過酷な使用用途向けの先進的なセラミック材料

正式なサービス定義はありません。 バルブ交換の高額な費用や、処理能力が低下する作業条件などが考えられます。
過酷な使用条件に関係するすべての部門の収益性を向上させるために、プロセス生産コストを削減することが世界的に必要とされています。 これらの分野は、石油とガス、石油化学から原子力発電、発電、鉱物加工、鉱業にまで及びます。
デザイナーとエンジニアは、さまざまな方法でこの目標を達成しようとしています。 最も適切な方法は、プロセス パラメーター (効果的なシャットダウンや最適化されたフロー制御など) を効果的に制御することにより、稼働時間と効率を向上させることです。
交換回数を減らすと生産環境がより安全になる可能性があるため、安全性の最適化も重要な役割を果たします。 さらに、同社は機器（ポンプやバルブなど）の在庫と必要な廃棄の削減にも取り組んでいます。 同時に、施設所有者は資産からの巨額の売上高を期待しています。 したがって、処理能力が向上すると、同じ製品の流れに対するパイプと機器の数が減り（しかし直径は大きくなり）、機器も少なくなります。
これは、パイプ径を拡大するために大型化する必要があることに加えて、稼働中のメンテナンスや交換の必要性を減らすために、さまざまなシステム コンポーネントが過酷な環境に長時間さらされることに耐える必要があることを示しています。
バルブやバルブボールなどのコンポーネントは、目的の用途に合わせて堅牢である必要がありますが、寿命を延ばすこともできます。 しかし、ほとんどの用途における主な問題は、金属部品が性能限界に達していることです。 これは、設計者が要求の厳しい用途、特にセラミック材料において非金属材料の代替品を見つける可能性があることを示しています。
過酷な条件下でコンポーネントを動作させるために必要な一般的なパラメータには、耐熱衝撃性、耐食性、耐疲労性、硬度、強度、靱性が含まれます。
コンポーネントの復元力が低いと致命的な障害が発生する可能性があるため、復元力は重要なパラメーターです。 セラミック材料の靭性は、亀裂の伝播に対する抵抗として定義されます。 場合によっては、インデンテーション法を使用して測定し、人為的に高い値を得ることができます。 片面切開ビームを使用すると、正確な測定結果が得られます。
強度は靭性に関連しますが、応力が加わったときに材料が壊滅的に損傷する単一点を指します。 これは一般に「破断係数」と呼ばれ、試験棒の 3 点または 4 点曲げ強度測定を実行することによって得られます。 3 点テストの値は 4 点テストの値より 1% 高くなります。
ロックウェル硬度やビッカース硬度などの多くのスケールを使用して硬度を測定できますが、ビッカース微小硬度スケールは高度なセラミック材料に非常に適しています。 硬さは材質の耐摩耗性に比例して変化します。
周期的に動作するバルブでは、バルブが連続的に開閉するため、疲労が主な懸念事項となります。 疲労は強さの閾値です。 このしきい値を超えると、材料は通常の曲げ強度を下回って破損する傾向があります。
耐食性は使用環境と材料を含む媒体によって異なります。 「水熱劣化」に加えて、多くの先端セラミック材料はこの分野で金属よりも優れており、特定のジルコニアベースの材料は高温の蒸気にさらされると「水熱劣化」を起こします。
コンポーネントの形状、熱膨張係数、熱伝導率、靭性、強度は熱衝撃の影響を受けます。 この領域は高い熱伝導性と靭性をもたらし、金属コンポーネントが効果的に機能します。 しかし、セラミック材料の進歩により、現在では許容可能なレベルの耐熱衝撃性が提供されています。
アドバンスト セラミックは長年使用されており、高性能と高価値を必要とする信頼性エンジニア、プラント エンジニア、バルブ設計者の間で人気があります。 特定のアプリケーション要件に従って、さまざまな業界のさまざまな配合に適しています。 しかし、炭化ケイ素 (SiC)、窒化ケイ素 (Si3N4)、アルミナ、ジルコニアを含む 4 つの先進的なセラミックスは、要求の厳しいメンテナンス バルブの分野において非常に重要です。 バルブとバルブボールの材質は、特定の用途要件に従って選択されます。
このバルブは、鋼と同じ熱膨張係数と剛性を持つ 2 つの主な形状のジルコニアを使用しています。 酸化マグネシウム部分安定化ジルコニア (Mg-PSZ) は最高の耐熱衝撃性と靭性を備えていますが、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体 (Y-TZP) はより硬いですが、水熱劣化を受けやすいです。
窒化ケイ素 (Si3N4) にはさまざまな配合があります。 ガス圧焼結窒化ケイ素 (GPPSN) は、バルブおよびバルブ部品に使用される最も一般的な材料です。 平均的な靭性に加えて、高い硬度と強度、優れた耐熱衝撃性と熱安定性も備えています。 さらに、高温蒸気環境では、Si3N4 がジルコニアに代わって水熱劣化を防ぐことができます。
予算が厳しい場合は、集光装置は SiC またはアルミナから選択できます。 どちらの材料も高い硬度を持っていますが、ジルコニアや窒化ケイ素よりも硬いわけではありません。 これは、この材料が、より高い応力にさらされるボールやディスクではなく、バルブ ライナーやバルブ シートなどの静的コンポーネントの用途に非常に適していることを示しています。
