Materials ceràmics avançats per a aplicacions de servei dures

No hi ha una definició formal de servei. Es pot considerar que es refereix a l'alt cost de substitució de la vàlvula o a les condicions de treball que redueixen la capacitat de processament. La necessitat global de reduir els costos de producció dels processos per tal de millorar la rendibilitat de tots els sectors implicats en condicions de servei dures. Aquests van des del petroli i el gas, la petroquímica fins a l'energia nuclear i la generació d'energia, el processament de minerals i la mineria. Dissenyadors i enginyers intenten aconseguir aquest objectiu de diferents maneres. El mètode més adequat és augmentar el temps de funcionament i l'eficiència controlant eficaçment els paràmetres del procés (com ara l'aturada efectiva i el control de flux optimitzat). L'optimització de la seguretat també juga un paper vital, perquè reduir el nombre de substitucions pot conduir a un entorn de producció més segur. A més, l'empresa està treballant per reduir l'inventari d'equips (incloses bombes i vàlvules) i l'eliminació necessària. Al mateix temps, els propietaris de les instal·lacions esperen una gran facturació dels seus actius. Per tant, l'augment de la capacitat de processament donarà lloc a menys canonades i equips (però de més gran diàmetre) i menys instruments per al mateix flux de producte. Això demostra que, a més d'haver d'utilitzar components individuals més grans del sistema per a diàmetres de canonades més amplis, també és necessari suportar una exposició prolongada a entorns durs per reduir els requisits de manteniment i substitució en servei. Els components incloses les vàlvules i les boles de vàlvules han de ser robusts per adaptar-se a l'aplicació desitjada, però també poden allargar la seva vida útil. Tanmateix, el principal problema de la majoria d'aplicacions és que les peces metàl·liques han assolit els seus límits de rendiment. Això indica que els dissenyadors poden trobar alternatives als materials no metàl·lics en aplicacions exigents, especialment materials ceràmics. Els paràmetres típics necessaris per operar components en condicions dures inclouen la resistència al xoc tèrmic, la resistència a la corrosió, la resistència a la fatiga, la duresa, la resistència i la tenacitat. La resiliència és un paràmetre clau, perquè els components que són menys resistents poden fallar catastròficament. La tenacitat dels materials ceràmics es defineix com la resistència a la propagació d'esquerdes. En alguns casos, es pot mesurar mitjançant el mètode de sagnat per obtenir un valor artificialment alt. L'ús d'un feix d'incisió d'un sol costat pot proporcionar resultats de mesurament precisos. La resistència està relacionada amb la tenacitat, però es refereix a un únic punt on un material es fa malbé catastròficament quan s'aplica una tensió. Es coneix comunament com el "mòdul de ruptura" i s'obté mesurant la resistència a la flexió de tres o quatre punts en una barra de prova. El valor de la prova de tres punts és un 1% superior al valor de la prova de quatre punts. Tot i que es poden utilitzar moltes escales, com ara el provador de duresa Rockwell i el provador de duresa Vickers, per mesurar la duresa, l'escala de microduresa Vickers és molt adequada per a materials ceràmics avançats. La duresa canvia en proporció a la resistència al desgast del material. En les vàlvules que funcionen de manera cíclica, la fatiga és la principal preocupació a causa de l'obertura i el tancament continus de la vàlvula. La fatiga és el llindar de la força. Més enllà d'aquest llindar, el material tendeix a fallar per sota de la seva resistència a la flexió normal. La resistència a la corrosió depèn de l'entorn operatiu i del medi que conté el material. A més de la "degradació hidrotèrmica", molts materials ceràmics avançats són superiors als metalls en aquest camp, i certs materials basats en zirconi patiran "degradació hidrotèrmica" després d'estar exposats a vapor d'alta temperatura. La geometria, el coeficient d'expansió tèrmica, la conductivitat tèrmica, la duresa i la resistència dels components es veuen afectats pel xoc tèrmic. Aquesta àrea és favorable a una alta conductivitat tèrmica i duresa, de manera que els components metàl·lics poden funcionar amb eficàcia. Tanmateix, els avenços en els materials ceràmics ofereixen ara nivells acceptables de resistència al xoc