Materiais cerámicos avanzados para aplicacións de servizos duros

Usamos cookies para mellorar a túa experiencia. Ao continuar navegando neste sitio aceptas o noso uso de cookies.Máis información.
O servizo serio non ten unha definición oficial. Pódese pensar que se refire a condicións de operación nas que a substitución da válvula é custosa ou reduce a capacidade do proceso.
Hai unha necesidade global de reducir os custos de produción dos procesos para mellorar a rendibilidade en todas as industrias que impliquen condicións de servizo duras. Estes van desde petróleo e gas e petroquímicos ata xeración nuclear e eléctrica, procesamento de minerais e minería.
Os deseñadores e enxeñeiros están a traballar para conseguilo de diferentes xeitos. O enfoque máis axeitado é aumentar o tempo de actividade e a eficiencia mediante un control eficaz dos parámetros do proceso, como o apagado efectivo e o control de fluxo optimizado.
A optimización da seguridade tamén xoga un papel vital, xa que menos substitucións poden levar a un ambiente de produción máis seguro. Ademais, a empresa está tentando minimizar o inventario de equipos, incluíndo bombas e válvulas, e a manipulación necesaria. Ao mesmo tempo, os propietarios das instalacións esperan gran rotación dos seus activos. Como resultado, o aumento da capacidade de procesamento resulta en menos tubos e equipos (pero de maior diámetro) para o mesmo caudal de produto e menos metros.
Isto suxire que, ademais de ter que ser máis grandes para diámetros de tubos máis amplos, os compoñentes individuais do sistema deben soportar unha exposición prolongada a ambientes duros para reducir a necesidade de mantemento e substitución en servizo.
Os compoñentes, incluídas as válvulas e as esferas, deben ser robustos para adaptarse á aplicación desexada, pero tamén proporcionar unha vida útil prolongada. Non obstante, un problema importante na maioría das aplicacións é que os compoñentes metálicos alcanzaron os límites das súas capacidades de rendemento. Isto suxire que os deseñadores poden atopar alternativas aos materiais non metálicos, especialmente materiais cerámicos, para aplicacións de servizos esixentes.
Os parámetros típicos necesarios para operar compoñentes en condicións severas de servizo inclúen a resistencia ao choque térmico, a resistencia á corrosión, a resistencia á fatiga, a dureza, a resistencia e a tenacidade.
A resiliencia é un parámetro clave xa que os compoñentes menos resistentes poden fallar catastróficamente. A dureza dun material cerámico defínese como a resistencia á propagación da greta. Nalgúns casos pódese medir mediante o método de sangría, o que resulta nun valor artificialmente alto. -O feixe de muesca lateral proporciona medicións precisas.
A resistencia está relacionada coa tenacidade, pero refírese ao único punto no que un material falla catastróficamente cando se aplica tensión. Denomínase comunmente como "módulo de ruptura" e mídese tomando unha resistencia á flexión de tres ou catro puntos. medición nunha barra de proba.A proba de tres puntos proporciona valores un 1% máis altos que a proba de catro puntos.
Aínda que a dureza pódese medir nunha variedade de escalas, incluíndo Rockwell e Vickers, a escala de microdureza Vickers é moi adecuada para materiais cerámicos avanzados. A dureza varía en proporción á resistencia ao desgaste do material.
Nas válvulas que funcionan de forma cíclica, a fatiga é un problema importante debido á continua apertura e peche da válvula. A fatiga é o limiar de resistencia máis aló do cal un material tende a fallar por debaixo da súa resistencia á flexión normal.
A resistencia á corrosión depende do ambiente operativo e dos medios que conteñen o material. Moitos materiais cerámicos avanzados superan os metais nesta área, con excepción dalgúns materiais a base de circonio que se "degradan hidrotermalmente" cando se exponen a vapor a alta temperatura.
A xeometría da peza, o coeficiente de expansión térmica, a condutividade térmica, a dureza e a resistencia están todos afectados polo choque térmico. Esta é unha área que promove unha alta condutividade térmica e dureza e, polo tanto, as pezas metálicas funcionan de forma eficaz. Non obstante, agora os avances nos materiais cerámicos proporcionar niveis aceptables de resistencia ao choque térmico.
