Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes

Não existe uma definição formal de serviço. Pode-se considerar que se refere ao alto custo de substituição da válvula ou às condições de trabalho que reduzem a capacidade de processamento. A necessidade global de reduzir os custos de produção do processo, a fim de melhorar a rentabilidade de todos os setores envolvidos em condições de serviço adversas. Estes vão desde petróleo e gás, petroquímica até energia nuclear e geração de energia, processamento mineral e mineração. Designers e engenheiros estão tentando atingir esse objetivo de diferentes maneiras. O método mais apropriado é aumentar o tempo de atividade e a eficiência controlando efetivamente os parâmetros do processo (como desligamento efetivo e controle de fluxo otimizado). A otimização da segurança também desempenha um papel vital, porque a redução do número de substituições pode levar a um ambiente de produção mais seguro. Além disso, a empresa está trabalhando para reduzir o estoque de equipamentos (incluindo bombas e válvulas) e o descarte necessário. Ao mesmo tempo, os proprietários das instalações esperam um grande volume de negócios dos seus activos. Portanto, o aumento da capacidade de processamento resultará em menos tubos e equipamentos (mas com diâmetro maior) e menos instrumentos para o mesmo fluxo de produto. Isto mostra que, além de ter de utilizar componentes de sistema individuais maiores para diâmetros de tubos mais largos, também é necessário suportar a exposição prolongada a ambientes agressivos para reduzir os requisitos de manutenção e substituição em serviço. Os componentes, incluindo válvulas e esferas de válvulas, precisam ser robustos para se adequarem à aplicação desejada, mas também podem prolongar sua vida útil. No entanto, o principal problema com a maioria das aplicações é que as peças metálicas atingiram os seus limites de desempenho. Isto indica que os projetistas podem encontrar alternativas aos materiais não metálicos em aplicações exigentes, especialmente materiais cerâmicos. Os parâmetros típicos necessários para operar componentes sob condições adversas incluem resistência ao choque térmico, resistência à corrosão, resistência à fadiga, dureza, resistência e tenacidade. A resiliência é um parâmetro fundamental, porque os componentes menos resilientes podem falhar catastroficamente. A tenacidade dos materiais cerâmicos é definida como a resistência à propagação de fissuras. Em alguns casos, pode ser medido utilizando o método de indentação para obter um valor artificialmente elevado. O uso de um feixe de incisão unilateral pode fornecer resultados de medição precisos. A resistência está relacionada à tenacidade, mas refere-se a um único ponto onde um material é catastroficamente danificado quando a tensão é aplicada. É comumente referido como "módulo de ruptura" e é obtido medindo a resistência à flexão de três ou quatro pontos em uma barra de teste. O valor do teste de três pontos é 1% superior ao valor do teste de quatro pontos. Embora muitas escalas, incluindo o testador de dureza Rockwell e o testador de dureza Vickers, possam ser usadas para medir a dureza, a escala de microdureza Vickers é muito adequada para materiais cerâmicos avançados. A dureza muda proporcionalmente à resistência ao desgaste do material. Nas válvulas que operam de forma cíclica, a fadiga é a principal preocupação devido à contínua abertura e fechamento da válvula. A fadiga é o limiar da força. Além deste limite, o material tende a falhar abaixo da sua resistência à flexão normal. A resistência à corrosão depende do ambiente operacional e do meio que contém o material. Além da "degradação hidrotérmica", muitos materiais cerâmicos avançados são superiores aos metais neste campo, e certos materiais à base de zircônia sofrerão "degradação hidrotérmica" após serem expostos ao vapor de alta temperatura. A geometria, o coeficiente de expansão térmica, a condutividade térmica, a tenacidade e a resistência dos componentes são afetados pelo choque térmico. Esta área conduz a alta condutividade térmica e resistência, para que os componentes metálicos possam funcionar de maneira eficaz. No entanto, os avanços nos materiais cerâmicos proporcionam agora níveis aceitáveis ​​de resistência ao