Pokročilé keramické materiály pro náročné servisní aplikace

Používáme soubory cookie ke zlepšení vašeho zážitku. Pokračováním v procházení tohoto webu souhlasíte s naším používáním souborů cookie. Více informací.
Seriózní servis nemá žádnou oficiální definici. Lze si to představit jako odkaz na provozní podmínky, kdy je výměna ventilu nákladná nebo snižuje kapacitu procesu.
Existuje celosvětová potřeba snížit náklady na procesní výrobu, aby se zvýšila ziskovost ve všech odvětvích zahrnujících drsné servisní podmínky. Ty sahají od ropy a zemního plynu a petrochemie až po jadernou a energetickou výrobu, zpracování nerostů a těžbu.
Návrháři a inženýři pracují na tom, aby toho dosáhli různými způsoby. Nejvhodnějším přístupem je zvýšení doby provozuschopnosti a účinnosti prostřednictvím účinného řízení parametrů procesu, jako je efektivní odstavení a optimalizované řízení průtoku.
Zásadní roli hraje také optimalizace bezpečnosti, protože méně výměn může vést k bezpečnějšímu výrobnímu prostředí. Kromě toho se společnost snaží minimalizovat zásoby zařízení, včetně čerpadel a ventilů a požadované manipulace. Majitelé zařízení zároveň očekávají obrovský obrat jejich aktiv. Výsledkem je, že zvýšená zpracovatelská kapacita má za následek méně (ale větší průměr) potrubí a zařízení pro stejný tok produktu a méně metrů.
To naznačuje, že kromě toho, že musí být větší pro větší průměry potrubí, musí jednotlivé součásti systému odolat dlouhodobému vystavení drsnému prostředí, aby se snížila potřeba údržby a výměny během provozu.
Komponenty, včetně ventilů a kuliček, musí být robustní, aby vyhovovaly požadované aplikaci, ale také poskytovaly prodlouženou životnost. Hlavním problémem většiny aplikací je však to, že kovové komponenty dosáhly limitů svých výkonnostních možností. To naznačuje, že konstruktéři mohou najít alternativy k nekovovým materiálům, zejména keramickým materiálům, pro náročné servisní aplikace.
Mezi typické parametry vyžadované pro provoz součástí v náročných provozních podmínkách patří odolnost proti tepelným šokům, odolnost proti korozi, odolnost proti únavě, tvrdost, pevnost a houževnatost.
Pružnost je klíčovým parametrem, protože méně odolné součásti mohou katastrofálně selhat. Houževnatost keramického materiálu je definována jako odolnost proti šíření trhlin. V některých případech ji lze měřit pomocí indentační metody, což vede k uměle vysoké hodnotě. -sided zářez paprsek poskytuje přesné měření.
Pevnost souvisí s houževnatostí, ale odkazuje na jediný bod, ve kterém materiál katastrofálně selže, když je aplikováno napětí. Běžně se nazývá „modul lomu“ a měří se pomocí tříbodové nebo čtyřbodové pevnosti v ohybu. měření na testovací tyči. Tříbodový test poskytuje o 1 % vyšší hodnoty než čtyřbodový test.
Zatímco tvrdost lze měřit na různých škálách včetně Rockwella a Vickerse, Vickersova stupnice mikrotvrdosti se dobře hodí pro pokročilé keramické materiály. Tvrdost se mění v závislosti na odolnosti materiálu proti opotřebení.
U ventilů, které pracují cyklickým způsobem, je únava hlavním problémem kvůli nepřetržitému otevírání a zavírání ventilu. Únava je práh pevnosti, za kterým má materiál tendenci selhat pod svou normální pevnost v ohybu.
Odolnost proti korozi závisí na provozním prostředí a médiu obsahujícím materiál. Mnoho pokročilých keramických materiálů v této oblasti překonává kovy, s výjimkou některých materiálů na bázi oxidu zirkoničitého, které při vystavení páře o vysoké teplotě „hydrotermálně degradují“.
Geometrie součásti, koeficient tepelné roztažnosti, tepelná vodivost, houževnatost a pevnost jsou všechny ovlivněny tepelným šokem. Toto je oblast, která podporuje vysokou tepelnou vodivost a houževnatost, a proto kovové části fungují efektivně. Nicméně pokroky v keramických materiálech jsou nyní poskytují přijatelnou úroveň odolnosti proti tepelným šokům.