As cerámicas avanzadas utilízanse durante moitos anos e son populares entre os enxeñeiros de fiabilidade, os enxeñeiros de plantas e os deseñadores de válvulas que demandan un alto rendemento e valor. Dependendo dos requisitos específicos da aplicación, hai diferentes formulacións individuais adecuadas para varias industrias. Non obstante, hai catro cerámicas avanzadas. de importancia no campo das válvulas de servizo severo, e inclúen carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), alúmina e circonio. Os materiais de válvulas e esferas de válvulas son seleccionados en función dos requisitos específicos de aplicación.
Hai dúas formas principais de circonio que se usan en válvulas que teñen o mesmo coeficiente de expansión térmica e rixidez que o aceiro. O circonio parcialmente estabilizado de magnesia (Mg-PSZ) ten a maior resistencia e dureza ao choque térmico, mentres que o circonio tetragonal policristalino de itria (Y-TZP). ) é máis dura pero propensa á degradación hidrotermal.
O nitruro de silicio (Si3N4) está dispoñible en diferentes formulacións. O nitruro de silicio sinterizado a presión de gas (GPPSN) é o material máis utilizado para válvulas e compoñentes de válvulas, que ofrece unha alta dureza e resistencia, excelente resistencia ao choque térmico e estabilidade térmica ademais da tenacidade media. Ademais, Si3N4 proporciona un substituto axeitado para o zirconio en ambientes de vapor de alta temperatura, evitando a degradación hidrotermal.
Debido aos orzamentos axustados, os especificadores poden escoller entre SiC ou Alumina. Ambos materiais teñen unha alta dureza, pero non son máis resistentes que o zirconio ou o nitruro de silicio. Isto demostra que estes materiais son ben axeitados para aplicacións de compoñentes estáticos, como cascos e asentos de válvulas, en lugar de bolas ou discos de maior tensión.
Os materiais cerámicos avanzados teñen unha dureza máis baixa e unha resistencia similar que os materiais metálicos usados ​​en aplicacións de válvulas de servizo severas, incluíndo ferro de cromo (CrFe), carburo de tungsteno, Hastelloy e Stellite.
As aplicacións de servizos duros implican o uso de válvulas rotativas, como válvulas de bolboreta, muelles, válvulas de bola flotantes e resortes. Nestas aplicacións, Si3N4 e circonio proporcionan resistencia ao choque térmico, dureza e resistencia para soportar os ambientes máis duros. Debido á dureza e á resistencia á corrosión do material, a vida útil dos compoñentes é varias veces maior que a dos compoñentes metálicos.Outros beneficios inclúen as características de rendemento da válvula ao longo da súa vida útil, especialmente nas áreas onde se manteñen a capacidade de peche e o control.
Isto móstrase na aplicación dunha bola de kynar/RTFE con válvula de 65 mm (2,6 polgadas) e un revestimento expostos a ácido sulfúrico e ilmenita ao 98 %, que se está a converter en pigmento de óxido de titanio. A natureza agresiva do medio fai que estes compoñentes poidan duran ata seis semanas. Non obstante, usando o adorno da válvula de bola (Figura 1) fabricado a partir de Nilcra!", un circonio patentado de magnesia parcialmente estabilizado (Mg-PSZ) que proporciona unha excelente dureza e resistencia á corrosión, ofrece un servizo ininterrompido de tres anos sen desgaste detectable.
Nas válvulas lineais, que inclúen as válvulas de ángulo, de aceleración ou de globo, o zirconio e o nitruro de silicio son axeitados tanto para o enchufe como para o asento debido á natureza de "asento duro" destes produtos. Do mesmo xeito, o óxido de aluminio pódese usar nalgúns forros e gaiolas. Un alto grao de selado pódese conseguir combinando bolas de moenda no asento da válvula.
Para os cascos de válvulas, incluídos os tapóns de válvulas, a entrada e a saída ou os cascos do corpo, pódese utilizar calquera dos catro materiais cerámicos principais dependendo dos requisitos da aplicación. A alta dureza e resistencia á corrosión do material resultan beneficiosas para o rendemento e o servizo. vida útil do produto.
