Napredni keramički materijali za teške primjene

Ne postoji formalna definicija usluge. Može se smatrati da se odnosi na visoku cijenu zamjene ventila ili radne uvjete koji smanjuju kapacitet obrade. Globalna potreba za smanjenjem troškova procesa proizvodnje kako bi se poboljšala profitabilnost svih sektora uključenih u teške uslove rada. Oni se kreću od nafte i plina, petrokemije do nuklearne energije i proizvodnje električne energije, prerade minerala i rudarstva. Dizajneri i inženjeri pokušavaju postići ovaj cilj na različite načine. Najprikladniji metod je povećanje vremena rada i efikasnosti efektivnom kontrolom parametara procesa (kao što su efektivno zaustavljanje i optimizovana kontrola protoka). Optimizacija sigurnosti također igra vitalnu ulogu, jer smanjenje broja zamjena može dovesti do sigurnijeg proizvodnog okruženja. Pored toga, kompanija radi na smanjenju zaliha opreme (uključujući pumpe i ventile) i potrebnog odlaganja. Istovremeno, vlasnici objekata očekuju veliki promet od svoje imovine. Stoga će povećani kapacitet obrade rezultirati manjim brojem cijevi i opreme (ali većeg promjera) i manje instrumenata za isti tok proizvoda. Ovo pokazuje da je, pored upotrebe većih pojedinačnih komponenti sistema za veće prečnike cevi, takođe neophodno izdržati produženo izlaganje teškim okruženjima kako bi se smanjili zahtevi za održavanjem i zamenom tokom rada. Komponente uključujući ventile i kugle ventila moraju biti robusne kako bi odgovarale željenoj primjeni, ali također mogu produžiti vijek trajanja. Međutim, glavni problem kod većine aplikacija je taj što su metalni dijelovi dostigli svoje granice performansi. To ukazuje da dizajneri mogu pronaći alternative nemetalnim materijalima u zahtjevnim primjenama, posebno keramičkim materijalima. Tipični parametri potrebni za rad komponenti u teškim uslovima uključuju otpornost na termički udar, otpornost na koroziju, otpornost na zamor, tvrdoću, čvrstoću i žilavost. Otpornost je ključni parametar, jer komponente koje su manje otporne mogu katastrofalno otkazati. Žilavost keramičkih materijala definira se kao otpornost na širenje pukotina. U nekim slučajevima, može se izmjeriti metodom udubljenja kako bi se dobila umjetno visoka vrijednost. Upotreba jednostrane rezne grede može pružiti precizne rezultate mjerenja. Čvrstoća je povezana s žilavošću, ali se odnosi na jednu tačku u kojoj je materijal katastrofalno oštećen kada se primijeni stres. Obično se naziva "modul rupture" i dobiva se mjerenjem čvrstoće savijanja u tri ili četiri tačke na ispitnoj šipki. Vrijednost testa u tri boda je 1% veća od vrijednosti testa u četiri boda. Iako se za mjerenje tvrdoće mogu koristiti mnoge skale, uključujući Rockwell tester tvrdoće i Vickersov tester tvrdoće, Vickersova skala mikrotvrdoće je vrlo pogodna za napredne keramičke materijale. Tvrdoća se mijenja proporcionalno otpornosti materijala na habanje. Kod ventila koji rade na ciklički način, zamor je glavna briga zbog neprekidnog otvaranja i zatvaranja ventila. Umor je prag snage. Iznad ovog praga, materijal ima tendenciju da propadne ispod svoje normalne čvrstoće na savijanje. Otpornost na koroziju ovisi o radnom okruženju i mediju koji sadrži materijal. Pored "hidrotermalne degradacije", mnogi napredni keramički materijali su superiorniji od metala u ovoj oblasti, a određeni materijali na bazi cirkonija će biti podvrgnuti "hidrotermalnoj degradaciji" nakon što su izloženi pari visoke temperature. Termički udar utiče na geometriju, koeficijent termičkog širenja, toplotnu provodljivost, žilavost i čvrstoću komponenti. Ova oblast je pogodna za visoku toplotnu provodljivost i žilavost, tako da metalne komponente mogu efikasno da funkcionišu. Međutim, napredak u keramičkim materijalima sada pruža prihvatljiv nivo otpornosti na termalni udar. Napredna keramika se koristi dugi niz godina i popularna je među inženjerima pouzdanosti, inženjerima postrojenja i