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Le service sérieux n'a pas de définition officielle. Il peut être considéré comme faisant référence à des conditions de fonctionnement dans lesquelles le remplacement des vannes est coûteux ou réduit la capacité du processus.
Il existe un besoin mondial de réduire les coûts de production des procédés pour améliorer la rentabilité dans toutes les industries impliquant des conditions de service difficiles. Celles-ci vont du pétrole, du gaz et de la pétrochimie à la production nucléaire et électrique, en passant par le traitement des minéraux et l'exploitation minière.
Les concepteurs et les ingénieurs travaillent pour y parvenir de différentes manières. L'approche la plus appropriée consiste à augmenter la disponibilité et l'efficacité grâce à un contrôle efficace des paramètres de processus tels qu'un arrêt efficace et un contrôle de débit optimisé.
L'optimisation de la sécurité joue également un rôle essentiel, car moins de remplacements peuvent conduire à un environnement de production plus sûr. En outre, l'entreprise s'efforce de minimiser les stocks d'équipements, y compris les pompes et les vannes, ainsi que la manipulation requise. Dans le même temps, les propriétaires d'installations s'attendent à ce que un chiffre d'affaires énorme sur leurs actifs. En conséquence, l'augmentation de la capacité de traitement se traduit par moins de tuyaux et d'équipements (mais de plus grand diamètre) pour le même flux de produit et moins de mètres.
Cela suggère qu'en plus de devoir être plus grands pour des diamètres de tuyaux plus larges, les composants individuels du système doivent résister à une exposition prolongée à des environnements difficiles afin de réduire le besoin de maintenance et de remplacement en service.
Les composants, y compris les vannes et les billes, doivent être robustes pour s'adapter à l'application souhaitée, mais également offrir une durée de vie prolongée. Cependant, un problème majeur avec la plupart des applications est que les composants métalliques ont atteint les limites de leurs capacités de performance. Cela suggère que les concepteurs peuvent trouver des alternatives aux matériaux non métalliques, en particulier aux matériaux céramiques, pour les applications de service exigeantes.
Les paramètres typiques requis pour faire fonctionner les composants dans des conditions de service sévères comprennent la résistance aux chocs thermiques, la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue, la dureté, la résistance et la ténacité.
La résilience est un paramètre clé car les composants moins résilients peuvent échouer de manière catastrophique. La ténacité d'un matériau céramique est définie comme la résistance à la propagation des fissures. Dans certains cas, elle peut être mesurée à l'aide de la méthode d'indentation, ce qui donne une valeur artificiellement élevée. Le faisceau à encoche latérale fournit des mesures précises.
La résistance est liée à la ténacité, mais fait référence au point unique auquel un matériau se brise de manière catastrophique lorsqu'une contrainte est appliquée. Elle est communément appelée « module de rupture » et est mesurée en prenant une résistance à la flexion en trois ou quatre points. mesure sur une barre de test. Le test en trois points fournit des valeurs 1% plus élevées que le test en quatre points.
Bien que la dureté puisse être mesurée sur diverses échelles, notamment Rockwell et Vickers, l'échelle de microdureté Vickers est bien adaptée aux matériaux céramiques avancés. La dureté varie proportionnellement à la résistance à l'usure du matériau.
Dans les vannes fonctionnant de manière cyclique, la fatigue est un problème majeur en raison de l'ouverture et de la fermeture continues de la vanne. La fatigue est le seuil de résistance au-delà duquel un matériau a tendance à se briser en dessous de sa résistance normale à la flexion.
La résistance à la corrosion dépend de l'environnement d'exploitation et des milieux contenant le matériau. De nombreux matériaux céramiques avancés surpassent les métaux dans ce domaine, à l'exception de certains matériaux à base de zircone qui se « dégradent hydrothermiquement » lorsqu'ils sont exposés à de la vapeur à haute température.
