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深刻なサービスには正式な定義はありません。バルブの交換にコストがかかる、またはプロセス能力が低下するような動作条件を指すと考えることができます。
石油、ガス、石油化学から原子力発電、鉱物加工、鉱業に至るまで、過酷な使用条件を伴うあらゆる産業で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求められています。
設計者とエンジニアはさまざまな方法でこれを達成するために取り組んでいます。最も適切なアプローチは、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のプロセスパラメータの効果的な制御を通じて稼働時間と効率を向上させることです。
交換の回数が減れば生産環境がより安全になるため、安全性の最適化も重要な役割を果たします。さらに、同社はポンプやバルブ、必要な取り扱いなどの機器の在庫を最小限に抑えるよう努めています。同時に、施設所有者は次のことを期待しています。その結果、処理能力が向上し、同じ製品の流れに対してパイプと機器の数が減り（ただし直径は大きくなり）、メーターも減ります。
これは、パイプ径を太く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、個々の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唆しています。
バルブや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るだけでなく、耐用年数も長くする必要があります。しかし、ほとんどの用途における大きな問題は、金属コンポーネントがその性能能力の限界に達していることです。これは、設計者が次のような可能性があることを示唆しています。要求の厳しいサービス用途向けに、非金属材料、特にセラミック材料の代替品を見つけます。
厳しい使用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。
弾性が低いコンポーネントは壊滅的な故障を引き起こす可能性があるため、弾性は重要なパラメータです。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、押し込み法を使用して測定でき、人為的に高い値が得られます。側面ノッチビームにより正確な測定が可能です。
強度は靱性に関連しますが、応力が加わったときに材料が壊滅的に破壊する単一点を指します。一般に「破断係数」と呼ばれ、3 点または 4 点の曲げ強度を測定することによって測定されます。 3 点テストでは 4 点テストより 1% 高い値が得られます。
硬度はロックウェルやビッカースなどのさまざまなスケールで測定できますが、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適しています。硬度は材料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、疲労が大きな問題となります。疲労は、材料が通常の曲げ強度を下回って破損する傾向にある強度の閾値です。
耐食性は、動作環境と材料を含む媒体によって異なります。高温の蒸気にさらされると「水熱劣化」する一部のジルコニアベースの材料を除いて、多くの高度なセラミック材料はこの分野で金属を上回ります。
部品の形状、熱膨張係数、熱伝導率、靱性、強度はすべて熱衝撃の影響を受けます。これは高い熱伝導率と靱性を促進する領域であり、したがって金属部品が効果的に機能します。しかし、現在セラミック材料の進歩により、許容可能なレベルの耐熱衝撃性を提供します。
アドバンスト セラミックは長年使用されており、高いパフォーマンスと価値を求め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応じて、さまざまな業界に適した個別の配合が異なります。ただし、4 つのアドバンスト セラミックはこれらには、炭化ケイ素 (SiC)、窒化ケイ素 (Si3N4)、アルミナ、ジルコニアが含まれます。バルブとバルブ ボールの材質は、特定の用途要件に基づいて選択されます。
バルブに使用されるジルコニアには、鋼と同じ熱膨張係数と剛性を持つ 2 つの主な形式があります。マグネシア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持ち、イットリア正方晶ジルコニア多結晶 (Y-TZP) は最も優れています。 ) より硬いですが、熱水劣化しやすいです。
窒化ケイ素 (Si3N4) は、さまざまな配合で入手できます。ガス圧焼結窒化ケイ素 (GPPSN) は、バルブおよびバルブ部品に最も一般的に使用される材料で、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を備えています。さらに、Si3N4 は高温蒸気環境においてジルコニアの適切な代替品となり、水熱劣化を防ぎます。
予算が限られているため、指定者は SiC またはアルミナから選択できます。どちらの材料も硬度は高くなりますが、ジルコニアや窒化ケイ素ほど強くはありません。これは、これらの材料がバルブ ブッシュやシートなどの静的コンポーネントの用途に適していることを示しています。より高い応力のボールまたはディスク。
先進的なセラミック材料は、クロム鉄 (CrFe)、タングステンカーバイド、ハステロイ、ステライトなどの過酷なサービスバルブ用途で使用される金属材料よりも靭性が低く、同様の強度を持っています。
