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Il servizio serio non ha una definizione ufficiale. Può essere considerato riferito a condizioni operative in cui la sostituzione della valvola è costosa o riduce la capacità del processo.
Esiste una necessità globale di ridurre i costi di produzione dei processi per migliorare la redditività in tutti i settori che comportano condizioni di servizio difficili. Questi vanno dal petrolio e gas e dai prodotti petrolchimici al nucleare e alla produzione di energia, alla lavorazione dei minerali e all’estrazione mineraria.
Progettisti e ingegneri stanno lavorando per raggiungere questo obiettivo in diversi modi. L'approccio più appropriato è aumentare i tempi di attività e l'efficienza attraverso un controllo efficace dei parametri di processo come l'arresto efficace e il controllo del flusso ottimizzato.
Anche l'ottimizzazione della sicurezza svolge un ruolo fondamentale, poiché un minor numero di sostituzioni può portare a un ambiente di produzione più sicuro. Inoltre, l'azienda sta cercando di ridurre al minimo l'inventario delle apparecchiature, comprese pompe e valvole, e la movimentazione necessaria. Allo stesso tempo, i proprietari delle strutture si aspettano un enorme fatturato sulle loro attività. Di conseguenza, la maggiore capacità di lavorazione si traduce in un minor numero di tubi e attrezzature (ma di diametro maggiore) per lo stesso flusso di prodotto e in meno metri.
Ciò suggerisce che oltre a dover essere più grandi per diametri di tubo più ampi, i singoli componenti del sistema devono 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, devono essere robusti per adattarsi all'applicazione desiderata, ma anche garantire una durata di servizio prolungata. Tuttavia, uno dei problemi principali con la maggior parte delle applicazioni è che i componenti metallici hanno raggiunto i limiti delle loro capacità prestazionali. Ciò suggerisce che i progettisti potrebbero trovare alternative ai materiali non metallici, in particolare ai materiali ceramici, per applicazioni di servizio impegnative.
I parametri tipici richiesti per il funzionamento dei componenti in condizioni di servizio severe includono resistenza allo shock termico, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, durezza, resistenza e tenacità.
La resilienza è un parametro chiave poiché i componenti meno resilienti possono cedere in modo catastrofico. La tenacità di un materiale ceramico è definita come la resistenza alla propagazione delle cricche. In alcuni casi può essere misurata utilizzando il metodo dell'indentazione, ottenendo un valore artificialmente elevato. Utilizzando un singolo Il raggio con tacca su due lati fornisce misurazioni accurate.
La resistenza è correlata alla tenacità, ma si riferisce al singolo punto in cui un materiale si rompe in modo catastrofico quando viene applicato lo stress. Viene comunemente definito "modulo di rottura" e viene misurato prendendo una resistenza alla flessione su tre o quattro punti misurazione su una barra di prova. Il test a tre punti fornisce valori superiori dell'1% rispetto al test a quattro punti.
Sebbene la durezza possa essere misurata su diverse scale, tra cui Rockwell e Vickers, la scala di microdurezza Vickers è particolarmente adatta per i materiali ceramici avanzati. La durezza varia in proporzione alla resistenza all'usura del materiale.
Nelle valvole che funzionano in modo ciclico, la fatica è un problema importante a causa della continua apertura e chiusura della valvola. La fatica è la soglia di resistenza oltre la quale un 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. Molti materiali ceramici avanzati hanno prestazioni superiori ai metalli in quest'area, ad eccezione di alcuni materiali a base di zirconio che si “degradano idrotermicamente” se esposti a vapore ad alta temperatura.
La geometria della parte, il coefficiente di dilatazione termica, la conduttività termica, la tenacità e la resistenza sono tutti influenzati dallo shock termico. Questa è un'area che promuove un'elevata conduttività termica e tenacità e, pertanto, le parti metalliche funzionano in modo efficace. Tuttavia, ora i progressi nei materiali ceramici fornire livelli accettabili di resistenza allo shock termico.
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 e valore elevati. A seconda dei requisiti applicativi specifici, esistono diverse formulazioni individuali adatte a vari settori. Tuttavia, quattro ceramiche avanzate sono di importanza nel campo delle valvole per servizi gravosi e comprendono carburo di silicio (SiC), nitruro di silicio (Si3N4), allumina e zirconio. I materiali della valvola e della sfera della valvola vengono selezionati in base ai requisiti applicativi specifici.
Esistono due forme principali di zirconio utilizzate nelle valvole che hanno lo stesso coefficiente di espansione termica e rigidità dell'acciaio. La zirconia parzialmente stabilizzata con magnesia (Mg-PSZ) ha la massima resistenza allo shock termico e tenacità, mentre l'ittrio è zirconio tetragonale policristallino (Y-TZP). ) è più duro ma incline al degrado idrotermale.
Il nitruro di silicio (Si3N4) è disponibile in diverse formulazioni. Il nitruro di silicio sinterizzato a pressione di gas (GPPSN) è il materiale più comunemente utilizzato per valvole e componenti di valvole, offrendo elevata durezza e resistenza, eccellente resistenza agli shock termici e stabilità termica oltre a una tenacità media. Inoltre, Si3N4 fornisce un sostituto adatto alla zirconia in ambienti con vapore ad alta temperatura, prevenendo la degradazione idrotermale.
A causa dei budget limitati, i prescrittori possono scegliere tra SiC o Allumina. Entrambi i materiali hanno un'elevata durezza, ma non sono più resistenti della zirconio o del nitruro di silicio. Ciò dimostra che questi materiali sono adatti per applicazioni di componenti statici come boccole e sedi di valvole, piuttosto che sfere o dischi a maggiore stress.
