कठोर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उन्नत सिरेमिक सामग्री

कोई औपचारिक सेवा परिभाषा नहीं है. इसे वाल्व को बदलने की उच्च लागत या प्रसंस्करण क्षमता को कम करने वाली कार्य स्थितियों को संदर्भित करने के लिए माना जा सकता है।
कठोर सेवा शर्तों में शामिल सभी क्षेत्रों की लाभप्रदता में सुधार के लिए प्रक्रिया उत्पादन लागत को कम करने की वैश्विक आवश्यकता है। इनमें तेल और गैस, पेट्रोकेमिकल से लेकर परमाणु ऊर्जा और बिजली उत्पादन, खनिज प्रसंस्करण और खनन तक शामिल हैं।
डिज़ाइनर और इंजीनियर अलग-अलग तरीकों से इस लक्ष्य को हासिल करने की कोशिश कर रहे हैं। प्रक्रिया मापदंडों (जैसे प्रभावी शटडाउन और अनुकूलित प्रवाह नियंत्रण) को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करके अपटाइम और दक्षता बढ़ाना सबसे उपयुक्त तरीका है।
सुरक्षा अनुकूलन भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि प्रतिस्थापन की संख्या कम करने से सुरक्षित उत्पादन वातावरण बन सकता है। इसके अलावा, कंपनी उपकरण (पंप और वाल्व सहित) सूची और आवश्यक निपटान को कम करने के लिए काम कर रही है। साथ ही, सुविधा मालिकों को अपनी संपत्ति से भारी कारोबार की उम्मीद है। इसलिए, बढ़ी हुई प्रसंस्करण क्षमता के परिणामस्वरूप कम (लेकिन बड़े व्यास वाले) पाइप और उपकरण और समान उत्पाद स्ट्रीम के लिए कम उपकरण होंगे।
इससे पता चलता है कि व्यापक पाइप व्यास के लिए बड़ा होने के अलावा, विभिन्न सिस्टम घटकों को इन-सर्विस रखरखाव और प्रतिस्थापन की आवश्यकता को कम करने के लिए कठोर वातावरण में लंबे समय तक जोखिम सहने की भी आवश्यकता होती है।
वाल्व और वाल्व बॉल सहित घटकों को वांछित अनुप्रयोग के अनुरूप मजबूत होने की आवश्यकता है, लेकिन वे अपना जीवन भी बढ़ा सकते हैं। हालाँकि, अधिकांश अनुप्रयोगों में मुख्य समस्या यह है कि धातु के हिस्से अपनी प्रदर्शन सीमा तक पहुँच चुके हैं। यह इंगित करता है कि डिजाइनर मांग वाले अनुप्रयोगों, विशेष रूप से सिरेमिक सामग्री में गैर-धातु सामग्री के विकल्प ढूंढ सकते हैं।
कठोर परिस्थितियों में घटकों को संचालित करने के लिए आवश्यक विशिष्ट मापदंडों में थर्मल शॉक प्रतिरोध, संक्षारण प्रतिरोध, थकान प्रतिरोध, कठोरता, ताकत और कठोरता शामिल हैं।
लचीलापन एक प्रमुख पैरामीटर है, क्योंकि जो घटक कम लचीले होते हैं वे भयावह रूप से विफल हो सकते हैं। सिरेमिक सामग्रियों की कठोरता को दरार प्रसार के प्रतिरोध के रूप में परिभाषित किया गया है। कुछ मामलों में, कृत्रिम रूप से उच्च मूल्य प्राप्त करने के लिए इसे इंडेंटेशन विधि का उपयोग करके मापा जा सकता है। एकल-पक्षीय चीरा बीम का उपयोग सटीक माप परिणाम प्रदान कर सकता है।
ताकत कठोरता से संबंधित है, लेकिन एक बिंदु को संदर्भित करती है जहां तनाव लागू होने पर एक सामग्री भयावह रूप से क्षतिग्रस्त हो जाती है। इसे आमतौर पर "टूटना मापांक" के रूप में जाना जाता है, जो एक परीक्षण रॉड पर तीन-बिंदु या चार-बिंदु झुकने की ताकत माप करके प्राप्त किया जाता है। तीन-बिंदु परीक्षण का मूल्य चार-बिंदु परीक्षण के मूल्य से 1% अधिक है।
