Pokročilé keramické materiály pre náročné servisné aplikácie

Neexistuje žiadna formálna definícia služby. Môže sa to považovať za odkaz na vysoké náklady na výmenu ventilu alebo pracovné podmienky, ktoré znižujú kapacitu spracovania. Celosvetová potreba znížiť výrobné náklady s cieľom zlepšiť ziskovosť všetkých sektorov zapojených do náročných servisných podmienok. Tie siahajú od ropy a plynu, petrochémie až po jadrovú energiu a výrobu energie, spracovanie nerastov a ťažbu. Dizajnéri a inžinieri sa snažia dosiahnuť tento cieľ rôznymi spôsobmi. Najvhodnejšou metódou je zvýšenie doby prevádzkyschopnosti a efektívnosti efektívnym riadením parametrov procesu (ako je efektívne odstavenie a optimalizované riadenie toku). Dôležitú úlohu zohráva aj optimalizácia bezpečnosti, pretože zníženie počtu výmen môže viesť k bezpečnejšiemu výrobnému prostrediu. Okrem toho spoločnosť pracuje na znížení zásob zariadení (vrátane čerpadiel a ventilov) a potrebnej likvidácie. Majitelia zariadení zároveň očakávajú od svojho majetku obrovský obrat. Zvýšená spracovateľská kapacita preto povedie k menšiemu počtu potrubí a zariadení (ale s väčším priemerom) a menšiemu počtu nástrojov pre rovnaký tok produktov. To ukazuje, že okrem nutnosti použitia väčších jednotlivých komponentov systému pre väčšie priemery rúr je tiež potrebné vydržať dlhodobé vystavenie drsnému prostrediu, aby sa znížili požiadavky na údržbu a výmenu počas prevádzky. Komponenty vrátane ventilov a ventilových guľôčok musia byť robustné, aby vyhovovali požadovanej aplikácii, ale môžu tiež predĺžiť ich životnosť. Hlavným problémom väčšiny aplikácií je však to, že kovové časti dosiahli svoje limity výkonu. To naznačuje, že dizajnéri môžu nájsť alternatívy k nekovovým materiálom v náročných aplikáciách, najmä keramických. Typické parametre potrebné na prevádzku komponentov v drsných podmienkach zahŕňajú odolnosť proti tepelným šokom, odolnosť proti korózii, odolnosť proti únave, tvrdosť, pevnosť a húževnatosť. Odolnosť je kľúčovým parametrom, pretože komponenty, ktoré sú menej odolné, môžu katastrofálne zlyhať. Húževnatosť keramických materiálov je definovaná ako odolnosť proti šíreniu trhlín. V niektorých prípadoch sa môže merať pomocou indentačnej metódy na získanie umelo vysokej hodnoty. Použitie lúča s jednostranným rezom môže poskytnúť presné výsledky merania. Pevnosť súvisí s húževnatosťou, ale vzťahuje sa na jeden bod, v ktorom je materiál katastrofálne poškodený, keď pôsobí napätie. Bežne sa označuje ako "modul pretrhnutia" a získava sa meraním trojbodovej alebo štvorbodovej pevnosti v ohybe na skúšobnej tyči. Hodnota trojbodového testu je o 1 % vyššia ako hodnota štvorbodového testu. Hoci na meranie tvrdosti možno použiť mnohé stupnice vrátane tvrdomeru Rockwell a tvrdomeru Vickers, stupnica mikrotvrdosti podľa Vickersa je veľmi vhodná pre pokročilé keramické materiály. Tvrdosť sa mení úmerne s odolnosťou materiálu proti opotrebovaniu. Vo ventiloch pracujúcich cyklickým spôsobom je hlavným problémom únava v dôsledku nepretržitého otvárania a zatvárania ventilu. Únava je prahom sily. Za touto hranicou má materiál tendenciu zlyhávať pod normálnu pevnosť v ohybe. Odolnosť proti korózii závisí od prevádzkového prostredia a média obsahujúceho materiál. Okrem „hydrotermálnej degradácie“ sú mnohé pokročilé keramické materiály v tejto oblasti lepšie ako kovy a niektoré materiály na báze oxidu zirkoničitého podliehajú „hydrotermálnej degradácii“ po vystavení pare s vysokou teplotou. Tepelný šok ovplyvňuje geometriu, koeficient tepelnej rozťažnosti, tepelnú vodivosť, húževnatosť a pevnosť komponentov. Táto oblasť prispieva k vysokej tepelnej vodivosti a húževnatosti, takže kovové komponenty môžu efektívne fungovať. Pokroky v keramických materiáloch však teraz poskytujú prijateľnú úroveň odolnosti voči tepelným šokom. Pokročilá keramika sa používa už mnoho rokov a je obľúbená medzi technikmi spoľahlivosti, závodnými inžiniermi a