مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الصعبة

نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتعزيز تجربتك. من خلال الاستمرار في تصفح هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط. معلومات اكثر.
لا يوجد تعريف رسمي للخدمة الصارمة. يمكن فهمها على أنها ظروف التشغيل حيث تكون تكلفة استبدال الصمام مرتفعة أو تقل قدرة المعالجة.
هناك حاجة عالمية لخفض تكاليف إنتاج العمليات من أجل زيادة ربحية جميع القطاعات المشاركة في ظروف الخدمة السيئة. وتتراوح هذه المنتجات من النفط والغاز والمنتجات البتروكيماوية إلى الطاقة النووية وتوليد الطاقة ومعالجة المعادن والتعدين.
يحاول المصممون والمهندسون تحقيق هذا الهدف بطرق مختلفة. الطريقة الأكثر ملاءمة هي زيادة وقت التشغيل والكفاءة من خلال التحكم الفعال في معلمات العملية (مثل إيقاف التشغيل الفعال والتحكم الأمثل في التدفق).
ويلعب تحسين السلامة أيضًا دورًا حيويًا، لأن تقليل الاستبدال يمكن أن يؤدي إلى بيئة إنتاج أكثر أمانًا. بالإضافة إلى ذلك، تعمل الشركة على تقليل مخزون المعدات، بما في ذلك المضخات والصمامات والتخلص منها. وفي الوقت نفسه، يتوقع أصحاب المنشآت تحولاً كبيراً في أصولهم. ونتيجة لذلك، تؤدي زيادة قدرة المعالجة إلى عدد أقل من الأنابيب والمعدات (ولكن بأقطار أكبر) وأدوات أقل لنفس تيار المنتج.
يشير هذا إلى أنه بالإضافة إلى ضرورة أن يكون أكبر لقطر الأنبوب الأوسع، يحتاج مكون النظام الواحد أيضًا إلى تحمل التعرض لفترات طويلة للبيئات القاسية لتقليل الحاجة إلى الصيانة والاستبدال أثناء الخدمة.
يجب أن تكون المكونات، بما في ذلك الصمامات وكرات الصمامات، قوية لتناسب التطبيق المطلوب، ولكنها يمكن أن توفر أيضًا عمر خدمة أطول. ومع ذلك، فإن المشكلة الرئيسية في معظم التطبيقات هي أن الأجزاء المعدنية قد وصلت إلى الحد الأقصى لأدائها. ويشير هذا إلى أن المصممين قد يجدون بدائل للمواد غير المعدنية، وخاصة المواد الخزفية، لتطبيقات الخدمة الصعبة.
تشمل المعلمات النموذجية المطلوبة لتشغيل المكونات في ظل ظروف الخدمة القاسية مقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التعب، والصلابة، والقوة، والمتانة.
تعد المرونة عاملاً أساسيًا، لأن المكونات الأقل مرونة يمكن أن تفشل بشكل كارثي. يتم تعريف صلابة المواد الخزفية على أنها مقاومة انتشار الشقوق. وفي بعض الحالات، يمكن قياسها باستخدام طريقة المسافة البادئة، مما يؤدي إلى قيم عالية بشكل مصطنع. يمكن أن يوفر استخدام شعاع شق أحادي الجانب قياسات دقيقة.
ترتبط القوة بالمتانة، ولكنها تشير إلى النقطة الوحيدة التي تفشل فيها المادة بشكل كارثي عند تعرضها للضغط. ويشار إليه عادة باسم "معامل التمزق" ويتم قياسه عن طريق إجراء قياس قوة الانحناء بثلاث أو أربع نقاط على قضيب الاختبار. يوفر اختبار النقاط الثلاث قيمة أعلى بنسبة 1% من اختبار النقاط الأربع.
على الرغم من أنه يمكن قياس الصلابة باستخدام مجموعة متنوعة من المقاييس بما في ذلك Rockwell وVickers، إلا أن مقياس Vickers للصلابة الدقيقة مناسب جدًا للمواد الخزفية المتقدمة. تتناسب الصلابة بشكل مباشر مع مقاومة التآكل للمادة.
