a la corrosió, la resistència a la fatiga, la duresa, la força i la tenacitat.
La resiliència és un paràmetre clau, ja que els components menys resistents poden fallar catastròficament. La duresa d'un material ceràmic es defineix com la resistència a la propagació d'esquerdes. En alguns casos, es pot mesurar mitjançant el mètode de sagnat, donant lloc a un valor artificialment elevat. -El feix d'osca lateral proporciona mesures precises.
La resistència està relacionada amb la tenacitat, però es refereix al punt únic en què un material falla catastròficament quan s'aplica una tensió. Es coneix comunament com el "mòdul de ruptura" i es mesura prenent una resistència a la flexió de tres o quatre punts. mesura en una barra de prova. La prova de tres punts proporciona valors un 1% més alts que la prova de quatre punts.
Tot i que la duresa es pot mesurar en una varietat d'escales, com ara Rockwell i Vickers, l'escala de microduresa Vickers és molt adequada per a materials ceràmics avançats. La duresa varia en proporció a la resistència al desgast del material.
En les vàlvules que funcionen de manera cíclica, la fatiga és un problema important a causa de l'obertura i el tancament continus de la vàlvula. La fatiga és el llindar de resistència més enllà del qual un material tendeix a fallar per sota de la seva resistència a la flexió normal.
La resistència a la corrosió depèn de l'entorn operatiu i dels mitjans que contenen el material. Molts materials ceràmics avançats superen els metalls en aquesta àrea, amb l'excepció d'alguns materials basats en zirconi que es "degraden hidrotèrmicament" quan s'exposen al vapor d'alta temperatura.
La geometria de la part, el coeficient d'expansió tèrmica, la conductivitat tèrmica, la duresa i la resistència es veuen afectats pel xoc tèrmic. Aquesta és una àrea que promou una alta conductivitat tèrmica i duresa i, per tant, les peces metàl·liques funcionen amb eficàcia. No obstant això, els avenços en els materials ceràmics ara proporcionar nivells acceptables de resistència al xoc tèrmic.
La ceràmica avançada s'ha utilitzat durant molts anys i és popular entre els enginyers de fiabilitat, els enginyers de plantes i els dissenyadors de vàlvules que exigeixen un alt rendiment i valor. Depenent dels requisits específics de l'aplicació, hi ha diferents formulacions individuals adequades per a diverses indústries. Tanmateix, hi ha quatre ceràmiques avançades. d'importància en el camp de les vàlvules de servei sever, i inclouen carbur de silici (SiC), nitrur de silici (Si3N4), alúmina i zirconi. Els materials de vàlvules i boles de vàlvules es seleccionen en funció dels requisits d'aplicació específics.
Hi ha dues formes principals de zirconi que s'utilitzen en vàlvules que tenen el mateix coeficient d'expansió tèrmica i rigidesa que l'acer. La zirconia magnètica parcialment estabilitzada (Mg-PSZ) té la resistència i la tenacitat més alta als xocs tèrmics, mentre que la zirconia tetragonal policristal·lina d'itria (Y-TZP). ) és més dur però propens a la degradació hidrotermal.
El nitrur de silici (Si3N4) està disponible en diferents formulacions. El nitrur de silici sinteritzat a pressió de gas (GPPSN) és el material més utilitzat per a vàlvules i components de vàlvules, que ofereix una gran duresa i resistència, una excel·lent resistència al xoc tèrmic i una estabilitat tèrmica a més de la tenacitat mitjana. A més, Si3N4 proporciona un substitut adequat de la zirconia en entorns de vapor d'alta temperatura, evitant la degradació hidrotermal.
A causa dels pressupostos ajustats, els especificadors poden triar entre SiC o alúmina. Tots dos materials tenen una duresa alta, però no són més resistents que el zirconi o el nitrur de silici. Això demostra que aquests materials són molt adequats per a aplicacions de components estàtics, com ara casquilles i seients de vàlvules, en lloc de boles o discos de major tensió.
Els materials ceràmics avançats tenen una duresa més baixa i una resistència similar que els materials metàl·lics utilitzats en aplicacions severes de vàlvules de servei, com ara ferro de crom (CrFe), carbur de tungstè, Hastelloy i Stellite.
Les aplicacions de servei dures impliquen l'ús de vàlvules rotatives com ara vàlvules de papallona, ​​muñóns, vàlvules de bola flotants i molles. En aquestes aplicacions, Si3N4 i zirconia proporcionen resistència al xoc tèrmic, duresa i força per suportar els ambients més durs. A causa de la duresa i la resistència a la corrosió del material, la vida útil dels components és diverses vegades superior a la dels components metàl·lics. Altres avantatges inclouen les característiques de rendiment de la vàlvula durant la seva vida útil, especialment en àrees on es manté la capacitat de tancament i el control.
Això s'il·lustra en l'aplicació d'una bola i un revestiment kynar/RTFE de vàlvula de 65 mm (2,6 polzades) exposats a un 98% d'àcid sulfúric i ilmenita, que s'està convertint en pigment d'òxid de titani. La naturalesa agressiva del medi significa que aquests components poden duren fins a sis setmanes. No obstant això, l'ús de la vàlvula de bola (figura 1) fabricada a partir de Nilcra!", una zirconia patentada amb magnesia parcialment estabilitzada (Mg-PSZ) que proporciona una excel·lent duresa i resistència a la corrosió, proporciona un servei ininterromput de tres anys sense cap desgast detectable.
