Non esiste una definizione formale del servizio. Può essere considerato riferito all'elevato costo di sostituzione della valvola o alle condizioni di lavoro che riducono la capacità di trattamento.
La necessità globale di ridurre i costi di produzione dei processi al fine di migliorare la redditività di tutti i settori coinvolti in condizioni di servizio difficili. Si va dal petrolio e gas, dai prodotti petrolchimici all'energia nucleare e alla produzione di energia, alla lavorazione dei minerali e all'estrazione mineraria.
Designer e ingegneri stanno cercando di raggiungere questo obiettivo in modi diversi. Il metodo più appropriato è aumentare i tempi di attività e l'efficienza controllando efficacemente i parametri di processo (come l'arresto efficace e il controllo del flusso ottimizzato).
Anche l’ottimizzazione della sicurezza svolge un ruolo fondamentale, poiché la riduzione del numero di sostituzioni può portare a un ambiente di produzione più sicuro. Inoltre, l'azienda sta lavorando per ridurre le scorte di attrezzature (comprese pompe e valvole) e le necessità di smaltimento. Allo stesso tempo, i proprietari delle strutture si aspettano un fatturato enorme dai loro asset. Pertanto, una maggiore capacità di lavorazione si tradurrà in un minor numero di tubi e apparecchiature (ma di diametro maggiore) e di strumenti per lo stesso flusso di prodotti.
Ciò dimostra che oltre a dover essere più grandi per diametri di tubo più ampi, i vari componenti del sistema devono anche resistere a un'esposizione prolungata ad ambienti difficili per ridurre la necessità di manutenzione e sostituzione in servizio.
I componenti, comprese le valvole e le sfere delle valvole, devono essere robusti per adattarsi all'applicazione desiderata, ma possono anche prolungarne la durata. Tuttavia, il problema principale nella maggior parte delle applicazioni è che le parti metalliche hanno raggiunto i limiti prestazionali. Ciò indica che i progettisti possono trovare alternative ai materiali non metallici in applicazioni impegnative, in particolare ai materiali ceramici.
I parametri tipici richiesti per il funzionamento dei componenti in condizioni difficili includono resistenza allo shock termico, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, durezza, resistenza e tenacità.
La resilienza è un parametro chiave, perché i componenti meno resilienti possono fallire in modo catastrofico. La tenacità dei materiali ceramici è definita come la resistenza alla propagazione delle cricche. In alcuni casi, può essere misurato utilizzando il metodo dell'indentazione per ottenere un valore artificialmente elevato. L'uso di un raggio di incisione su un solo lato può fornire risultati di misurazione accurati.
La resistenza è correlata alla tenacità, ma si riferisce a un singolo punto in cui un materiale viene danneggiato in modo catastrofico quando viene applicato lo stress. Viene comunemente chiamato “modulo di rottura”, che si ottiene eseguendo una misurazione della resistenza alla flessione su tre o quattro punti su un'asta di prova. Il valore del test a tre punti è superiore dell'1% rispetto al valore del test a quattro punti.
Sebbene molte scale, tra cui la durezza Rockwell e la durezza Vickers, possano essere utilizzate per misurare la durezza, la scala di microdurezza Vickers è molto adatta per materiali ceramici avanzati. La durezza cambia in proporzione alla resistenza all'usura del materiale.
Nelle valvole che funzionano in modo ciclico, la fatica è la preoccupazione principale a causa della continua apertura e chiusura della valvola. La fatica è la soglia della forza. Oltre questa soglia, il materiale tende a cedere al di sotto della sua normale resistenza alla flessione.
La resistenza alla corrosione dipende dall'ambiente operativo e dal mezzo contenente il materiale. Oltre alla “degradazione idrotermale”, molti materiali ceramici avanzati sono superiori ai metalli in questo campo, e alcuni materiali a base di zirconio subiranno una “degradazione idrotermale” dopo essere stati esposti al vapore ad alta temperatura.
