חומרים קרמיים מתקדמים ליישומי שירות קשים

אנו משתמשים בעוגיות כדי לשפר את החוויה שלך. על ידי המשך הגלישה באתר זה אתה מסכים לשימוש שלנו בעוגיות. מידע נוסף.
לשירות רציני אין הגדרה רשמית. ניתן לחשוב שהוא מתייחס לתנאי הפעלה שבהם החלפת שסתומים יקרה או מפחיתה את יכולת התהליך.
קיים צורך עולמי להפחית את עלויות ייצור התהליך כדי לשפר את הרווחיות בכל התעשיות הכרוכות בתנאי שירות קשים. אלה נעים מנפט וגז ופטרוכימיה לייצור גרעיני וכוח, עיבוד מינרלים וכרייה.
מעצבים ומהנדסים פועלים להשיג זאת בדרכים שונות. הגישה המתאימה ביותר היא להגביר את זמן הפעולה והיעילות באמצעות שליטה יעילה בפרמטרים של תהליך כגון כיבוי יעיל ובקרת זרימה אופטימלית.
גם אופטימיזציה של בטיחות משחקת תפקיד חיוני, שכן פחות תחליפים יכולים להוביל לסביבת ייצור בטוחה יותר. בנוסף, החברה מנסה למזער את מלאי הציוד, כולל משאבות ושסתומים, וטיפול נדרש. במקביל, בעלי המתקן מצפים מחזור עצום על הנכסים שלהם. כתוצאה מכך, כושר העיבוד המוגבר מביא לפחות (אך בקוטר גדול יותר) צינורות וציוד לאותה זרימת מוצר ופחות מטרים.
זה מצביע על כך שבנוסף לכך שצריך להיות גדול יותר עבור קטרים ​​רחבים יותר של צינורות, רכיבי מערכת בודדים צריכים לעמוד בחשיפה ממושכת לסביבות קשות כדי להפחית את הצורך בתחזוקה והחלפה במהלך השירות.
רכיבים, לרבות שסתומים וכדורים, צריכים להיות חזקים כדי להתאים ליישום הרצוי, אך גם לספק חיי שירות ארוכים. עם זאת, בעיה מרכזית ברוב היישומים היא שרכיבי מתכת הגיעו לגבולות יכולות הביצועים שלהם. הדבר מצביע על כך שמתכננים עשויים למצוא חלופות לחומרים לא מתכתיים, במיוחד חומרים קרמיים, ליישומי שירות תובעניים.
פרמטרים אופייניים הנדרשים להפעלת רכיבים בתנאי שירות קשים כוללים עמידות בפני זעזועים תרמיים, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני עייפות, קשיות, חוזק וקשיחות.
חוסן הוא פרמטר מפתח שכן רכיבים פחות גמישים עלולים להיכשל בצורה קטסטרופלית. הקשיחות של חומר קרמי מוגדרת כעמידות בפני התפשטות סדקים. במקרים מסוימים ניתן למדוד אותה בשיטת הזחה, וכתוצאה מכך ערך גבוה באופן מלאכותי. שימוש ביחידה אחת קרן חריץ צדדית מספקת מדידות מדויקות.
חוזק קשור לקשיחות, אך מתייחס לנקודה הבודדת שבה חומר נכשל בצורה קטסטרופלית בעת הפעלת לחץ. זה מכונה בדרך כלל "מודול הקרע" ונמדד על ידי לקיחת חוזק כיפוף של שלוש נקודות או ארבע נקודות מדידה על פס בדיקה. מבחן שלוש הנקודות מספק ערכים גבוהים ב-1% מבדיקת ארבע הנקודות.
בעוד שניתן למדוד קשיות במגוון סולמות כולל Rockwell ו-Vickers, סולם המיקרו-קשיות של Vickers מתאים היטב לחומרים קרמיים מתקדמים. הקשיות משתנה ביחס לעמידות החומר בפני שחיקה.
בשסתומים הפועלים בצורה מחזורית, עייפות היא בעיה מרכזית עקב הפתיחה והסגירה המתמשכת של השסתום. עייפות היא סף החוזק שמעבר לו חומר נוטה להיכשל מתחת לחוזק הכיפוף הרגיל שלו.
עמידות בפני קורוזיה תלויה בסביבת ההפעלה ובמדיה המכילה את החומר. חומרים קרמיים מתקדמים רבים מעלים את ביצועי המתכות בתחום זה, למעט חלק מהחומרים המבוססים על זירקוניה אשר "מתכלים בצורה הידרותרמית" כאשר הם נחשפים לקיטור בטמפרטורה גבוהה.
גיאומטריית חלקים, מקדם התפשטות תרמית, מוליכות תרמית, קשיחות וחוזק מושפעים כולם מהלם תרמי. זהו אזור המקדם מוליכות תרמית וקשיחות גבוהה, ולכן חלקי המתכת פועלים ביעילות. עם זאת, מתקדם בחומרים קרמיים כעת לספק רמות מקובלות של עמידות בפני זעזועים תרמיים.