Tomemos, por exemplo, unha válvula de bolboreta DN150 usada nunha refinería de bauxita australiana. O alto contido de sílice dos medios pode causar altos niveis de desgaste nos casquiños das válvulas. Os revestimentos e discos orixinais estaban feitos de aliaxe CrFe ao 28 % e só se usaron para De 8 a 10 semanas. Non obstante, con válvulas feitas de Nilcra!" Zirconia (Figura 2), a vida útil aumentou a 70 semanas.
Debido á súa dureza e resistencia, as cerámicas funcionan ben na maioría das aplicacións de válvulas. Non obstante, é a súa dureza e resistencia á corrosión as que contribúen á lonxevidade da válvula. Isto á súa vez reduce os custos xerais do ciclo de vida ao reducir o tempo de inactividade das pezas de substitución, reducindo o capital de traballo. e inventario, reducindo a manipulación manual e mellorando a seguridade mediante menos fugas.
O uso de materiais cerámicos en válvulas de alta presión foi durante moito tempo unha das principais preocupacións porque estas válvulas están suxeitas a altas cargas axiais ou de torsión. Non obstante, os principais actores do campo están a desenvolver deseños de bólas de válvulas para mellorar a supervivencia do par motor.
Outra limitación importante é o tamaño. O asento máis grande e a bola máis grande (Figura 3) producidas a partir de circonio de magnesia parcialmente estabilizado son DN500 e DN250, respectivamente. Non obstante, a maioría dos especificadores prefiren actualmente cerámicas para compoñentes destes tamaños.
Aínda que agora os materiais cerámicos demostraron ser unha opción axeitada, hai que seguir algunhas pautas sinxelas para maximizar o seu rendemento. Os materiais cerámicos só deben usarse primeiro cando sexa necesario para minimizar o custo. Deben evitarse as esquinas afiadas e as concentracións de tensión tanto internamente como externamente.
Calquera posible desaxuste de expansión térmica debe considerarse durante a fase de deseño. Para reducir a tensión do aro, é necesario manter a cerámica no exterior, non no interior. Finalmente, debe considerarse coidadosamente a necesidade de tolerancias xeométricas e de acabado superficial, xa que estes pode engadir custos significativos e innecesarios.
Seguindo estas directrices e as mellores prácticas para seleccionar materiais e coordinarse cos provedores desde o inicio dun proxecto, pódese conseguir unha solución ideal para cada aplicación de servizo seria.
Esta información derívase de material, revisións e adaptacións proporcionadas por Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.(28 de novembro de 2019).Materiais cerámicos avanzados para aplicacións de servizos esixentes.AZOM.Recuperado o 14 de xaneiro de 2022 en https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.”Materiais cerámicos avanzados para aplicacións de servizos duros”.AZOM.14 de xaneiro de 2022..
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.”Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications”.AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(Consultado o 14 de xaneiro de 2022).
Morgan Advanced Materials – Cerámica Técnica.2019. Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications.AZoM, consultado o 14 de xaneiro de 2022, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
Nesta entrevista, AZoM conversa con Mohamed Rahaman, profesor emérito de Ciencia e Enxeñaría de Materiais da Universidade de Missouri, sobre a biocerámica e o seu uso potencial na enxeñaría biomédica.
AZoM falou coa doutora Iolanda Duarte e Juliane Moura sobre a súa investigación, que ten en conta a presenza de flora extremófila en paneis fotovoltaicos.
AZoM falou coa profesora Andrea Fratalocchi de KAUST sobre a súa investigación, que se centra en aspectos do carbón antes non recoñecidos.
A aplicación inadecuada da graxa pode levar a numerosos fallos dos rodamentos. Como o 40 % da vida útil dos rodamentos non é suficiente para proporcionar o seu valor de enxeñería, a sublubricación e a sobrelubricación son áreas clave a supervisar. momento xusto.
Esta é a folla de cobre laminada estándar de JX Nippon Mining & Metals cunha flexibilidade ideal e resistencia ás vibracións.
O XRDynamic (XRD) 500 de Anton Paar é un difractómetro de raios X en po multiusos automatizado. É un dispositivo XRD eficiente e versátil.