La géométrie des pièces, le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, la ténacité et la résistance sont tous affectés par le choc thermique. Il s'agit d'un domaine qui favorise une conductivité thermique et une ténacité élevées et, par conséquent, le fonctionnement efficace des pièces métalliques. Cependant, les progrès réalisés dans les matériaux céramiques fournir des niveaux acceptables de résistance aux chocs thermiques.
Les céramiques avancées sont utilisées depuis de nombreuses années et sont populaires parmi les ingénieurs en fiabilité, les ingénieurs d'usine et les concepteurs de vannes qui exigent des performances et une valeur élevées. En fonction des exigences spécifiques de l'application, il existe différentes formulations individuelles adaptées à diverses industries. Cependant, quatre céramiques avancées sont d'importance dans le domaine des vannes pour service sévère, et ils comprennent le carbure de silicium (SiC), le nitrure de silicium (Si3N4), l'alumine et la zircone. Les matériaux des vannes et des billes de vanne sont sélectionnés en fonction des exigences spécifiques de l'application.
Il existe deux formes principales de zircone utilisées dans les vannes qui ont le même coefficient de dilatation thermique et de rigidité que l'acier. La zircone magnésienne partiellement stabilisée (Mg-PSZ) a la plus haute résistance aux chocs thermiques et la ténacité, tandis que la zircone tétragonale yttria polycristalline (Y-TZP ) est plus dur mais sujet à la dégradation hydrothermale.
Le nitrure de silicium (Si3N4) est disponible dans différentes formulations. Le nitrure de silicium fritté sous pression de gaz (GPPSN) est le matériau le plus couramment utilisé pour les vannes et les composants de vannes, offrant une dureté et une résistance élevées, une excellente résistance aux chocs thermiques et une stabilité thermique en plus d'une ténacité moyenne. De plus, Si3N4 constitue un substitut approprié à la zircone dans les environnements de vapeur à haute température, empêchant ainsi la dégradation hydrothermale.
En raison de budgets serrés, les prescripteurs peuvent choisir entre le SiC ou l'alumine. Les deux matériaux ont une dureté élevée, mais ne sont pas plus résistants que la zircone ou le nitrure de silicium. Cela montre que ces matériaux sont bien adaptés aux applications de composants statiques tels que les bagues et les sièges de vannes, plutôt qu'à balles ou disques à stress plus élevé.
Les matériaux céramiques avancés ont une ténacité inférieure et une résistance similaire à celle des matériaux métalliques utilisés dans les applications de vannes à service sévère, notamment le chrome-fer (CrFe), le carbure de tungstène, l'Hastelloy et le Stellite.
Les applications de service difficiles impliquent l'utilisation de vannes rotatives telles que des vannes papillon, des tourillons, des vannes à bille flottante et des ressorts. Dans de telles applications, le Si3N4 et la zircone offrent une résistance aux chocs thermiques, une ténacité et une résistance nécessaires pour résister aux environnements les plus difficiles. En raison de la dureté et de la résistance à la corrosion du matériau, la durée de vie des composants est plusieurs fois supérieure à celle des composants métalliques. D'autres avantages incluent les caractéristiques de performance de la vanne tout au long de sa durée de vie, en particulier dans les zones où la capacité de fermeture et le contrôle sont maintenus.
Ceci est illustré dans l'application d'une bille et d'un revêtement de valve kynar/RTFE de 65 mm (2,6 pouces) exposés à 98 % d'acide sulfurique et d'ilménite, qui est convertie en pigment d'oxyde de titane. La nature agressive du milieu signifie que ces composants peuvent durent jusqu'à six semaines. Cependant, en utilisant une garniture de robinet à tournant sphérique (Figure 1) fabriquée à partir de Nilcra!", une zircone exclusive partiellement stabilisée à la magnésie (Mg-PSZ) qui offre une excellente dureté et résistance à la corrosion, offre un service ininterrompu de trois ans sans aucun usure détectable.
