Materiali ceramichi avanzati per applicazioni di serviziu esigenti

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Ùn ci hè micca una definizione ufficiale di serviziu strettu. Pò esse capitu cum'è e cundizioni di u funziunamentu induve u costu di rimpiazzamentu di a valvula hè altu o a capacità di trasfurmazioni hè ridutta.
Ci hè una necessità glubale di riduce i costi di produzzione di prucessu per aumentà a prufittuità di tutti i settori implicati in cundizioni di serviziu poveri. Quessi varienu da l'oliu è u gasu è i prudutti petrochimici à l'energia nucleare è a generazione di energia, a trasfurmazioni minerali è a minera.
I disinfettori è l'ingegneri cercanu di ottene stu scopu in modi diffirenti. U metudu più apprupriatu hè di aumentà u uptime è l'efficienza cuntrullendu in modu efficace i paràmetri di u prucessu (cum'è l'arrestu efficace è u cuntrollu di u flussu ottimizatu).
L'ottimisazione di a sicurità ghjoca ancu un rolu vitale, perchè a riduzione di a sostituzione pò purtà à un ambiente di produzzione più sicuru. Inoltre, a cumpagnia travaglia per minimizzà l'inventariu di l'equipaggiu, cumprese pompe è valvole, è a dispusizione necessaria. À u listessu tempu, i pruprietarii di e facilità aspettanu un grande cambiamentu in i so assi. In u risultatu, l'aumentu di a capacità di trasfurmazioni si traduce in menu tubi è equipaghji (ma diametri più grande) è menu strumenti per u stessu flussu di produttu.
Questu indica chì, in più di avè da esse più grande per un diametru di tubu più largu, un solu cumpunente di u sistema hà ancu bisognu di sustene l'esposizione prolongata à l'ambienti duri per riduce a necessità di mantenimentu è rimpiazzamentu in serviziu.
I cumpunenti cumpresi valvule è sfere di valvula deve esse robusti per adattà à l'applicazione necessaria, ma ponu ancu furnisce una vita di serviziu più longa. Tuttavia, un prublema maiò cù a maiò parte di l'applicazioni hè chì e parti metalliche anu righjuntu u limitu di a so prestazione. Questu indica chì i diseggiani ponu truvà alternative à i materiali non metallichi, in particulare i materiali ceramichi, per applicazioni di serviziu esigenti.
I paràmetri tipici necessarii per uperà cumpunenti in cundizioni severi di serviziu includenu a resistenza di scossa termale, a resistenza à a corrosione, a resistenza à a fatigue, a durezza, a forza è a tenacità.
A resilienza hè un paràmetru chjave, perchè i cumpunenti chì sò menu resistenti ponu fallu catastroficamente. A durezza di i materiali ceramichi hè definitu cum'è a resistenza à a propagazione di crack. In certi casi, pò esse misurata cù u metudu di indentazione, risultatu in valori artificialmente altu. L'usu di un fasciu di incisione unilaterale pò furnisce misure precise.
A forza hè ligata à a tenacità, ma si riferisce à u puntu unicu in quale un materiale falla catastròficamente quandu u stress hè appiicatu. Hè comunmente chjamatu u "modulu di rupture" è hè misuratu da a misurazione di a forza di curvatura di trè o quattru punti nantu à una barra di prova. A prova di trè punti furnisce un valore chì hè 1% più altu ch'è a prova di quattru punti.
Ancu se a durezza pò esse misurata cù una varietà di scale cumpresi Rockwell è Vickers, a scala di microdurezza Vickers hè assai adattata per i materiali ceramichi avanzati. A durezza hè direttamente proporzionale à a resistenza à l'usura di u materiale.
In una valvula chì opera in un metudu ciclicu, a fatigue hè un prublema maiò per via di l'apertura è a chjusa cuntinua di a valvula. A fatigue hè u limitu di forza, oltre chì u materiale spessu falla sottu a so forza di curvatura normale.
A resistenza à a corrosione dipende da l'ambienti operativi è u mediu chì cuntene u materiale. In questu campu, assai materiali ceramichi avanzati anu vantaghji nantu à i metalli, eccettu per a "degradazione idrotermale", chì si trova quandu certi materiali basati in zirconia sò esposti à vapore à alta temperatura.
