Pokročilé keramické materiály pro náročné servisní aplikace

Neexistuje žádná formální definice služby. Lze to považovat za odkaz na vysoké náklady na výměnu ventilu nebo pracovní podmínky, které snižují kapacitu zpracování. Globální potřeba snížit náklady na procesní výrobu, aby se zlepšila ziskovost všech sektorů zapojených do náročných servisních podmínek. Ty sahají od ropy a plynu, petrochemie až po jadernou energii a výrobu energie, zpracování nerostů a těžbu. Návrháři a inženýři se tohoto cíle snaží dosáhnout různými způsoby. Nejvhodnější metodou je zvýšení doby provozuschopnosti a účinnosti efektivním řízením parametrů procesu (jako je efektivní odstavení a optimalizované řízení toku). Zásadní roli hraje také optimalizace bezpečnosti, protože snížení počtu výměn může vést k bezpečnějšímu výrobnímu prostředí. Kromě toho společnost pracuje na snížení zásob zařízení (včetně čerpadel a ventilů) a požadované likvidace. Majitelé zařízení zároveň očekávají od svých aktiv obrovský obrat. Zvýšená zpracovatelská kapacita proto bude mít za následek méně (ale větší průměr) potrubí a zařízení a méně přístrojů pro stejný proud produktu. To ukazuje, že kromě nutnosti použití větších jednotlivých součástí systému pro větší průměry potrubí je také nutné vydržet delší dobu vystavení drsnému prostředí, aby se snížily požadavky na údržbu a výměnu za provozu. Komponenty včetně ventilů a ventilových koulí musí být robustní, aby vyhovovaly požadované aplikaci, ale mohou také prodloužit jejich životnost. Hlavním problémem většiny aplikací je však to, že kovové části dosáhly svých výkonnostních limitů. To naznačuje, že návrháři mohou najít alternativy k nekovovým materiálům v náročných aplikacích, zejména keramických materiálů. Typické parametry požadované pro provoz součástí v náročných podmínkách zahrnují odolnost proti tepelným šokům, odolnost proti korozi, odolnost proti únavě, tvrdost, pevnost a houževnatost. Odolnost je klíčovým parametrem, protože součásti, které jsou méně odolné, mohou katastrofálně selhat. Houževnatost keramických materiálů je definována jako odolnost proti šíření trhlin. V některých případech může být měřena pomocí indentační metody pro získání uměle vysoké hodnoty. Použití paprsku s jednostranným řezem může poskytnout přesné výsledky měření. Pevnost souvisí s houževnatostí, ale týká se jediného bodu, kde je materiál katastrofálně poškozen, když je aplikováno napětí. Běžně se označuje jako "modul lomu" a získává se měřením tříbodové nebo čtyřbodové pevnosti v ohybu na zkušební tyči. Hodnota tříbodového testu je o 1 % vyšší než hodnota čtyřbodového testu. Ačkoli lze k měření tvrdosti použít mnoho stupnic včetně tvrdoměru Rockwell a tvrdoměru Vickers, stupnice mikrotvrdosti podle Vickerse je velmi vhodná pro pokročilé keramické materiály. Tvrdost se mění úměrně s odolností materiálu proti opotřebení. U ventilů pracujících cyklickým způsobem je hlavním problémem únava v důsledku nepřetržitého otevírání a zavírání ventilu. Únava je prahem síly. Za tímto prahem má materiál tendenci selhat pod svou normální pevnost v ohybu. Odolnost proti korozi závisí na provozním prostředí a médiu obsahujícím materiál. Kromě „hydrotermální degradace“ jsou mnohé pokročilé keramické materiály v této oblasti lepší než kovy a některé materiály na bázi oxidu zirkoničitého podléhají „hydrotermální degradaci“ poté, co byly vystaveny páře o vysoké teplotě. Geometrie, koeficient tepelné roztažnosti, tepelná vodivost, houževnatost a pevnost součástí jsou ovlivněny tepelným šokem. Tato oblast přispívá k vysoké tepelné vodivosti a houževnatosti, takže kovové součásti mohou efektivně fungovat. Pokroky v keramických materiálech však nyní poskytují přijatelnou úroveň odolnosti proti tepelným šokům. Pokročilá keramika se používá již mnoho let a je oblíbená mezi inženýry spolehlivosti, inženýry závodů a konstruktéry ventilů, kteří