Geavanceerde keramische materialen voor zware servicetoepassingen

Er bestaat geen formele definitie van dienstverlening. Het kan worden beschouwd als een verwijzing naar de hoge kosten van het vervangen van de klep of naar de werkomstandigheden die de verwerkingscapaciteit verminderen. De mondiale noodzaak om de procesproductiekosten te verlagen om de winstgevendheid te verbeteren van alle sectoren die betrokken zijn bij zware serviceomstandigheden. Deze variëren van olie en gas, petrochemie tot kernenergie en energieopwekking, verwerking van mineralen en mijnbouw. Ontwerpers en ingenieurs proberen dit doel op verschillende manieren te bereiken. De meest geschikte methode is het verhogen van de uptime en efficiëntie door procesparameters effectief te controleren (zoals effectieve uitschakeling en geoptimaliseerde stroomregeling). Optimalisatie van de veiligheid speelt ook een cruciale rol, omdat het verminderen van het aantal vervangingen kan leiden tot een veiligere productieomgeving. Daarnaast werkt het bedrijf aan het terugdringen van de inventaris van apparatuur (inclusief pompen en kleppen) en de vereiste afvoer ervan. Tegelijkertijd verwachten faciliteitseigenaren een enorme omzet uit hun activa. Daarom zal een grotere verwerkingscapaciteit resulteren in minder (maar grotere diameter) pijpen en apparatuur en minder instrumenten voor dezelfde productstroom. Hieruit blijkt dat, naast het gebruik van grotere individuele systeemcomponenten voor grotere buisdiameters, het ook noodzakelijk is om langdurige blootstelling aan zware omstandigheden te doorstaan ​​om de vereisten voor onderhoud en vervanging tijdens gebruik te verminderen. Componenten, waaronder kleppen en klepkogels, moeten robuust zijn voor de gewenste toepassing, maar kunnen ook hun levensduur verlengen. Het grootste probleem bij de meeste toepassingen is echter dat metalen onderdelen hun prestatielimieten hebben bereikt. Dit geeft aan dat ontwerpers alternatieven kunnen vinden voor niet-metalen materialen in veeleisende toepassingen, vooral keramische materialen. Typische parameters die nodig zijn om componenten onder zware omstandigheden te laten werken, zijn onder meer weerstand tegen thermische schokken, weerstand tegen corrosie, weerstand tegen vermoeidheid, hardheid, sterkte en taaiheid. Veerkracht is een belangrijke parameter, omdat componenten die minder veerkrachtig zijn catastrofaal kunnen falen. De taaiheid van keramische materialen wordt gedefinieerd als de weerstand tegen scheurvoortplanting. In sommige gevallen kan het worden gemeten met behulp van de inspringingsmethode om een ​​kunstmatig hoge waarde te verkrijgen. Het gebruik van een enkelzijdige incisiestraal kan nauwkeurige meetresultaten opleveren. Sterkte houdt verband met taaiheid, maar verwijst naar een enkel punt waarop een materiaal catastrofaal wordt beschadigd wanneer er spanning op wordt uitgeoefend. Deze wordt gewoonlijk de "breukmodulus" genoemd en wordt verkregen door de driepunts- of vierpuntsbuigsterkte op een proefstaaf te meten. De waarde van de driepuntsproef is 1% hoger dan de waarde van de vierpuntsproef. Hoewel veel schalen, waaronder de Rockwell-hardheidsmeter en de Vickers-hardheidsmeter, kunnen worden gebruikt om de hardheid te meten, is de Vickers-microhardheidsschaal zeer geschikt voor geavanceerde keramische materialen. De hardheid verandert evenredig met de slijtvastheid van het materiaal. Bij cyclisch werkende kleppen is vermoeidheid het grootste probleem als gevolg van het voortdurend openen en sluiten van de klep. Vermoeidheid is de drempel van kracht. Boven deze drempel heeft het materiaal de neiging te bezwijken onder zijn normale buigsterkte. Corrosiebestendigheid is afhankelijk van de werkomgeving en het medium dat het materiaal bevat. Naast "hydrothermische degradatie" zijn veel geavanceerde keramische materialen op dit gebied superieur aan metalen, en bepaalde materialen op basis van zirkonium zullen "hydrothermische degradatie" ondergaan nadat ze zijn blootgesteld aan stoom op hoge temperatuur. De geometrie, thermische uitzettingscoëfficiënt, thermische geleidbaarheid, taaiheid en sterkte van de componenten worden beïnvloed door thermische schokken. Dit gebied is bevorderlijk voor een hoge thermische geleidbaarheid en taaiheid, zodat de metalen componenten effectief kunnen functioneren. De vooruitgang op het gebied van keramische materialen biedt nu echter aanvaardbare niveaus van