Zaawansowane materiały ceramiczne do trudnych zastosowań serwisowych

Nie ma formalnej definicji usługi. Można to uznać za związane z wysokim kosztem wymiany zaworu lub warunkami pracy zmniejszającymi wydajność przetwarzania. Globalna potrzeba obniżenia kosztów produkcji procesowej w celu poprawy rentowności wszystkich sektorów pracujących w trudnych warunkach obsługi. Obejmują one ropę i gaz, produkty petrochemiczne, energię jądrową i wytwarzanie energii, przetwarzanie minerałów i górnictwo. Projektanci i inżynierowie próbują osiągnąć ten cel na różne sposoby. Najbardziej odpowiednią metodą jest zwiększenie czasu sprawności i wydajności poprzez skuteczne kontrolowanie parametrów procesu (takich jak skuteczne wyłączanie i zoptymalizowana kontrola przepływu). Optymalizacja bezpieczeństwa również odgrywa kluczową rolę, ponieważ zmniejszenie liczby wymian może prowadzić do bezpieczniejszego środowiska produkcyjnego. Ponadto firma pracuje nad zmniejszeniem zapasów sprzętu (w tym pomp i zaworów) i wymaganej utylizacji. Jednocześnie właściciele obiektów oczekują ogromnych obrotów ze swojego majątku. Dlatego też zwiększona wydajność przetwarzania będzie skutkować mniejszą liczbą (ale większą średnicą) rur i sprzętu oraz mniejszą liczbą instrumentów dla tego samego strumienia produktów. Pokazuje to, że oprócz konieczności stosowania większych pojedynczych elementów systemu w przypadku rur o większych średnicach, konieczne jest również wytrzymywanie długotrwałego narażenia na trudne warunki, aby zmniejszyć wymagania dotyczące konserwacji i wymiany w trakcie eksploatacji. Komponenty, w tym zawory i kulki zaworów, muszą być wytrzymałe, aby pasowały do ​​pożądanego zastosowania, ale mogą również przedłużyć ich żywotność. Jednak głównym problemem w większości zastosowań jest to, że części metalowe osiągnęły swoje granice wydajności. Oznacza to, że projektanci mogą znaleźć alternatywy dla materiałów niemetalicznych w wymagających zastosowaniach, zwłaszcza materiałów ceramicznych. Typowe parametry wymagane do pracy komponentów w trudnych warunkach obejmują odporność na szok termiczny, odporność na korozję, odporność na zmęczenie, twardość, wytrzymałość i wytrzymałość. Odporność jest kluczowym parametrem, ponieważ mniej odporne komponenty mogą spowodować katastrofalne w skutkach awarie. Udarność materiałów ceramicznych definiuje się jako odporność na propagację pęknięć. W niektórych przypadkach można to zmierzyć metodą wcięcia, aby uzyskać sztucznie zawyżoną wartość. Zastosowanie jednostronnej belki nacinającej może zapewnić dokładne wyniki pomiarów. Wytrzymałość jest powiązana z wytrzymałością, ale odnosi się do pojedynczego punktu, w którym materiał ulega katastrofalnemu uszkodzeniu pod wpływem naprężenia. Jest on powszechnie nazywany „modułem zerwania” i obliczany jest poprzez pomiar wytrzymałości na zginanie w trzech lub czterech punktach na pręcie testowym. Wartość testu trzypunktowego jest o 1% wyższa od wartości testu czteropunktowego. Chociaż do pomiaru twardości można używać wielu skal, w tym twardościomierza Rockwella i twardościomierza Vickersa, skala mikrotwardości Vickersa jest bardzo odpowiednia w przypadku zaawansowanych materiałów ceramicznych. Twardość zmienia się proporcjonalnie do odporności materiału na zużycie. W zaworach pracujących cyklicznie głównym problemem jest zmęczenie spowodowane ciągłym otwieraniem i zamykaniem zaworu. Zmęczenie jest progiem siły. Powyżej tego progu materiał ma tendencję do pękania poniżej swojej normalnej wytrzymałości na zginanie. Odporność na korozję zależy od środowiska pracy i medium zawierającego materiał. Oprócz „degradacji hydrotermalnej” wiele zaawansowanych materiałów ceramicznych ma w tej dziedzinie przewagę nad metalami, a niektóre materiały na bazie tlenku cyrkonu ulegną „degradacji hydrotermalnej” po wystawieniu na działanie pary o wysokiej temperaturze. Szok termiczny wpływa na geometrię, współczynnik rozszerzalności cieplnej, przewodność cieplną, wytrzymałość i wytrzymałość komponentów. Obszar ten sprzyja wysokiej przewodności cieplnej i wytrzymałości, dzięki czemu elementy metalowe mogą skutecznie działać. Jednak postęp w materiałach ceramicznych zapewnia obecnie akceptowalny poziom odporności na szok termiczny. Zaawansowana ceramika jest stosowana od wielu lat i cieszy się popularnością wśród