要求の厳しいバルブ用途で使用される金属材料 (フェロクロム (CrFe)、タングステンカーバイド、ハステロイ、ステライトなど) と比較して、高度なセラミック材料は靭性が低く、同様の強度を持っています。
要求の厳しいサ​​ービス用途には、バタフライ バルブ、トラニオン、フローティング ボール バルブ、スプリングなどのロータリー バルブの使用が含まれます。 このような用途では、Si3N4 とジルコニアは耐熱衝撃性、靭性、強度を備えており、最も要求の厳しい環境に適応できます。 材質の硬度と耐食性により、コンポーネントの耐用年数は金属コンポーネントの数倍です。 その他の利点には、特にカットオフおよび制御機能が維持される領域での、バルブの寿命にわたる性能特性が含まれます。
これは、98% 硫酸とイルメナイトに曝露された 65 mm (2.6 インチ) バルブ カイナー/RTFE ボールとライナーのケースで実証され、イルメナイトは酸化チタン顔料に変換されました。 媒体の腐食性により、これらのコンポーネントの寿命は 6 週間にも及ぶ可能性があります。 しかし、Nilcra™ 社製球面バルブトリム（独自の酸化マグネシウム部分安定化ジルコニア（Mg-PSZ））（図 1）を使用しているため、硬度と耐食性に優れており、3 年間の提供実績があります。 断続的なサービスであり、検出可能な磨耗はありません。
リニア バルブ (アングル バルブ、スロットル バルブ、またはグローブ バルブを含む) では、ジルコニアと窒化ケイ素は、これらの製品の「ハード シール」特性により、バルブ プラグとバルブ シートの両方に適しています。 同様に、アルミナは特定のライニングやケージに使用できます。 シートリングのマッチングボールにより、高度なシール性を実現します。
スプールバルブ、入口と出口、またはバルブ本体ブッシュを含むバルブコアには、用途の要件に応じて 4 つの主要なセラミック材料のいずれかを使用できます。 材料の高い硬度と耐食性は、製品の性能と耐用年数の点で有益であることが証明されています。
オーストラリアのボーキサイト精製所で使用されている DN150 バタフライ バルブを例に挙げます。 媒体中のシリカ含有量が高いと、バルブブッシュの摩耗レベルが高くなります。 最初に使用されたライナーとバルブディスクは 28% CrFe 合金でできており、寿命はわずか 8 ～ 10 週間でした。 しかし、Nilcra™ ジルコニア製のバルブの導入により (図 2)、耐用年数は 70 週間に延長されました。
セラミックはその靭性と強度により、ほとんどのバルブ用途でうまく機能します。 ただし、バルブの寿命を延ばすのに役立つのは、その硬度と耐食性です。 これにより、交換部品のダウンタイムが減少し、運転資本と在庫が削減され、手作業が最小限に抑えられ、漏れが減少するため、安全性が向上し、それによって全体的なライフサイクルコストが削減されます。
高圧バルブは高い軸方向荷重またはねじり荷重を受けるため、高圧バルブへのセラミック材料の適用は、長い間、主要な懸念事項の 1 つでした。 ただし、この分野の大手企業は、作動トルクの持続性を向上させるバルブ ボールの設計を開発しています。
もう 1 つの大きな制限はサイズです。 マグネシア部分安定化ジルコニアで製造された最大のバルブシートと最大のバルブボール（図3）のサイズは、それぞれDN500とDN250です。 ただし、現在の仕様者のほとんどは、これらの寸法を超えない部品を製造するためにセラミックを使用することを好みます。
セラミック材料が適切な選択として使用できることが証明されていますが、その性能を最大限に高めるために従うべき簡単なガイドラインがまだいくつかあります。 セラミック材料は、コストを削減する必要がある場合にのみ最初に使用する必要があります。 内側と外側の両方で、鋭角な角や応力集中を避けてください。
潜在的な熱膨張の不一致は、設計段階で考慮する必要があります。 フープ応力を軽減するには、セラミックを内側ではなく外側に保つ必要があります。 最後に、幾何公差と表面仕上げの必要性については、これらの公差により不必要なコストが大幅に増加する可能性があるため、慎重に検討する必要があります。
これらのガイドラインとベスト プラクティスに従って材料を選択し、プロジェクトの開始時からサプライヤーと調整することで、要求の厳しいサ​​ービス アプリケーションごとに理想的なソリューションを実現できます。
この情報は、Morgan Advanced Materials が提供する資料から取得、検討、および調整されたものです。
モーガン アドバンスト マテリアルズ - テクニカル セラミックス。 （2019年11月28日）。 高度なセラミック材料は、本格的なサービス用途に適しています。 AZoM。 2021 年 3 月 9 日に https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 から取得。
モーガン アドバンスト マテリアルズ - テクニカル セラミックス。 「本格的なサービス用途向けの高度なセラミック材料」。 AZoM。 2021年3月9日。
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