Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio exigentes

No existe una definición formal de servicio. Se puede considerar que se refiere al alto costo de reemplazo de la válvula o a las condiciones de trabajo que reducen la capacidad de procesamiento. La necesidad global de reducir los costos de producción de procesos para mejorar la rentabilidad de todos los sectores involucrados en duras condiciones de servicio. Estos van desde petróleo y gas, petroquímicos hasta energía nuclear y generación de energía, procesamiento de minerales y minería. Los diseñadores e ingenieros intentan lograr este objetivo de diferentes maneras. El método más apropiado es aumentar el tiempo de actividad y la eficiencia mediante el control efectivo de los parámetros del proceso (como el apagado efectivo y el control de flujo optimizado). La optimización de la seguridad también juega un papel vital, porque reducir la cantidad de reemplazos puede generar un entorno de producción más seguro. Además, la empresa está trabajando para reducir el inventario de equipos (incluidas bombas y válvulas) y su eliminación requerida. Al mismo tiempo, los propietarios de instalaciones esperan un enorme volumen de ventas de sus activos. Por lo tanto, una mayor capacidad de procesamiento dará como resultado menos tuberías y equipos (pero de mayor diámetro) y menos instrumentos para el mismo flujo de productos. Esto muestra que, además de tener que utilizar componentes individuales más grandes del sistema para diámetros de tubería más amplios, también es necesario soportar una exposición prolongada a entornos hostiles para reducir los requisitos de mantenimiento y reemplazo en servicio. Los componentes, incluidas las válvulas y las bolas de válvulas, deben ser robustos para adaptarse a la aplicación deseada, pero también pueden prolongar su vida útil. Sin embargo, el principal problema de la mayoría de las aplicaciones es que las piezas metálicas han alcanzado sus límites de rendimiento. Esto indica que los diseñadores pueden encontrar alternativas a los materiales no metálicos en aplicaciones exigentes, especialmente materiales cerámicos. Los parámetros típicos necesarios para operar componentes en condiciones difíciles incluyen resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga, dureza, resistencia y tenacidad. La resiliencia es un parámetro clave, porque los componentes que son menos resistentes pueden fallar catastróficamente. La tenacidad de los materiales cerámicos se define como la resistencia a la propagación de grietas. En algunos casos, se puede medir utilizando el método de sangría para obtener un valor artificialmente alto. El uso de un haz de incisión de un solo lado puede proporcionar resultados de medición precisos. La resistencia está relacionada con la tenacidad, pero se refiere a un único punto en el que un material sufre daños catastróficos cuando se aplica tensión. Se le conoce comúnmente como "módulo de ruptura" y se obtiene midiendo la resistencia a la flexión de tres o cuatro puntos en una varilla de prueba. El valor de la prueba de tres puntos es un 1% superior al valor de la prueba de cuatro puntos. Aunque se pueden utilizar muchas escalas, incluido el probador de dureza Rockwell y el probador de dureza Vickers, para medir la dureza, la escala de microdureza Vickers es muy adecuada para materiales cerámicos avanzados. La dureza cambia en proporción a la resistencia al desgaste del material. En las válvulas que funcionan de manera cíclica, la fatiga es la principal preocupación debido a la apertura y cierre continuos de la válvula. La fatiga es el umbral de la fuerza. Más allá de este umbral, el material tiende a fallar por debajo de su resistencia a la flexión normal. La resistencia a la corrosión depende del entorno operativo y del medio que contiene el material. Además de la "degradación hidrotermal", muchos materiales cerámicos avanzados son superiores a los metales en este campo, y ciertos materiales a base de circonio sufrirán una "degradación hidrotermal" después de ser expuestos a vapor de alta temperatura. La geometría, el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, la tenacidad y la resistencia de los componentes se ven afectados por el choque térmico. Esta área favorece una alta conductividad térmica y tenacidad, por lo que los componentes metálicos pueden funcionar de manera efectiva. Sin embargo, los avances en los materiales cerámicos ahora proporcionan niveles aceptables de resistencia al choque térmico. Las