inżynierów zajmujących się niezawodnością, inżynierów instalacji i projektantów zaworów, którzy wymagają wysokiej wydajności i wysokiej wartości. Zgodnie ze specyficznymi wymaganiami aplikacji nadaje się do różnych receptur w różnych gałęziach przemysłu. Jednak w dziedzinie rygorystycznej konserwacji zaworów duże znaczenie mają cztery zaawansowane materiały ceramiczne, w tym węglik krzemu (SiC), azotek krzemu (Si3N4), tlenek glinu i tlenek cyrkonu. Materiały zaworu i kuli zaworu dobierane są zgodnie z wymaganiami konkretnego zastosowania. W zaworze zastosowano dwie główne formy tlenku cyrkonu, które mają taki sam współczynnik rozszerzalności cieplnej i sztywność jak stal. Tlenek magnezu częściowo stabilizowany tlenkiem magnezu (Mg-PSZ) ma najwyższą odporność na szok termiczny i wytrzymałość, podczas gdy tetragonalny tlenek itru i polikrystaliczny tlenek cyrkonu (Y-TZP) jest twardszy, ale jest podatny na degradację hydrotermalną. Azotek krzemu (Si3N4) ma różne formuły. Azotek krzemu spiekany pod ciśnieniem w gazie (GPSSN) jest najczęściej stosowanym materiałem na zawory i elementy zaworów. Oprócz średniej wytrzymałości ma również wysoką twardość i wytrzymałość, doskonałą odporność na szok termiczny i stabilność termiczną. Ponadto w środowiskach pary o wysokiej temperaturze Si3N4 może zastąpić tlenek cyrkonu, aby zapobiec degradacji hydrotermalnej. Przy bardziej rygorystycznym budżecie koncentrator może wybierać spośród SiC lub tlenku glinu. Obydwa materiały mają wysoką twardość, ale nie są twardsze niż tlenek cyrkonu czy azotek krzemu. Pokazuje to, że materiał ten doskonale nadaje się do zastosowań w elementach statycznych, takich jak tuleje zaworów i gniazda zaworów, zamiast kulek zaworów lub tarcz, które podlegają większym naprężeniom. W porównaniu z materiałami metalowymi stosowanymi w wymagających zastosowaniach zaworów (w tym żelazochromem (CrFe), węglikiem wolframu, hastelloyem i stellitem), zaawansowane materiały ceramiczne mają niższą ciągliwość i podobną wytrzymałość. Wymagające zastosowania serwisowe obejmują zastosowanie zaworów obrotowych, takich jak przepustnice, czopy, pływające zawory kulowe i sprężyny. W takich zastosowaniach Si3N4 i tlenek cyrkonu charakteryzują się odpornością na szok termiczny, wytrzymałością i wytrzymałością oraz mogą dostosować się do najbardziej wymagających środowisk. Ze względu na twardość i odporność materiału na korozję żywotność elementu jest kilkakrotnie większa niż w przypadku elementu metalowego. Inne korzyści obejmują charakterystykę działania przez cały okres eksploatacji zaworu, szczególnie w obszarach, w których zachowane są możliwości odcięcia i sterowania. Wykazano to w przypadku kulki i wykładziny zaworowej z kynaru/RTFE o średnicy 65 mm (2,6 cala) wystawionej na działanie 98% kwasu siarkowego plus ilmenit, przy czym ilmenit przekształcał się w pigment w postaci tlenku tytanu. Korozyjny charakter mediów oznacza, że ​​żywotność tych elementów może sięgać nawet sześciu tygodni. Jednakże zastosowanie sferycznego gniazda zaworu (zastrzeżony tlenek magnezu częściowo stabilizowany tlenkiem magnezu (Mg-PSZ)) wyprodukowany przez firmę Nilcra™ (rysunek 1) charakteryzuje się doskonałą twardością i odpornością na korozję i jest zapewniany od trzech lat. Serwis okresowy, bez zauważalnego zużycia. W zaworach liniowych (w tym zaworach kątowych, przepustnicach lub zaworach kulowych), ze względu na właściwości „twardego gniazda” tych produktów, tlenek cyrkonu i azotek krzemu nadają się zarówno na grzyby zaworów, jak i gniazda zaworów. Podobnie tlenek glinu można stosować w niektórych okładzinach i klatkach. Dzięki dopasowanej kulce na pierścieniu gniazda można osiągnąć wysoki stopień uszczelnienia. W przypadku rdzenia zaworu, w tym zaworu suwakowego, wlotu i wylotu lub tulei korpusu zaworu, można zastosować dowolny z czterech głównych materiałów ceramicznych, zgodnie z wymaganiami zastosowania. Wysoka twardość i odporność na korozję materiału okazały się korzystne pod względem wydajności produktu i żywotności. Weźmy jako przykład przepustnicę DN150 używaną w australijskiej rafinerii boksytu. Wysoka zawartość krzemionki w medium powoduje duże zużycie tulei zaworów. Zastosowane początkowo wkładka i tarcza zaworu były wykonane ze stopu zawierającego 28% CrFe i wytrzymały tylko od ośmiu do dziesięciu tygodni. Jednakże