En vàlvules lineals incloses les vàlvules d'angle, d'accelerador o de globus, el zirconi i el nitrur de silici són adequats tant per a l'endoll com per al seient a causa de la naturalesa de "seient dur" d'aquests productes. De la mateixa manera, l'òxid d'alumini es pot utilitzar en alguns revestiments i gàbies. Un alt grau de segellat es pot aconseguir combinant boles de mòlta al seient de la vàlvula.
Per als casquilles de vàlvules, inclosos els taps de la vàlvula, l'entrada i la sortida o els casquilles del cos, es pot utilitzar qualsevol dels quatre materials ceràmics principals en funció dels requisits de l'aplicació. L'alta duresa i resistència a la corrosió del material resulten ser beneficioses per al rendiment i el servei. vida útil del producte.
Prenguem, per exemple, una vàlvula de papallona DN150 que s'utilitza en una refineria de bauxita australiana. L'alt contingut de sílice dels mitjans pot causar alts nivells de desgast a les vàlvules. De 8 a 10 setmanes. No obstant això, amb vàlvules fetes de Nilcra!" Zirconia (Figura 2), la vida útil va augmentar a 70 setmanes.
A causa de la seva duresa i resistència, la ceràmica funciona bé en la majoria d'aplicacions de vàlvules. No obstant això, és la seva duresa i resistència a la corrosió les que contribueixen a la longevitat de la vàlvula. Això al seu torn redueix els costos generals del cicle de vida reduint el temps d'inactivitat de les peces de recanvi, reduint el capital de treball. i l'inventari, reduint la manipulació manual i millorant la seguretat mitjançant menys fuites.
L'ús de materials ceràmics en vàlvules d'alta pressió ha estat durant molt de temps una de les principals preocupacions perquè aquestes vàlvules estan subjectes a càrregues axials o torsionals elevades. No obstant això, els principals actors del camp estan desenvolupant dissenys de boles de vàlvules per millorar la supervivència del parell d'accionament.
Una altra limitació important és la mida. El seient més gran i la bola més gran (Figura 3) produïts a partir de zirconi de magnesia parcialment estabilitzat són DN500 i DN250, respectivament. No obstant això, la majoria dels especificadors prefereixen actualment la ceràmica per a components d'aquestes mides.
Tot i que ara els materials ceràmics han demostrat ser una opció adequada, s'han de seguir algunes pautes senzilles per maximitzar el seu rendiment. Els materials ceràmics només s'han d'utilitzar primer quan sigui necessari per minimitzar el cost. S'han d'evitar les cantonades afilades i les concentracions d'estrès tant internament com externament.
Qualsevol possible desajustament d'expansió tèrmica s'ha de tenir en compte durant la fase de disseny. Per reduir l'estrès del cèrcol, cal mantenir la ceràmica a l'exterior, no a l'interior. Finalment, s'ha de considerar acuradament la necessitat de toleràncies geomètriques i d'acabat superficial, ja que aquests pot afegir un cost important i innecessari.
Seguint aquestes directrius i bones pràctiques per seleccionar materials i coordinar-se amb els proveïdors des de l'inici d'un projecte, es pot aconseguir una solució ideal per a cada aplicació de servei seriosa.
Aquesta informació es deriva de material, ressenyes i adaptacions proporcionades per Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics. (28 de novembre de 2019). Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis exigents.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.”Materials ceràmics avançats per a aplicacions de servei dures”.AZOM.14 de gener de 2022..
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.”Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications”.AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(Consultat el 14 de gener de 2022).
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.2019. Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications.AZoM, consultat el 14 de gener de 2022, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
En aquesta entrevista, AZoM parla amb Mohamed Rahaman, professor emèrit de ciència i enginyeria dels materials de la Universitat de Missouri, sobre la bioceràmica i el seu ús potencial en enginyeria biomèdica.
AZoM va parlar amb la Dra. Iolanda Duarte i Juliane Moura sobre la seva investigació, que té en compte la presència de flora extremòfila en panells fotovoltaics.
AZoM va parlar amb la professora Andrea Fratalocchi de KAUST sobre la seva investigació, que se centra en aspectes del carbó fins ara no reconeguts.
L'aplicació incorrecta del greix pot provocar nombroses fallades dels coixinets. Com que el 40% de la vida útil del coixinet no és suficient per proporcionar el seu valor d'enginyeria, la sublubricació i la sobrelubricació són àrees clau a controlar. LUBExpert us permet utilitzar el lubricant adequat al lloc correcte del al temps correcte.
Aquesta és la làmina de coure enrotllada estàndard de JX Nippon Mining & Metals amb una flexibilitat ideal i resistència a les vibracions.
El XRDynamic (XRD) 500 d'Anton Paar és un difractòmetre de raigs X en pols multiús automatitzat. És un dispositiu XRD eficient i versàtil.