קרמיקה מתקדמת הייתה בשימוש במשך שנים רבות והיא פופולרית בקרב מהנדסי אמינות, מהנדסי מפעל ומעצבי שסתומים הדורשים ביצועים וערך גבוהים. בהתאם לדרישות היישום הספציפיות, ישנם ניסוחים שונים המתאימים לתעשיות שונות. עם זאת, ארבע קרמיקות מתקדמות הן בעלי חשיבות בתחום שסתומי שירות חמורים, והם כוללים סיליקון קרביד (SiC), סיליקון ניטריד (Si3N4), אלומינה וזירקוניה. חומרי שסתומים וכדורי שסתומים נבחרים על סמך דרישות יישום ספציפיות.
ישנן שתי צורות עיקריות של זירקוניה המשמשות בשסתומים בעלות מקדם התפשטות תרמית וקשיחות זהה לפלדה. לזירקוניה מיוצבת חלקית (Mg-PSZ) יש את ההתנגדות והקשיחות הגבוהה ביותר לזעזועים תרמיים, בעוד שזירקוניה תרמית טטראגונלית איטריה פוליקריסטלית (Y-TZP) ) קשה יותר אך נוטה להתדרדרות הידרותרמית.
סיליקון ניטריד (Si3N4) זמין בניסוחים שונים.Gas Pressure Sintered Silicon Nitride (GPSN) הוא החומר הנפוץ ביותר עבור שסתומים ורכיבי שסתומים, המציע קשיות וחוזק גבוהים, עמידות בפני זעזועים תרמיים ויציבות תרמית מעולה בנוסף לקשיחות הממוצעת. בנוסף, Si3N4 מספק תחליף מתאים לזירקוניה בסביבות קיטור בטמפרטורה גבוהה, ומונע פירוק הידרותרמי.
בשל תקציבים מצומצמים, המפרטים יכולים לבחור בין SiC או Alumina. לשני החומרים יש קשיות גבוהה, אך אינם חזקים יותר מזירקוניה או סיליקון ניטריד. זה מראה כי חומרים אלה מתאימים היטב ליישומי רכיבים סטטיים כגון תותבי שסתומים ומושבים, ולא כדורי לחץ או דיסקים גבוהים יותר.
לחומרים קרמיים מתקדמים יש קשיחות נמוכה יותר וחוזק דומה מאשר חומרים מתכתיים המשמשים ביישומי שסתומי שירות חמורים, כולל ברזל כרום (CrFe), טונגסטן קרביד, Hastelloy ו-Stellite.
יישומי שירות קשים כוללים שימוש בשסתומים סיבוביים כגון שסתומי פרפר, פתחים, שסתומי כדור צפים וקפיצים. ביישומים כאלה, Si3N4 וזירקוניה מספקים עמידות בפני זעזועים תרמיים, קשיחות וחוזק כדי לעמוד בסביבות הקשות ביותר. בשל הקשיות ועמידות בפני קורוזיה של החומר, חיי השירות של הרכיבים גבוהים פי כמה מזה של רכיבי מתכת. יתרונות נוספים כוללים את מאפייני הביצועים של השסתום לאורך חייו השימושיים, במיוחד באזורים שבהם נשמרות יכולת הסגירה והשליטה.
הדבר מומחש ביישום של כדור שסתום kynar/RTFE בגודל 65 מ"מ (2.6 אינץ') וחשופים ל-98% חומצה גופרתית ואילמניט, אשר הופך לפיגמנט תחמוצת טיטניום. האופי האגרסיבי של המדיום אומר שרכיבים אלה יכולים נמשך עד שישה שבועות. עם זאת, באמצעות חיפוי שסתום כדורי (איור 1) המיוצר מ-Nilcra!", זירקוניה מיוצב חלקי מגנזיה (Mg-PSZ) המספק קשיות מעולה ועמידות בפני קורוזיה, מספק שירות ללא הפרעה לשלוש שנים ללא כל בלאי ניתן לזיהוי.
בשסתומים ליניאריים הכוללים שסתומי זווית, מצערת או גלובוס, זירקוניה וסיליקון ניטריד מתאימים הן לתקע והן למושב בשל אופי ה"מושב הקשה" של מוצרים אלה. כמו כן, ניתן להשתמש בתחמוצת אלומיניום בספינות ובכלובים מסוימים. רמה גבוהה ניתן להשיג איטום על ידי התאמת כדורי שחיקה על מושב השסתום.
עבור תותבי שסתומים, כולל תקע שסתומים, כניסה ויציאה, או תותבי גוף, ניתן להשתמש בכל אחד מארבעת החומרים הקרמיים העיקריים בהתאם לדרישות היישום. הקשיות הגבוהה ועמידות בפני קורוזיה של החומר מתגלים כמועילים לביצועים ולשירות חיי המוצר.
