Fortschrittliche Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen

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Es gibt keine offizielle Definition des strengen Dienstes. Darunter können Betriebsbedingungen verstanden werden, bei denen die Kosten für den Ventilaustausch hoch sind oder die Verarbeitungskapazität reduziert ist.
Es besteht ein weltweiter Bedarf, die Prozessproduktionskosten zu senken, um die Rentabilität aller Sektoren zu steigern, die von schlechten Servicebedingungen betroffen sind. Diese reichen von Öl und Gas über petrochemische Produkte bis hin zu Kernenergie und Stromerzeugung, Mineralverarbeitung und Bergbau.
Designer und Ingenieure versuchen dieses Ziel auf unterschiedliche Weise zu erreichen. Die am besten geeignete Methode besteht darin, die Betriebszeit und Effizienz durch eine effektive Steuerung der Prozessparameter (z. B. effektive Abschaltung und optimierte Flusskontrolle) zu erhöhen.
Auch die Optimierung der Sicherheit spielt eine entscheidende Rolle, da die Reduzierung des Austauschs zu einer sichereren Produktionsumgebung führen kann. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen daran, den Gerätebestand, einschließlich Pumpen und Ventile, sowie die erforderliche Entsorgung zu minimieren. Gleichzeitig rechnen die Anlageneigentümer mit einer enormen Vermögensverschiebung. Infolgedessen führt eine erhöhte Verarbeitungskapazität zu weniger Rohren und Geräten (aber größeren Durchmessern) und weniger Instrumenten für den gleichen Produktstrom.
Dies weist darauf hin, dass eine einzelne Systemkomponente nicht nur für einen größeren Rohrdurchmesser größer sein muss, sondern auch längere Zeit rauen Umgebungsbedingungen standhalten muss, um den Bedarf an Wartung und Austausch während des Betriebs zu reduzieren.
Komponenten wie Ventile und Ventilkugeln müssen für die erforderliche Anwendung robust sein, können aber auch eine längere Lebensdauer bieten. Ein großes Problem bei den meisten Anwendungen besteht jedoch darin, dass Metallteile an ihre Leistungsgrenze stoßen. Dies deutet darauf hin, dass Designer für anspruchsvolle Serviceanwendungen möglicherweise Alternativen zu nichtmetallischen Materialien, insbesondere Keramikmaterialien, finden.
Zu den typischen Parametern, die für den Betrieb von Komponenten unter schwierigen Betriebsbedingungen erforderlich sind, gehören Thermoschockbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Härte, Festigkeit und Zähigkeit.
Resilienz ist ein entscheidender Parameter, denn weniger belastbare Komponenten können katastrophal ausfallen. Die Zähigkeit keramischer Werkstoffe wird als Widerstand gegen Rissausbreitung definiert. In einigen Fällen kann die Messung mit der Einrückungsmethode durchgeführt werden, was zu künstlich hohen Werten führt. Die Verwendung eines einseitig eingeschnittenen Strahls kann genaue Messungen liefern.
Festigkeit hängt mit der Zähigkeit zusammen, bezieht sich jedoch auf den einzelnen Punkt, an dem ein Material bei Belastung katastrophal versagt. Er wird allgemein als „Bruchmodul“ bezeichnet und wird durch eine Dreipunkt- oder Vierpunkt-Biegefestigkeitsmessung an einem Teststab gemessen. Der Drei-Punkte-Test liefert einen um 1 % höheren Wert als der Vier-Punkte-Test.
Obwohl die Härte mit einer Vielzahl von Skalen, einschließlich Rockwell und Vickers, gemessen werden kann, eignet sich die Vickers-Mikrohärteskala sehr gut für fortschrittliche Keramikmaterialien. Die Härte ist direkt proportional zur Verschleißfestigkeit des Materials.
Bei einem zyklisch arbeitenden Ventil ist die Ermüdung aufgrund des kontinuierlichen Öffnens und Schließens des Ventils ein großes Problem. Ermüdung ist die Festigkeitsschwelle, ab der das Material häufig unter seine normale Biegefestigkeit fällt.
Die Korrosionsbeständigkeit hängt von der Betriebsumgebung und dem Medium ab, in dem sich das Material befindet. In diesem Bereich haben viele fortschrittliche Keramikmaterialien Vorteile gegenüber Metallen, mit Ausnahme des „hydrothermischen Abbaus“, der auftritt, wenn einige Materialien auf Zirkonoxidbasis Hochtemperaturdampf ausgesetzt werden.