tèrmic. La ceràmica avançada s'ha utilitzat durant molts anys i és popular entre els enginyers de fiabilitat, enginyers de plantes i dissenyadors de vàlvules que requereixen un alt rendiment i un alt valor. Segons els requisits específics d'aplicació, és adequat per a diferents formulacions en una varietat d'indústries. No obstant això, quatre ceràmiques avançades són de gran importància en el camp del manteniment rigorós de les vàlvules, com ara carbur de silici (SiC), nitrur de silici (Si3N4), alúmina i zirconi. Els materials de la vàlvula i la bola de la vàlvula es seleccionen segons els requisits específics de l'aplicació. La vàlvula utilitza dues formes principals de zirconi, que tenen el mateix coeficient d'expansió tèrmica i rigidesa que l'acer. La zirconia parcialment estabilitzada amb òxid de magnesi (Mg-PSZ) té la resistència i la duresa al xoc tèrmic més altes, mentre que la zirconia tetragonal policristal·lina (Y-TZP) és més dura, però és susceptible a la degradació hidrotermal. El nitrur de silici (Si3N4) té diferents formulacions. El nitrur de silici sinteritzat a pressió de gas (GPPSN) és el material més utilitzat per a vàlvules i components de vàlvules. A més de la seva duresa mitjana, també té una gran duresa i resistència, una excel·lent resistència al xoc tèrmic i estabilitat tèrmica. A més, en entorns de vapor d'alta temperatura, Si3N4 pot substituir la zirconia per evitar la degradació hidrotermal. Amb un pressupost més estricte, el concentrador pot triar entre SiC o alúmina. Tots dos materials tenen una duresa elevada, però no són més durs que el zirconi o el nitrur de silici. Això demostra que el material és molt adequat per a aplicacions de components estàtics, com ara revestiments de vàlvules i seients de vàlvules, en lloc de boles o discos de vàlvules que estan subjectes a una major tensió. En comparació amb els materials metàl·lics utilitzats en aplicacions de vàlvules exigents (incloent ferrocrom (CrFe), carbur de tungstè, Hastelloy i Stellite), els materials ceràmics avançats tenen una resistència més baixa i una resistència similar. Les aplicacions de servei exigents impliquen l'ús de vàlvules rotatives, com ara vàlvules de papallona, ​​mulls, vàlvules de bola flotants i molles. En aquestes aplicacions, Si3N4 i zirconia tenen resistència al xoc tèrmic, duresa i força, i poden adaptar-se als entorns més exigents. A causa de la duresa i la resistència a la corrosió del material, la vida útil del component és diverses vegades la del component metàl·lic. Altres avantatges inclouen les característiques de rendiment durant la vida útil de la vàlvula, especialment a les zones on es mantenen les capacitats de tall i control. Això es va demostrar en el cas d'una bola i un revestiment kynar/RTFE de vàlvula de 65 mm (2,6 polzades) exposats a un 98% d'àcid sulfúric més ilmenita, convertint la ilmenita en pigment d'òxid de titani. La naturalesa corrosiva dels mitjans significa que la vida d'aquests components pot arribar a ser de sis setmanes. No obstant això, l'ús de guarnicions de vàlvules esfèriques (un òxid de magnesi patentat de zirconi parcialment estabilitzat (Mg-PSZ)) fabricat per Nilcra ™ (Figura 1) té una duresa i una resistència a la corrosió excel·lents i s'han proporcionat durant tres anys. Servei intermitent, sense cap desgast detectable. A les vàlvules lineals (incloses les vàlvules d'angle, vàlvules d'acceleració o vàlvules de globus), a causa de les característiques de "seient dur" d'aquests productes, el zirconi i el nitrur de silici són adequats tant per a taps de vàlvules com per a seients de vàlvules. De la mateixa manera, l'alúmina es pot utilitzar en determinats revestiments i gàbies. A través de la bola a joc a l'anell del seient, es pot aconseguir un alt grau de segellat. Per al nucli de la vàlvula, inclosa la vàlvula de bobina, l'entrada i la sortida o el casquet del cos de la vàlvula, es pot utilitzar qualsevol dels quatre materials ceràmics principals segons els requisits de l'aplicació. L'alta duresa i resistència a la corrosió del material han demostrat ser beneficioses pel que fa al rendiment del producte i la vida útil. Preneu com a exemple la vàlvula de papallona DN150 que s'utilitza a la refineria de bauxita australiana. L'alt contingut de sílice en el medi provoca uns nivells elevats de desgast en els casquilles de la vàlvula. El revestiment i el disc de la vàlvula