קח, למשל, שסתום פרפר DN150 המשמש בבית זיקוק בוקסיט אוסטרלי. תכולת הסיליקה הגבוהה של המדיה עלולה לגרום לרמות גבוהות של בלאי על תותבי השסתומים. הציפויים והדיסקים המקוריים היו עשויים מסגסוגת 28% CrFe ושימשו רק עבור 8 עד 10 שבועות. עם זאת, עם שסתומים עשויים Nilcra!" Zirconia (איור 2), חיי השירות גדלו ל-70 שבועות.
בגלל הקשיחות והחוזק שלהם, קרמיקה עובדת היטב ברוב יישומי השסתומים. עם זאת, קשיותם ועמידותם בפני קורוזיה הם שתורמים לאריכות החיים של השסתום. זה בתורו מפחית את עלויות מחזור החיים הכוללות על ידי הפחתת זמן ההשבתה עבור חלקי חילוף, הפחתת הון חוזר. ומלאי, הפחתת טיפול ידני ושיפור הבטיחות באמצעות פחות דליפות.
השימוש בחומרים קרמיים בשסתומים בלחץ גבוה היה זה מכבר אחד החששות העיקריים מכיוון ששסתומים אלו נתונים לעומסים ציריים או פיתולים גבוהים. עם זאת, שחקנים מרכזיים בתחום מפתחים כעת עיצובים של כדורי שסתומים כדי לשפר את שרידות מומנט ההנעה.
מגבלה מרכזית נוספת היא הגודל. המושב הגדול ביותר והכדור הגדול ביותר (איור 3) המיוצר מזירקוניה מיוצבת חלקית הם DN500 ו-DN250, בהתאמה. עם זאת, רוב המפרטים מעדיפים כיום קרמיקה עבור רכיבים בגדלים אלה.
למרות שחומרים קרמיים הוכחו כעת כבחירה מתאימה, יש לפעול לפי כמה קווים מנחים פשוטים כדי למקסם את הביצועים שלהם. יש להשתמש תחילה בחומרים קרמיים רק כאשר יש צורך למזער את העלות. יש להימנע מפינות חדות וריכוזי מתח הן פנימית והן מבחינה חיצונית.
יש לשקול כל אי התאמה פוטנציאלית של התפשטות תרמית במהלך שלב התכנון. כדי להפחית את מתח החישוק, יש צורך לשמור על הקרמיקה מבחוץ, לא מבפנים. לבסוף, יש לשקול היטב את הצורך בסובלנות גיאומטרית וגימור פני השטח, שכן אלה יכול להוסיף עלות משמעותית ומיותרת.
על ידי ביצוע הנחיות ושיטות עבודה מומלצות אלה לבחירת חומרים ותיאום עם ספקים מתחילת הפרויקט, ניתן להשיג פתרון אידיאלי לכל יישום שירות רציני.
מידע זה נגזר מחומרים, ביקורות ועיבודים שסופקו על ידי Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.(28 בנובמבר 2019). חומרים קרמיים מתקדמים ליישומי שירות תובעניים.AZOM.אוחזרו ב-14 בינואר 2022 מ-https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
Morgan Advanced Materials - Technical Ceramics.Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications.AZOM.14 בינואר 2022..
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics."Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications".AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(נגישה ב-14 בינואר 2022).
מורגן חומרים מתקדמים - קרמיקה טכנית.2019. חומרים קרמיים מתקדמים עבור יישומי שירות קשים.AZoM, גישה ל-14 בינואר 2022, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
בראיון זה, AZoM משוחחת עם מוחמד רחמן, פרופסור אמריטוס למדע והנדסת חומרים באוניברסיטת מיזורי באוניברסיטת מיזורי, על ביוקרמיקה והשימוש הפוטנציאלי שלה בהנדסה ביו-רפואית.
AZoM שוחח עם ד"ר יולנדה דוארטה וג'וליאן מורה על המחקר שלהם, הלוקח בחשבון את הנוכחות של פלורה אקסטרמופילית על לוחות פוטו-וולטאיים.
AZoM שוחח עם פרופסור אנדריאה פראטלוצ'י מ-KAUST על המחקר שלו, המתמקד בהיבטים שלא היו מוכרים בעבר של פחם.
יישום לא נכון של גריז יכול להוביל לכשלים רבים במסבים. כאשר 40% מחיי המסב אינם מספיקים כדי לספק את הערך ההנדסי שלו, שימון תת ושימון יתר הם אזורי מפתח לניטור.LUBExpert מאפשר לך להשתמש בחומר הסיכה הנכון במקום הנכון. הזמן המתאים.
זהו רדיד נחושת מגולגל סטנדרטי של JX Nippon Mining & Metals עם גמישות אידיאלית ועמידות בפני רעידות.
ה-XRDynamic (XRD) 500 של Anton Paar הוא דיפרקטומטר אוטומטי רב-תכליתי של רנטגן אבקה. זהו מכשיר XRD יעיל ורב-תכליתי.