Teilegeometrie, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Zähigkeit und Festigkeit werden durch Thermoschock beeinflusst. Dies ist ein Bereich, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit begünstigt, sodass Metallteile effektiv funktionieren können. Allerdings bieten Fortschritte bei keramischen Materialien mittlerweile ein akzeptables Maß an Temperaturwechselbeständigkeit.
Hochleistungskeramik wird seit vielen Jahren verwendet und ist bei Zuverlässigkeitsingenieuren, Anlageningenieuren und Ventilkonstrukteuren beliebt, die hohe Leistung und Wertigkeit benötigen. Entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen gibt es unterschiedliche individuelle Rezepturen, die für die unterschiedlichsten Branchen geeignet sind. Vier Hochleistungskeramiken sind jedoch im Bereich der Ventile für den harten Einsatz von großer Bedeutung. Dazu gehören Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Die Materialien des Ventils und der Ventilkugel werden entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen ausgewählt.
In Ventilen werden hauptsächlich zwei Formen von Zirkonoxid verwendet, die beide den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die gleiche Steifigkeit wie Stahl haben. Teilstabilisiertes Magnesiumoxid-Zirkonoxid (Mg-PSZ) weist die höchste Temperaturwechselbeständigkeit und Zähigkeit auf, während tetragonales polykristallines Yttriumoxid-Zirkonoxid (Y-TZP) härter und fester ist, aber anfällig für hydrothermale Zersetzung ist.
Siliziumnitrid (Si3N4) hat unterschiedliche Formulierungen. Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPPSN) ist das am häufigsten verwendete Material für Ventile und Ventilkomponenten. Zusätzlich zu seiner durchschnittlichen Zähigkeit bietet es auch eine hohe Härte und Festigkeit sowie eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit und thermische Stabilität. Darüber hinaus ist Si3N4 ein geeigneter Ersatz für Zirkonoxid in Hochtemperatur-Dampfumgebungen, um einen hydrothermischen Abbau zu verhindern.
Wenn das Budget knapp ist, kann der Planer zwischen Siliziumkarbid und Aluminiumoxid wählen. Beide Materialien weisen eine hohe Härte auf, sind jedoch nicht härter als Zirkonoxid oder Siliziumnitrid. Dies zeigt, dass sich der Werkstoff eher für statische Bauteilanwendungen wie Ventilauskleidungen und Ventilsitze als für höher beanspruchte Ventilkugeln oder -scheiben eignet.
Verglichen mit den Metallmaterialien, die in Ventilanwendungen mit rauem Einsatz verwendet werden (einschließlich Ferrochrom (CrFe), Wolframkarbid, Hastelloy und Stellit), weisen fortschrittliche Keramikmaterialien eine geringere Zähigkeit und eine ähnliche Festigkeit auf.
Bei anspruchsvollen Serviceanwendungen kommen Drehventile wie Absperrklappen, Zapfenventile, schwimmende Kugelhähne und Federventile zum Einsatz. In solchen Anwendungen weisen Si3N4 und Zirkoniumdioxid eine Temperaturschockbeständigkeit, Zähigkeit und Festigkeit auf, um sich an die anspruchsvollsten Umgebungen anzupassen. Aufgrund der Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials ist die Lebensdauer der Teile um ein Vielfaches höher als die der Metallteile. Zu den weiteren Vorteilen zählen die Leistungsmerkmale des Ventils über seine gesamte Lebensdauer, insbesondere in Bereichen, in denen es seine Schließkapazität und Kontrolle beibehält.
Dies wurde in einer Anwendung demonstriert, bei der eine 65 mm (2,6 Zoll) große Ventilkynar/RTFE-Kugel und -Auskleidung 98 %iger Schwefelsäure und Ilmenit ausgesetzt wurde, das in Titanoxidpigment umgewandelt wird. Aufgrund der korrosiven Natur der Medien können diese Komponenten bis zu sechs Wochen halten. Die Verwendung von Kugelhahngarnituren von Nilcra (Abbildung 1), bei denen es sich um ein proprietäres, mit Magnesiumoxid teilweise stabilisiertes Zirkonoxid (Mg-PSZ) handelt, weist jedoch eine ausgezeichnete Härte und Korrosionsbeständigkeit auf und kann drei Jahre lang ununterbrochenen Betrieb ohne erkennbare Schäden gewährleisten Verschleiß.