Pokročilá keramika se používá již mnoho let a je oblíbená mezi inženýry spolehlivosti, rostlinnými inženýry a konstruktéry ventilů, kteří požadují vysoký výkon a hodnotu. V závislosti na konkrétních požadavcích aplikace existují různé individuální receptury vhodné pro různá průmyslová odvětví. Nicméně čtyři pokročilé keramiky jsou Významné jsou v oblasti ventilů pro náročné použití a zahrnují karbid křemíku (SiC), nitrid křemíku (Si3N4), oxid hlinitý a oxid zirkoničitý. Materiály ventilů a kuliček ventilů jsou vybírány na základě specifických požadavků aplikace.
Ve ventilech se používají dvě hlavní formy oxidu zirkoničitého, které mají stejný koeficient tepelné roztažnosti a tuhosti jako ocel. Částečně stabilizovaný oxid zirkoničitý (Mg-PSZ) má nejvyšší odolnost proti tepelným šokům a houževnatost, zatímco polykrystalický tetragonální zirkonie yttria (Y-TZP ) je tvrdší, ale náchylný k hydrotermální degradaci.
Nitrid křemíku (Si3N4) je k dispozici v různých složeních. Tlakově sintrovaný nitrid křemíku slinovaný v plynu (GPPSN) je nejběžněji používaný materiál pro ventily a součásti ventilů, který nabízí kromě průměrné houževnatosti vysokou tvrdost a pevnost, vynikající odolnost proti tepelným šokům a tepelnou stabilitu. Kromě toho Si3N4 poskytuje vhodnou náhradu za oxid zirkoničitý v prostředí s vysokou teplotou páry, čímž zabraňuje hydrotermální degradaci.
Vzhledem k napjatým rozpočtům si mohou specifikátoři vybrat z SiC nebo Aluminy. Oba materiály mají vysokou tvrdost, ale nejsou pevnější než oxid zirkoničitý nebo nitrid křemíku. To ukazuje, že tyto materiály jsou vhodné spíše pro aplikace se statickými součástmi, jako jsou ventilová pouzdra a sedla. vyšší zátěžové koule nebo kotouče.
Pokročilé keramické materiály mají nižší houževnatost a podobnou pevnost než kovové materiály používané v náročných aplikacích servisních ventilů, včetně chromového železa (CrFe), karbidu wolframu, Hastelloy a Stellitu.
Náročné servisní aplikace zahrnují použití rotačních ventilů, jako jsou škrticí ventily, čepy, plovoucí kulové ventily a pružiny. V takových aplikacích poskytují Si3N4 a oxid zirkoničitý odolnost proti tepelným šokům, houževnatost a pevnost, aby vydržely nejdrsnější prostředí. Díky tvrdosti a odolnosti proti korozi materiálu je životnost komponent několikanásobně vyšší než u kovových komponentů. Mezi další výhody patří výkonnostní charakteristiky ventilu po dobu jeho životnosti, zejména v oblastech, kde je zachována uzavírací schopnost a ovládání.
To je ilustrováno aplikací 65 mm (2,6 palce) ventilu kynar/RTFE koule a vložky vystavené 98% kyselině sírové a ilmenitu, který se přeměňuje na pigment oxidu titaničitého. Agresivní povaha média znamená, že tyto komponenty mohou vydrží až šest týdnů. Avšak s použitím obložení kulového ventilu (obrázek 1) vyrobeného z Nilcra!", patentovaného magnézií částečně stabilizovaného oxidu zirkoničitého (Mg-PSZ), který poskytuje vynikající tvrdost a odolnost proti korozi, poskytuje tříletý nepřerušovaný provoz bez jakéhokoli zjistitelné opotřebení.
V lineárních ventilech včetně úhlových, škrticích nebo kulových ventilů jsou oxid zirkoničitý a nitrid křemíku vhodné pro kuželku i sedlo kvůli povaze těchto produktů „tvrdého sedla“. Podobně lze oxid hlinitý použít v některých vložkách a klecích. Vysoký stupeň těsnění lze dosáhnout přizpůsobením brusných kuliček na sedle ventilu.
Pro ventilová pouzdra, včetně ventilové kuželky, vstupu a výstupu nebo pouzdra tělesa, lze použít jakýkoli ze čtyř hlavních keramických materiálů v závislosti na požadavcích aplikace. Vysoká tvrdost a odolnost materiálu proti korozi se ukázaly být přínosem pro výkon a servis životnost produktu.
