Il n’existe pas de définition formelle du service. Cela peut être considéré comme faisant référence au coût élevé du remplacement de la vanne ou aux conditions de travail qui réduisent la capacité de traitement.
La nécessité mondiale de réduire les coûts de production des procédés afin d’améliorer la rentabilité de tous les secteurs impliqués dans des conditions de service difficiles. Ceux-ci vont du pétrole et du gaz, de la pétrochimie à l’énergie nucléaire et à la production d’électricité, en passant par le traitement des minéraux et l’exploitation minière.
Les concepteurs et les ingénieurs tentent d’atteindre cet objectif de différentes manières. La méthode la plus appropriée consiste à augmenter la disponibilité et l'efficacité en contrôlant efficacement les paramètres du processus (tels qu'un arrêt efficace et un contrôle de débit optimisé).
L'optimisation de la sécurité joue également un rôle essentiel, car la réduction du nombre de remplacements peut conduire à un environnement de production plus sûr. De plus, l'entreprise s'efforce de réduire les stocks d'équipements (y compris les pompes et les vannes) et leur élimination requise. Dans le même temps, les propriétaires d’installations s’attendent à un chiffre d’affaires énorme de leurs actifs. Par conséquent, une capacité de traitement accrue se traduira par moins de tuyaux et d’équipements (mais de plus grand diamètre) et moins d’instruments pour le même flux de produits.
Cela montre qu'en plus de devoir être plus grands pour des diamètres de tuyaux plus larges, les différents composants du système doivent également résister à une exposition prolongée à des environnements difficiles afin de réduire le besoin de maintenance et de remplacement en service.
Les composants, notamment les vannes et les billes de vanne, doivent être robustes pour s'adapter à l'application souhaitée, mais ils peuvent également prolonger leur durée de vie. Cependant, le principal problème de la plupart des applications est que les pièces métalliques ont atteint leurs limites de performances. Cela indique que les concepteurs peuvent trouver des alternatives aux matériaux non métalliques dans des applications exigeantes, notamment les matériaux céramiques.
Les paramètres typiques requis pour faire fonctionner les composants dans des conditions difficiles comprennent la résistance aux chocs thermiques, la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue, la dureté, la résistance et la ténacité.
La résilience est un paramètre clé, car les composants moins résilients peuvent échouer de manière catastrophique. La ténacité des matériaux céramiques est définie comme la résistance à la propagation des fissures. Dans certains cas, elle peut être mesurée à l’aide de la méthode d’indentation pour obtenir une valeur artificiellement élevée. L'utilisation d'un faisceau d'incision d'un seul côté peut fournir des résultats de mesure précis.
La résistance est liée à la ténacité, mais fait référence à un point unique où un matériau est endommagé de manière catastrophique lorsqu'une contrainte est appliquée. Il est communément appelé « module de rupture », qui est obtenu en effectuant une mesure de résistance à la flexion en trois ou quatre points sur une tige d'essai. La valeur du test en trois points est 1 % supérieure à la valeur du test en quatre points.
Bien que de nombreuses échelles, notamment la dureté Rockwell et la dureté Vickers, puissent être utilisées pour mesurer la dureté, l'échelle de microdureté Vickers est très adaptée aux matériaux céramiques avancés. La dureté change proportionnellement à la résistance à l'usure du matériau.
Dans les vannes fonctionnant de manière cyclique, la fatigue est la principale préoccupation en raison de l'ouverture et de la fermeture continues de la vanne. La fatigue est le seuil de la force. Au-delà de ce seuil, le matériau a tendance à se briser en dessous de sa résistance normale à la flexion.
La résistance à la corrosion dépend de l'environnement d'exploitation et du milieu contenant le matériau. En plus de la « dégradation hydrothermale », de nombreux matériaux céramiques avancés sont supérieurs aux métaux dans ce domaine, et certains matériaux à base de zircone subiront une « dégradation hydrothermale » après avoir été exposés à de la vapeur à haute température.