في الصمام الذي يعمل بطريقة دورية، يمثل التعب مشكلة كبيرة بسبب الفتح والإغلاق المستمر للصمام. التعب هو عتبة القوة، والتي غالبًا ما تفشل المادة بعدها في الانخفاض إلى ما دون قوة الانحناء الطبيعية.
تعتمد مقاومة التآكل على بيئة التشغيل والوسط الذي يحتوي على المادة. وفي هذا المجال، تتمتع العديد من المواد الخزفية المتقدمة بمزايا أكثر من المعادن، باستثناء "التحلل الحراري المائي"، الذي يحدث عندما تتعرض بعض المواد القائمة على الزركونيا لبخار عالي الحرارة.
تتأثر هندسة الأجزاء ومعامل التمدد الحراري والتوصيل الحراري والمتانة والقوة بالصدمة الحرارية. هذه منطقة مواتية للتوصيل الحراري العالي والمتانة، لذلك يمكن للأجزاء المعدنية أن تعمل بفعالية. ومع ذلك، فإن التقدم في المواد الخزفية يوفر الآن مستويات مقبولة من مقاومة الصدمات الحرارية.
تم استخدام السيراميك المتقدم لسنوات عديدة ويحظى بشعبية كبيرة بين مهندسي الموثوقية ومهندسي المصانع ومصممي الصمامات الذين يحتاجون إلى أداء وقيمة عالية. وفقا لمتطلبات التطبيق المحددة، هناك تركيبات فردية مختلفة مناسبة لمجموعة واسعة من الصناعات. ومع ذلك، فإن أربعة أنواع من السيراميك المتقدم لها أهمية كبيرة في مجال صمامات الخدمة الشديدة. وهي تشمل كربيد السيليكون (SiC)، ونيتريد السيليكون (Si3N4)، والألومينا والزركونيا. يتم اختيار مواد الصمام وكرة الصمام وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة.
يتم استخدام شكلين رئيسيين من الزركونيا في الصمامات، وكلاهما لهما نفس معامل التمدد الحراري والصلابة مثل الفولاذ. يتمتع أكسيد الزركونيا المستقر جزئيًا (Mg-PSZ) بأعلى مقاومة للصدمات الحرارية وصلابة، في حين أن أكسيد الإيتريوم رباعي الزركونيا متعدد البلورات (Y-TZP) أصعب وأقوى، ولكنه عرضة للتدهور الحراري المائي.
نيتريد السيليكون (Si3N4) له تركيبات مختلفة. يعد نيتريد السيليكون الملبد بضغط الغاز (GPPSN) المادة الأكثر استخدامًا للصمامات ومكونات الصمامات. بالإضافة إلى صلابته المتوسطة، فإنه يوفر أيضًا صلابة وقوة عالية، ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والثبات الحراري. بالإضافة إلى ذلك، يعد Si3N4 بديلاً مناسبًا للزركونيا في بيئات البخار ذات درجة الحرارة العالية لمنع التدهور الحراري المائي.
عندما تكون الميزانية محدودة، يمكن للمحدد اختيار كربيد السيليكون أو الألومينا. تتميز كلتا المادتين بصلابة عالية، ولكنها ليست أصلب من الزركونيا أو نيتريد السيليكون. وهذا يدل على أن المادة مناسبة جدًا لتطبيقات المكونات الثابتة، مثل بطانات الصمامات ومقاعد الصمامات، بدلاً من كرات أو أقراص الصمامات التي تتعرض لضغط أعلى.
بالمقارنة مع المواد المعدنية المستخدمة في تطبيقات صمامات الخدمة القاسية (بما في ذلك الفيروكروم (CrFe)، وكربيد التنغستن، وHastelloy، وStellite)، تتمتع المواد الخزفية المتقدمة بصلابة أقل وقوة مماثلة.