In Linearventilen, einschließlich Eckventilen, Drosselventilen oder Durchgangsventilen, eignen sich Zirkonoxid und Siliziumnitrid aufgrund der „Hartsitz“-Eigenschaften dieser Produkte für Ventilkegel und Ventilsitze. Ebenso kann Aluminiumoxid für einige Dichtungen und Käfige verwendet werden. Durch passende Mahlkugeln am Ventilsitz kann ein hoher Dichtheitsgrad erreicht werden.
Für die Ventilauskleidung, einschließlich Ventilkern, Einlass und Auslass oder Ventilkörperauskleidung, kann je nach Anwendungsanforderungen eines der vier wichtigsten Keramikmaterialien verwendet werden. Als vorteilhaft für Produktleistung und Lebensdauer erwiesen sich die hohe Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials.
Nehmen Sie als Beispiel die DN150-Absperrklappe, die in der australischen Bauxitraffinerie eingesetzt wird. Der hohe Silikatgehalt im Medium sorgt für einen hohen Verschleiß der Ventillaufbuchse. Die zunächst verwendeten Dichtungen und Scheiben bestehen aus einer 28-prozentigen CrFe-Legierung und können nur acht bis zehn Wochen halten. Bei Ventilen aus Nilcra!"-Zirkonia (Abbildung 2) erhöht sich die Lebensdauer jedoch auf 70 Wochen.
Aufgrund seiner Zähigkeit und Festigkeit eignet sich Keramik gut für die meisten Ventilanwendungen. Es sind jedoch ihre Härte und Korrosionsbeständigkeit, die dazu beitragen, die Lebensdauer des Ventils zu erhöhen. Dies wiederum reduziert die Kosten des gesamten Lebenszyklus, indem Ausfallzeiten für Ersatzteile reduziert, Betriebskapital und Lagerbestände reduziert, manuelle Handhabung minimiert und die Sicherheit durch Reduzierung von Leckagen verbessert werden.
Der Einsatz von keramischen Werkstoffen in Hochdruckventilen ist seit langem eines der Hauptanliegen, da diese Ventile hohen axialen oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind. Allerdings entwickeln große Akteure auf diesem Gebiet derzeit Ventilkugelkonstruktionen, um die Überlebensfähigkeit des Antriebsdrehmoments zu verbessern.
Die andere große Einschränkung ist die Skalierung. Die Größe des größten Ventilsitzes und der größten Ventilkugel (Abbildung 3), die aus teilweise stabilisiertem Magnesia-Zirkonoxid hergestellt werden, beträgt DN500 bzw. DN250. Allerdings bevorzugen die meisten Planer derzeit Keramikkomponenten dieser Größen.
Obwohl sich das Keramikmaterial inzwischen als geeignete Wahl erwiesen hat, müssen dennoch einige einfache Richtlinien befolgt werden, um seine Leistung zu maximieren. Keramische Werkstoffe sollten zunächst nur dann zum Einsatz kommen, wenn die Kosten möglichst gering gehalten werden müssen. Scharfe Ecken und Spannungskonzentrationen sollten sowohl im Innen- als auch im Außenbereich vermieden werden.
Mögliche Unstimmigkeiten bei der Wärmeausdehnung müssen während der Entwurfsphase berücksichtigt werden. Um die Reifenspannung zu reduzieren, muss die Keramik außen und nicht innen bleiben. Schließlich sollte die Notwendigkeit geometrischer Toleranzen und der Oberflächenveredelung sorgfältig berücksichtigt werden, da diese die unnötigen Kosten erheblich erhöhen.
Durch die Befolgung dieser Richtlinien und Best Practices für die Materialauswahl und die Koordination mit Lieferanten von Beginn des Projekts an ist es möglich, für jede raue Serviceanwendung die ideale Lösung zu finden.
Diese Informationen stammen aus Materialien von Morgan Advanced Materials und wurden überprüft und angepasst.
Morgan Advanced Materials-Technische Keramik. (2019, 28. November). Fortschrittliche Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen. AZoM. Abgerufen von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 am 7. Dezember 2021.
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