La géométrie, le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, la ténacité et la résistance des composants sont affectés par le choc thermique. Cette zone est propice à une conductivité thermique et à une ténacité élevées, afin que les composants métalliques puissent fonctionner efficacement. Cependant, les progrès réalisés dans le domaine des matériaux céramiques offrent désormais des niveaux acceptables de résistance aux chocs thermiques.
Les céramiques avancées sont utilisées depuis de nombreuses années et sont populaires parmi les ingénieurs en fiabilité, les ingénieurs d'usine et les concepteurs de vannes qui exigent des performances élevées et une valeur élevée. Selon les exigences spécifiques des applications, il convient à différentes formulations dans diverses industries. Cependant, quatre céramiques avancées revêtent une grande importance dans le domaine des vannes de maintenance exigeantes, notamment le carbure de silicium (SiC), le nitrure de silicium (Si3N4), l'alumine et la zircone. Les matériaux de la vanne et de la bille de la vanne sont sélectionnés en fonction des exigences spécifiques de l'application.
La vanne utilise deux formes principales de zircone, qui ont le même coefficient de dilatation thermique et la même rigidité que l'acier. La zircone partiellement stabilisée à l'oxyde de magnésium (Mg-PSZ) présente la résistance aux chocs thermiques et la ténacité les plus élevées, tandis que la zircone tétragonale yttria polycristalline (Y-TZP) est plus dure, mais est sensible à la dégradation hydrothermale.
Le nitrure de silicium (Si3N4) a différentes formulations. Le nitrure de silicium fritté sous pression gazeuse (GPPSN) est le matériau le plus couramment utilisé pour les vannes et les composants de vannes. En plus de sa ténacité moyenne, il présente également une dureté et une résistance élevées, une excellente résistance aux chocs thermiques et une stabilité thermique. De plus, dans les environnements de vapeur à haute température, le Si3N4 peut remplacer la zircone pour empêcher la dégradation hydrothermale.
Avec un budget plus strict, le concentrateur peut choisir entre le SiC ou l'alumine. Les deux matériaux ont une dureté élevée, mais ne sont pas plus durs que la zircone ou le nitrure de silicium. Cela montre que le matériau est très adapté aux applications de composants statiques, tels que les chemises et les sièges de soupape, plutôt que les billes ou les disques soumis à des contraintes plus élevées.
Comparés aux matériaux métalliques utilisés dans les applications de vannes exigeantes (notamment le ferrochrome (CrFe), le carbure de tungstène, l'Hastelloy et le Stellite), les matériaux céramiques avancés ont une ténacité inférieure et une résistance similaire.
Les applications de service exigeantes impliquent l'utilisation de vannes rotatives, telles que des vannes papillon, des tourillons, des vannes à bille flottante et des ressorts. Dans de telles applications, le Si3N4 et la zircone présentent une résistance aux chocs thermiques, une ténacité et une résistance accrues, et peuvent s'adapter aux environnements les plus exigeants. En raison de la dureté et de la résistance à la corrosion du matériau, la durée de vie du composant est plusieurs fois supérieure à celle du composant métallique. D'autres avantages incluent des caractéristiques de performance tout au long de la durée de vie de la vanne, en particulier dans les zones où les capacités de coupure et de contrôle sont maintenues.
Cela a été démontré dans le cas d'une bille et d'un revêtement de valve en kynar/RTFE de 65 mm (2,6 pouces) exposés à 98 % d'acide sulfurique plus de l'ilménite, l'ilménite étant convertie en pigment d'oxyde de titane. La nature corrosive des médias signifie que la durée de vie de ces composants peut atteindre six semaines. Cependant, l'utilisation de garnitures de vanne sphériques (une zircone exclusive partiellement stabilisée à l'oxyde de magnésium (Mg-PSZ)) fabriquée par Nilcra!" (Figure 1) présente une excellente dureté et résistance à la corrosion et est fournie depuis trois ans. Service intermittent, sans aucun usure détectable.
Dans les vannes linéaires (y compris les vannes d'angle, les papillons ou les vannes à soupape), la zircone et le nitrure de silicium conviennent à la fois aux clapets et aux sièges de vanne en raison des caractéristiques de « étanchéité dure » de ces produits. De même, l'alumine peut être utilisée dans certains revêtements et cages. Grâce à la bille correspondante sur l'anneau de siège, un haut degré d'étanchéité peut être obtenu.