تشتمل تطبيقات الخدمة القاسية على استخدام الصمامات الدوارة، مثل صمامات الفراشة، ومرتكز الدوران، والصمامات الكروية العائمة، والصمامات الزنبركية. في مثل هذه التطبيقات، يُظهر Si3N4 والزركونيا مقاومة للصدمات الحرارية والمتانة والقوة للتكيف مع البيئات الأكثر تطلبًا. نظرًا لصلابة المادة ومقاومتها للتآكل، فإن عمر الخدمة للأجزاء يزيد عدة مرات عن عمر الأجزاء المعدنية. تشمل المزايا الأخرى خصائص أداء الصمام طوال عمره الافتراضي، خاصة في المناطق التي يحتفظ فيها بقدرة الإغلاق والتحكم.
تم توضيح ذلك في أحد التطبيقات حيث تم تعريض كرة وبطانة صمام كينار/RTFE مقاس 65 مم (2.6 بوصة) إلى 98% من حمض الكبريتيك والإلمنيت، والذي يتم تحويله إلى صبغة أكسيد التيتانيوم. إن الطبيعة المسببة للتآكل للوسائط تعني أن هذه المكونات يمكن أن تستمر لمدة تصل إلى ستة أسابيع. ومع ذلك، فإن استخدام زخرفة الصمام الكروي المصنوعة بواسطة Nilcra!" (الشكل 1)، وهو عبارة عن أكسيد مغنيسيوم خاص بالزركونيا المستقر جزئيًا (Mg-PSZ)، يتمتع بصلابة ممتازة ومقاومة للتآكل ويمكن أن يوفر ثلاث سنوات من الخدمة المتواصلة دون أي اكتشاف يمكن اكتشافه. ارتداء أو مسيل للدموع.
في الصمامات الخطية بما في ذلك الصمامات الزاوية أو الصمامات الخانقة أو الصمامات الكروية، يعتبر الزركونيا ونيتريد السيليكون مناسبين لسدادات الصمامات ومقاعد الصمامات، وذلك بفضل خصائص "المقعد الصلب" لهذه المنتجات. وبالمثل، يمكن استخدام الألومينا في بعض الحشيات والأقفاص. من خلال مطابقة كرات الطحن على مقعد الصمام، يمكن تحقيق درجة عالية من الختم.
بالنسبة لبطانة الصمام، بما في ذلك قلب الصمام، المدخل والمخرج أو بطانة جسم الصمام، يمكن استخدام أي من المواد الخزفية الأربعة الرئيسية وفقًا لمتطلبات التطبيق. أثبتت الصلابة العالية ومقاومة التآكل للمادة أنها مفيدة من حيث أداء المنتج وعمر الخدمة.
خذ صمام الفراشة DN150 المستخدم في مصفاة البوكسيت الأسترالية كمثال. يوفر المحتوى العالي من السيليكا في الوسط مستوى عالٍ من التآكل على بطانة الصمام. الحشيات والأقراص المستخدمة في البداية مصنوعة من 28٪ من سبائك CrFe ويمكن أن تدوم من ثمانية إلى عشرة أسابيع فقط. ومع ذلك، مع الصمامات المصنوعة من Nilcra!" زركونيا (الشكل 2)، زادت مدة الخدمة إلى 70 أسبوعًا.
نظرًا لصلابته وقوته، يعمل السيراميك بشكل جيد في معظم تطبيقات الصمامات. ومع ذلك، فإن صلابتها ومقاومتها للتآكل هي التي تساعد على زيادة عمر خدمة الصمام. وهذا بدوره يقلل من تكلفة دورة الحياة بأكملها عن طريق تقليل وقت التوقف عن العمل لقطع الغيار، وتقليل رأس المال العامل والمخزون، والحد الأدنى من المناولة اليدوية، وتحسين السلامة عن طريق تقليل التسرب.