thermische schokbestendigheid. Geavanceerde keramiek wordt al vele jaren gebruikt en is populair onder betrouwbaarheidsingenieurs, fabrieksingenieurs en klepontwerpers die hoge prestaties en hoge waarde vereisen. Afhankelijk van de specifieke toepassingsvereisten is het geschikt voor verschillende formuleringen in verschillende industrieën. Vier geavanceerde keramieksoorten zijn echter van groot belang op het gebied van rigoureus onderhoud van kleppen, waaronder siliciumcarbide (SiC), siliciumnitride (Si3N4), aluminiumoxide en zirkoniumoxide. De materialen van de klep en de klepkogel worden geselecteerd op basis van de specifieke toepassingsvereisten. De klep maakt gebruik van twee hoofdvormen van zirkoniumoxide, die dezelfde thermische uitzettingscoëfficiënt en stijfheid hebben als staal. Magnesiumoxide gedeeltelijk gestabiliseerd zirkoniumoxide (Mg-PSZ) heeft de hoogste thermische schokbestendigheid en taaiheid, terwijl yttriumtetragonaal zirkoniumoxide polykristallijn (Y-TZP) harder is, maar gevoelig is voor hydrothermische degradatie. Siliciumnitride (Si3N4) heeft verschillende formuleringen. Gasdrukgesinterd siliciumnitride (GPPSN) is het meest gebruikte materiaal voor kleppen en klepcomponenten. Naast de gemiddelde taaiheid heeft het ook een hoge hardheid en sterkte, uitstekende thermische schokbestendigheid en thermische stabiliteit. Bovendien kan Si3N4 in stoomomgevingen met hoge temperaturen zirkoniumoxide vervangen om hydrothermische afbraak te voorkomen. Bij een strikter budget kan de concentrator kiezen uit SiC of aluminiumoxide. Beide materialen hebben een hoge hardheid, maar zijn niet harder dan zirkonia of siliciumnitride. Hieruit blijkt dat het materiaal zeer geschikt is voor toepassingen van statische componenten, zoals klepvoeringen en klepzittingen, in plaats van klepkogels of schijven die aan hogere spanningen worden blootgesteld. Vergeleken met de metalen materialen die worden gebruikt in veeleisende kleptoepassingen (waaronder ferrochroom (CrFe), wolfraamcarbide, Hastelloy en Stelliet) hebben geavanceerde keramische materialen een lagere taaiheid en een vergelijkbare sterkte. Bij veeleisende servicetoepassingen wordt gebruik gemaakt van roterende sluizen, zoals vlinderkleppen, tappen, zwevende kogelkranen en veren. In dergelijke toepassingen zijn Si3N4 en zirkoniumoxide bestand tegen thermische schokken, taaiheid en sterkte, en kunnen ze zich aanpassen aan de meest veeleisende omgevingen. Door de hardheid en corrosiebestendigheid van het materiaal is de levensduur van het onderdeel meerdere keren zo lang als die van het metalen onderdeel. Andere voordelen zijn onder meer de prestatiekenmerken gedurende de levensduur van de klep, vooral in gebieden waar de afsluit- en regelmogelijkheden behouden blijven. Dit werd aangetoond in het geval van een kynar/RTFE-kogel en voering met een klep van 65 mm (2,6 inch), blootgesteld aan 98% zwavelzuur plus ilmeniet, waarbij het ilmeniet werd omgezet in titaniumoxidepigment. Door de corrosieve aard van de media kan de levensduur van deze componenten wel zes weken bedragen. Het gebruik van bolvormige klepbekleding (een bedrijfseigen magnesiumoxide, gedeeltelijk gestabiliseerd zirkoniumoxide (Mg-PSZ)), vervaardigd door Nilcra™ (Figuur 1), heeft echter een uitstekende hardheid en corrosieweerstand en wordt al drie jaar geleverd. Intermitterende service, zonder enige waarneembare slijtage. In lineaire kleppen (inclusief hoekkleppen, smoorkleppen of klepafsluiters) zijn zirkoniumoxide en siliciumnitride vanwege de "harde zitting"-eigenschappen van deze producten geschikt voor zowel kleppluggen als klepzittingen. Op dezelfde manier kan aluminiumoxide in bepaalde voeringen en kooien worden gebruikt. Door de bijpassende kogel op de zittingring kan een hoge mate van afdichting worden bereikt. Voor de klepkern, inclusief plunjerklep, inlaat en uitlaat of kleplichaambus, kan elk van de vier belangrijkste keramische materialen worden gebruikt, afhankelijk van de toepassingsvereisten. De hoge hardheid en corrosiebestendigheid van het materiaal zijn gunstig gebleken in termen van productprestaties en levensduur. Neem als voorbeeld de DN150 vlinderklep die in de Australische bauxietraffinaderij wordt gebruikt. Het hoge silicagehalte in het medium veroorzaakt een hoge slijtage van de klepbussen. De aanvankelijk gebruikte voering en klepschijf waren gemaakt van 28% CrFe-legering en gingen slechts acht tot tien weken mee. Door