La geometria, il coefficiente di dilatazione termica, la conduttività termica, la tenacità e la resistenza dei componenti sono influenzati dallo shock termico. Quest'area favorisce un'elevata conduttività termica e tenacità, quindi i componenti metallici possono funzionare in modo efficace. Tuttavia, i progressi nei materiali ceramici ora forniscono livelli accettabili di resistenza agli shock termici.
Le ceramiche avanzate sono utilizzate da molti anni e sono apprezzate dagli ingegneri dell'affidabilità, dagli impiantisti e dai progettisti di valvole che richiedono prestazioni elevate e un alto valore. A seconda dei requisiti applicativi specifici, è adatto a diverse formulazioni in una varietà di settori. Tuttavia, quattro ceramiche avanzate sono di grande importanza nel campo delle valvole di manutenzione impegnative, tra cui il carburo di silicio (SiC), il nitruro di silicio (Si3N4), l'allumina e la zirconio. I materiali della valvola e della sfera della valvola sono selezionati in base ai requisiti applicativi specifici.
La valvola utilizza due forme principali di zirconio, che hanno lo stesso coefficiente di dilatazione termica e rigidità dell'acciaio. La zirconia parzialmente stabilizzata con ossido di magnesio (Mg-PSZ) ha la massima resistenza agli shock termici e tenacità, mentre la zirconia policristallina tetragonale con ittrio (Y-TZP) è più dura, ma è suscettibile alla degradazione idrotermale.
Il nitruro di silicio (Si3N4) ha diverse formulazioni. Il nitruro di silicio sinterizzato a pressione di gas (GPPSN) è il materiale più comune utilizzato per valvole e componenti di valvole. Oltre alla sua tenacità media, ha anche elevata durezza e resistenza, eccellente resistenza allo shock termico e stabilità termica. Inoltre, negli ambienti con vapore ad alta temperatura, Si3N4 può sostituire la zirconia per prevenire la degradazione idrotermale.
Con un budget più limitato, il concentratore può scegliere tra SiC o allumina. Entrambi i materiali hanno un'elevata durezza, ma non sono più duri della zirconio o del nitruro di silicio. Ciò dimostra che il materiale è molto adatto per applicazioni di componenti statici, come camicie e sedi di valvole, piuttosto che per sfere o dischi soggetti a sollecitazioni maggiori.
Rispetto ai materiali metallici utilizzati in applicazioni impegnative per valvole (tra cui ferrocromo (CrFe), carburo di tungsteno, Hastelloy e Stellite), i materiali ceramici avanzati hanno una tenacità inferiore e una resistenza simile.
Le applicazioni di servizio impegnative prevedono l'uso di valvole rotative, come valvole a farfalla, perni, valvole a sfera flottanti e molle. In tali applicazioni, Si3N4 e zirconio hanno resistenza agli shock termici, tenacità e resistenza e possono adattarsi agli ambienti più esigenti. A causa della durezza e della resistenza alla corrosione del materiale, la durata del componente è molte volte superiore a quella del componente metallico. Altri vantaggi includono le caratteristiche prestazionali per tutta la vita della valvola, soprattutto nelle aree in cui vengono mantenute le capacità di interruzione e controllo.
Ciò è stato dimostrato nel caso di una valvola in kynar/RTFE da 65 mm (2,6 pollici) e di un rivestimento esposti al 98% di acido solforico più ilmenite, dove ilmenite è stata convertita in pigmento di ossido di titanio. La natura corrosiva dei fluidi fa sì che la durata di questi componenti possa arrivare fino a sei settimane. Tuttavia, l'uso del trim della valvola sferica (una zirconia brevettata con ossido di magnesio parzialmente stabilizzato (Mg-PSZ)) prodotto da Nilcra™ (Figura 1) ha un'eccellente durezza e resistenza alla corrosione ed è stato fornito per tre anni. Servizio intermittente, senza alcuna usura rilevabile.
Nelle valvole lineari (comprese le valvole ad angolo, le valvole a farfalla o le valvole a globo), la zirconia e il nitruro di silicio sono adatti sia per gli otturatori delle valvole che per le sedi delle valvole grazie alle caratteristiche di "tenuta dura" di questi prodotti. Allo stesso modo, l'allumina può essere utilizzata in alcuni rivestimenti e gabbie. Grazie alla sfera corrispondente sull'anello di sede è possibile ottenere un elevato grado di tenuta.