A geometria di a parte, u coefficient di espansione termale, a conduttività termale, a tenacità è a forza sò affettati da u scossa termale. Questa hè una zona chì conduce à una alta conductività termale è a tenacità, perchè e parti metalliche ponu funzionà in modu efficace. Tuttavia, l'avanzamenti in i materiali ceramichi avà furnisce livelli accettabili di resistenza di scossa termale.
A ceramica avanzata hè stata aduprata per parechji anni è hè populari trà l'ingegneri di affidabilità, l'ingegneri di e piante è i diseggiani di valvule chì necessitanu altu rendiment è valore. Sicondu i bisogni specifichi di l'applicazione, ci sò diverse formulazioni individuali adattate per una larga gamma di industrii. Tuttavia, quattru ceramichi avanzati sò di grande significatu in u campu di valvule di serviziu severi. Ci sò carbure di siliciu (SiC), nitruru di siliciu (Si3N4), alumina è zirconia. I materiali di a valvula è a sfera di a valvula sò scelti secondu e esigenze specifiche di l'applicazione.
Dui formi principali di zirconia sò aduprati in valvule, i dui chì anu u listessu coefficient di espansione termale è rigidità cum'è l'acciaio. A zirconia parzialmente stabilizzata di l'ossidu di magnesiu (Mg-PSZ) hà a più alta resistenza di scossa termale è tenacità, mentri l'ossidu di ittriu tetragonal zirconia policristallina (Y-TZP) hè più dura è più forte, ma hè suscettibile à a degradazione idrotermale.
Nitruru di siliciu (Si3N4) hà diverse formulazioni. U nitruru di siliciu sinterizzatu à pressione di gas (GPPSN) hè u materiale più cumunimenti utilizatu per valvule è cumpunenti di valvula. In più di a so durezza media, furnisce ancu una alta durezza è forza, una eccellente resistenza à u scossa termale è stabilità termale. Inoltre, Si3N4 hè un sustitutu adattatu di zirconia in ambienti di vapore à alta temperatura per prevene a degradazione idrotermale.
Quandu u budgetu hè strettu, u specifier pò sceglie carburu di siliciu o allumina. I dui materiali anu una durezza alta, ma ùn sò micca più duru di zirconia o nitruru di siliciu. Questu mostra chì u materiale hè assai adattatu per l'applicazioni di cumpunenti statichi, cum'è i rivestimenti di valve è i sedi di valvula, piuttostu cà sfere di valve o dischi chì sò sottumessi à un stress più altu.
In cunfrontu cù i materiali metallici utilizati in l'applicazioni di valvola di serviziu duru (cumprese ferrochrome (CrFe), carburu di tungstenu, Hastelloy è Stellite), i materiali ceramichi avanzati anu una durezza più bassa è una forza simile.
L'applicazioni di serviziu severi implicanu l'usu di valvole rotative, cum'è valvole a farfalla, perni, valvole a sfera flottante e valvole di primavera. In tali applicazioni, Si3N4 è zirconia mostranu resistenza di scossa termale, tenacità è forza per adattà à l'ambienti più esigenti. A causa di a durezza è a resistenza à a corrosione di u materiale, a vita di serviziu di e parti hè aumentata parechje volte da quella di e parti metalliche. Altri benefici includenu e caratteristiche di rendiment di a valvula per a so vita, soprattuttu in i zoni induve mantene a so capacità di chiusura è u cuntrollu.
Questu hè statu dimustratu in una applicazione induve una sfera kynar / RTFE di valvola di 65 mm (2,6 in) è u liner sò stati esposti à l'acidu sulfuricu 98% è l'ilmenite, chì hè cunvertitu in pigmentu d'ossidu di titaniu. A natura corrosiva di i media significa chì questi cumpunenti ponu durà finu à sei simani. Tuttavia, l'usu di a valvola di sfera trim fatta da Nilcra!" (Figura 1), chì hè un oxidu di magnesiu parzialmente stabilizatu zirconia (Mg-PSZ), hà una durezza eccellente è una resistenza à a corrosione è ponu furnisce trè anni di serviziu ininterrottu senza alcunu detectable. usu è strappa.