हालाँकि रॉकवेल कठोरता और विकर्स कठोरता सहित कई पैमानों का उपयोग कठोरता को मापने के लिए किया जा सकता है, विकर्स माइक्रोहार्डनेस स्केल उन्नत सिरेमिक सामग्री के लिए बहुत उपयुक्त है। कठोरता सामग्री के पहनने के प्रतिरोध के अनुपात में बदलती है।
चक्रीय तरीके से काम करने वाले वाल्वों में, वाल्व के लगातार खुलने और बंद होने के कारण थकान मुख्य चिंता है। थकान ताकत की दहलीज है. इस सीमा से परे, सामग्री अपनी सामान्य झुकने की शक्ति से नीचे विफल हो जाती है।
संक्षारण प्रतिरोध ऑपरेटिंग वातावरण और सामग्री वाले माध्यम पर निर्भर करता है। "हाइड्रोथर्मल डिग्रेडेशन" के अलावा, कई उन्नत सिरेमिक सामग्री इस क्षेत्र में धातुओं से बेहतर हैं, और कुछ ज़िरकोनिया-आधारित सामग्री उच्च तापमान वाली भाप के संपर्क में आने के बाद "हाइड्रोथर्मल डिग्रेडेशन" से गुजरेंगी।
घटकों की ज्यामिति, थर्मल विस्तार गुणांक, थर्मल चालकता, क्रूरता और ताकत थर्मल शॉक से प्रभावित होती है। यह क्षेत्र उच्च तापीय चालकता और कठोरता के लिए अनुकूल है, इसलिए धातु घटक प्रभावी ढंग से कार्य कर सकते हैं। हालाँकि, सिरेमिक सामग्रियों में प्रगति अब थर्मल शॉक प्रतिरोध के स्वीकार्य स्तर प्रदान करती है।
उन्नत सिरेमिक का उपयोग कई वर्षों से किया जा रहा है और विश्वसनीयता इंजीनियरों, प्लांट इंजीनियरों और वाल्व डिजाइनरों के बीच लोकप्रिय हैं जिन्हें उच्च प्रदर्शन और उच्च मूल्य की आवश्यकता होती है। विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के अनुसार, यह विभिन्न उद्योगों में विभिन्न फॉर्मूलेशन के लिए उपयुक्त है। हालाँकि, रखरखाव वाल्वों की मांग के क्षेत्र में चार उन्नत सिरेमिक बहुत महत्वपूर्ण हैं, जिनमें सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4), एल्यूमिना और ज़िरकोनिया शामिल हैं। वाल्व और वाल्व बॉल की सामग्री का चयन विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के अनुसार किया जाता है।
वाल्व ज़िरकोनिया के दो मुख्य रूपों का उपयोग करता है, जिनमें स्टील के समान थर्मल विस्तार गुणांक और कठोरता होती है। मैग्नीशियम ऑक्साइड आंशिक रूप से स्थिर ज़िरकोनिया (एमजी-पीएसजेड) में सबसे अधिक थर्मल शॉक प्रतिरोध और क्रूरता है, जबकि येट्रिया टेट्रागोनल ज़िरकोनिया पॉलीक्रिस्टलाइन (वाई-टीजेडपी) कठिन है, लेकिन हाइड्रोथर्मल क्षरण के लिए अतिसंवेदनशील है।
सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4) के विभिन्न फॉर्मूलेशन हैं। गैस प्रेशर सिंटरड सिलिकॉन नाइट्राइड (जीपीपीएसएन) वाल्व और वाल्व घटकों के लिए उपयोग की जाने वाली सबसे आम सामग्री है। इसकी औसत कठोरता के अलावा, इसमें उच्च कठोरता और ताकत, उत्कृष्ट थर्मल शॉक प्रतिरोध और थर्मल स्थिरता भी है। इसके अलावा, उच्च तापमान वाले भाप वातावरण में, Si3N4 हाइड्रोथर्मल गिरावट को रोकने के लिए ज़िरकोनिया की जगह ले सकता है।
सख्त बजट के साथ, सांद्रक SiC या एल्यूमिना में से चुन सकता है। दोनों सामग्रियों में उच्च कठोरता है, लेकिन ज़िरकोनिया या सिलिकॉन नाइट्राइड से अधिक कठोर नहीं हैं। इससे पता चलता है कि सामग्री उच्च तनाव के अधीन गेंद या डिस्क के बजाय स्थिर घटक अनुप्रयोगों, जैसे वाल्व लाइनर और वाल्व सीटों के लिए बहुत उपयुक्त है।
