Es gibt keine formelle Servicedefinition. Dies kann auf die hohen Kosten für den Austausch des Ventils oder auf die Arbeitsbedingungen zurückzuführen sein, die die Verarbeitungskapazität verringern.
Die weltweite Notwendigkeit, die Prozessproduktionskosten zu senken, um die Rentabilität aller Sektoren zu verbessern, die unter rauen Betriebsbedingungen leiden. Diese reichen von Öl und Gas über Petrochemie 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 der Austauschanzahl zu einer sichereren Produktionsumgebung führen kann. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen daran, den Gerätebestand (einschließlich Pumpen und Ventile) und die erforderliche Entsorgung zu reduzieren. Gleichzeitig erwarten Anlageneigentümer enorme Umsätze aus ihren Vermögenswerten. Daher führt eine erhöhte Verarbeitungskapazität zu weniger (aber größerem Durchmesser) Rohren und Geräten sowie weniger Instrumenten für den gleichen Produktstrom.
Dies zeigt, dass die verschiedenen Systemkomponenten nicht nur für größere Rohrdurchmesser größer sein müssen, sondern auch längere Zeit rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein müssen, um den Bedarf an Wartung und Austausch während des Betriebs zu reduzieren.
Komponenten wie Ventile und Ventilkugeln müssen für die gewünschte Anwendung robust sein, können aber auch ihre Lebensdauer verlängern. Das Hauptproblem bei den meisten Anwendungen besteht jedoch darin, dass Metallteile an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Dies deutet darauf hin, dass Designer in anspruchsvollen Anwendungen möglicherweise Alternativen zu nichtmetallischen Materialien finden, insbesondere zu keramischen Materialien.
Zu den typischen Parametern, die für den Betrieb von Komponenten unter rauen Bedingungen 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 mithilfe der Einrückungsmethode erfolgen, um einen künstlich hohen Wert zu erhalten. Die Verwendung eines einseitigen Inzisionsstrahls kann genaue Messergebnisse liefern.
Festigkeit hängt mit Zähigkeit zusammen, bezieht sich jedoch auf einen einzelnen Punkt, an dem ein Material bei Belastung katastrophal beschädigt wird. Es wird allgemein als „Bruchmodul“ bezeichnet und wird durch die Durchführung einer Dreipunkt- oder Vierpunkt-Biegefestigkeitsmessung an einem Teststab ermittelt. Der Wert des Drei-Punkte-Tests ist 1 % höher als der Wert des Vier-Punkte-Tests.
Obwohl viele Skalen, einschließlich Rockwell-Härte und Vickers-Härte, zur Messung der Härte verwendet werden können, eignet sich die Vickers-Mikrohärteskala sehr gut für fortschrittliche Keramikmaterialien. Die Härte ändert sich proportional zur Verschleißfestigkeit des Materials.
Bei zyklisch arbeitenden Ventilen ist die Ermüdung aufgrund des kontinuierlichen Öffnens und Schließens des Ventils das Hauptproblem. Müdigkeit ist die Schwelle der Stärke. Oberhalb dieser Schwelle neigt das Material dazu, unter seine normale Biegefestigkeit zu versagen.
Die Korrosionsbeständigkeit hängt von der Betriebsumgebung und dem Medium ab, in dem sich das Material befindet. Zusätzlich zum „hydrothermischen Abbau“ sind viele fortschrittliche Keramikmaterialien in diesem Bereich den Metallen überlegen, und bestimmte Materialien auf Zirkonoxidbasis unterliegen einem „hydrothermischen Abbau“, nachdem sie Hochtemperaturdampf ausgesetzt wurden.
Durch Thermoschock werden Geometrie, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Zähigkeit und Festigkeit der Bauteile beeinflusst. Dieser Bereich begünstigt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit, sodass die Metallkomponenten 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 eine hohe Leistung und einen hohen Wert benötigen. Je nach spezifischen Anwendungsanforderungen eignet es sich für unterschiedliche Formulierungen in verschiedenen Branchen. Im Bereich anspruchsvoller Wartungsventile sind jedoch vier Hochleistungskeramiken von großer Bedeutung, darunter Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Die Materialien des Ventils und der Ventilkugel werden entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen ausgewählt.