لفترة طويلة، كان تطبيق المواد الخزفية في صمامات الضغط العالي أحد الاهتمامات الرئيسية، لأن هذه الصمامات تخضع لأحمال محورية أو الالتوائية عالية. ومع ذلك، يقوم اللاعبون الرئيسيون في هذا المجال الآن بتطوير تصميمات كرة الصمام لتحسين بقاء عزم الدوران الدافع.
القيد الرئيسي الآخر هو الحجم. حجم أكبر مقعد صمام وأكبر كرة صمام (الشكل 3) التي تنتجها زركونيا المغنيسيا المستقرة جزئيا هو DN500 وDN250، على التوالي. ومع ذلك، فإن معظم المحددين حاليًا يفضلون المكونات الخزفية بهذه الأحجام.
على الرغم من أنه ثبت الآن أن مادة السيراميك هي الاختيار المناسب، إلا أنه لا تزال هناك بعض الإرشادات البسيطة التي يجب اتباعها لزيادة أدائها إلى أقصى حد. يجب استخدام المواد الخزفية أولاً فقط عندما يلزم إبقاء التكاليف عند الحد الأدنى. يجب تجنب الزوايا الحادة وتركيز الضغط في الداخل والخارج.
يجب مراعاة أي عدم تطابق محتمل للتمدد الحراري أثناء مرحلة التصميم. من أجل تقليل إجهاد الطوق، يجب الحفاظ على السيراميك من الخارج، وليس من الداخل. أخيرًا، ينبغي النظر بعناية في الحاجة إلى التفاوتات الهندسية وتشطيب الأسطح، حيث سيؤدي ذلك إلى زيادة التكاليف غير الضرورية بشكل كبير.
ومن خلال اتباع هذه الإرشادات وأفضل الممارسات لاختيار المواد والتنسيق مع الموردين منذ بداية المشروع، من الممكن تحقيق الحل الأمثل لكل تطبيق خدمة قاسٍ.
هذه المعلومات مستمدة من المواد المقدمة من Morgan Advanced Materials وتمت مراجعتها وتكييفها.
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. (2019، 28 نوفمبر). مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الصعبة. أزوم. تم الاسترجاع من https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 في 7 ديسمبر 2021.
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. "مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الصعبة". أزوم. 7 ديسمبر 2021. .
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. "مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الصعبة". أزوم. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (تم الوصول إليه في 7 ديسمبر 2021).
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. 2019. مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الصعبة. AZoM، شوهد في 7 ديسمبر 2021، https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
ناقش AZoM والبروفيسور Guihua Yu من جامعة تكساس في أوستن نوعًا جديدًا من صفائح الهيدروجيل التي يمكنها تحويل المياه الملوثة بسرعة إلى مياه شرب نقية. قد يكون لهذه العملية الجديدة تأثير كبير على تخفيف النقص العالمي في المياه.
في هذه المقابلة، تحدث كل من AZoM ويورغن شاوي من شركة METTLER TOLEDO عن قياس السعرات الحرارية لرقاقة المسح السريع وتطبيقاتها المتنوعة.
تحدث AZoM مع البروفيسور أورين شيرمان حول بحثه حول نوع جديد من الهيدروجيل الذي يمكنه تحقيق قابلية الانضغاط القصوى تحت ضغط عالٍ.
تعتبر StructureScan Mini XT الأداة المثالية لمسح الخرسانة؛ يمكنه تحديد عمق وموضع الأجسام المعدنية وغير المعدنية في الخرسانة بدقة وسرعة.
Miniflex XpC هو مقياس حيود الأشعة السينية (XRD) المصمم لمراقبة الجودة في مصانع الأسمنت والعمليات الأخرى التي تتطلب التحكم في العمليات عبر الإنترنت (مثل المستحضرات الصيدلانية والبطاريات).
يتكون Raman Building Block 1064 من المكونات الضرورية التالية: مقياس الطيف، ليزر 1064 نانومتر، مسبار أخذ العينات وغيرها من الملحقات الاختيارية.