Vezměme si například škrticí klapku DN150 používanou v australské rafinerii bauxitu. Vysoký obsah oxidu křemičitého v médiu může způsobit vysoké opotřebení ventilových pouzder. Původní vložky a kotouče byly vyrobeny z 28% slitiny CrFe a byly použity pouze pro 8 až 10 týdnů. Avšak s ventily vyrobenými z Nilcry!" Zirkony (obrázek 2) se životnost zvýšila na 70 týdnů.
Díky své houževnatosti a pevnosti funguje keramika dobře ve většině aplikací ventilů. Je to však její tvrdost a odolnost proti korozi, které přispívají k dlouhé životnosti ventilu. To zase snižuje celkové náklady životního cyklu snížením prostojů na náhradní díly a snížením provozního kapitálu a inventář, snížení ruční manipulace a zlepšení bezpečnosti díky menšímu počtu úniků.
Použití keramických materiálů ve vysokotlakých ventilech je již dlouhou dobu jedním z hlavních problémů, protože tyto ventily jsou vystaveny vysokému axiálnímu nebo torznímu zatížení. Hlavní hráči v oboru však nyní vyvíjejí konstrukce kulových ventilů pro zlepšení odolnosti hnacího momentu.
Dalším velkým omezením je velikost. Největší sedlo a největší kulička (obrázek 3) vyrobené z hořčíku částečně stabilizovaného zirkonu jsou DN500 a DN250, v tomto pořadí. Většina specifikátorů však v současné době upřednostňuje pro komponenty těchto velikostí keramiku.
Přestože se keramické materiály nyní ukázaly jako vhodná volba, je třeba dodržovat několik jednoduchých pokynů, aby se maximalizoval jejich výkon. Keramické materiály by se měly používat jako první, pokud je to nutné pro minimalizaci nákladů. Je třeba se vyvarovat ostrých rohů a koncentrací napětí uvnitř i uvnitř navenek.
Jakýkoli potenciální nesoulad s tepelnou roztažností musí být zvážen ve fázi návrhu. Aby se snížilo namáhání obruče, je nutné ponechat keramiku na vnější straně, nikoli uvnitř. Nakonec je třeba pečlivě zvážit potřebu geometrických tolerancí a povrchové úpravy, protože tyto může zvýšit značné a zbytečné náklady.
Dodržováním těchto pokynů a osvědčených postupů pro výběr materiálů a koordinaci s dodavateli od začátku projektu lze dosáhnout ideálního řešení pro každou seriózní servisní aplikaci.
Tyto informace jsou odvozeny z materiálů, recenzí a úprav poskytnutých společností Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics. (28. listopadu 2019). Pokročilé keramické materiály pro náročné servisní aplikace. AZOM. Získáno 14. ledna 2022 z https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.”Pokročilé keramické materiály pro náročné servisní aplikace”.AZOM. 14. ledna 2022..
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.“Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications“.AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(Přístup 14. ledna 2022).
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.2019. Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications.AZoM, přístup 14. ledna 2022, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
V tomto rozhovoru AZoM hovoří s Mohamedem Rahamanem, emeritním profesorem vědy a technologie z Missouri University of Materials Science and Engineering, o biokeramice a jejím potenciálním využití v biomedicínském inženýrství.
AZoM hovořil s Dr. Iolandou Duarte a Juliane Moura o jejich výzkumu, který zohledňuje přítomnost extrémofilní flóry na fotovoltaických panelech.
AZoM hovořil s profesorem Andreou Fratalocchim z KAUST o jeho výzkumu, který se zaměřuje na dříve nepoznané aspekty uhlí.
Nesprávná aplikace maziva může vést k četným poruchám ložisek. Vzhledem k tomu, že 40 % životnosti ložisek nestačí k zajištění jeho technické hodnoty, je podmazání a přemazání klíčovými oblastmi, které je třeba monitorovat. LUBExpert vám umožňuje používat správné mazivo na správném místě na místě. správný čas.
Jedná se o standardní válcovanou měděnou fólii JX Nippon Mining & Metals s ideální flexibilitou a odolností proti vibracím.
Anton Paar XRDynamic (XRD) 500 je automatizovaný víceúčelový práškový rentgenový difraktometr. Jedná se o efektivní a všestranné XRD zařízení.