konštruktérmi ventilov, ktorí vyžadujú vysoký výkon a vysokú hodnotu. Podľa špecifických požiadaviek na aplikáciu je vhodný pre rôzne formulácie v rôznych priemyselných odvetviach. Avšak štyri pokročilé keramiky majú veľký význam v oblasti dôslednej údržby ventilov, vrátane karbidu kremíka (SiC), nitridu kremíka (Si3N4), oxidu hlinitého a zirkónu. Materiály ventilu a ventilovej gule sa vyberajú podľa špecifických požiadaviek aplikácie. Ventil používa dve hlavné formy zirkónia, ktoré majú rovnaký koeficient tepelnej rozťažnosti a tuhosť ako oceľ. Oxidom horečnatým čiastočne stabilizovaný oxid zirkoničitý (Mg-PSZ) má najvyššiu odolnosť proti tepelným šokom a húževnatosť, zatiaľ čo ytriový tetragonálny polykryštalický zirkón (Y-TZP) je tvrdší, ale je náchylný na hydrotermálnu degradáciu. Nitrid kremíka (Si3N4) má rôzne zloženie. Sintrovaný nitrid kremíka pod tlakom plynu (GPPSN) je najbežnejšie používaný materiál pre ventily a komponenty ventilov. Okrem priemernej húževnatosti má aj vysokú tvrdosť a pevnosť, vynikajúcu odolnosť proti tepelným šokom a tepelnú stabilitu. Okrem toho v prostredí s vysokou teplotou pary môže Si3N4 nahradiť oxid zirkoničitý, aby sa zabránilo hydrotermálnej degradácii. Pri prísnejšom rozpočte si koncentrátor môže vybrať z SiC alebo oxidu hlinitého. Oba materiály majú vysokú tvrdosť, ale nie sú tvrdšie ako oxid zirkoničitý alebo nitrid kremíka. To ukazuje, že materiál je veľmi vhodný pre aplikácie statických komponentov, ako sú ventilové vložky a ventilové sedlá, skôr ako ventilové gule alebo kotúče, ktoré sú vystavené vyššiemu namáhaniu. V porovnaní s kovovými materiálmi používanými v náročných ventilových aplikáciách (vrátane ferochrómu (CrFe), karbidu volfrámu, Hastelloy a Stellitu) majú pokročilé keramické materiály nižšiu húževnatosť a podobnú pevnosť. Náročné servisné aplikácie zahŕňajú použitie rotačných ventilov, ako sú škrtiace ventily, čapy, plávajúce guľové ventily a pružiny. V takýchto aplikáciách majú Si3N4 a oxid zirkoničitý odolnosť voči tepelným šokom, húževnatosť a pevnosť a dokážu sa prispôsobiť najnáročnejším prostrediam. Vzhľadom na tvrdosť a koróznu odolnosť materiálu je životnosť súčiastky niekoľkonásobná oproti kovovej súčiastke. Medzi ďalšie výhody patrí výkonová charakteristika počas životnosti ventilu, najmä v oblastiach, kde sú zachované vypínacie a riadiace schopnosti. Toto bolo demonštrované v prípade 65 mm (2,6 palca) ventilovej gule kynar/RTFE a vložky vystavenej 98 % kyseline sírovej plus ilmenitu, pričom ilmenit sa premieňa na pigment oxidu titánu. Korozívny charakter médií znamená, že životnosť týchto komponentov môže byť až šesť týždňov. Avšak použitie guľového obloženia ventilu (vlastný oxid horečnatý čiastočne stabilizovaný oxid zirkoničitý (Mg-PSZ)) vyrábaný spoločnosťou Nilcra™ (obrázok 1) má vynikajúcu tvrdosť a odolnosť proti korózii a poskytuje sa už tri roky. Prerušovaný servis bez viditeľného opotrebovania. V lineárnych ventiloch (vrátane uhlových ventilov, škrtiacich ventilov alebo globálnych ventilov) sú vďaka vlastnostiam týchto produktov „tvrdého sedla“ oxid zirkoničitý a nitrid kremíka vhodné pre ventilové zátky aj ventilové sedlá. Podobne možno oxid hlinitý použiť v určitých obloženiach a klietkach. Prostredníctvom zodpovedajúcej guľôčky na sedlovom krúžku je možné dosiahnuť vysoký stupeň utesnenia. Pre jadro ventilu, vrátane cievkového ventilu, vstupu a výstupu alebo puzdra telesa ventilu, možno použiť ktorýkoľvek zo štyroch hlavných keramických materiálov podľa požiadaviek aplikácie. Vysoká tvrdosť a odolnosť materiálu proti korózii sa ukázali ako prospešné z hľadiska výkonu produktu a životnosti. Zoberme si ako príklad škrtiaci ventil DN150 používaný v austrálskej rafinérii bauxitu. Vysoký obsah oxidu kremičitého v médiu spôsobuje vysoké opotrebenie ventilových puzdier. Pôvodne použitá vložka a kotúč ventilu boli vyrobené z 28 % zliatiny CrFe a vydržali len osem až desať týždňov. Avšak vďaka