Das Ventil verwendet zwei Hauptformen von Zirkonoxid, die den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die gleiche Steifigkeit wie Stahl haben. Teilstabilisiertes Zirkonoxid mit Magnesiumoxid (Mg-PSZ) weist die höchste Temperaturwechselbeständigkeit und Zähigkeit auf, während tetragonales polykristallines Zirkonoxid mit Yttriumoxid (Y-TZP) härter, aber anfällig für hydrothermale Zersetzung ist.
Siliziumnitrid (Si3N4) hat unterschiedliche Formulierungen. Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPPSN) ist das am häufigsten für Ventile und Ventilkomponenten verwendete Material. Neben seiner durchschnittlichen Zähigkeit verfügt es auch über eine hohe Härte und Festigkeit sowie eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit und thermische Stabilität. Darüber hinaus kann Si3N4 in Hochtemperatur-Dampfumgebungen Zirkonoxid ersetzen, um einen hydrothermischen Abbau zu verhindern.
Bei einem strengeren Budget kann der Konzentrator zwischen SiC und Aluminiumoxid wählen. Beide Materialien weisen eine hohe Härte auf, sind jedoch nicht härter als Zirkonoxid oder Siliziumnitrid. Dies zeigt, dass sich das Material sehr gut für statische Komponentenanwendungen wie Ventilauskleidungen und Ventilsitze eignet und nicht für Kugeln oder Scheiben, die einer höheren Belastung ausgesetzt sind.
Im Vergleich zu den Metallmaterialien, die in anspruchsvollen Ventilanwendungen verwendet werden (einschließlich Ferrochrom (CrFe), Wolframcarbid, Hastelloy und Stellit), weisen fortschrittliche Keramikmaterialien eine geringere Zähigkeit und eine ähnliche Festigkeit auf.
Anspruchsvolle Serviceanwendungen erfordern den Einsatz von Drehventilen wie Absperrklappen, Drehzapfen, schwimmenden Kugelhähnen und Federn. In solchen Anwendungen weisen Si3N4 und Zirkonoxid Temperaturschockbeständigkeit, Zähigkeit und Festigkeit auf und können sich an die anspruchsvollsten Umgebungen anpassen. Aufgrund der Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials ist die Lebensdauer des Bauteils um ein Vielfaches höher als die des Metallbauteils. Zu den weiteren Vorteilen gehören Leistungsmerkmale über die gesamte Lebensdauer des Ventils, insbesondere in Bereichen, in denen die Abschalt- und Steuerfähigkeit erhalten bleibt.
Dies wurde im Fall einer 65 mm (2,6 Zoll) großen Kynar/RTFE-Ventilkugel und -Auskleidung nachgewiesen, die 98 %iger Schwefelsäure plus Ilmenit ausgesetzt wurde, wobei das Ilmenit in Titanoxidpigment umgewandelt wurde. Aufgrund der korrosiven Natur der Medien kann die Lebensdauer dieser Komponenten bis zu sechs Wochen betragen. Die Verwendung einer kugelförmigen Ventilgarnitur (ein proprietäres, mit Magnesiumoxid teilweise stabilisiertes Zirkonoxid (Mg-PSZ)) von Nilcra (Abbildung 1) weist jedoch eine ausgezeichnete Härte und Korrosionsbeständigkeit auf und wird seit drei Jahren bereitgestellt. Intermittierender Service, ohne jegliche erkennbarer Verschleiß.
Bei Linearventilen (einschließlich Eckventilen, Drosselventilen oder Durchgangsventilen) eignen sich Zirkonoxid und Siliziumnitrid aufgrund der „harten Dichtung“-Eigenschaften dieser Produkte sowohl für Ventilkegel als auch für Ventilsitze. Ebenso kann Aluminiumoxid in bestimmten Auskleidungen und Käfigen verwendet werden. Durch die passende Kugel am Sitzring kann eine hohe Dichtigkeit erreicht werden.
