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심각한 서비스는 공식적인 정의가 없습니다. 밸브 교체 비용이 많이 들거나 공정 능력이 저하되는 작동 조건을 의미한다고 생각할 수 있습니다.
열악한 서비스 조건을 수반하는 모든 산업에서 수익성을 개선하기 위해 공정 생산 비용을 줄여야 하는 필요성이 전 세계적으로 요구되고 있습니다. 여기에는 석유, 가스, 석유화학에서부터 원자력 및 발전, 광물 처리, 광업에 이르기까지 다양합니다.
설계자와 엔지니어는 이를 달성하기 위해 다양한 방법으로 노력하고 있습니다. 가장 적절한 접근 방식은 효과적인 종료 및 최적화된 흐름 제어와 같은 프로세스 매개변수의 효과적인 제어를 통해 가동 시간과 효율성을 높이는 것입니다.
교체 횟수를 줄여 더 안전한 생산 환경을 만들 수 있으므로 안전 최적화도 중요한 역할을 합니다. 또한 회사는 펌프, 밸브를 포함한 장비의 재고와 필요한 취급을 최소화하려고 노력하고 있습니다. 동시에 시설 소유자는 기대합니다. 자산 회전율이 엄청납니다. 결과적으로 처리 용량이 증가하면 동일한 제품 흐름과 더 적은 미터에 대해 더 적은 수의(그러나 더 큰 직경) 파이프와 장비가 사용됩니다.
이는 더 넓은 파이프 직경을 위해 더 커야 하는 것 외에도 개별 시스템 구성 요소가 서비스 중 유지 관리 및 교체의 필요성을 줄이기 위해 혹독한 환경에 장기간 노출을 견뎌야 함을 의미합니다.
밸브 및 볼을 포함한 구성 요소는 원하는 응용 분야에 맞게 견고해야 하지만 긴 서비스 수명도 제공해야 합니다. 그러나 대부분의 응용 분야에서 가장 큰 문제는 금속 구성 요소가 성능 한계에 도달했다는 것입니다. 이는 설계자가 다음을 수행할 수 있음을 시사합니다. 까다로운 서비스 용도를 위해 비금속 재료, 특히 세라믹 재료에 대한 대안을 찾으십시오.
가혹한 서비스 조건에서 부품을 작동하는 데 필요한 일반적인 매개변수에는 열충격 저항, 내식성, 피로 저항, 경도, 강도 및 인성이 포함됩니다.
탄력성이 낮은 부품은 치명적으로 파손될 수 있으므로 탄력성은 핵심 매개변수입니다. 세라믹 재료의 인성은 균열 전파에 대한 저항으로 정의됩니다. 어떤 경우에는 압입 방법을 사용하여 측정할 수 있으며 인위적으로 높은 값이 생성됩니다. 단일 사용 측면 노치 빔은 정확한 측정을 제공합니다.
강도는 인성과 관련이 있지만 응력이 가해질 때 재료가 치명적으로 파손되는 단일 지점을 나타냅니다. 일반적으로 "파단 계수"라고 하며 3점 또는 4점 굽힘 강도를 사용하여 측정합니다. 테스트 막대에서 측정합니다. 3점 테스트는 4점 테스트보다 1% 더 높은 값을 제공합니다.
경도는 Rockwell 및 Vickers를 포함한 다양한 스케일로 측정할 수 있지만 Vickers 마이크로 경도 스케일은 고급 세라믹 재료에 매우 적합합니다. 경도는 재료의 내마모성에 비례하여 달라집니다.
순환 방식으로 작동하는 밸브에서 피로는 밸브의 지속적인 개폐로 인해 주요 문제입니다. 피로는 재료가 정상적인 굴곡 강도 이하로 파손되는 경향이 있는 강도의 임계값입니다.
내부식성은 작동 환경과 재료가 포함된 매체에 따라 달라집니다. 고온 증기에 노출되면 "수열 분해"되는 일부 지르코니아 기반 재료를 제외하고 많은 고급 세라믹 재료가 이 분야에서 금속보다 성능이 뛰어납니다.
