חומרים קרמיים מתקדמים ליישומי שירות קשים

אין הגדרה רשמית של שירות. ניתן לשקול להתייחס לעלות הגבוהה של החלפת השסתום או לתנאי העבודה המפחיתים את יכולת העיבוד. הצורך העולמי להפחית את עלויות ייצור התהליך על מנת לשפר את הרווחיות של כל המגזרים המעורבים בתנאי שירות קשים. אלה נעים בין נפט וגז, פטרוכימיקלים לאנרגיה גרעינית וייצור חשמל, עיבוד מינרלים וכרייה. מעצבים ומהנדסים מנסים להשיג מטרה זו בדרכים שונות. השיטה המתאימה ביותר היא להגדיל את זמן הפעולה והיעילות על ידי שליטה יעילה בפרמטרים של התהליך (כגון כיבוי יעיל ובקרת זרימה מיטבית). אופטימיזציה של בטיחות גם משחקת תפקיד חיוני, מכיוון שהפחתת מספר ההחלפות יכולה להוביל לסביבת ייצור בטוחה יותר. בנוסף, החברה פועלת לצמצום מלאי הציוד (כולל משאבות ושסתומים) וסילוק נדרש. יחד עם זאת, בעלי המתקנים מצפים למחזור עצום מהנכסים שלהם. לכן, יכולת עיבוד מוגברת תגרום לפחות (אך בקוטר גדול יותר) צינורות וציוד ופחות מכשירים עבור אותו זרם מוצרים. זה מראה שמלבד הצורך להשתמש ברכיבי מערכת בודדים גדולים יותר עבור קטרים ​​רחבים יותר של צינורות, יש צורך גם לסבול חשיפה ממושכת לסביבות קשות כדי להפחית את דרישות התחזוקה וההחלפה במהלך השירות. רכיבים לרבות שסתומים וכדורי שסתומים צריכים להיות חזקים כדי להתאים ליישום הרצוי, אך הם עשויים גם להאריך את חייהם. עם זאת, הבעיה העיקרית ברוב היישומים היא שחלקי מתכת הגיעו לגבולות הביצועים שלהם. זה מצביע על כך שמעצבים עשויים למצוא חלופות לחומרים לא מתכתיים ביישומים תובעניים, במיוחד חומרים קרמיים. פרמטרים אופייניים הנדרשים להפעלת רכיבים בתנאים קשים כוללים עמידות בפני זעזועים תרמיים, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני עייפות, קשיות, חוזק וקשיחות. חוסן הוא פרמטר מרכזי, מכיוון שרכיבים שהם פחות עמידים עלולים להיכשל בצורה קטסטרופלית. הקשיחות של חומרים קרמיים מוגדרת כעמידות בפני התפשטות סדקים. במקרים מסוימים, ניתן למדוד אותו בשיטת הזחה כדי לקבל ערך גבוה באופן מלאכותי. השימוש בקרן חתך חד-צדדית יכול לספק תוצאות מדידה מדויקות. חוזק קשור לקשיחות, אך מתייחס לנקודה בודדת שבה חומר ניזוק קטסטרופלית בעת הפעלת לחץ. זה מכונה בדרך כלל "מודול הקרע" והוא מתקבל על ידי מדידת חוזק הכיפוף שלוש נקודות או ארבע נקודות על מוט בדיקה. ערכו של מבחן שלוש הנקודות גבוה ב-1% מערכו של מבחן ארבע הנקודות. למרות שניתן להשתמש בסולמות רבים לרבות בודק קשיות Rockwell ובוחן קשיות Vickers למדידת קשיות, סולם המיקרו-קשיות של Vickers מתאים מאוד לחומרים קרמיים מתקדמים. הקשיות משתנה באופן יחסי לעמידות הבלאי של החומר. בשסתומים הפועלים בצורה מחזורית, עייפות היא הדאגה העיקרית עקב הפתיחה והסגירה המתמשכת של השסתום. עייפות היא סף הכוח. מעבר לסף זה, החומר נוטה להיכשל מתחת לחוזק הכיפוף הרגיל שלו. עמידות בפני קורוזיה תלויה בסביבת ההפעלה ובמדיום המכיל את החומר. בנוסף ל"פירוק הידרותרמי", חומרים קרמיים מתקדמים רבים עדיפים על מתכות בתחום זה, וחומרים מסוימים המבוססים על זירקוניה יעברו "פירוק הידרותרמי" לאחר חשיפה לקיטור בטמפרטורה גבוהה. הגיאומטריה, מקדם ההתפשטות התרמית, המוליכות התרמית, הקשיחות והחוזק של הרכיבים מושפעים מהלם תרמי. אזור זה תורם למוליכות תרמית גבוהה ולקשיחות, כך שרכיבי המתכת יכולים לתפקד ביעילות. עם זאת, התקדמות בחומרים קרמיים מספקת כעת רמות מקובלות של עמידות בפני זעזועים תרמיים. קרמיקה מתקדמת הייתה בשימוש במשך שנים רבות והיא פופולרית בקרב מהנדסי אמינות, מהנדסי מפעל ומעצבי שסתומים הדורשים