vyžadují vysoký výkon a vysokou hodnotu. Podle specifických požadavků aplikace je vhodný pro různé formulace v různých průmyslových odvětvích. Čtyři pokročilé keramiky však mají velký význam v oblasti přísné údržby ventilů, včetně karbidu křemíku (SiC), nitridu křemíku (Si3N4), oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého. Materiály ventilu a ventilové koule jsou vybírány podle požadavků konkrétní aplikace. Ventil používá dvě hlavní formy oxidu zirkoničitého, které mají stejný koeficient tepelné roztažnosti a tuhost jako ocel. Oxidem hořečnatým částečně stabilizovaný oxid zirkoničitý (Mg-PSZ) má nejvyšší odolnost proti tepelnému šoku a houževnatost, zatímco yttria tetragonální polykrystalický oxid zirkoničitý (Y-TZP) je tvrdší, ale je náchylný k hydrotermální degradaci. Nitrid křemíku (Si3N4) má různé složení. Nejběžněji používaným materiálem pro ventily a součásti ventilů je sintrovaný nitrid křemíku pod tlakem plynu (GPSN). Kromě průměrné houževnatosti má také vysokou tvrdost a pevnost, vynikající odolnost proti tepelným šokům a tepelnou stabilitu. Navíc v prostředí s vysokou teplotou páry může Si3N4 nahradit oxid zirkoničitý, aby se zabránilo hydrotermální degradaci. S přísnějším rozpočtem si koncentrátor může vybrat z SiC nebo oxidu hlinitého. Oba materiály mají vysokou tvrdost, ale nejsou tvrdší než oxid zirkoničitý nebo nitrid křemíku. To ukazuje, že materiál je velmi vhodný pro aplikace se statickými součástmi, jako jsou vložky ventilů a sedla ventilů, spíše než kuličky ventilů nebo kotouče, které jsou vystaveny vyššímu namáhání. Ve srovnání s kovovými materiály používanými v náročných ventilových aplikacích (včetně ferochromu (CrFe), karbidu wolframu, Hastelloy a Stellitu) mají pokročilé keramické materiály nižší houževnatost a podobnou pevnost. Náročné servisní aplikace zahrnují použití rotačních ventilů, jako jsou klapky, čepy, plovoucí kulové ventily a pružiny. V takových aplikacích mají Si3N4 a oxid zirkoničitý odolnost proti tepelným šokům, houževnatost a pevnost a mohou se přizpůsobit nejnáročnějším prostředím. Vzhledem k tvrdosti a odolnosti materiálu vůči korozi je životnost součásti několikanásobně vyšší než životnost kovové součásti. Mezi další výhody patří výkonnostní charakteristiky po celou dobu životnosti ventilu, zejména v oblastech, kde jsou zachovány vypínací a regulační schopnosti. To bylo demonstrováno v případě 65mm (2,6 palce) ventilové koule kynar/RTFE a vložky vystavené 98% kyselině sírové plus ilmenitu, přičemž ilmenit byl přeměněn na pigment oxidu titanu. Korozivní povaha médií znamená, že životnost těchto součástí může být až šest týdnů. Použití kulového obložení ventilu (patentovaný oxidem hořečnatým částečně stabilizovaný oxid zirkoničitý (Mg-PSZ)) vyráběný společností Nilcra™ (obrázek 1) má vynikající tvrdost a odolnost proti korozi a je poskytováno již tři roky. Přerušovaný servis, bez viditelného opotřebení. V lineárních ventilech (včetně rohových ventilů, škrticích ventilů nebo kulových ventilů) jsou díky vlastnostem těchto produktů „tvrdé sedlo“ oxid zirkoničitý a nitrid křemíku vhodné pro ventilové kuželky i ventilová sedla. Podobně lze v určitých obloženích a klecích použít oxid hlinitý. Prostřednictvím odpovídající kuličky na sedlovém kroužku lze dosáhnout vysokého stupně utěsnění. Pro jádro ventilu, včetně šoupátka, vstupu a výstupu nebo pouzdra tělesa ventilu, lze podle požadavků aplikace použít kterýkoli ze čtyř hlavních keramických materiálů. Vysoká tvrdost a odolnost materiálu proti korozi se ukázaly jako přínosné z hlediska výkonu produktu a životnosti. Vezměte si jako příklad škrticí klapku DN150 používanou v australské rafinerii bauxitu. Vysoký obsah oxidu křemičitého v médiu způsobuje vysoké opotřebení ventilových pouzder. Původně použitá vložka a ventilový kotouč byly vyrobeny z 28% slitiny CrFe a vydržely pouze osm až deset týdnů. Díky