Für den Ventilkern, einschließlich Schieberventil, Einlass und Auslass oder Ventilgehäusebuchse, kann je nach Anwendungsanforderungen eines der vier wichtigsten Keramikmaterialien verwendet werden. Die hohe Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials haben sich hinsichtlich der Produktleistung und Lebensdauer als vorteilhaft erwiesen.
Nehmen Sie als Beispiel die DN150-Absperrklappe, die in der australischen Bauxitraffinerie eingesetzt wird. Der hohe Kieselsäureanteil im Medium verursacht einen hohen Verschleiß an den Ventilbuchsen. Der ursprünglich verwendete Liner und Ventilteller bestanden aus einer 28 %igen CrFe-Legierung und hielten nur acht bis zehn Wochen. Durch die Einführung von Ventilen aus Nilcra®-Zirkonoxid (Abbildung 2) konnte die Lebensdauer jedoch auf 70 Wochen erhöht werden.
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 verlängern. Dies erhöht wiederum die Sicherheit durch geringere Ausfallzeiten für Ersatzteile, reduziertes Betriebskapital und Lagerbestände, minimale manuelle Handhabung und geringere Leckagen, wodurch die gesamten Lebenszykluskosten gesenkt werden.
Der Einsatz von keramischen Werkstoffen in Hochdruckventilen ist seit langem eines der Hauptanliegen, da diese Ventile hohen axialen oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind. Wichtige Akteure auf diesem Gebiet entwickeln jedoch Ventilkugelkonstruktionen, die die Überlebensfähigkeit des Betätigungsdrehmoments verbessern.
Die andere große Einschränkung ist die Größe. Die Größe des größten Ventilsitzes und der größten Ventilkugel (Abbildung 3), die aus teilweise stabilisiertem Magnesia-Zirkonoxid hergestellt werden, beträgt DN500 bzw. DN250. Die meisten derzeitigen Planer bevorzugen jedoch die Verwendung von Keramik zur Herstellung von Teilen, deren Abmessungen diese Abmessungen nicht überschreiten.
Obwohl inzwischen bewiesen ist, dass keramische Werkstoffe eine geeignete Wahl sind, gibt es dennoch einige einfache Richtlinien, die befolgt werden müssen, um die Leistung zu maximieren. Der Einsatz keramischer Werkstoffe sollte zunächst nur dann erfolgen, wenn Kostensenkungsbedarf besteht. Sowohl drinnen als auch draußen sollten scharfe Ecken und Spannungskonzentrationen vermieden werden.
Mögliche Unstimmigkeiten bei der Wärmeausdehnung müssen während der Entwurfsphase berücksichtigt werden. Um die Reifenspannung zu reduzieren, ist es notwendig, die Keramik außen und nicht innen zu halten. Schließlich sollte die Notwendigkeit geometrischer Toleranzen und der Oberflächenveredelung sorgfältig geprüft werden, da diese Toleranzen unnötige Kosten erheblich erhöhen können.
Durch die Befolgung dieser Richtlinien und Best Practices bei der Materialauswahl und die Abstimmung mit Lieferanten von Beginn des Projekts an kann für jede anspruchsvolle Serviceanwendung eine ideale Lösung erreicht werden.
Diese Informationen wurden anhand von Materialien von Morgan Advanced Materials ermittelt, überprüft und angepasst.
Morgan Advanced Materials-Technische Keramik. (28. November 2019). Fortschrittliche Keramikmaterialien, die für anspruchsvolle Serviceanwendungen geeignet sind. AZoM. Abgerufen von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 am 9. März 2021.
Morgan Advanced Materials-Technische Keramik. „Hochentwickelte Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen“. AZoM. 9. März 2021.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 10. März 2021