부품 형상, 열팽창 계수, 열 전도성, 인성 및 강도는 모두 열 충격의 영향을 받습니다. 이는 높은 열 전도성과 인성을 촉진하는 영역이므로 금속 부품이 효과적으로 기능합니다. 그러나 이제 세라믹 재료의 발전 허용 가능한 수준의 열 충격 저항을 제공합니다.
고급 세라믹은 수년 동안 사용되어 왔으며 높은 성능과 가치를 요구하는 신뢰성 엔지니어, 플랜트 엔지니어 및 밸브 설계자 사이에서 인기가 있습니다. 특정 응용 요구 사항에 따라 다양한 산업에 적합한 다양한 개별 제제가 있습니다. 그러나 4가지 고급 세라믹은 가혹한 서비스 밸브 분야에서 중요한 역할을 하며 여기에는 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 질화물(Si3N4), 알루미나 및 지르코니아가 포함됩니다. 밸브 및 밸브 볼 재료는 특정 응용 분야 요구 사항에 따라 선택됩니다.
강철과 동일한 열팽창 계수 및 강성을 갖는 밸브에 사용되는 지르코니아에는 두 가지 주요 형태가 있습니다. 마그네시아 부분 안정화 지르코니아(Mg-PSZ)는 열 충격 저항과 인성이 가장 높으며, 이트리아 정방정 지르코니아 다결정(Y-TZP) )은 더 단단하지만 열수 분해되기 쉽습니다.
실리콘 질화물(Si3N4)은 다양한 제형으로 제공됩니다. GPPSN(가스 압력 소결 실리콘 질화물)은 밸브 및 밸브 부품에 가장 일반적으로 사용되는 재료로 평균 인성 외에도 높은 경도와 강도, 우수한 열충격 저항성 및 열 안정성을 제공합니다. 또한 Si3N4는 고온 증기 환경에서 지르코니아를 대체할 수 있는 적합한 대체재를 제공하여 열수 분해를 방지합니다.
예산이 부족하기 때문에 지정자는 SiC 또는 알루미나 중에서 선택할 수 있습니다. 두 재료 모두 경도는 높지만 지르코니아나 질화규소보다 강하지 않습니다. 이는 이러한 재료가 밸브 부싱 및 시트와 같은 정적 부품 응용 분야에 더 적합하다는 것을 보여줍니다. 더 높은 스트레스 볼이나 디스크.
고급 세라믹 소재는 크롬철(CrFe), 텅스텐 카바이드, 하스텔로이(Hastelloy), 스텔라이트(Stellite) 등 가혹한 서비스 밸브 응용 분야에 사용되는 금속 소재보다 인성이 낮고 강도는 비슷합니다.
혹독한 서비스 응용 분야에는 버터플라이 밸브, 트러니언, 플로팅 볼 밸브 및 스프링과 같은 로터리 밸브를 사용하는 작업이 포함됩니다. 이러한 응용 분야에서 Si3N4 및 지르코니아는 가장 혹독한 환경을 견딜 수 있는 열 충격 저항, 인성 및 강도를 제공합니다. 경도 및 내식성으로 인해 재료의 사용 수명은 금속 부품의 사용 수명보다 몇 배 더 깁니다. 다른 이점으로는 특히 폐쇄 능력과 제어력이 유지되는 영역에서 사용 수명 동안 밸브의 성능 특성이 포함됩니다.
이는 98% 황산과 일메나이트에 노출된 65mm(2.6인치) 밸브 kynar/RTFE 볼과 라이너를 적용하여 산화티타늄 안료로 전환되는 사례에서 설명됩니다. 매체의 공격적인 특성은 이러한 구성 요소가 그러나 뛰어난 경도와 내부식성을 제공하는 독자적인 마그네시아 부분 안정화 지르코니아(Mg-PSZ)인 Nilcra에서 제조한 볼 밸브 트림(그림 1)을 사용하면 3년 동안 아무런 문제 없이 중단 없이 서비스를 제공합니다. 감지 가능한 마모.