choque térmico. Cerâmicas avançadas têm sido usadas há muitos anos e são populares entre engenheiros de confiabilidade, engenheiros de fábrica e projetistas de válvulas que exigem alto desempenho e alto valor. De acordo com requisitos específicos de aplicação, é adequado para diferentes formulações em diversos setores. No entanto, quatro cerâmicas avançadas são de grande importância no campo da manutenção rigorosa de válvulas, incluindo carboneto de silício (SiC), nitreto de silício (Si3N4), alumina e zircônia. Os materiais da válvula e da esfera da válvula são selecionados de acordo com os requisitos específicos da aplicação. A válvula utiliza duas formas principais de zircônia, que possuem o mesmo coeficiente de expansão térmica e rigidez do aço. A zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio (Mg-PSZ) tem a maior resistência ao choque térmico e tenacidade, enquanto a zircônia tetragonal policristalina de ítria (Y-TZP) é mais dura, mas é suscetível à degradação hidrotérmica. O nitreto de silício (Si3N4) possui diferentes formulações. O nitreto de silício sinterizado sob pressão de gás (GPPSN) é o material mais comumente usado para válvulas e componentes de válvulas. Além de sua tenacidade média, também possui alta dureza e resistência, excelente resistência ao choque térmico e estabilidade térmica. Além disso, em ambientes de vapor de alta temperatura, o Si3N4 pode substituir a zircônia para evitar a degradação hidrotérmica. Com um orçamento mais restrito, o concentrador pode escolher entre SiC ou alumina. Ambos os materiais possuem alta dureza, mas não são mais duros que a zircônia ou o nitreto de silício. Isso mostra que o material é muito adequado para aplicações de componentes estáticos, como revestimentos de válvulas e sedes de válvulas, em vez de esferas ou discos de válvulas que estão sujeitos a tensões mais altas. Em comparação com os materiais metálicos usados ​​em aplicações exigentes de válvulas (incluindo ferrocromo (CrFe), carboneto de tungstênio, Hastelloy e Stellite), os materiais cerâmicos avançados têm menor tenacidade e resistência semelhante. Aplicações de serviço exigentes envolvem o uso de válvulas rotativas, como válvulas borboleta, munhões, válvulas de esfera flutuantes e molas. Nessas aplicações, o Si3N4 e a zircônia apresentam resistência ao choque térmico, tenacidade e resistência, e podem se adaptar aos ambientes mais exigentes. Devido à dureza e resistência à corrosão do material, a vida útil do componente é várias vezes maior que a do componente metálico. Outros benefícios incluem características de desempenho ao longo da vida útil da válvula, especialmente em áreas onde as capacidades de corte e controle são mantidas. Isto foi demonstrado no caso de uma válvula kynar/RTFE de esfera e revestimento de 65 mm (2,6 polegadas) exposta a ácido sulfúrico a 98% mais ilmenita, sendo a ilmenita convertida em pigmento de óxido de titânio. A natureza corrosiva do meio significa que a vida útil destes componentes pode chegar a seis semanas. No entanto, o uso de interno de válvula esférico (uma zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio (Mg-PSZ)) fabricado pela Nilcra™ (Figura 1) tem excelente dureza e resistência à corrosão e é fornecido há três anos. Serviço intermitente, sem qualquer desgaste detectável. Em válvulas lineares (incluindo válvulas angulares, válvulas borboleta ou válvulas globo), devido às características de "assento rígido" desses produtos, a zircônia e o nitreto de silício são adequados tanto para obturadores quanto para sedes de válvulas. Da mesma forma, a alumina pode ser usada em certos revestimentos e gaiolas. Através da esfera correspondente no anel da sede, um alto grau de vedação pode ser alcançado. Para o núcleo da válvula, incluindo válvula de carretel, entrada e saída ou bucha do corpo da válvula, qualquer um dos quatro principais materiais cerâmicos pode ser usado de acordo com os requisitos da aplicação. A alta dureza e resistência à corrosão do material provaram ser benéficas em termos de desempenho do produto e vida útil. Tomemos como exemplo a válvula borboleta DN150 usada na refinaria de bauxita australiana. O alto teor de sílica no meio causa altos níveis de desgaste nas buchas das válvulas. O revestimento e o disco da válvula