Dans les vannes linéaires, notamment les vannes d'angle, d'étranglement ou à soupape, la zircone et le nitrure de silicium conviennent à la fois au clapet et au siège en raison de la nature du « siège dur » de ces produits. De même, l'oxyde d'aluminium peut être utilisé dans certains revêtements et cages. L'étanchéité peut être obtenue en faisant correspondre les billes de meulage sur le siège de soupape.
Pour les bagues de vanne, y compris les clapets de vanne, les entrées et sorties, ou les bagues de corps, l'un des quatre principaux matériaux céramiques peut être utilisé en fonction des exigences de l'application. La dureté élevée et la résistance à la corrosion du matériau s'avèrent bénéfiques pour les performances et le service. durée de vie du produit.
Prenons, par exemple, une vanne papillon DN150 utilisée dans une raffinerie de bauxite australienne. La teneur élevée en silice du fluide peut provoquer une usure importante des bagues de vanne. Les chemises et les disques d'origine étaient constitués d'un alliage à 28 % de CrFe et n'étaient utilisés que pour 8 à 10 semaines. Cependant, avec les valves en zircone Nilcra!" (Figure 2), la durée de vie est passée à 70 semaines.
En raison de leur ténacité et de leur résistance, les céramiques fonctionnent bien dans la plupart des applications de vannes. Cependant, c'est leur dureté et leur résistance à la corrosion qui contribuent à la longévité de la vanne. Cela réduit à son tour les coûts globaux du cycle de vie en réduisant les temps d'arrêt pour les pièces de rechange, réduisant ainsi le fonds de roulement. et les stocks, réduisant ainsi la manipulation manuelle et améliorant la sécurité grâce à moins de fuites.
L'utilisation de matériaux céramiques dans les vannes haute pression a longtemps été l'une des principales préoccupations car ces vannes sont soumises à des charges axiales ou de torsion élevées. Cependant, les principaux acteurs du domaine développent désormais des conceptions de billes de vannes pour améliorer la capacité de survie du couple d'entraînement.
Une autre limitation majeure est la taille. Le plus grand siège et la plus grande bille (Figure 3) produits à partir de zircone partiellement stabilisée à la magnésie sont respectivement DN500 et DN250. Cependant, la plupart des prescripteurs préfèrent actuellement la céramique pour les composants de ces tailles.
Bien que les matériaux céramiques se soient désormais révélés être un choix approprié, quelques directives simples doivent être suivies pour maximiser leurs performances. Les matériaux céramiques ne doivent être utilisés en premier que lorsqu'il est nécessaire de minimiser les coûts. Les angles vifs et les concentrations de contraintes doivent être évités à la fois à l'intérieur et à l'extérieur. extérieurement.
Tout décalage potentiel de dilatation thermique doit être pris en compte lors de la phase de conception. Pour réduire les contraintes du cercle, il est nécessaire de conserver la céramique à l'extérieur et non à l'intérieur. Enfin, la nécessité de tolérances géométriques et de finition de surface doit être soigneusement prise en compte, car celles-ci peut ajouter des coûts importants et inutiles.
En suivant ces directives et bonnes pratiques pour la sélection des matériaux et la coordination avec les fournisseurs dès le début d'un projet, une solution idéale peut être obtenue pour chaque application de service sérieuse.
Ces informations sont dérivées du matériel, des critiques et des adaptations fournies par Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics. (28 novembre 2019). Matériaux céramiques avancés pour les applications de service exigeantes.AZOM. Récupéré le 14 janvier 2022 sur https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
Morgan Advanced Materials – Céramiques techniques. « Matériaux céramiques avancés pour les applications de services difficiles ».AZOM.14 janvier 2022..
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics. « Advanced Ceramic Materials for Hard Service Applications ».AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(Consulté le 14 janvier 2022).
Morgan Advanced Materials – Céramiques techniques.2019. Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications.AZoM, consulté le 14 janvier 2022, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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Heure de publication : 15 janvier 2022