cerámicas avanzadas se han utilizado durante muchos años y son populares entre los ingenieros de confiabilidad, ingenieros de plantas y diseñadores de válvulas que requieren alto rendimiento y alto valor. Según los requisitos de aplicación específicos, es adecuado para diferentes formulaciones en una variedad de industrias. Sin embargo, cuatro cerámicas avanzadas son de gran importancia en el campo del mantenimiento riguroso de válvulas, entre ellas el carburo de silicio (SiC), el nitruro de silicio (Si3N4), la alúmina y el circonio. Los materiales de la válvula y la bola de la válvula se seleccionan de acuerdo con los requisitos específicos de la aplicación. La válvula utiliza dos formas principales de circonio, que tienen el mismo coeficiente de expansión térmica y rigidez que el acero. La circona parcialmente estabilizada con óxido de magnesio (Mg-PSZ) tiene la mayor resistencia al choque térmico y tenacidad, mientras que la circona tetragonal policristalina de itria (Y-TZP) es más dura, pero susceptible a la degradación hidrotermal. El nitruro de silicio (Si3N4) tiene diferentes formulaciones. El nitruro de silicio sinterizado a presión de gas (GPPSN) es el material más utilizado para válvulas y componentes de válvulas. Además de su dureza promedio, también tiene alta dureza y resistencia, excelente resistencia al choque térmico y estabilidad térmica. Además, en entornos de vapor de alta temperatura, el Si3N4 puede reemplazar al circonio para evitar la degradación hidrotermal. Con un presupuesto más estricto, el concentrador puede elegir entre SiC o alúmina. Ambos materiales tienen una gran dureza, pero no son más duros que el circonio o el nitruro de silicio. Esto demuestra que el material es muy adecuado para aplicaciones de componentes estáticos, como revestimientos y asientos de válvulas, en lugar de bolas o discos de válvulas que están sujetos a mayores tensiones. En comparación con los materiales metálicos utilizados en aplicaciones de válvulas exigentes (incluidos ferrocromo (CrFe), carburo de tungsteno, Hastelloy y Stellite), los materiales cerámicos avanzados tienen menor tenacidad y resistencia similar. Las aplicaciones de servicio exigentes implican el uso de válvulas rotativas, como válvulas de mariposa, muñones, válvulas de bola flotante y resortes. En tales aplicaciones, el Si3N4 y el circonio tienen resistencia al choque térmico, tenacidad y solidez, y pueden adaptarse a los entornos más exigentes. Debido a la dureza y resistencia a la corrosión del material, la vida útil del componente es varias veces mayor que la del componente metálico. Otros beneficios incluyen características de rendimiento durante la vida útil de la válvula, especialmente en áreas donde se mantienen las capacidades de corte y control. Esto se demostró en el caso de una bola y un revestimiento de kynar/RTFE con válvula de 65 mm (2,6 pulgadas) expuestos a un 98 % de ácido sulfúrico más ilmenita, convirtiéndose la ilmenita en pigmento de óxido de titanio. La naturaleza corrosiva de los medios significa que la vida útil de estos componentes puede durar hasta seis semanas. Sin embargo, el uso de internos de válvula esféricos (un óxido de magnesio parcialmente estabilizado de circonio (Mg-PSZ)) fabricado por Nilcra™ (Figura 1) tiene una excelente dureza y resistencia a la corrosión y se ha proporcionado durante tres años. Servicio intermitente, sin desgaste detectable. En las válvulas lineales (incluidas válvulas de ángulo, válvulas de mariposa o válvulas de globo), debido a las características de "asiento duro" de estos productos, el circonio y el nitruro de silicio son adecuados tanto para los obturadores como para los asientos de válvula. De manera similar, la alúmina se puede utilizar en ciertos revestimientos y jaulas. Gracias a la bola correspondiente situada en el anillo de asiento se puede conseguir un alto grado de estanqueidad. Para el núcleo de la válvula, incluida la válvula de carrete, la entrada y salida o el casquillo del cuerpo de la válvula, se puede utilizar cualquiera de los cuatro materiales cerámicos principales según los requisitos de la aplicación. La alta dureza y resistencia a la corrosión del material han demostrado ser beneficiosas en términos de rendimiento y vida útil del producto. Tomemos como ejemplo la válvula de mariposa DN150 utilizada en la refinería de bauxita australiana. El alto contenido de sílice en el medio provoca altos niveles de desgaste en los casquillos de las válvulas. El revestimiento