dizajnerima ventila koji zahtijevaju visoke performanse i visoku vrijednost. Prema specifičnim zahtjevima primjene, pogodan je za različite formulacije u raznim industrijama. Međutim, četiri napredne keramike su od velikog značaja u oblasti rigoroznog održavanja ventila, uključujući silicijum karbid (SiC), silicijum nitrid (Si3N4), glinicu i cirkonijum. Materijali ventila i kugle ventila biraju se prema specifičnim zahtjevima primjene. Ventil koristi dva glavna oblika cirkonija, koji imaju isti koeficijent toplinskog širenja i krutost kao i čelik. Magnezijum oksid delimično stabilizovan cirkonijum (Mg-PSZ) ima najveću otpornost na termički udar i žilavost, dok je itrij tetragonalni polikristalni cirkonijum (Y-TZP) tvrđi, ali je podložan hidrotermalnoj degradaciji. Silicijum nitrid (Si3N4) ima različite formulacije. Sinterovani silicijum nitrid pod pritiskom (GPSN) je najčešće korišćeni materijal za ventile i komponente ventila. Osim svoje prosječne žilavosti, ima i visoku tvrdoću i čvrstoću, odličnu otpornost na termalne udare i termičku stabilnost. Osim toga, u okruženjima pare visoke temperature, Si3N4 može zamijeniti cirkonij kako bi spriječio hidrotermalnu degradaciju. Sa strožim budžetom, koncentrator može birati između SiC ili glinice. Oba materijala imaju visoku tvrdoću, ali nisu tvrđi od cirkonija ili silicijum nitrida. To pokazuje da je materijal vrlo pogodan za primjenu statičkih komponenti, kao što su obloge ventila i sjedišta ventila, a ne kuglice ventila ili diskovi koji su podložni većem naprezanju. U poređenju s metalnim materijalima koji se koriste u zahtjevnim primjenama ventila (uključujući ferohrom (CrFe), volfram karbid, Hastelloy i Stellite), napredni keramički materijali imaju manju žilavost i sličnu snagu. Zahtjevne servisne aplikacije uključuju upotrebu rotacijskih ventila, kao što su leptir ventili, klinovi, plutajući kuglični ventili i opruge. U takvim primenama, Si3N4 i cirkonijum imaju otpornost na termički udar, žilavost i čvrstoću i mogu se prilagoditi najzahtevnijim okruženjima. Zbog tvrdoće i otpornosti materijala na koroziju, vijek trajanja komponente je nekoliko puta duži od metalne komponente. Ostale prednosti uključuju karakteristike performansi tokom životnog veka ventila, posebno u oblastima u kojima se održavaju mogućnosti isključivanja i kontrole. Ovo je pokazano u slučaju 65 mm (2,6 inča) ventila kynar/RTFE kuglice i obloge izložene 98% sumporne kiseline plus ilmenita, pri čemu je ilmenit pretvoren u pigment titanijum oksida. Korozivna priroda medija znači da vijek trajanja ovih komponenti može biti i do šest sedmica. Međutim, upotreba sferične obloge ventila (zaštićeni magnezijum oksid djelomično stabiliziran cirkonijum (Mg-PSZ)) proizveden od strane Nilcra™ (slika 1) ima odličnu tvrdoću i otpornost na koroziju i postoji već tri godine. Servis s prekidima, bez vidljivog habanja. U linearnim ventilima (uključujući ugaone ventile, prigušne ventile ili globusne ventile), zbog karakteristika "tvrdog sjedišta" ovih proizvoda, cirkonijum i silicijum nitrid su pogodni i za čepove ventila i za sjedišta ventila. Slično, glinica se može koristiti u određenim oblogama i kavezima. Kroz odgovarajuću kuglicu na prstenu sjedišta može se postići visok stepen zaptivanja. Za jezgro ventila, uključujući zavojni ventil, ulaz i izlaz ili čahuru tijela ventila, može se koristiti bilo koji od četiri glavna keramička materijala u skladu sa zahtjevima primjene. Visoka tvrdoća i otpornost na koroziju materijala su se pokazale korisnima u pogledu performansi proizvoda i vijeka trajanja. Uzmimo za primjer leptir ventil DN150 koji se koristi u australskoj rafineriji boksita. Visok sadržaj silicijum dioksida u medijumu uzrokuje visok nivo habanja čaura ventila. Obloga i disk ventila koji su u početku korišteni bili su napravljeni od 28% legure CrFe i trajali su samo osam do deset sedmica. Međutim, zbog uvođenja ventila od Nilcra™ cirkonija (slika 2), vijek trajanja je produžen na 70 sedmica. Zbog svoje žilavosti i čvrstoće, keramika dobro funkcionira u većini primjena ventila. Međutim, njihova tvrdoća i otpornost na koroziju pomažu produžiti vijek trajanja ventila. Zauzvrat, ovo smanjuje troškove cijelog životnog ciklusa smanjujući vrijeme zastoja za zamjenske dijelove, smanjeni obrtni kapital i zalihe, minimalno ručno rukovanje i poboljšanu sigurnost kroz smanjeno curenje. Već duže vrijeme, primjena keramičkih materijala u ventilima visokog pritiska bila je jedna od glavnih briga, jer su ovi ventili podložni velikim aksijalnim ili torzijskim opterećenjima. Međutim, glavni igrači u ovoj oblasti razvijaju dizajn kugličnih ventila koji poboljšavaju preživljavanje momenta aktiviranja. Drugo veliko ograničenje je veličina. Veličina najvećeg sjedišta ventila i najveće kugle ventila (slika 3) proizvedenih od magnezijumom djelomično stabilizovanog cirkonija su DN500 i DN250, respektivno. Međutim, većina trenutnih specifikacija radije koristi keramiku za izradu dijelova čije dimenzije ne prelaze ove dimenzije. Iako se pokazalo da su keramički materijali prikladan izbor, još uvijek postoje neke jednostavne smjernice koje je potrebno slijediti kako bi se maksimizirale njihove performanse. Keramičke materijale treba prvo koristiti samo ako postoji potreba za smanjenjem troškova. I iznutra i izvana treba izbjegavati oštre kutove i koncentraciju stresa. Svaka potencijalna neusklađenost termičkog širenja mora se uzeti u obzir tokom faze projektovanja. Kako bi se smanjio naprezanje obruča, potrebno je držati keramiku izvana, a ne iznutra. Konačno, treba pažljivo razmotriti potrebu za geometrijskim tolerancijama i završnom obradom površine, jer ove tolerancije mogu značajno povećati nepotrebne troškove. Prateći ove smjernice i najbolje prakse u odabiru materijala i koordinaciji s dobavljačima od početka projekta, može se postići idealno rješenje za svaku zahtjevnu primjenu usluga. Ove informacije su dobijene, pregledane i prilagođene iz materijala Morgan Advanced Materials. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28. novembra 2019.). Napredni keramički materijali pogodni za ozbiljne servisne aplikacije. AZoM. Preuzeto sa https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 26. maja 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Napredni keramički materijali za ozbiljne servisne primjene". AZoM. 26. maj 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Napredni keramički materijali za ozbiljne servisne primjene". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Pristupljeno 26. maja 2021.). Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Napredni keramički materijali pogodni za ozbiljne servisne primjene. AZoM, pogledano 26. maja 2021, https://www.azom.com/article.aspx? Artikal ID = 12305. AZoM je razgovarao sa vanrednim profesorima Ardom Gozen, Georgeom i Joan Berry sa Univerziteta Washington State. Arda je dio tima višestrukih institucija posvećenih stvaranju skela od inženjerskih tkiva imitirajući karakteristike ljudskih tkiva. U ovom intervjuu, AZoM je razgovarao sa dr. Timom Nunneyjem i dr. Adamom Bushell-om iz Thermo Fisher Scientific-a o sistemu za analizu površine Nexsa G2. U ovom intervjuu, AZoM i dr. Juan Araneda, šef primijenjene hemije u Nanalizi, govorili su o sve većoj upotrebi i korisnosti NMR-a i kako pomoći u analizi naslaga litijuma. Leco-ov GDS850 spektrometar sjajnog pražnjenja može se koristiti za analizu različitih metalurških materijala. Takođe obezbeđuje kvantitativno profilisanje dubine materijala. Ima raspon od 120-800 nm i svestran je. Hardinge® T serija tokarskih centara i SUPER-PRECISION® T serija tokarskih centara su priznati lideri na tržištu u ultra preciznim i tvrdim aplikacijama tokarenja. Koristimo kolačiće da poboljšamo vaše iskustvo. Nastavkom pretraživanja ove web stranice, slažete se s našom upotrebom kolačića. Više informacija.