usados ​​inicialmente eram feitos de liga de 28% CrFe e duravam apenas oito a dez semanas. Contudo, devido à introdução de válvulas feitas de zircônia Nilcra™ (Figura 2), a vida útil foi aumentada para 70 semanas. Devido à sua tenacidade e resistência, a cerâmica funciona bem na maioria das aplicações de válvulas. No entanto, é a sua dureza e resistência à corrosão que ajudam a prolongar a vida útil da válvula. Por sua vez, isto reduz o custo de todo o ciclo de vida, reduzindo o tempo de inatividade para peças de reposição, reduzindo o capital de giro e o estoque, o mínimo de manuseio manual e melhorando a segurança através da redução de vazamentos. Há muito tempo que a aplicação de materiais cerâmicos em válvulas de alta pressão tem sido uma das principais preocupações, pois estas válvulas estão sujeitas a elevadas cargas axiais ou torcionais. No entanto, os principais participantes neste campo estão desenvolvendo projetos de esferas de válvulas que melhoram a capacidade de sobrevivência do torque de atuação. A outra grande limitação é o tamanho. O tamanho da maior sede da válvula e da maior esfera da válvula (Figura 3) produzidas por zircônia parcialmente estabilizada com magnésia são DN500 e DN250, respectivamente. Porém, a maioria dos especificadores atuais preferem utilizar a cerâmica para fabricar peças cujas dimensões não excedam essas dimensões. Embora os materiais cerâmicos tenham agora provado ser uma escolha adequada, ainda existem algumas orientações simples que precisam de ser seguidas para maximizar o seu desempenho. Os materiais cerâmicos devem ser utilizados primeiro apenas se houver necessidade de redução de custos. Tanto o interior como o exterior devem evitar cantos agudos e concentração de tensão. Qualquer potencial incompatibilidade de expansão térmica deve ser considerada durante a fase de projeto. Para reduzir a tensão do aro, é necessário manter a cerâmica do lado de fora e não do lado de dentro. Finalmente, a necessidade de tolerâncias geométricas e acabamento superficial deve ser cuidadosamente considerada, pois estas tolerâncias podem aumentar significativamente custos desnecessários. Seguindo estas diretrizes e melhores práticas na seleção de materiais e em coordenação com os fornecedores desde o início do projeto, uma solução ideal pode ser alcançada para cada aplicação de serviço exigente. Estas informações foram obtidas, revisadas e adaptadas de materiais fornecidos pela Morgan Advanced Materials. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 de novembro de 2019). Materiais cerâmicos avançados adequados para aplicações de serviços graves. AZoM. Obtido em https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 em 26 de maio de 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços sérios". AZoM. 26 de maio de 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços sérios". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Acessado em 26 de maio de 2021). Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materiais cerâmicos avançados adequados para aplicações de serviços sérios. AZoM, visualizado em 26 de maio de 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM conversou com os professores associados Arda Gozen, George e Joan Berry da Washington State University. Arda faz parte de uma equipe de múltiplas instituições dedicadas à criação de estruturas de tecidos projetados, imitando as características dos tecidos humanos. Nesta entrevista, AZoM conversou com o Dr. Tim Nunney e o Dr. Adam Bushell da Thermo Fisher Scientific sobre o sistema de análise de superfície Nexsa G2. Nesta entrevista, AZoM e Dr. Juan Araneda, chefe de química aplicada da Nanálise, falaram sobre o uso e utilidade crescente da RMN e como ajudar na análise de depósitos de lítio. O espectrômetro de descarga luminosa GDS850 da Leco pode ser usado para analisar vários materiais metalúrgicos. Ele também fornece um perfil quantitativo de profundidade do material. Possui um alcance de 120-800 nm e é versátil. Os centros de torneamento da série Hardinge® T e os centros de torneamento da série SUPER-PRECISION® T são líderes de mercado reconhecidos em aplicações de torneamento duro e de ultraprecisão. Usamos cookies para melhorar sua experiência. 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