Materiale ceramice avansate pentru aplicații dure de service

Nu există o definiție oficială a serviciului. Se poate considera că se face referire la costul ridicat al înlocuirii supapei sau la condițiile de lucru care reduc capacitatea de procesare. Necesitatea globală de a reduce costurile de producție a proceselor pentru a îmbunătăți profitabilitatea tuturor sectoarelor implicate în condiții dure de serviciu. Acestea variază de la petrol și gaze, petrochimice la energie nucleară și generarea de energie, procesarea mineralelor și minerit. Designerii și inginerii încearcă să atingă acest obiectiv în moduri diferite. Cea mai potrivită metodă este de a crește timpul de funcționare și eficiența prin controlul eficient al parametrilor procesului (cum ar fi oprirea efectivă și controlul optimizat al debitului). Optimizarea siguranței joacă, de asemenea, un rol vital, deoarece reducerea numărului de înlocuiri poate duce la un mediu de producție mai sigur. În plus, compania lucrează pentru a reduce stocul de echipamente (inclusiv pompe și supape) și eliminarea necesară. În același timp, proprietarii de unități se așteaptă la o cifră de afaceri uriașă din activele lor. Prin urmare, capacitatea de procesare crescută va avea ca rezultat mai puține țevi și echipamente (dar cu diametru mai mare) și mai puține instrumente pentru același flux de produse. Acest lucru arată că, pe lângă faptul că trebuie să utilizați componente individuale mai mari ale sistemului pentru diametre mai largi de țevi, este, de asemenea, necesar să suportați expunerea prelungită la medii dure pentru a reduce cerințele de întreținere și înlocuire în timpul funcționării. Componentele, inclusiv supapele și bilele de supapă, trebuie să fie robuste pentru a se potrivi aplicației dorite, dar își pot prelungi durata de viață. Cu toate acestea, principala problemă a majorității aplicațiilor este că piesele metalice și-au atins limitele de performanță. Acest lucru indică faptul că designerii pot găsi alternative la materialele nemetalice în aplicații solicitante, în special materiale ceramice. Parametrii tipici necesari pentru operarea componentelor in conditii dure includ rezistenta la socuri termice, rezistenta la coroziune, rezistenta la oboseala, duritatea, rezistenta si tenacitatea. Reziliența este un parametru cheie, deoarece componentele care sunt mai puțin rezistente pot eșua catastrofal. Duritatea materialelor ceramice este definită ca rezistență la propagarea fisurilor. În unele cazuri, poate fi măsurat folosind metoda indentării pentru a obține o valoare artificială ridicată. Utilizarea unui fascicul de incizie cu o singură parte poate oferi rezultate de măsurare precise. Rezistența este legată de tenacitate, dar se referă la un singur punct în care un material este deteriorat catastrofal atunci când se aplică stres. Este denumit în mod obișnuit „modulul de rupere” și se obține prin măsurarea rezistenței la încovoiere în trei sau patru puncte pe o tijă de testare. Valoarea testului în trei puncte este cu 1% mai mare decât valoarea testului în patru puncte. Deși multe cântare, inclusiv testerul de duritate Rockwell și testerul de duritate Vickers pot fi folosite pentru a măsura duritatea, scala de microduritate Vickers este foarte potrivită pentru materiale ceramice avansate. Duritatea se modifică proporțional cu rezistența la uzură a materialului. La supapele care funcționează în mod ciclic, oboseala este principala preocupare din cauza deschiderii și închiderii continue a supapei. Oboseala este pragul puterii. Dincolo de acest prag, materialul tinde să cedeze sub rezistența normală la încovoiere. Rezistența la coroziune depinde de mediul de operare și de mediul care conține materialul. Pe lângă „degradarea hidrotermală”, multe materiale ceramice avansate sunt superioare metalelor din acest domeniu, iar anumite materiale pe bază de zirconiu vor suferi „degradare hidrotermală” după ce au fost expuse la abur la temperatură înaltă. Geometria, coeficientul de dilatare termică, conductivitatea termică, duritatea și rezistența componentelor sunt afectate de șocul termic. Această zonă este propice pentru o conductivitate termică ridicată și duritate, astfel încât componentele metalice pot funcționa eficient. Cu toate acestea, progresele materialelor ceramice oferă acum niveluri acceptabile de rezistență la șocuri termice. Ceramica avansată a fost folosită de mulți ani