مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة القاسية

لا يوجد تعريف رسمي للخدمة. يمكن اعتباره إشارة إلى التكلفة العالية لاستبدال الصمام أو ظروف العمل التي تقلل من قدرة المعالجة. الحاجة العالمية لخفض تكاليف إنتاج العمليات من أجل تحسين ربحية جميع القطاعات المشاركة في ظروف الخدمة القاسية. وتتراوح هذه من النفط والغاز والبتروكيماويات 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 عدد عمليات 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 دورانًا ضخمًا من أصولهم. ولذلك، فإن زيادة قدرة المعالجة ستؤدي إلى عدد أقل من الأنابيب والمعدات (ولكن ذات قطر أكبر) وأدوات أقل لنفس تيار المنتج. يوضح هذا أنه بالإضافة إلى الاضطرار إلى استخدام مكونات نظام فردية أكبر لأقطار الأنابيب الأوسع، فمن الضروري أيضًا تحمل التعرض لفترات طويلة للبيئات القاسية لتقليل متطلبات الصيانة والاستبدال أثناء الخدمة. يجب أن تكون المكونات، بما في ذلك الصمامات وكرات الصمامات، قوية لتناسب التطبيق المطلوب، ولكنها قد تطيل عمرها أيضًا. ومع ذلك، فإن المشكلة الرئيسية في معظم التطبيقات هي أن الأجزاء المعدنية قد وصلت إلى حدود أدائها. ويشير هذا إلى أن المصممين قد يجدون بدائل للمواد غير المعدنية في التطبيقات الصعبة، وخاصة المواد الخزفية. تشمل المعلمات النموذجية المطلوبة لتشغيل المكونات في ظل ظروف قاسية 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 للحصول على قيمة عالية بشكل مصطنع. يمكن أن يوفر استخدام شعاع الشق أحادي الجانب نتائج قياس دقيقة. ترتبط القوة بالمتانة، ولكنها تشير إلى نقطة واحدة تتضرر فيها المادة بشكل كارثي عند تعرضها للضغط. ويشار إليه عادة باسم "معامل التمزق" ويتم الحصول عليه عن طريق قياس قوة الانحناء ثلاثية أو أربع نقاط على قضيب الاختبار. قيمة اختبار النقاط الثلاث أعلى بنسبة 1% من قيمة اختبار النقاط الأربع. على الرغم من أنه يمكن استخدام العديد من المقاييس بما في ذلك جهاز اختبار الصلابة روكويل واختبار الصلابة فيكرز لقياس الصلابة، إلا أن مقياس الصلابة الدقيقة فيكرز مناسب جدًا للمواد الخزفية المتقدمة. تتغير الصلابة بما يتناسب مع مقاومة التآكل للمادة. في الصمامات التي تعمل بطريقة دورية، يكون التعب هو مصدر القلق الرئيسي بسبب الفتح والإغلاق المستمر للصمام. التعب هو عتبة القوة. بعد هذه العتبة، تميل المادة إلى الانهيار تحت قوة الانحناء الطبيعية. تعتمد مقاومة التآكل على بيئة التشغيل والوسط الذي يحتوي على المادة. بالإضافة إلى "التحلل الحراري المائي"، تتفوق العديد من المواد الخزفية المتقدمة على المعادن في هذا المجال، وستخضع بعض المواد القائمة على الزركونيا إلى "التحلل الحراري المائي" بعد تعرضها لبخار عالي الحرارة. تتأثر الهندسة ومعامل التمدد الحراري والتوصيل الحراري والمتانة وقوة المكونات بالصدمة الحرارية. هذه المنطقة مواتية للتوصيل الحراري العالي والمتانة، لذلك يمكن للمكونات 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 عالي وقيمة عالية. وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة، فهو مناسب لتركيبات مختلفة في مجموعة متنوعة من الصناعات. ومع ذلك، هناك أربعة أنواع من السيراميك المتقدم لها أهمية كبيرة في مجال الصيانة الصارمة للصمامات، بما في ذلك كربيد السيليكون (SiC)، ونيتريد السيليكون (Si3N4)، والألومينا والزركونيا. يتم