w związku z wprowadzeniem zastawek wykonanych z tlenku cyrkonu Nilcra™ (ryc. 2) żywotność została zwiększona do 70 tygodni. Ze względu na swoją wytrzymałość i wytrzymałość ceramika dobrze sprawdza się w większości zastosowań związanych z zaworami. Jednak to ich twardość i odporność na korozję pomagają przedłużyć żywotność zaworu. To z kolei zmniejsza koszty całego cyklu życia poprzez skrócenie przestojów na części zamienne, zmniejszenie kapitału obrotowego i zapasów, minimalną obsługę ręczną i poprawę bezpieczeństwa dzięki zmniejszeniu wycieków. Przez długi czas jednym z głównych problemów było zastosowanie materiałów ceramicznych w zaworach wysokociśnieniowych, ponieważ zawory te poddawane są dużym obciążeniom osiowym i skrętnym. Jednakże główni gracze w tej dziedzinie opracowują konstrukcje kul zaworowych, które poprawiają trwałość momentu uruchamiającego. Drugim poważnym ograniczeniem jest rozmiar. Rozmiar największego gniazda zaworu i największej kuli zaworu (rysunek 3) wykonanych z tlenku cyrkonu stabilizowanego magnezją wynosi odpowiednio DN500 i DN250. Jednak większość obecnych projektantów woli używać ceramiki do wytwarzania części, których wymiary nie przekraczają tych wymiarów. Chociaż obecnie udowodniono, że materiały ceramiczne są odpowiednim wyborem, nadal istnieje kilka prostych wskazówek, których należy przestrzegać, aby zmaksymalizować ich wydajność. Materiały ceramiczne warto stosować w pierwszej kolejności tylko wtedy, gdy istnieje potrzeba ograniczenia kosztów. Zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz należy unikać ostrych narożników i koncentracji naprężeń. Na etapie projektowania należy uwzględnić wszelkie potencjalne niedopasowania w zakresie rozszerzalności cieplnej. Aby zmniejszyć naprężenie obręczy, konieczne jest trzymanie ceramiki na zewnątrz, a nie wewnątrz. Na koniec należy dokładnie rozważyć potrzebę tolerancji geometrycznych i wykończenia powierzchni, ponieważ tolerancje te mogą znacznie zwiększyć niepotrzebne koszty. Postępując zgodnie z tymi wytycznymi i najlepszymi praktykami w zakresie doboru materiałów i koordynując działania z dostawcami od początku projektu, można osiągnąć idealne rozwiązanie dla każdego wymagającego zastosowania usługowego. Informacje te zostały uzyskane, sprawdzone i zaadaptowane na podstawie materiałów dostarczonych przez Morgan Advanced Materials. Morgan Advanced Materials-ceramika techniczna. (28 listopada 2019). Zaawansowane materiały ceramiczne odpowiednie do poważnych zastosowań serwisowych. AZoM. Pobrano z https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305, 26 maja 2021 r. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. „Zaawansowane materiały ceramiczne do poważnych zastosowań serwisowych”. AZoM. 26 maja 2021 r. Morgan Advanced Materials-ceramika techniczna. „Zaawansowane materiały ceramiczne do poważnych zastosowań serwisowych”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Dostęp: 26 maja 2021 r.). Morgan Advanced Materials-ceramika techniczna. 2019. Zaawansowane materiały ceramiczne odpowiednie do poważnych zastosowań serwisowych. AZoM, obejrzano 26 maja 2021 r., https://www.azom.com/article.aspx? ArtykułID = 12305. AZoM rozmawiał z profesorami nadzwyczajnymi Ardą Gozen, Georgem i Joan Berry z Washington State University. Arda jest częścią zespołu składającego się z wielu instytucji zajmujących się tworzeniem rusztowań z modyfikowanych tkanek poprzez naśladowanie cech tkanek ludzkich. W tym wywiadzie AZoM rozmawiał z dr Timem Nunneyem i dr Adamem Bushellem z Thermo Fisher Scientific na temat systemu analizy powierzchni Nexsa G2. W tym wywiadzie AZoM i dr Juan Araneda, kierownik chemii stosowanej w Nanalytics, rozmawiali o rosnącym zastosowaniu i użyteczności NMR oraz o tym, jak pomóc w analizie złóż litu. Spektrometr wyładowania jarzeniowego GDS850 firmy Leco może być używany do analizy różnych materiałów metalurgicznych. Zapewnia także ilościowe profilowanie głębokości materiału. Ma zakres 120-800 nm i jest wszechstronny. Centra tokarskie Hardinge® serii T i centra tokarskie SUPER-PRECISION® T są uznanymi liderami na rynku w zastosowaniach ultraprecyzyjnych i toczenia na twardo. Używamy plików cookie, aby poprawić Twoje doświadczenia. Kontynuując przeglądanie tej witryny, wyrażasz zgodę na używanie przez nas plików cookie. Więcej informacji.