utilitzats inicialment estaven fets d'un aliatge CrFe al 28% i només van durar de vuit a deu setmanes. No obstant això, a causa de la introducció de vàlvules fetes de zirconi Nilcra™ (figura 2), la vida útil s'ha augmentat a 70 setmanes. A causa de la seva duresa i resistència, la ceràmica funciona bé en la majoria d'aplicacions de vàlvules. No obstant això, és la seva duresa i resistència a la corrosió les que ajuden a allargar la vida útil de la vàlvula. Al seu torn, això redueix el cost de tot el cicle de vida mitjançant la reducció del temps d'inactivitat de les peces de recanvi, la reducció del capital de treball i l'inventari, la manipulació manual mínima i la millora de la seguretat gràcies a la reducció de fuites. Durant molt de temps, l'aplicació de materials ceràmics en vàlvules d'alta pressió ha estat una de les principals preocupacions, perquè aquestes vàlvules estan sotmeses a altes càrregues axials o torsionals. Tanmateix, els principals actors en aquest camp estan desenvolupant dissenys de boles de vàlvules que milloren la supervivència del parell d'accionament. L'altra gran limitació és la mida. La mida del seient de la vàlvula més gran i la bola de la vàlvula més gran (figura 3) produïdes per la zirconia parcialment estabilitzada amb magnesia són DN500 i DN250, respectivament. Tanmateix, la majoria dels especificadors actuals prefereixen utilitzar ceràmica per fer peces les dimensions de les quals no superen aquestes dimensions. Tot i que ara s'ha demostrat que els materials ceràmics són una opció adequada, encara hi ha algunes pautes senzilles que cal seguir per maximitzar el seu rendiment. Els materials ceràmics s'han d'utilitzar primer només si cal reduir costos. Tant l'interior com l'exterior han d'evitar les cantonades afilades i la concentració de l'estrès. Qualsevol possible desajustament d'expansió tèrmica s'ha de tenir en compte durant la fase de disseny. Per tal de reduir l'estrès del cèrcol, és necessari mantenir la ceràmica a l'exterior i no a l'interior. Finalment, cal tenir en compte la necessitat de toleràncies geomètriques i d'acabat superficial, ja que aquestes toleràncies poden augmentar significativament els costos innecessaris. Seguint aquestes directrius i bones pràctiques en la selecció de materials i la coordinació amb els proveïdors des de l'inici del projecte, es pot aconseguir una solució ideal per a cada aplicació de servei exigent. Aquesta informació s'ha obtingut, revisat i adaptat a partir de materials proporcionats per Morgan Advanced Materials. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 de novembre de 2019). Materials ceràmics avançats adequats per a aplicacions de servei serioses. AZoM. Recuperat de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 el 26 de maig de 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis seriosos". AZoM. 26 de maig de 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis seriosos". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consultat el 26 de maig de 2021). Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materials ceràmics avançats adequats per a aplicacions de servei serioses. AZoM, consultat el 26 de maig de 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM va parlar amb els professors associats Arda Gozen, George i Joan Berry de la Washington State University. Arda forma part d'un equip de múltiples institucions dedicades a crear bastides de teixits dissenyats imitant les característiques dels teixits humans. En aquesta entrevista, AZoM va parlar amb el Dr. Tim Nunney i el Dr. Adam Bushell de Thermo Fisher Scientific sobre el sistema d'anàlisi de superfícies Nexsa G2. En aquesta entrevista, AZoM i el Dr. Juan Araneda, cap de Química Aplicada de Nanàlisi, van parlar de l'ús creixent i la utilitat de la RMN i de com ajudar a l'anàlisi dels dipòsits de liti. L'espectròmetre de descàrrega brillant GDS850 de Leco es pot utilitzar per analitzar diversos materials metal·lúrgics. També proporciona un perfil quantitatiu de profunditat del material. Té un rang de 120-800 nm i és versàtil. Els centres de tornejat de la sèrie Hardinge® T i els centres de tornejat de la sèrie SUPER-PRECISION® T són líders reconeguts del mercat en aplicacions d'ultra precisió i tornejat dur. Utilitzem cookies per millorar la teva experiència. En continuar navegant per aquest lloc web, acceptes el nostre ús de cookies. Més informació.