過酷なサービス用途には、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 とジルコニアが、最も過酷な環境に耐えるための耐熱衝撃性、靭性、強度を提供します。硬度と耐食性により、他の利点には、特に閉鎖能力と制御が維持される領域での、耐用年数にわたるバルブの性能特性が含まれます。
これは、65 mm (2.6 インチ) のバルブ カイナー/RTFE ボールとライナーを 98% 硫酸とチタン酸化物顔料に変換されるイルメナイトにさらした例で説明されています。媒体の攻撃的な性質により、これらの成分はただし、Nilcra 製のボール バルブ トリム (図 1) を使用すると、優れた硬度と耐食性を備えた独自のマグネシア部分安定化ジルコニア (Mg-PSZ) が使用され、一切のサービスを提供せずに 3 年間の中断のないサービスが提供されます。検出可能な摩耗。
アングル、スロットル、グローブ バルブなどのリニア バルブでは、ジルコニアと窒化ケイ素は、これらの製品の「硬いシート」性質により、プラグとシートの両方に適しています。同様に、酸化アルミニウムは一部のライナーとケージで使用できます。バルブシート上の研削ボールを一致させることにより、シールの強度を達成できます。
バルブプラグ、入口および出口、または本体ブッシュを含むバルブブッシュには、用途要件に応じて 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、性能とサービスに有益であることが証明されています。製品の寿命。
たとえば、オーストラリアのボーキサイト精錬所で使用されている DN150 バタフライ バルブを考えてみましょう。媒体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る可能性があります。元のライナーとディスクは 28% CrFe 合金で作られており、用途にのみ使用されていました。 8 ～ 10 週間。ただし、Nilcra!」ジルコニア製のバルブ (図 2) を使用すると、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良好に機能します。ただし、バルブの寿命に貢献する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、運転資本が削減されるため、全体のライフサイクルコストが削減されます。と在庫を管理し、手作業での取り扱いを減らし、漏れの減少により安全性を向上させます。
高圧バルブは軸方向またはねじり荷重にさらされるため、高圧バルブでのセラミック材料の使用は長い間大きな懸念事項の 1 つでした。しかしながら、この分野の大手企業は現在、駆動トルクの生存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から製造される最大のシートと最大のボール (図 3) は、それぞれ DN500 と DN250 です。しかし、現在、ほとんどの規格者はこれらのサイズのコンポーネントにはセラミックを好みます。
セラミック材料が適切な選択肢であ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には、いくつかの簡単なガイドラインに従う必要があります。セラミック材料は、コストを最小限に抑え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。鋭い角や応力集中は、内部と内部の両方で回避する必要があります。外部的に。
潜在的な熱膨張の不一致を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を慎重に考慮する必要があります。大幅かつ不必要なコストが追加される可能性があります。
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、あらゆる本格的なサービス アプリケーションに対して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、レビュー、および翻案に基づいています。
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics (2019 年 11 月 28 日)。要求の厳しいサービス アプリケーション向けの高度なセラミック材料。AZOM。https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 より 2022 年 1 月 14 日に取得。
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.「過酷なサービス用途向けの高度なセラミック材料」.AZOM. 2022年1月14日..
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.「過酷な使用用途向けの Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications」.AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(2022 年 1 月 14 日アクセス)。
モーガン アドバンスト マテリアル – テクニカル セラミックス.2019。 Advanced Ceramic Materials for Harsh Service Applications.AZoM、2022 年 1 月 14 日にアクセス、https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305。
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投稿日時: 2022 年 1 月 15 日