de introductie van kleppen gemaakt van Nilcra™ zirkonia (Figuur 2) is de levensduur echter verlengd tot 70 weken. Vanwege zijn taaiheid en sterkte werkt keramiek goed in de meeste kleptoepassingen. Het zijn echter hun hardheid en corrosiebestendigheid die de levensduur van de klep helpen verlengen. Dit verlaagt op zijn beurt de kosten van de gehele levenscyclus door de uitvaltijd voor vervangende onderdelen te verminderen, het werkkapitaal en de voorraad te verminderen, minimale handmatige handelingen en verbeterde veiligheid door minder lekkage. De toepassing van keramische materialen in hogedrukkleppen is al lange tijd een van de belangrijkste aandachtspunten, omdat deze kleppen onderhevig zijn aan hoge axiale of torsiebelastingen. Grote spelers op dit gebied ontwikkelen echter klepkogelontwerpen die de overlevingskansen van het bedieningskoppel verbeteren. De andere belangrijke beperking is de grootte. De afmetingen van de grootste klepzitting en de grootste klepkogel (Figuur 3), geproduceerd door gedeeltelijk gestabiliseerd zirkoniumoxide met magnesiumoxide, zijn respectievelijk DN500 en DN250. De meeste huidige bestekschrijvers geven er echter de voorkeur aan keramiek te gebruiken om onderdelen te maken waarvan de afmetingen deze afmetingen niet overschrijden. Hoewel inmiddels is bewezen dat keramische materialen een geschikte keuze zijn, zijn er nog steeds enkele eenvoudige richtlijnen die moeten worden gevolgd om hun prestaties te maximaliseren. Keramische materialen mogen alleen als eerste worden gebruikt als het nodig is om de kosten te verlagen. Zowel binnen als buiten moeten scherpe hoeken en spanningsconcentratie worden vermeden. Tijdens de ontwerpfase moet rekening worden gehouden met eventuele mismatches bij thermische uitzetting. Om de ringspanning te verminderen, is het noodzakelijk om het keramiek buiten te houden in plaats van binnen. Ten slotte moet de noodzaak van geometrische toleranties en oppervlakteafwerking zorgvuldig worden overwogen, aangezien deze toleranties de onnodige kosten aanzienlijk kunnen verhogen. Door deze richtlijnen en best practices te volgen bij het selecteren van materialen en vanaf het begin van het project te coördineren met leveranciers, kan een ideale oplossing worden bereikt voor elke veeleisende servicetoepassing. Deze informatie is verkregen, beoordeeld en aangepast uit materiaal van Morgan Advanced Materials. Morgan Geavanceerde Materialen-Technische Keramiek. (28 november 2019). Geavanceerde keramische materialen geschikt voor serieuze servicetoepassingen. AZoM. Opgehaald van https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID=12305 op 26 mei 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Geavanceerde keramische materialen voor serieuze servicetoepassingen". AZoM. 26 mei 2021 . Morgan Geavanceerde Materialen-Technische Keramiek. "Geavanceerde keramische materialen voor serieuze servicetoepassingen". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArtikelID=12305. (Betreden op 26 mei 2021). Morgan Geavanceerde Materialen-Technische Keramiek. 2019. Geavanceerde keramische materialen geschikt voor serieuze servicetoepassingen. AZoM, bekeken op 26 mei 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM sprak met universitair hoofddocenten Arda Gozen, George en Joan Berry van de Washington State University. Arda maakt deel uit van een team van meerdere instellingen die zich toeleggen op het creëren van steigers van gemanipuleerde weefsels door de kenmerken van menselijke weefsels te imiteren. In dit interview sprak AZoM met Dr. Tim Nunney en Dr. Adam Bushell van Thermo Fisher Scientific over het Nexsa G2 oppervlakteanalysesysteem. In dit interview spraken AZoM en Dr. Juan Araneda, hoofd toegepaste chemie van Nanalysis, over het toenemende gebruik en nut van NMR en hoe ze de analyse van lithiumafzettingen kunnen helpen. De GDS850-glimontladingsspectrometer van Leco kan worden gebruikt voor het analyseren van verschillende metallurgische materialen. Het biedt ook een kwantitatieve diepteprofilering van het materiaal. Het heeft een bereik van 120-800 nm en is veelzijdig. Draaicentra uit de Hardinge® T-serie en draaimachines uit de SUPER-PRECISION® T-serie zijn erkende marktleiders op het gebied van ultraprecieze en harde draaitoepassingen. Wij gebruiken cookies om uw ervaring te verbeteren. Door verder te surfen op deze website gaat u akkoord met ons gebruik van cookies. Meer informatie.