In valvule lineari cumpresi valvule d'angolo, valve di throttle o valve di globu, zirconia è nitruru di siliciu sò adattati per i tappi di valve è i sedi di valvula, grazia à e caratteristiche di "sede dura" di questi prudutti. In listessu modu, l'alumina pò esse aduprata per certi gaskets è cage. Per currispondenza di sfere di macinazione nantu à u sediu di a valvula, pò esse ottenutu un altu gradu di sigillatura.
Per u rivestimentu di a valvula, cumpresu u core di a valvula, l'ingressu è l'outlet o u rivestimentu di u corpu di a valvula, qualsiasi di i quattru materiali ceramichi principali pò esse usatu secondu e esigenze di l'applicazione. L'alta durezza è a resistenza à a corrosione di u materiale si sò dimustrati per esse benefiziu in quantu à u rendiment di u produttu è a vita di serviziu.
Pigliate a valvula a farfalla DN150 usata in a raffineria di bauxite australiana per esempiu. L'altu cuntenutu di silice in u mediu furnisce un altu livellu di usu nantu à u forru di a valvula. I gaskets è i dischi inizialmente utilizati sò fatti di 28% alliage CrFe è ponu durà solu ottu à deci settimane. In ogni casu, cù e valvole in Nilcra!" zirconia (Figura 2), a vita di serviziu hè aumentata à 70 settimane.
A causa di a so durezza è forza, a ceramica funziona bè in a maiò parte di l'applicazioni di valvula. Tuttavia, hè a so durezza è a resistenza à a corrosione chì aiutanu à aumentà a vita di serviziu di a valvula. Questu, à u turnu, riduce u costu di u ciclu di vita tutale, riducendu i tempi di inattività per i pezzi di rimpianu, riducendu u capitale di travagliu è l'inventariu, una manipulazione manuale minima, è migliurà a sicurità riducendu a fuga.
Per un bellu pezzu, l'applicazione di materiali ceramichi in valvule d'alta pressione hè stata una di e prublemi principali, perchè sti valvule sò sottumessi à carichi assiali o torsionali elevati. Tuttavia, i principali attori in stu campu sò avà sviluppatu disinni di sfera di valvula per migliurà a sopravvivenza di u torque di guida.
L'altra limitazione maiò hè a scala. A dimensione di u più grande sediu di valvula è a bola di valvola più grande (Figura 3) prodotta da zirconia di magnesia parzialmente stabilizzata hè DN500 è DN250, rispettivamente. Tuttavia, a maiò parte di i specificatori attualmente preferanu cumpunenti ceramichi di queste dimensioni.
Ancu s'è u materiale ceramicu hè avà pruvatu à esse una scelta adattata, ci sò ancu qualchi guida simplici per seguità per maximizà u so rendiment. I materiali ceramichi sò solu esse utilizati prima quandu i costi anu da esse minimizati. I cantoni sharp è a cuncentrazione di stress deve esse evitata sia in l'internu sia fora.
Ogni eventuale discrepanza di espansione termica deve esse cunsiderata durante a fase di cuncepimentu. Per riduce u stress di u cercu, a ceramica deve esse guardata à l'esternu, micca à l'internu. Infine, a necessità di tolleranze geometriche è finitura di a superficia deve esse cunsiderata currettamente, postu chì questi aumentanu significativamente i costi inutili.
Seguendu queste linee guida è e migliori pratiche per a selezzione di materiali è a coordinazione cù i fornitori da u principiu di u prugettu, hè pussibule ottene a suluzione ideale per ogni applicazione di serviziu duru.
Questa infurmazione hè derivata da materiali furniti da Morgan Advanced Materials è hè stata rivista è adattata.
Morgan Advanced Materials-Ceramica Tecnica. (2019, 28 nuvembre). Materiali ceramichi avanzati per applicazioni di serviziu esigenti. AZoM. Recuperatu da https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 u 7 di dicembre di u 2021.
Morgan Advanced Materials-Ceramica Tecnica. "Materiali ceramichi avanzati per applicazioni di serviziu esigenti". AZoM. 7 di dicembre di u 2021. .
Morgan Advanced Materials-Ceramica Tecnica. "Materiali ceramichi avanzati per applicazioni di serviziu esigenti". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Accessed on December 7, 2021).
Morgan Advanced Materials-Ceramica Tecnica. 2019. Materiali ceramichi avanzati per applicazioni di serviziu esigenti. AZoM, vistu u 7 di dicembre di u 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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