I materiali ceramici avanzati hanno una tenacità inferiore e una resistenza simile rispetto ai materiali metallici utilizzati nelle applicazioni di valvole per servizi gravosi, tra cui ferro cromo (CrFe), carburo di tungsteno, Hastelloy e Stellite.
Le applicazioni per servizi gravosi prevedono l'uso di valvole rotative come valvole a farfalla, perni, valvole a sfera flottanti e molle. In tali applicazioni, Si3N4 e zirconio forniscono resistenza agli shock termici, tenacità e resistenza per resistere agli ambienti più difficili. Grazie alla durezza e alla resistenza alla corrosione del materiale, la durata dei componenti è molte volte superiore a quella dei componenti metallici. Altri vantaggi includono le caratteristiche prestazionali della valvola per tutta la sua vita utile, soprattutto nelle aree in cui vengono mantenute la capacità di chiusura e il controllo.
Ciò è illustrato nell'applicazione di una sfera e rivestimento in kynar/RTFE con valvola da 65 mm (2,6 pollici) esposta ad acido solforico al 98% e ilmenite, che viene convertito in pigmento di ossido di titanio. La natura aggressiva del mezzo significa che questi componenti possono durano fino a sei settimane. Tuttavia, utilizzando il rivestimento della valvola a sfera (Figura 1) prodotto da Nilcra!", una ossido di zirconio parzialmente stabilizzata con magnesia (Mg-PSZ) proprietaria che fornisce eccellente durezza e resistenza alla corrosione, fornisce un servizio ininterrotto di tre anni senza alcun usura rilevabile.
Nelle valvole lineari, comprese le valvole ad angolo, a farfalla o a globo, la zirconia e il nitruro di silicio sono adatti sia per l'otturatore che per la sede a causa della natura "sede dura" di questi prodotti. Allo stesso modo, l'ossido di alluminio può essere utilizzato in alcuni rivestimenti e gabbie. Un livello elevato La tenuta può essere ottenuta abbinando le sfere di macinazione sulla sede della valvola.
Per le boccole delle valvole, inclusi l'otturatore della valvola, l'ingresso e l'uscita, o le boccole del corpo, è possibile utilizzare uno qualsiasi dei quattro materiali ceramici principali a seconda dei requisiti dell'applicazione. L'elevata durezza e resistenza alla corrosione del materiale si dimostrano vantaggiose per le prestazioni e il servizio. vita del prodotto.
Prendiamo, ad esempio, una valvola a farfalla DN150 utilizzata in una raffineria di bauxite australiana. L'elevato contenuto di silice dei fluidi può causare elevati livelli di usura sulle boccole della valvola. Le camicie e i dischi originali erano realizzati con una lega di CrFe al 28% e venivano utilizzati solo per Da 8 a 10 settimane. Tuttavia, con le valvole in Nilcra!" Zirconia (Figura 2), la durata utile è aumentata a 70 settimane.
Grazie alla loro tenacità e resistenza, le ceramiche funzionano bene nella maggior parte delle applicazioni per valvole. Tuttavia, sono la loro durezza e resistenza alla corrosione che contribuiscono alla longevità della valvola. Ciò a sua volta riduce i costi complessivi del ciclo di vita riducendo i tempi di inattività per le parti di ricambio, diminuendo il capitale circolante e inventario, riducendo la movimentazione manuale e migliorando la sicurezza grazie a minori perdite.
L'uso di materiali ceramici nelle valvole ad alta pressione è stato a lungo una delle maggiori preoccupazioni perché queste valvole sono soggette a carichi assiali o torsionali elevati. Tuttavia, i principali attori del settore stanno ora sviluppando progetti di sfere delle valvole per migliorare la sopravvivenza della coppia motrice.
Un'altra limitazione importante è la dimensione. La sede più grande e la sfera più grande (Figura 3) prodotte dalla zirconia parzialmente stabilizzata con magnesia sono rispettivamente DN500 e DN250. Tuttavia, la maggior parte dei prescrittori attualmente preferisce la ceramica per componenti di queste dimensioni.
Sebbene i materiali ceramici abbiano ormai dimostrato di essere una scelta adeguata, è necessario seguire alcune semplici linee guida per massimizzarne le prestazioni. I materiali ceramici dovrebbero essere utilizzati per primi solo quando è necessario ridurre al minimo i costi. Angoli acuti e concentrazioni di stress dovrebbero essere evitati sia internamente che esternamente.
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, non all'interno. Infine, la necessità di tolleranze geometriche e finitura superficiale dovrebbe essere attentamente considerata, poiché queste può aggiungere costi significativi e inutilmente.
Seguendo queste linee guida e le migliori pratiche per la selezione dei materiali e il coordinamento con i fornitori fin dall'inizio di un progetto, è possibile ottenere una soluzione ideale per ogni seria applicazione di servizio.
Queste informazioni derivano da materiale, revisioni e adattamenti forniti da Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials - Ceramica tecnica.(28 novembre 2019).Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio impegnative.AZOM. Estratto il 14 gennaio 2022 da https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
Morgan Advanced Materials - Ceramica tecnica. "Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio gravose".AZOM.14 gennaio 2022..
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.”Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications”.AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(Accesso 14 gennaio 2022).
Morgan Advanced Materials – Ceramica tecnica.2019. Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications.AZoM, accesso il 14 gennaio 2022, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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Orario di pubblicazione: 15 gennaio 2022