ביצועים גבוהים וערך גבוה. על פי דרישות יישום ספציפיות, הוא מתאים לניסוחים שונים במגוון תעשיות. עם זאת, לארבע קרמיקות מתקדמות יש משמעות רבה בתחום תחזוקה קפדנית של שסתומים, לרבות סיליקון קרביד (SiC), סיליקון ניטריד (Si3N4), אלומינה וזירקוניה. החומרים של השסתום וכדור השסתום נבחרים בהתאם לדרישות היישום הספציפיות. השסתום משתמש בשתי צורות עיקריות של זירקוניה, בעלות מקדם התפשטות תרמית וקשיחות זהה לפלדה. זירקוניה מיוצבת חלקית של מגנזיום תחמוצת (Mg-PSZ) היא בעלת ההתנגדות הגבוהה ביותר לזעזועים תרמיים וקשיחות, בעוד yttria tetragonal zirconia polycrystalline (Y-TZP) קשה יותר, אך רגיש לפירוק הידרותרמי. לסיליקון ניטריד (Si3N4) יש ניסוחים שונים. סיליקון ניטריד מסונן בלחץ גז (GPPSN) הוא החומר הנפוץ ביותר עבור שסתומים ורכיבי שסתומים. בנוסף לקשיחות הממוצעת שלו, יש לו גם קשיות וחוזק גבוהים, עמידות בפני זעזועים תרמיים מעולה ויציבות תרמית. בנוסף, בסביבות קיטור בטמפרטורה גבוהה, Si3N4 יכול להחליף זירקוניה כדי למנוע פירוק הידרותרמי. עם תקציב קפדני יותר, הרכז יכול לבחור בין SiC או אלומינה. לשני החומרים קשיות גבוהה, אך אינם קשים יותר מזירקוניה או סיליקון ניטריד. זה מראה שהחומר מתאים מאוד ליישומי רכיבים סטטיים, כגון כיסויי שסתומים ומושבי שסתומים, ולא כדורי שסתומים או דיסקים הכפופים ללחץ גבוה יותר. בהשוואה לחומרי המתכת המשמשים ביישומי שסתומים תובעניים (כולל פרוכרום (CrFe), טונגסטן קרביד, Hastelloy ו- Stellite), לחומרים קרמיים מתקדמים יש קשיחות נמוכה יותר וחוזק דומה. יישומי שירות תובעניים כוללים שימוש בשסתומים סיבוביים, כגון שסתומי פרפר, שסתומים, שסתומי כדור צפים וקפיצים. ביישומים כאלה, ל-Si3N4 ולזירקוניה יש עמידות בפני זעזועים תרמיים, קשיחות וחוזק, והם יכולים להסתגל לסביבות התובעניות ביותר. בשל הקשיות ועמידות החומר בפני קורוזיה, חיי השירות של הרכיב הם פי כמה מזה של רכיב המתכת. יתרונות נוספים כוללים מאפייני ביצועים לאורך חיי השסתום, במיוחד באזורים שבהם נשמרות יכולות ניתוק ובקרה. הדבר הוכח במקרה של כדור 65 מ"מ (2.6 אינץ') שסתום kynar/RTFE וספוגית שנחשפו ל-98% חומצה גופרתית בתוספת אילמניט, והאילמניט הומר לפיגמנט תחמוצת טיטניום. האופי המאכל של המדיה פירושו שחייהם של רכיבים אלה יכולים להגיע עד שישה שבועות. עם זאת, השימוש בחיפוי שסתומים כדוריים (זירקוניה מיוצבת חלקית של מגנזיום אוקסיד (Mg-PSZ)) המיוצר על ידי Nilcra™ (איור 1) הוא בעל קשיות מצוינת ועמידות בפני קורוזיה והוא מסופק במשך שלוש שנים. שירות לסירוגין, ללא כל בלאי ניתן לזיהוי. בשסתומים ליניאריים (כולל שסתומי זווית, שסתומי מצערת או שסתומי גלובוס), בשל מאפייני ה"מושב הקשיח" של מוצרים אלו, זירקוניה וסיליקון ניטריד מתאימים הן לתקעי שסתומים והן למושבי שסתומים. באופן דומה, ניתן להשתמש באלומינה בבטנות ובכלובים מסוימים. באמצעות הכדור התואם בטבעת המושב ניתן להגיע לדרגת איטום גבוהה. עבור ליבת השסתום, כולל שסתום סליל, כניסה ויציאה או תותב גוף השסתום, ניתן להשתמש בכל אחד מארבעת החומרים הקרמיים העיקריים בהתאם לדרישות היישום. הקשיות הגבוהה ועמידות החומר בפני קורוזיה הוכחו כמועילות מבחינת ביצועי המוצר וחיי השירות. קח את שסתום הפרפר DN150 המשמש בבית הזיקוק של בוקסיט האוסטרלי כדוגמה. תכולת הסיליקה הגבוהה במדיום גורמת לרמות גבוהות של בלאי בתותבי השסתומים. הציפוי ודיסק השסתום ששימשו בתחילה היו עשויים מסגסוגת CrFe של 28% ונמשכו שמונה עד עשרה שבועות בלבד. עם זאת, עקב הכנסת שסתומים העשויים מ-Nilcra™ zirconia (איור 2), חיי השירות הוגדלו ל-70 שבועות. בשל הקשיחות והחוזק שלה, קרמיקה עובדת היטב ברוב יישומי השסתומים. עם זאת, קשיותם ועמידותם בפני קורוזיה הם שעוזרים להאריך את חיי השסתום. בתורו, זה מפחית את העלות של כל מחזור החיים על ידי הפחתת זמן ההשבתה עבור חלקי חילוף, הון חוזר ומלאי מופחת, טיפול ידני מינימלי ובטיחות משופרת באמצעות הפחתת דליפה. במשך זמן רב, היישום של חומרים קרמיים בשסתומים בלחץ גבוה היה אחד החששות העיקריים, מכיוון ששסתומים אלו נתונים לעומסים ציריים או פיתולים גבוהים. עם זאת, שחקנים מרכזיים בתחום זה מפתחים עיצובי כדורי שסתומים המשפרים את יכולת השרידות של מומנט ההפעלה. המגבלה העיקרית האחרת היא הגודל. הגודל של מושב השסתום הגדול ביותר וכדור השסתום הגדול ביותר (איור 3) המיוצר על ידי זירקוניה מיוצבת חלקית של מגנזיה הם DN500 ו-DN250, בהתאמה. עם זאת, רוב המפרטים העדכניים מעדיפים להשתמש בקרמיקה לייצור חלקים שמידותיהם אינן חורגות ממידות אלו. למרות שחומרים קרמיים הוכחו כעת כבחירה מתאימה, עדיין יש כמה קווים מנחים פשוטים שצריך לעקוב אחריהם כדי למקסם את הביצועים שלהם. יש להשתמש תחילה בחומרים קרמיים רק אם יש צורך להוזיל עלויות. הן מבפנים והן מבחוץ צריכים להימנע מפינות חדות וריכוז מתח. יש לשקול כל אי התאמה של התפשטות תרמית פוטנציאלית במהלך שלב התכנון. על מנת להפחית את מתח החישוק, יש צורך לשמור על הקרמיקה בחוץ ולא בפנים. לבסוף, יש לשקול היטב את הצורך בסובלנות גיאומטרית ובגימור פני השטח, שכן סובלנות אלו עשויות להגדיל משמעותית עלויות מיותרות. על ידי ביצוע הנחיות ושיטות עבודה מומלצות אלה בבחירת חומרים ותיאום עם ספקים מתחילת הפרויקט, ניתן להשיג פתרון אידיאלי עבור כל יישום שירות תובעני. מידע זה הושג, נבדק והותאם מחומרים שסופקו על ידי Morgan Advanced Materials. מורגן חומרים מתקדמים-קרמיקה טכנית. (28 בנובמבר 2019). חומרים קרמיים מתקדמים המתאימים ליישומי שירות רציניים. AZoM. אוחזר מ-https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 ב-26 במאי 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "חומרים קרמיים מתקדמים ליישומי שירות רציניים". AZoM. 26 במאי 2021. מורגן חומרים מתקדמים-קרמיקה טכנית. "חומרים קרמיים מתקדמים ליישומי שירות רציניים". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (נגישה ב-26 במאי 2021). מורגן חומרים מתקדמים-קרמיקה טכנית. 2019. חומרים קרמיים מתקדמים המתאימים ליישומי שירות רציניים. AZoM, נצפה ב-26 במאי 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM שוחחה עם פרופסורים חבר ארדה גוזן, ג'ורג' וג'ואן ברי מאוניברסיטת וושינגטון סטייט. Arda הוא חלק מצוות של מוסדות רבים המוקדשים ליצירת פיגומים של רקמות מהונדסות על ידי חיקוי המאפיינים של רקמות אנושיות. בראיון זה, AZoM שוחחה עם ד"ר טים נאני וד"ר אדם בושל מ-Thermo Fisher Scientific על מערכת ניתוח פני השטח Nexsa G2. בראיון זה, AZoM וד"ר חואן אראנדה, ראש כימיה יישומית של Nanalysis, דיברו על השימוש והתועלת ההולכת וגוברת של NMR וכיצד לסייע בניתוח מרבצי ליתיום. ניתן להשתמש בספקטרומטר פריקת זוהר GDS850 של Leco לניתוח חומרים מתכתיים שונים. זה גם מספק פרופיל עומק כמותי של החומר. יש לו טווח של 120-800 ננומטר והוא רב תכליתי. מרכזי מפנה מסדרת Hardinge® T ומרכזי מפנה מסדרת SUPER-PRECISION® T הם מובילי שוק מוכרים ביישומי חריטה אולטרה-דיוק וקשיח. אנו משתמשים בעוגיות כדי לשפר את החוויה שלך. על ידי המשך הגלישה באתר זה, אתה מסכים לשימוש שלנו בעוגיות. עוד מידע.