اختيار مواد الصمام وكرة الصمام وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة. يستخدم الصمام شكلين رئيسيين من الزركونيا، اللذان لهما نفس معامل التمدد الحراري والصلابة مثل الفولاذ. يتمتع أكسيد المغنيسيوم المستقر جزئيًا بالزركونيا (Mg-PSZ) بأعلى مقاومة للصدمات الحرارية وصلابة، في حين أن الإيتريا رباعي الزركونيا متعدد البلورات (Y-TZP) أصعب، 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 صلابتها المتوسطة، فهي تتمتع أيضًا بصلابة وقوة عالية، ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والثبات الحراري. بالإضافة إلى ذلك، في بيئات البخار ذات درجة الحرارة العالية، يمكن لـ Si3N4 أن يحل محل الزركونيا لمنع التدهور الحراري المائي. مع ميزانية أكثر صرامة، يمكن للمكثف الاختيار من SiC 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 الصمامات الصعبة (بما في ذلك الفيروكروم (CrFe)، وكربيد التنغستن، وHastelloy، وStellite)، تتمتع المواد الخزفية المتقدمة بصلابة أقل وقوة مماثلة. تتضمن تطبيقات الخدمة المطلوبة استخدام الصمامات الدوارة، مثل صمامات الفراشة، ومرتكز الدوران، والصمامات الكروية العائمة، والينابيع. في مثل هذه التطبيقات، يتمتع Si3N4 والزركونيا بمقاومة الصدمات الحرارية والمتانة والقوة، ويمكنهما التكيف مع البيئات الأكثر تطلبًا. نظرًا لصلابة المادة ومقاومتها للتآكل، فإن عمر خدمة المكون أكبر عدة مرات من عمر المكون المعدني. وتشمل المزايا الأخرى خصائص الأداء على مدى عمر الصمام، خاصة في المناطق التي يتم فيها الحفاظ على قدرات القطع والتحكم. تم توضيح ذلك في حالة كرة وبطانة صمام كينار/RTFE مقاس 65 مم (2.6 بوصة) المعرضة لحمض الكبريتيك بنسبة 98% بالإضافة إلى الإلمنيت، حيث يتم تحويل الإلمنيت إلى صبغة أكسيد التيتانيوم. إن الطبيعة المسببة للتآكل للوسائط تعني أن عمر هذه المكونات يمكن أن يصل إلى ستة أسابيع. ومع ذلك، فإن استخدام زخرفة الصمام الكروي (زركونيا أكسيد المغنيسيوم المستقر جزئيًا (Mg-PSZ)) المصنعة بواسطة Nilcra™ (الشكل 1) يتمتع بصلابة ممتازة ومقاومة للتآكل وقد تم توفيره لمدة ثلاث سنوات. خدمة متقطعة، دون أي تآكل يمكن اكتشافه. في الصمامات الخطية (بما في ذلك الصمامات الزاوية أو الصمامات الخانقة أو الصمامات الكروية)، نظرًا لخصائص "المقعد الصلب" لهذه المنتجات، فإن الزركونيا ونيتريد السيليكون مناسبان لكل من سدادات الصمامات ومقاعد الصمامات. وبالمثل، يمكن استخدام الألومينا في بطانات وأقفاص معينة. من خلال الكرة المطابقة على حلقة المقعد، يمكن تحقيق درجة عالية من الختم. بالنسبة لقلب الصمام، بما في ذلك الصمام التخزيني، المدخل والمخرج أو جلبة 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. يتسبب المحتوى العالي من السيليكا في الوسط في حدوث مستويات عالية من التآكل على البطانات الصمامية. تم تصنيع قرص البطانة والصمام المستخدم في البداية من 28٪ من سبيكة CrFe واستمر لمدة ثمانية إلى عشرة أسابيع فقط. ومع ذلك، نظرًا لإدخال الصمامات المصنوعة من زركونيا Nilcra™ (الشكل 2)، تمت زيادة عمر 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 إطالة عمر 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 من خلال 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 بتطوير تصميمات كروية للصمام تعمل على تحسين بقاء عزم دوران التشغيل. القيد