Per il nucleo della valvola, compresa la valvola a spola, l'ingresso e l'uscita o la boccola del corpo valvola, è possibile utilizzare uno qualsiasi dei quattro principali materiali ceramici in base ai requisiti dell'applicazione. L'elevata durezza e resistenza alla corrosione del materiale si sono rivelate vantaggiose in termini di prestazioni e durata del prodotto.
Prendiamo come esempio la valvola a farfalla DN150 utilizzata nella raffineria di bauxite australiana. L'elevato contenuto di silice nel mezzo provoca elevati livelli di usura sulle boccole della valvola. Il rivestimento e il disco della valvola utilizzati inizialmente erano realizzati in lega di CrFe al 28% e duravano solo da otto a dieci settimane. Tuttavia, grazie all'introduzione delle valvole in zirconio Nilcra™ (Figura 2), la durata è stata aumentata a 70 settimane.
Grazie alla sua tenacità e resistenza, la ceramica funziona bene nella maggior parte delle applicazioni su valvole. Tuttavia, sono la loro durezza e resistenza alla corrosione che contribuiscono a prolungare la durata della valvola. A sua volta, ciò aumenta la sicurezza riducendo i tempi di inattività per le parti di ricambio, riducendo il capitale circolante e le scorte, riducendo al minimo la movimentazione manuale e riducendo le perdite, riducendo così i costi complessivi del ciclo di vita.
Per molto tempo, l'applicazione di materiali ceramici nelle valvole ad alta pressione è stata una delle preoccupazioni principali, perché queste valvole sono soggette a carichi assiali o torsionali elevati. Tuttavia, i principali attori in questo campo stanno sviluppando progetti di valvole a sfera che migliorano la sopravvivenza della coppia di attuazione.
L’altro limite principale è la dimensione. Le dimensioni della sede della valvola più grande e della sfera della valvola più grande (Figura 3) prodotte dalla ossido di zirconio parzialmente stabilizzata con magnesia sono rispettivamente DN500 e DN250. Tuttavia, la maggior parte dei specificatori attuali preferisce utilizzare la ceramica per realizzare parti le cui dimensioni non superano tali dimensioni.
Sebbene sia ormai dimostrato che i materiali ceramici possono essere utilizzati come scelta appropriata, ci sono ancora alcune semplici linee guida da seguire per massimizzarne le prestazioni. I materiali ceramici dovrebbero essere utilizzati per primi solo se è necessario ridurre i costi. Sia all'interno che all'esterno dovrebbero evitare angoli acuti e concentrazione di stress.
Qualsiasi potenziale disadattamento di dilatazione termica deve essere considerato durante la fase di progettazione. Per ridurre lo stress del telaio è necessario mantenere la ceramica all'esterno anziché all'interno. Infine, la necessità di tolleranze geometriche e di finitura superficiale dovrebbe essere attentamente considerata, poiché queste tolleranze potrebbero aumentare significativamente i costi inutili.
Seguendo queste linee guida e le migliori pratiche nella selezione dei materiali e nel coordinamento con i fornitori fin dall'inizio del progetto, è possibile ottenere una soluzione ideale per ogni richiesta di servizio impegnativa.
Queste informazioni sono state ottenute, riviste e adattate dai materiali forniti da Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials-Ceramica tecnica. (28 novembre 2019). Materiali ceramici avanzati adatti per applicazioni di servizio impegnative. AZoM. Estratto da https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 il 9 marzo 2021.
Morgan Advanced Materials-Ceramica tecnica. “Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio serie”. AZoM. 9 marzo 2021.
Morgan Advanced Materials-Ceramica tecnica. “Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio serie”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Accesso il 9 marzo 2021).
Morgan Advanced Materials-Ceramica tecnica. 2019. Materiali ceramici avanzati adatti per applicazioni di servizio serie. AZoM, l'ora di visualizzazione è il 9 marzo 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ID articolo = 12305.
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Orario di pubblicazione: 10 marzo 2021