zavedení ventilů vyrobených z oxidu zirkoničitého Nilcra™ (obrázek 2) se však životnost zvýšila na 70 týdnů. Díky své houževnatosti a pevnosti funguje keramika dobře ve většině aplikací ventilů. Právě jejich tvrdost a odolnost proti korozi však pomáhají prodloužit životnost ventilu. To zase snižuje náklady na celý životní cyklus snížením prostojů na náhradní díly, snížením provozního kapitálu a zásob, minimální ruční manipulací a zlepšenou bezpečností díky snížení úniků. Aplikace keramických materiálů ve vysokotlakých ventilech byla dlouhou dobu jedním z hlavních problémů, protože tyto ventily jsou vystaveny vysokému axiálnímu nebo torznímu zatížení. Hlavní hráči v této oblasti však vyvíjejí konstrukce kulových ventilů, které zlepšují životnost ovládacího momentu. Dalším velkým omezením je velikost. Velikost největšího sedla ventilu a největší koule ventilu (obrázek 3) vyrobené z oxidu zirkoničitého částečně stabilizovaného hořčíkem jsou DN500 a DN250. Většina současných specifikátorů však dává přednost použití keramiky pro výrobu dílů, jejichž rozměry nepřesahují tyto rozměry. Přestože se nyní ukázalo, že keramické materiály jsou vhodnou volbou, stále existuje několik jednoduchých pokynů, které je třeba dodržovat, aby se maximalizoval jejich výkon. Keramické materiály by měly být použity jako první, pouze pokud je potřeba snížit náklady. Jak uvnitř, tak venku by se mělo vyhnout ostrým rohům a koncentraci stresu. Jakýkoli potenciální nesoulad s tepelnou roztažností musí být zvážen ve fázi návrhu. Aby se snížilo namáhání obruče, je nutné udržovat keramiku spíše venku než uvnitř. Konečně je třeba pečlivě zvážit potřebu geometrických tolerancí a povrchové úpravy, protože tyto tolerance mohou výrazně zvýšit zbytečné náklady. Dodržováním těchto pokynů a osvědčených postupů při výběru materiálů a koordinaci s dodavateli od začátku projektu lze dosáhnout ideálního řešení pro každou náročnou servisní aplikaci. Tyto informace byly získány, zkontrolovány a upraveny z materiálů poskytnutých společností Morgan Advanced Materials. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28. listopadu 2019). Pokročilé keramické materiály vhodné pro náročné servisní aplikace. AZOM. Převzato z https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 dne 26. května 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. „Pokročilé keramické materiály pro seriózní servisní aplikace“. AZOM. 26. května 2021 . Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. „Pokročilé keramické materiály pro seriózní servisní aplikace“. AZOM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Přístup 26. května 2021). Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Pokročilé keramické materiály vhodné pro seriózní servisní aplikace. AZoM, zobrazeno 26. května 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM hovořil s docenty Arda Gozen, George a Joan Berry z Washington State University. Arda je součástí týmu mnoha institucí, které se věnují vytváření lešení umělých tkání napodobováním charakteristik lidských tkání. V tomto rozhovoru AZoM hovořil s Dr. Timem Nunneym a Dr. Adamem Bushellem z Thermo Fisher Scientific o systému povrchové analýzy Nexsa G2. V tomto rozhovoru AZoM a Dr. Juan Araneda, vedoucí aplikované chemie Nanalysis, hovořili o rostoucím využití a užitečnosti NMR a jak pomoci analýze lithných usazenin. Spektrometr doutnavého výboje Leco GDS850 lze použít k analýze různých metalurgických materiálů. Poskytuje také kvantitativní hloubkové profilování materiálu. Má rozsah 120-800 nm a je všestranný. Soustružnická centra Hardinge® řady T a soustružnická centra SUPER-PRECISION® řady T jsou uznávanými lídry na trhu v aplikacích ultrapřesného a tvrdého soustružení. Pro zlepšení vašeho zážitku používáme soubory cookie. Pokračováním v procházení tohoto webu souhlasíte s naším používáním souborů cookie. Více informací.