الرئيسي الآخر هو الحجم. حجم أكبر مقعد صمام وأكبر كرة صمام (الشكل 3) التي تنتجها زركونيا المغنيسيا المستقرة جزئيا هي DN500 وDN250، على التوالي. إلا أن معظم المحددات الحالية تفضل استخدام السيراميك في صناعة الأجزاء التي لا تتجاوز أبعادها هذه الأبعاد. على الرغم من أن المواد الخزفية قد ثبت الآن أنها خيار مناسب، إلا أنه لا تزال هناك بعض الإرشادات البسيطة التي يجب اتباعها لتحقيق أقصى قدر من الأداء. يجب استخدام المواد الخزفية أولاً فقط إذا كانت هناك حاجة لتقليل التكاليف. يجب على كل من الداخل والخارج تجنب الزوايا الحادة وتركيز التوتر. يجب مراعاة أي عدم تطابق محتمل للتمدد الحراري أثناء مرحلة التصميم. من أجل تقليل إجهاد الطوق، من الضروري إبقاء السيراميك في الخارج وليس في الداخل. وأخيرا، ينبغي النظر بعناية في الحاجة إلى التفاوتات الهندسية وتشطيب الأسطح، لأن هذه التفاوتات قد تزيد بشكل كبير من التكاليف غير الضرورية. ومن خلال اتباع هذه الإرشادات وأفضل الممارسات في اختيار المواد والتنسيق مع الموردين منذ بداية المشروع، يمكن تحقيق حل مثالي لكل تطبيق خدمة متطلب. تم الحصول على هذه المعلومات ومراجعتها وتكييفها من المواد المقدمة من شركة Morgan Advanced Materials. مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. (28 نوفمبر 2019). مواد سيراميكية متقدمة مناسبة لتطبيقات الخدمة الجادة. أزوم. تم الاسترجاع من https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 في 26 مايو 2021. مواد مورغان المتقدمة - السيراميك الفني. "مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الجادة". أزوم. 26 مايو 2021 . مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. "مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الجادة". أزوم. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (تم الوصول إليه في 26 مايو 2021). مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك الفني. 2019. مواد سيراميكية متقدمة مناسبة لتطبيقات الخدمة الجادة. AZoM، شوهد في 26 مايو 2021، https://www.azom.com/article.aspx? معرف المقالة = 12305. تحدثت AZoM مع الأساتذة المشاركين أردا جوزين وجورج وجوان بيري من جامعة ولاية واشنطن. تعد Arda جزءًا من فريق من المؤسسات المتعددة المخصصة لإنشاء سقالات من الأنسجة المهندسة عن طريق تقليد خصائص الأنسجة البشرية. في هذه المقابلة، تحدثت AZoM مع الدكتور تيم نوني والدكتور آدم بوشيل من شركة Thermo Fisher Scientific حول نظام التحليل السطحي Nexsa G2. في هذه المقابلة، تحدثت AZoM والدكتور خوان أرانيدا، رئيس قسم الكيمياء التطبيقية للتحليل النانوي، عن الاستخدام المتزايد وفائدته للرنين المغناطيسي النووي وكيفية المساعدة في تحليل رواسب الليثيوم. يمكن استخدام مطياف التفريغ الوهج GDS850 من Leco لتحليل المواد المعدنية المختلفة. كما يوفر أيضًا ملفًا تعريفيًا عميقًا كميًا للمادة. يتراوح مداه بين 120-800 نانومتر وهو متعدد الاستخدامات. تعتبر مراكز الخراطة من سلسلة Hardinge® T ومراكز الخراطة من سلسلة SUPER-PRECISION® T من رواد السوق المعترف بهم في تطبيقات الخراطة فائقة الدقة والصعبة. نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتحسين تجربتك. من خلال الاستمرار في تصفح هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط. معلومات اكثر.