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El servicio serio no tiene una definición oficial. Se puede considerar que se refiere a condiciones operativas en las que el reemplazo de la válvula es costoso o reduce la capacidad del proceso.
Existe una necesidad global de reducir los costos de producción de procesos para mejorar la rentabilidad en todas las industrias que involucran condiciones de servicio duras. Estas van desde el petróleo y el gas y los petroquímicos hasta la generación nuclear y de energía, el procesamiento de minerales y la minería.
Los diseñadores e ingenieros están trabajando para lograr esto de diferentes maneras. El enfoque más apropiado es aumentar el tiempo de actividad y la eficiencia mediante un control efectivo de los parámetros del proceso, como un apagado efectivo y un control de flujo optimizado.
La optimización de la seguridad también juega un papel vital, ya que un menor número de reemplazos puede generar un entorno de producción más seguro. Además, la empresa está tratando de minimizar el inventario de equipos, incluidas bombas y válvulas, y la manipulación requerida. Al mismo tiempo, los propietarios de las instalaciones esperan enorme rotación de sus activos. Como resultado, la mayor capacidad de procesamiento da como resultado menos tuberías y equipos (pero de mayor diámetro) para el mismo flujo de producto y menos metros.
Esto sugiere que, además de tener que ser más grandes para diámetros de tubería más amplios, los componentes individuales del sistema deben resistir una exposición prolongada a entornos hostiles para reducir la necesidad de mantenimiento y reemplazo en servicio.
Los componentes, incluidas las válvulas y las bolas, deben ser robustos para adaptarse a la aplicación deseada, pero también deben proporcionar una vida útil prolongada. Sin embargo, un problema importante con la mayoría de las aplicaciones es que los componentes metálicos han alcanzado los límites de sus capacidades de rendimiento. Esto sugiere que los diseñadores pueden Encuentre alternativas a los materiales no metálicos, especialmente a los materiales cerámicos, para aplicaciones de servicios exigentes.
Los parámetros típicos necesarios para operar componentes en condiciones de servicio severas incluyen resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga, dureza, resistencia y tenacidad.
La resiliencia es un parámetro clave ya que los componentes menos resistentes pueden fallar catastróficamente. La tenacidad de un material cerámico se define como la resistencia a la propagación de grietas. En algunos casos, se puede medir utilizando el método de indentación, lo que da como resultado un valor artificialmente alto. Usando un solo La viga con muesca lateral proporciona mediciones precisas.
La resistencia está relacionada con la tenacidad, pero se refiere al punto único en el que un material falla catastróficamente cuando se aplica tensión. Se lo conoce comúnmente como "módulo de ruptura" y se mide tomando una resistencia a la flexión de tres o cuatro puntos. medición en una barra de prueba. La prueba de tres puntos proporciona valores un 1% más altos que la prueba de cuatro puntos.
Si bien la dureza se puede medir en una variedad de escalas, incluidas Rockwell y Vickers, la escala de microdureza Vickers es muy adecuada para materiales cerámicos avanzados. La dureza varía en proporción a la resistencia al desgaste del material.
En las válvulas que funcionan de manera cíclica, la fatiga es un problema importante debido a la continua apertura y cierre de la válvula. La fatiga es el umbral de resistencia más allá del cual un material tiende a fallar por debajo de su resistencia a la flexión normal.
La resistencia a la corrosión depende del entorno operativo y del medio que contiene el material. Muchos materiales cerámicos avanzados superan a los metales en esta área, con la excepción de algunos materiales a base de circonio que se "degradan hidrotermalmente" cuando se exponen a vapor a alta temperatura.
La geometría de la pieza, el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, la tenacidad y la resistencia se ven afectados por el choque térmico. Esta es un área que promueve una alta conductividad térmica y tenacidad y, por lo tanto, las piezas metálicas funcionan de manera efectiva. Sin embargo, los avances en los materiales cerámicos ahora Proporcionar niveles aceptables de resistencia al choque térmico.
Las cerámicas avanzadas se han utilizado durante muchos años y son populares entre los ingenieros de confiabilidad, los ingenieros de plantas y los diseñadores de válvulas que exigen un alto rendimiento y valor. Dependiendo de los requisitos específicos de la aplicación, existen diferentes formulaciones individuales adecuadas para diversas industrias. Sin embargo, se ofrecen cuatro cerámicas avanzadas. de importancia en el campo de las válvulas para servicios severos, e incluyen carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), alúmina y circonio. Los materiales de las válvulas y las bolas de las válvulas se seleccionan en función de los requisitos de aplicación específicos.
Hay dos formas principales de circonio utilizadas en válvulas que tienen el mismo coeficiente de expansión térmica y rigidez que el acero. El circonio parcialmente estabilizado con magnesia (Mg-PSZ) tiene la mayor resistencia al choque térmico y tenacidad, mientras que el circonio tetragonal policristalino con itria (Y-TZP). ) es más duro pero propenso a la degradación hidrotermal.
El nitruro de silicio (Si3N4) está disponible en diferentes formulaciones. El nitruro de silicio sinterizado a presión de gas (GPPSN) es el material más comúnmente utilizado para válvulas y componentes de válvulas, y ofrece alta dureza y resistencia, excelente resistencia al choque térmico y estabilidad térmica, además de una tenacidad promedio. Además, el Si3N4 proporciona un sustituto adecuado del circonio en entornos de vapor de alta temperatura, evitando la degradación hidrotermal.