și este populară printre inginerii de fiabilitate, inginerii de instalații și proiectanții de supape care necesită performanță ridicată și valoare ridicată. În conformitate cu cerințele specifice de aplicare, este potrivit pentru diferite formulări într-o varietate de industrii. Cu toate acestea, patru ceramice avansate sunt de mare importanță în domeniul întreținerii riguroase a supapelor, inclusiv carbură de siliciu (SiC), nitrură de siliciu (Si3N4), alumină și zirconiu. Materialele supapei și bilei supapei sunt selectate în funcție de cerințele specifice aplicației. Supapa utilizează două forme principale de zirconiu, care au același coeficient de dilatare termică și aceeași rigiditate ca oțelul. Zirconia parțial stabilizată cu oxid de magneziu (Mg-PSZ) are cea mai mare rezistență și duritate la șocuri termice, în timp ce zirconia policristalină tetragonală de yttria (Y-TZP) este mai dura, dar este susceptibilă la degradare hidrotermală. Nitrura de siliciu (Si3N4) are diferite formulări. Nitrura de siliciu sinterizată la presiunea gazului (GPPSN) este cel mai des folosit material pentru supape și componentele supapelor. Pe lângă duritatea medie, are și duritate și rezistență ridicate, rezistență excelentă la șocuri termice și stabilitate termică. În plus, în mediile cu abur cu temperaturi ridicate, Si3N4 poate înlocui zirconia pentru a preveni degradarea hidrotermală. Cu un buget mai strict, concentratorul poate alege dintre SiC sau alumină. Ambele materiale au duritate mare, dar nu sunt mai dure decât zirconia sau nitrura de siliciu. Acest lucru arată că materialul este foarte potrivit pentru aplicații cu componente statice, cum ar fi căptușele de supape și scaunele supapelor, mai degrabă decât bile sau discuri ale supapelor care sunt supuse unor solicitări mai mari. În comparație cu materialele metalice utilizate în aplicațiile solicitante ale supapelor (inclusiv ferocrom (CrFe), carbură de tungsten, Hastelloy și Stellit), materialele ceramice avansate au o duritate mai mică și o rezistență similară. Aplicațiile de service solicitante presupun utilizarea de supape rotative, cum ar fi supape fluture, trunions, supape cu bilă plutitoare și arcuri. În astfel de aplicații, Si3N4 și zirconia au rezistență la șoc termic, duritate și rezistență și se pot adapta celor mai solicitante medii. Datorită durității și rezistenței la coroziune a materialului, durata de viață a componentei este de câteva ori mai mare decât cea a componentei metalice. Alte beneficii includ caracteristicile de performanță pe durata de viață a supapei, în special în zonele în care sunt menținute capacitățile de întrerupere și control. Acest lucru a fost demonstrat în cazul unei bile kynar/RTFE cu valvă de 65 mm (2,6 inch) și a unei căptușeli expuse la acid sulfuric 98% plus ilmenit, ilmenitul fiind transformat în pigment de oxid de titan. Caracterul coroziv al suportului înseamnă că durata de viață a acestor componente poate fi de până la șase săptămâni. Cu toate acestea, utilizarea garniturii supapelor sferice (un zirconiu brevetat cu oxid de magneziu parțial stabilizat (Mg-PSZ)) fabricat de Nilcra™ (Figura 1) are o duritate excelentă și rezistență la coroziune și a fost furnizată timp de trei ani. Serviciu intermitent, fără nicio uzură detectabilă. În supapele liniare (inclusiv supapele unghiulare, supapele de accelerație sau supapele cu glob), datorită caracteristicilor de „sediu dur” ale acestor produse, zirconia și nitrura de siliciu sunt potrivite atât pentru dopurile supapelor, cât și pentru scaunele supapelor. În mod similar, alumina poate fi utilizată în anumite căptușeli și cuști. Prin bila potrivită pe inelul scaunului, se poate obține un grad ridicat de etanșare. Pentru miezul supapei, inclusiv supapa cu bobină, intrarea și ieșirea sau bucșa corpului supapei, oricare dintre cele patru materiale ceramice principale poate fi utilizat în conformitate cu cerințele aplicației. Duritatea ridicată și rezistența la coroziune a materialului s-au dovedit a fi benefice în ceea ce privește performanța produsului și durata de viață. Luați ca exemplu supapa fluture DN150 folosită în rafinăria de bauxită din Australia. Conținutul ridicat de silice din mediu cauzează niveluri ridicate de uzură la bucșele supapelor. Căptușeala și discul supapei utilizate inițial au fost fabricate din aliaj de 28% CrFe și au durat doar opt până la zece săptămâni. Cu toate acestea, datorită