Pour le noyau de la vanne, y compris le distributeur à tiroir, l'entrée et la sortie ou la bague du corps de vanne, l'un des quatre principaux matériaux céramiques peut être utilisé en fonction des exigences de l'application. La dureté élevée et la résistance à la corrosion du matériau se sont révélées bénéfiques en termes de performances et de durée de vie du produit.
Prenons comme exemple la vanne papillon DN150 utilisée dans la raffinerie de bauxite australienne. La teneur élevée en silice dans le fluide provoque une usure importante des bagues de soupape. Le revêtement et le disque de valve utilisés initialement étaient constitués d'un alliage à 28 % de CrFe et n'ont duré que huit à dix semaines. Cependant, grâce à l'introduction de valves en zircone Nilcra!" (Figure 2), la durée de vie a été augmentée à 70 semaines.
En raison de sa ténacité et de sa résistance, la céramique fonctionne bien dans la plupart des applications de vannes. Cependant, c’est leur dureté et leur résistance à la corrosion qui contribuent à prolonger la durée de vie de la vanne. À son tour, cela augmente la sécurité en réduisant les temps d'arrêt pour les pièces de rechange, en réduisant le fonds de roulement et les stocks, en minimisant la manipulation manuelle et en réduisant les fuites, réduisant ainsi les coûts globaux du cycle de vie.
Pendant longtemps, l'application de matériaux céramiques dans les vannes haute pression a été l'une des principales préoccupations, car ces vannes sont soumises à des charges axiales ou de torsion élevées. Cependant, les principaux acteurs dans ce domaine développent des conceptions de billes de vanne qui améliorent la capacité de survie du couple d'actionnement.
L’autre limitation majeure est la taille. Les dimensions du plus grand siège de vanne et de la plus grande bille de vanne (Figure 3) produites par de la zircone partiellement stabilisée à la magnésie sont respectivement DN500 et DN250. Cependant, la plupart des prescripteurs actuels préfèrent utiliser la céramique pour réaliser des pièces dont les dimensions ne dépassent pas ces dimensions.
Bien qu’il soit désormais prouvé que les matériaux céramiques peuvent être utilisés comme un choix approprié, il existe néanmoins quelques directives simples à suivre pour maximiser leurs performances. Les matériaux céramiques ne doivent être utilisés en premier que s’il est nécessaire de réduire les coûts. Tant à l’intérieur qu’à l’extérieur, il convient d’éviter les angles vifs et la concentration du stress.
Tout décalage potentiel de dilatation thermique doit être pris en compte lors de la phase de conception. Afin de réduire les contraintes du cerceau, il est nécessaire de conserver la céramique à l'extérieur plutôt qu'à l'intérieur. Enfin, la nécessité de tolérances géométriques et de finition de surface doit être soigneusement étudiée, car ces tolérances peuvent augmenter considérablement les coûts inutiles.
En suivant ces directives et meilleures pratiques dans la sélection des matériaux et en coordination avec les fournisseurs dès le début du projet, une solution idéale peut être obtenue pour chaque application de service exigeante.
Ces informations ont été obtenues, examinées et adaptées à partir de documents fournis par Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials-Céramiques techniques. (28 novembre 2019). Matériaux céramiques avancés adaptés aux applications de service sérieuses. AZOM. Extrait de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 le 9 mars 2021.
Morgan Advanced Materials-Céramiques techniques. « Matériaux céramiques avancés pour des applications de service sérieuses ». AZOM. 9 mars 2021.
Morgan Advanced Materials-Céramiques techniques. « Matériaux céramiques avancés pour des applications de service sérieuses ». AZOM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consulté le 9 mars 2021).
Morgan Advanced Materials-Céramiques techniques. 2019. Matériaux céramiques avancés adaptés aux applications de service sérieuses. AZoM, l'heure de consultation est le 9 mars 2021, https://www.azom.com/article.aspx? Numéro d'article = 12305.
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Heure de publication : 10 mars 2021