मांग वाले वाल्व अनुप्रयोगों (फेरोक्रोम (सीआरएफई), टंगस्टन कार्बाइड, हास्टेलॉय और स्टेलाइट सहित) में उपयोग की जाने वाली धातु सामग्री की तुलना में, उन्नत सिरेमिक सामग्री में कम क्रूरता और समान ताकत होती है।
मांग वाले सेवा अनुप्रयोगों में तितली वाल्व, ट्रूनियन, फ्लोटिंग बॉल वाल्व और स्प्रिंग्स जैसे रोटरी वाल्व का उपयोग शामिल है। ऐसे अनुप्रयोगों में, Si3N4 और ज़िरकोनिया में थर्मल शॉक प्रतिरोध, क्रूरता और ताकत होती है, और यह सबसे अधिक मांग वाले वातावरण के अनुकूल हो सकता है। सामग्री की कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध के कारण, घटक का सेवा जीवन धातु घटक की तुलना में कई गुना अधिक है। अन्य लाभों में वाल्व के जीवन पर प्रदर्शन विशेषताएं शामिल हैं, खासकर उन क्षेत्रों में जहां कट-ऑफ और नियंत्रण क्षमताएं बनाए रखी जाती हैं।
यह 65 मिमी (2.6 इंच) वाल्व किन्नर/आरटीईई बॉल और लाइनर के मामले में प्रदर्शित किया गया था जो 98% सल्फ्यूरिक एसिड प्लस इल्मेनाइट के संपर्क में था, इल्मेनाइट को टाइटेनियम ऑक्साइड वर्णक में परिवर्तित किया जा रहा था। मीडिया की संक्षारक प्रकृति का मतलब है कि इन घटकों का जीवन छह सप्ताह तक लंबा हो सकता है। हालाँकि, Nilcra™ द्वारा निर्मित गोलाकार वाल्व ट्रिम (एक मालिकाना मैग्नीशियम ऑक्साइड आंशिक रूप से स्थिर ज़िरकोनिया (Mg-PSZ)) के उपयोग में उत्कृष्ट कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध है और इसे तीन वर्षों के लिए प्रदान किया गया है। रुक-रुक कर सेवा, बिना किसी पहचान योग्य टूट-फूट के।
रैखिक वाल्वों (कोण वाल्व, थ्रॉटल वाल्व या ग्लोब वाल्व सहित) में, ज़िरकोनिया और सिलिकॉन नाइट्राइड इन उत्पादों की "हार्ड सील" विशेषताओं के कारण वाल्व प्लग और वाल्व सीट दोनों के लिए उपयुक्त हैं। इसी प्रकार, एल्यूमिना का उपयोग कुछ अस्तर और पिंजरों में किया जा सकता है। सीट रिंग पर मैचिंग बॉल के जरिए उच्च स्तर की सीलिंग हासिल की जा सकती है।
वाल्व कोर के लिए, स्पूल वाल्व, इनलेट और आउटलेट या वाल्व बॉडी बुशिंग सहित, चार मुख्य सिरेमिक सामग्रियों में से किसी एक का उपयोग एप्लिकेशन आवश्यकताओं के अनुसार किया जा सकता है। सामग्री की उच्च कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध उत्पाद प्रदर्शन और सेवा जीवन के मामले में फायदेमंद साबित हुआ है।
उदाहरण के तौर पर ऑस्ट्रेलियाई बॉक्साइट रिफाइनरी में उपयोग किए जाने वाले DN150 बटरफ्लाई वाल्व को लें। माध्यम में उच्च सिलिका सामग्री वाल्व झाड़ियों पर उच्च स्तर के घिसाव का कारण बनती है। शुरू में इस्तेमाल किए गए लाइनर और वाल्व डिस्क 28% CrFe मिश्र धातु से बने थे और केवल आठ से दस सप्ताह तक चले। हालाँकि, निलक्रा™ ज़िरकोनिया (चित्र 2) से बने वाल्वों की शुरूआत के कारण, सेवा जीवन को 70 सप्ताह तक बढ़ा दिया गया है।
अपनी कठोरता और मजबूती के कारण, सिरेमिक अधिकांश वाल्व अनुप्रयोगों में अच्छा काम करता है। हालाँकि, यह उनकी कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध है जो वाल्व के जीवन को बढ़ाने में मदद करता है। बदले में, यह प्रतिस्थापन भागों के लिए डाउनटाइम को कम करके, कार्यशील पूंजी और इन्वेंट्री को कम करके, न्यूनतम मैनुअल हैंडलिंग और रिसाव को कम करके सुरक्षा बढ़ाता है, जिससे समग्र जीवन चक्र लागत कम हो जाती है।