introducerii supapelor din zirconiu Nilcra™ (Figura 2), durata de viață a fost mărită la 70 de săptămâni. Datorită durității și rezistenței sale, ceramica funcționează bine în majoritatea aplicațiilor cu supape. Cu toate acestea, duritatea și rezistența lor la coroziune ajută la prelungirea duratei de viață a supapei. La rândul său, acest lucru reduce costul întregului ciclu de viață prin reducerea timpului de nefuncționare pentru piesele de schimb, reducerea capitalului de lucru și a stocurilor, manipularea manuală minimă și siguranța îmbunătățită prin reducerea scurgerilor. Multă vreme, aplicarea materialelor ceramice în supapele de înaltă presiune a fost una dintre principalele preocupări, deoarece aceste supape sunt supuse unor sarcini mari axiale sau de torsiune. Cu toate acestea, jucătorii importanți din acest domeniu dezvoltă modele de bile de supapă care îmbunătățesc capacitatea de supraviețuire a cuplului de acționare. Cealaltă limitare majoră este dimensiunea. Dimensiunea celui mai mare scaun de supapă și a celei mai mari bile de supapă (Figura 3) produse de zirconiu parțial stabilizat cu magnezie sunt DN500 și, respectiv, DN250. Cu toate acestea, majoritatea specificatorilor actuali preferă să folosească ceramica pentru a realiza piese ale căror dimensiuni nu depășesc aceste dimensiuni. Deși materialele ceramice s-au dovedit acum a fi o alegere potrivită, există încă câteva linii directoare simple care trebuie urmate pentru a le maximiza performanța. Materialele ceramice trebuie folosite mai întâi numai dacă este nevoie de reducerea costurilor. Atât în ​​interior, cât și în exterior ar trebui să evite colțurile ascuțite și concentrarea stresului. Orice nepotrivire potențială de dilatare termică trebuie luată în considerare în timpul fazei de proiectare. Pentru a reduce stresul cercului, este necesar să păstrați ceramica mai degrabă în exterior decât în ​​interior. În cele din urmă, necesitatea toleranțelor geometrice și a finisării suprafeței trebuie luată în considerare cu atenție, deoarece aceste toleranțe pot crește semnificativ costurile inutile. Urmând aceste îndrumări și bune practici în selectarea materialelor și coordonarea cu furnizorii încă de la începutul proiectului, se poate obține o soluție ideală pentru fiecare aplicație de serviciu solicitantă. Aceste informații au fost obținute, revizuite și adaptate din materiale furnizate de Morgan Advanced Materials. Morgan Advanced Materials-Tehnical Ceramics. (28 noiembrie 2019). Materiale ceramice avansate potrivite pentru aplicații serioase de service. AZoM. Preluat de la https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 pe 26 mai 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. „Materiale ceramice avansate pentru aplicații serioase de service”. AZoM. 26 mai 2021. Morgan Advanced Materials-Tehnical Ceramics. „Materiale ceramice avansate pentru aplicații serioase de service”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Accesat pe 26 mai 2021). Morgan Advanced Materials-Tehnical Ceramics. 2019. Materiale ceramice avansate potrivite pentru aplicații serioase de service. AZoM, vizualizat pe 26 mai 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM a discutat cu profesorii asociați Arda Gozen, George și Joan Berry de la Universitatea de Stat din Washington. Arda face parte dintr-o echipă de instituții multiple dedicate creării de schele de țesuturi proiectate prin imitarea caracteristicilor țesuturilor umane. În acest interviu, AZoM a discutat cu Dr. Tim Nunney și Dr. Adam Bushell de la Thermo Fisher Scientific despre sistemul de analiză a suprafeței Nexsa G2. În acest interviu, AZoM și Dr. Juan Araneda, șeful de chimie aplicată al Nanalysis, au vorbit despre utilizarea și utilitatea tot mai mare a RMN și despre cum să ajute analiza depozitelor de litiu. Spectrometrul cu descărcare strălucitoare GDS850 de la Leco poate fi utilizat pentru a analiza diferite materiale metalurgice. De asemenea, oferă o profilare cantitativă a adâncimii materialului. Are un interval de 120-800 nm și este versatil. Centrele de strunjire din seria Hardinge® T și centrele de strunjire din seria SUPER-PRECISION® T sunt lideri recunoscuți de piață în aplicațiile de strunjire de ultra-precizie și dur. Folosim cookie-uri pentru a vă îmbunătăți experiența. Continuând să navigați pe acest site, sunteți de acord cu utilizarea cookie-urilor. Mai multe informatii.