zavedeniu ventilov vyrobených z oxidu zirkoničitého Nilcra™ (obrázok 2) sa životnosť zvýšila na 70 týždňov. Vďaka svojej húževnatosti a pevnosti funguje keramika dobre vo väčšine aplikácií ventilov. Avšak práve ich tvrdosť a odolnosť proti korózii pomáhajú predĺžiť životnosť ventilu. Na druhej strane to znižuje náklady na celý životný cyklus znížením prestojov na náhradné diely, zníženým pracovným kapitálom a skladovými zásobami, minimálnou ručnou manipuláciou a zlepšením bezpečnosti znížením únikov. Aplikácia keramických materiálov vo vysokotlakových ventiloch bola dlhodobo jedným z hlavných problémov, pretože tieto ventily sú vystavené vysokému axiálnemu alebo torznému zaťaženiu. Avšak hlavní hráči v tejto oblasti vyvíjajú konštrukcie ventilových guľôčok, ktoré zlepšujú životnosť ovládacieho momentu. Ďalším veľkým obmedzením je veľkosť. Veľkosť najväčšieho ventilového sedla a najväčšej ventilovej gule (obrázok 3) vyrobených magnéziom čiastočne stabilizovaným zirkónom sú DN500 a DN250, v tomto poradí. Väčšina súčasných špecifikátorov však uprednostňuje použitie keramiky na výrobu dielov, ktorých rozmery nepresahujú tieto rozmery. Hoci sa keramické materiály v súčasnosti ukázali ako vhodná voľba, stále existuje niekoľko jednoduchých pokynov, ktoré je potrebné dodržiavať, aby sa maximalizoval ich výkon. Keramické materiály by sa mali používať ako prvé, iba ak je potrebné znížiť náklady. Vo vnútri aj vonku by ste sa mali vyhnúť ostrým rohom a koncentrácii stresu. Akýkoľvek potenciálny nesúlad s tepelnou rozťažnosťou sa musí zvážiť vo fáze návrhu. Aby sa znížilo namáhanie obruče, je potrebné ponechať keramiku skôr vonku ako vo vnútri. Nakoniec treba dôkladne zvážiť potrebu geometrických tolerancií a povrchovej úpravy, pretože tieto tolerancie môžu výrazne zvýšiť zbytočné náklady. Dodržiavaním týchto pokynov a osvedčených postupov pri výbere materiálov a koordináciou s dodávateľmi od začiatku projektu možno dosiahnuť ideálne riešenie pre každú náročnú aplikáciu služby. Tieto informácie boli získané, skontrolované a upravené z materiálov poskytnutých spoločnosťou Morgan Advanced Materials. Morgan Advanced Materials-Technická keramika. (28. novembra 2019). Pokročilé keramické materiály vhodné pre náročné servisné aplikácie. AZOM. Prevzaté z https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 dňa 26. mája 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Pokročilé keramické materiály pre seriózne servisné aplikácie". AZOM. 26. mája 2021 . Morgan Advanced Materials-Technická keramika. "Pokročilé keramické materiály pre seriózne servisné aplikácie". AZOM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Prístup 26. mája 2021). Morgan Advanced Materials-Technická keramika. 2019. Pokročilé keramické materiály vhodné pre vážne servisné aplikácie. AZoM, zobrazené 26. mája 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM hovoril s docentmi Arda Gozen, George a Joan Berry z Washingtonskej štátnej univerzity. Arda je súčasťou tímu viacerých inštitúcií, ktoré sa venujú vytváraniu skeletov inžinierskych tkanív napodobňovaním charakteristík ľudských tkanív. V tomto rozhovore AZoM hovoril s Dr. Timom Nunneym a Dr. Adamom Bushellom z Thermo Fisher Scientific o systéme povrchovej analýzy Nexsa G2. V tomto rozhovore AZoM a Dr. Juan Araneda, vedúci aplikovanej chémie nanalýzy, hovorili o rastúcom využití a užitočnosti NMR a ako pomôcť pri analýze lítiových usadenín. Spektrometer žeravého výboja Leco GDS850 možno použiť na analýzu rôznych metalurgických materiálov. Poskytuje tiež kvantitatívne hĺbkové profilovanie materiálu. Má rozsah 120-800 nm a je všestranný. Sústružnícke centrá Hardinge® série T a sústružnícke centrá SUPER-PRECISION® série T sú uznávanými lídrami na trhu v aplikáciách ultra presného a tvrdého sústruženia. Na zlepšenie vášho zážitku používame cookies. Pokračovaním v prehliadaní tejto webovej stránky súhlasíte s naším používaním cookies. Viac informácií.