Debido a los presupuestos ajustados, los especificadores pueden elegir entre SiC o alúmina. Ambos materiales tienen una alta dureza, pero no son más resistentes que el circonio o el nitruro de silicio. Esto demuestra que estos materiales son muy adecuados para aplicaciones de componentes estáticos, como casquillos y asientos de válvulas, en lugar de bolas o discos de mayor estrés.
Los materiales cerámicos avanzados tienen menor tenacidad y resistencia similar que los materiales metálicos utilizados en aplicaciones de válvulas de servicio severo, incluidos el cromo hierro (CrFe), el carburo de tungsteno, Hastelloy y Stellite.
Las aplicaciones de servicio exigentes implican el uso de válvulas rotativas como válvulas de mariposa, muñones, válvulas de bola flotante y resortes. En dichas aplicaciones, el Si3N4 y el circonio proporcionan resistencia al choque térmico, tenacidad y resistencia para soportar los entornos más hostiles. Debido a su dureza y resistencia a la corrosión. Del material, la vida útil de los componentes es varias veces mayor que la de los componentes metálicos. Otros beneficios incluyen las características de rendimiento de la válvula durante su vida útil, especialmente en áreas donde se mantienen la capacidad de cierre y el control.
Esto se ilustra en la aplicación de una bola y un revestimiento de kynar/RTFE con válvula de 65 mm (2,6 pulgadas) expuestos a ácido sulfúrico al 98% e ilmenita, que se está convirtiendo en pigmento de óxido de titanio. La naturaleza agresiva del medio significa que estos componentes pueden duran hasta seis semanas. Sin embargo, utilizando accesorios de válvula de bola (Figura 1) fabricados con Nilcra!", una circona parcialmente estabilizada con magnesia (Mg-PSZ) patentada que proporciona una excelente dureza y resistencia a la corrosión, proporciona un servicio ininterrumpido de tres años sin ningún desgaste detectable.
En válvulas lineales, incluidas válvulas de ángulo, de mariposa o de globo, el circonio y el nitruro de silicio son adecuados tanto para el obturador como para el asiento debido a la naturaleza de "asiento duro" de estos productos. Asimismo, se puede utilizar óxido de aluminio en algunos revestimientos y jaulas. Un alto grado El sellado se puede lograr haciendo coincidir las bolas de molienda en el asiento de la válvula.
Para los casquillos de válvula, incluidos el tapón, la entrada y la salida de la válvula, o los casquillos del cuerpo, se puede utilizar cualquiera de los cuatro materiales cerámicos principales según los requisitos de la aplicación. La alta dureza y resistencia a la corrosión del material demuestran ser beneficiosas para el rendimiento y el servicio. vida del producto.
Tomemos, por ejemplo, una válvula de mariposa DN150 utilizada en una refinería de bauxita australiana. El alto contenido de sílice del medio puede causar altos niveles de desgaste en los casquillos de las válvulas. Los revestimientos y discos originales estaban hechos de una aleación de 28% CrFe y solo se usaban para De 8 a 10 semanas. Sin embargo, con válvulas hechas de Nilcra!" Zirconia (Figura 2), la vida útil aumentó a 70 semanas.
Debido a su dureza y resistencia, las cerámicas funcionan bien en la mayoría de las aplicaciones de válvulas. Sin embargo, es su dureza y resistencia a la corrosión las que contribuyen a la longevidad de la válvula. Esto a su vez reduce los costos generales del ciclo de vida al reducir el tiempo de inactividad para piezas de repuesto y reducir el capital de trabajo. e inventario, reduciendo la manipulación manual y mejorando la seguridad mediante menos fugas.
El uso de materiales cerámicos en válvulas de alta presión ha sido durante mucho tiempo una de las principales preocupaciones porque estas válvulas están sujetas a altas cargas axiales o de torsión. Sin embargo, los principales actores en este campo ahora están desarrollando diseños de bolas de válvulas para mejorar la capacidad de supervivencia del par motor.
Otra limitación importante es el tamaño. El asiento y la bola más grandes (Figura 3) producidos a partir de circonio parcialmente estabilizado con magnesia son DN500 y DN250, respectivamente. Sin embargo, la mayoría de los especificadores actualmente prefieren la cerámica para componentes de estos tamaños.
Aunque ahora se ha demostrado que los materiales cerámicos son una opción adecuada, se deben seguir algunas pautas simples para maximizar su rendimiento. Los materiales cerámicos solo deben usarse primero cuando sea necesario para minimizar costos. Se deben evitar las esquinas afiladas y las concentraciones de tensión tanto internamente como externamente.
Cualquier posible desajuste de expansión térmica debe considerarse durante la fase de diseño. Para reducir la tensión circular, es necesario mantener la cerámica en el exterior, no en el interior. Finalmente, se debe considerar cuidadosamente la necesidad de tolerancias geométricas y acabado superficial, ya que estos puede agregar costos significativos e innecesarios.
Siguiendo estas pautas y mejores prácticas para seleccionar materiales y coordinar con los proveedores desde el inicio de un proyecto, se puede lograr una solución ideal para cada aplicación de servicio seria.
Esta información se deriva del material, revisiones y adaptaciones proporcionadas por Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics. (28 de noviembre de 2019). Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicios exigentes. AZOM. Obtenido el 14 de enero de 2022 de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.”Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicios hostiles”.AZOM.14 de enero de 2022.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.”Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicios hostiles”.AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(Consultado el 14 de enero de 2022).
Morgan Advanced Materials – Cerámica Técnica.2019. Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicios hostiles.AZoM, consultado el 14 de enero de 2022, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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Hora de publicación: 15 de enero de 2022