लंबे समय से, उच्च दबाव वाले वाल्वों में सिरेमिक सामग्री का अनुप्रयोग मुख्य चिंताओं में से एक रहा है, क्योंकि ये वाल्व उच्च अक्षीय या मरोड़ वाले भार के अधीन हैं। हालाँकि, इस क्षेत्र के प्रमुख खिलाड़ी वाल्व बॉल डिज़ाइन विकसित कर रहे हैं जो एक्चुएशन टॉर्क की उत्तरजीविता में सुधार करते हैं।
दूसरी प्रमुख सीमा आकार है. मैग्नेशिया आंशिक रूप से स्थिर ज़िरकोनिया द्वारा निर्मित सबसे बड़ी वाल्व सीट और सबसे बड़ी वाल्व बॉल (चित्र 3) का आकार क्रमशः DN500 और DN250 है। हालाँकि, अधिकांश वर्तमान विनिर्देशक उन भागों को बनाने के लिए सिरेमिक का उपयोग करना पसंद करते हैं जिनके आयाम इन आयामों से अधिक नहीं होते हैं।
हालाँकि अब यह सिद्ध हो गया है कि सिरेमिक सामग्री का उपयोग एक उपयुक्त विकल्प के रूप में किया जा सकता है, फिर भी इसके प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए कुछ सरल दिशानिर्देशों का पालन किया जाना चाहिए। सिरेमिक सामग्रियों का उपयोग सबसे पहले तभी किया जाना चाहिए जब लागत कम करने की आवश्यकता हो। अंदर और बाहर दोनों जगह तेज कोनों और तनाव एकाग्रता से बचना चाहिए।
डिज़ाइन चरण के दौरान किसी भी संभावित थर्मल विस्तार बेमेल पर विचार किया जाना चाहिए। घेरा के तनाव को कम करने के लिए, सिरेमिक को अंदर के बजाय बाहर रखना आवश्यक है। अंत में, ज्यामितीय सहनशीलता और सतह परिष्करण की आवश्यकता पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए, क्योंकि ये सहनशीलता अनावश्यक लागत में काफी वृद्धि कर सकती है।
परियोजना की शुरुआत से ही सामग्रियों के चयन और आपूर्तिकर्ताओं के साथ समन्वय में इन दिशानिर्देशों और सर्वोत्तम प्रथाओं का पालन करके, प्रत्येक मांग वाले सेवा आवेदन के लिए एक आदर्श समाधान प्राप्त किया जा सकता है।
यह जानकारी मॉर्गन एडवांस्ड मटेरियल्स द्वारा प्रदान की गई सामग्रियों से प्राप्त, समीक्षा और अनुकूलित की गई है।
मॉर्गन उन्नत सामग्री-तकनीकी सिरेमिक। (नवंबर 28, 2019)। गंभीर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त उन्नत सिरेमिक सामग्री। एज़ोएम। 9 मार्च, 2021 को https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 से लिया गया।
मॉर्गन उन्नत सामग्री-तकनीकी सिरेमिक। "गंभीर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उन्नत सिरेमिक सामग्री"। एज़ोएम। 9 मार्च 2021.
मॉर्गन उन्नत सामग्री-तकनीकी सिरेमिक। "गंभीर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उन्नत सिरेमिक सामग्री"। एज़ोएम। https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305। (9 मार्च, 2021 को एक्सेस किया गया)।
मॉर्गन उन्नत सामग्री-तकनीकी सिरेमिक। 2019. गंभीर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त उन्नत सिरेमिक सामग्री। AZoM, देखने का समय 9 मार्च, 2021 है, https://www.azom.com/article.aspx? आर्टिकलआईडी = 12305.
एलोडी वेरज़ोली OSAY PHYSICS (TOH की सहायक कंपनी) में UHV समाधान के उत्पाद प्रबंधक हैं। उनसे नैनोस्पेस के मुख्य कार्यों के बारे में साक्षात्कार लिया गया और यह टीओएच के उत्पाद पोर्टफोलियो का एक महत्वपूर्ण हिस्सा क्यों बन गया।
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