앵글, 스로틀 또는 글로브 밸브를 포함한 선형 밸브에서 지르코니아 및 질화규소는 이러한 제품의 "단단한 시트" 특성으로 인해 플러그와 시트 모두에 적합합니다. 마찬가지로 산화알루미늄도 일부 라이너 및 케이지에 사용될 수 있습니다. 밸브 시트에 연삭 볼을 일치시켜 밀봉할 수 있습니다.
밸브 플러그, 입구 및 출구 또는 본체 부싱을 포함한 밸브 부싱의 경우 응용 요구 사항에 따라 4가지 주요 세라믹 재료 중 하나를 사용할 수 있습니다. 재료의 높은 경도와 내식성은 성능과 서비스에 도움이 되는 것으로 입증되었습니다. 제품의 수명.
호주의 보크사이트 정유소에서 사용되는 DN150 버터플라이 밸브를 예로 들어 보겠습니다. 매체에 실리카 함량이 높으면 밸브 부싱에 높은 수준의 마모가 발생할 수 있습니다. 원래 라이너와 디스크는 28% CrFe 합금으로 만들어졌으며 다음 용도로만 사용되었습니다. 8~10주. 그러나 Nilcra!" 지르코니아(그림 2)로 만든 밸브를 사용하면 사용 수명이 70주로 늘어났습니다.
인성과 강도로 인해 세라믹은 대부분의 밸브 응용 분야에서 잘 작동합니다. 그러나 밸브의 수명에 기여하는 것은 경도와 내식성입니다. 결과적으로 교체 부품의 가동 중지 시간을 줄이고 운전 자본을 낮춤으로써 전체 수명 주기 비용이 절감됩니다. 재고 관리, 수동 취급 감소, 누출 감소로 안전성 향상.
고압 밸브에 세라믹 재료를 사용하는 것은 밸브가 높은 축방향 또는 비틀림 하중을 받기 때문에 오랫동안 주요 관심사 중 하나였습니다. 그러나 현재 이 분야의 주요 업체들은 구동 토크 생존성을 향상시키기 위해 밸브 볼 설계를 개발하고 있습니다.
또 다른 주요 제한 사항은 크기입니다. 마그네시아 부분 안정화 지르코니아로 생산된 가장 큰 시트와 가장 큰 볼(그림 3)은 각각 DN500과 DN250입니다. 그러나 현재 대부분의 지정자는 이러한 크기의 부품에 세라믹을 선호합니다.
이제 세라믹 재료가 적합한 선택임이 입증되었지만 성능을 극대화하려면 몇 가지 간단한 지침을 따라야 합니다. 세라믹 재료는 비용을 최소화해야 하는 경우에만 먼저 사용해야 합니다. 날카로운 모서리와 응력 집중은 내부 및 내부 모두에서 피해야 합니다. 외부적으로.
잠재적인 열 팽창 불일치는 설계 단계에서 고려해야 합니다. 후프 응력을 줄이려면 세라믹을 내부가 아닌 외부에 유지해야 합니다. 마지막으로 기하학적 공차 및 표면 마감의 필요성을 신중하게 고려해야 합니다. 상당한 비용이 불필요하게 추가될 수 있습니다.
프로젝트 시작부터 자재 선택 및 공급업체와의 조정을 위한 이러한 지침과 모범 사례를 따르면 모든 심각한 서비스 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 얻을 수 있습니다.
이 정보는 Morgan Advanced Materials에서 제공한 자료, 리뷰 및 각색에서 파생되었습니다.
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.(2019년 11월 28일). 까다로운 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 재료.AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305에서 2022년 1월 14일에 검색함.
Morgan Advanced Materials – 기술 세라믹."가혹한 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 재료".AZOM.2022년 1월 14일..
Morgan Advanced Materials – 기술 세라믹."가혹한 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 재료".AZOM.https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.(2022년 1월 14일 액세스).
Morgan Advanced Materials – Technical Ceramics.2019. 가혹한 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 재료.AZoM, 2022년 1월 14일 액세스, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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게시 시간: 2022년 1월 15일