y el disco de válvula utilizados inicialmente estaban hechos de una aleación de CrFe al 28% y duraron sólo de ocho a diez semanas. Sin embargo, debido a la introducción de válvulas fabricadas con circonio Nilcra™ (Figura 2), la vida útil se ha incrementado a 70 semanas. Debido a su dureza y resistencia, la cerámica funciona bien en la mayoría de las aplicaciones de válvulas. Sin embargo, es su dureza y resistencia a la corrosión las que ayudan a prolongar la vida útil de la válvula. A su vez, esto reduce el costo de todo el ciclo de vida al reducir el tiempo de inactividad para las piezas de repuesto, reducir el capital de trabajo y el inventario, la manipulación manual mínima y mejorar la seguridad gracias a la reducción de fugas. Durante mucho tiempo, la aplicación de materiales cerámicos en válvulas de alta presión ha sido una de las principales preocupaciones, porque estas válvulas están sujetas a altas cargas axiales o de torsión. Sin embargo, los principales actores en este campo están desarrollando diseños de válvulas de bola que mejoran la supervivencia del par de accionamiento. La otra limitación importante es el tamaño. El tamaño del asiento de válvula más grande y de la bola de válvula más grande (Figura 3) producidos con circonio parcialmente estabilizado con magnesia es DN500 y DN250, respectivamente. Sin embargo, la mayoría de los especificadores actuales prefieren utilizar cerámica para fabricar piezas cuyas dimensiones no excedan estas dimensiones. Aunque ahora se ha demostrado que los materiales cerámicos son una opción adecuada, todavía existen algunas pautas simples que deben seguirse para maximizar su rendimiento. Los materiales cerámicos deben utilizarse en primer lugar sólo si es necesario reducir costes. Tanto en el interior como en el exterior se deben evitar las esquinas agudas y la concentración de tensiones. Cualquier posible desajuste de expansión térmica debe considerarse durante la fase de diseño. Para reducir la tensión circular, es necesario mantener la cerámica fuera y no dentro. Finalmente, se debe considerar cuidadosamente la necesidad de tolerancias geométricas y acabado superficial, ya que estas tolerancias pueden aumentar significativamente los costos innecesarios. Siguiendo estas pautas y mejores prácticas en la selección de materiales y la coordinación con los proveedores desde el inicio del proyecto, se puede lograr una solución ideal para cada aplicación de servicio exigente. Esta información ha sido obtenida, revisada y adaptada de materiales proporcionados por Morgan Advanced Materials. Morgan Materiales Avanzados-Cerámica Técnica. (28 de noviembre de 2019). Materiales cerámicos avanzados adecuados para aplicaciones de servicio serias. AZoM. Obtenido de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 el 26 de mayo de 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicios serios". AZoM. 26 de mayo de 2021. Morgan Materiales Avanzados-Cerámica Técnica. "Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicios serios". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consultado el 26 de mayo de 2021). Morgan Materiales Avanzados-Cerámica Técnica. 2019. Materiales cerámicos avanzados adecuados para aplicaciones de servicio serias. AZoM, consultado el 26 de mayo de 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM habló con los profesores asociados Arda Gozen, George y Joan Berry de la Universidad Estatal de Washington. Arda es parte de un equipo de múltiples instituciones dedicadas a crear estructuras de tejidos diseñados imitando las características de los tejidos humanos. En esta entrevista, AZoM habló con el Dr. Tim Nunney y el Dr. Adam Bushell de Thermo Fisher Scientific sobre el sistema de análisis de superficies Nexsa G2. En esta entrevista, AZoM y el Dr. Juan Araneda, jefe de química aplicada de Nanalysis, hablaron sobre el creciente uso y utilidad de la RMN y cómo ayudar al análisis de los depósitos de litio. El espectrómetro de descarga luminosa GDS850 de Leco se puede utilizar para analizar diversos materiales metalúrgicos. También proporciona un perfilado cuantitativo en profundidad del material. Tiene un alcance de 120-800 nm y es versátil. Los centros de torneado Hardinge® serie T y los centros de torneado SUPER-PRECISION® serie T son líderes reconocidos del mercado en aplicaciones de torneado en duro y ultraprecisión. Utilizamos cookies para mejorar su experiencia. Al continuar navegando en este sitio web, acepta nuestro uso de cookies. Más información.