Avancerade keramiska material för tuffa servicetillämpningar

Det finns ingen formell tjänstedefinition. Det kan anses hänvisa till den höga kostnaden för att byta ut ventilen eller de arbetsförhållanden som minskar bearbetningskapaciteten. Det globala behovet av att minska processproduktionskostnaderna för att förbättra lönsamheten för alla sektorer som är involverade i svåra serviceförhållanden. Dessa sträcker sig från olja och gas, petrokemikalier till kärnkraft och kraftproduktion, mineralbearbetning och gruvdrift. Designers och ingenjörer försöker uppnå detta mål på olika sätt. Den mest lämpliga metoden är att öka drifttiden och effektiviteten genom att effektivt kontrollera processparametrar (såsom effektiv avstängning och optimerad flödeskontroll). Säkerhetsoptimering spelar också en viktig roll, eftersom att minska antalet byten kan leda till en säkrare produktionsmiljö. Dessutom arbetar företaget med att minska utrustning (inklusive pumpar och ventiler) lager och nödvändig avfallshantering. Samtidigt förväntar sig anläggningsägare en enorm omsättning på sina tillgångar. Därför kommer ökad bearbetningskapacitet att resultera i färre (men större diameter) rör och utrustning och färre instrument för samma produktström. Detta visar att, förutom att behöva använda större individuella systemkomponenter för bredare rördiametrar, är det också nödvändigt att utstå långvarig exponering för tuffa miljöer för att minska underhålls- och utbyteskraven under drift. Komponenter inklusive ventiler och ventilkulor måste vara robusta för att passa den önskade applikationen, men de kan också förlänga deras livslängd. Det största problemet med de flesta applikationer är dock att metalldelar har nått sina prestandagränser. Detta indikerar att designers kan hitta alternativ till icke-metalliska material i krävande applikationer, särskilt keramiska material. Typiska parametrar som krävs för att driva komponenter under svåra förhållanden inkluderar termisk chockbeständighet, korrosionsbeständighet, utmattningsbeständighet, hårdhet, hållfasthet och seghet. Resiliens är en nyckelparameter, eftersom komponenter som är mindre motståndskraftiga kan misslyckas katastrofalt. Segheten hos keramiska material definieras som motståndet mot sprickutbredning. I vissa fall kan det mätas med indragningsmetoden för att få ett artificiellt högt värde. Användningen av en enkelsidig incisionsbalk kan ge exakta mätresultat. Styrka är relaterad till seghet, men hänvisar till en enda punkt där ett material skadas katastrofalt när stress appliceras. Den kallas vanligen för "brottmodulen" och erhålls genom att mäta trepunkts- eller fyrpunktsböjhållfastheten på en teststav. Värdet på trepunktstestet är 1 % högre än värdet på fyrapunktstestet. Även om många vågar inklusive Rockwell hårdhetstestare och Vickers hårdhetsmätare kan användas för att mäta hårdhet, är Vickers mikrohårdhetsvåg mycket lämplig för avancerade keramiska material. Hårdheten ändras i proportion till materialets slitstyrka. I ventiler som arbetar på ett cykliskt sätt är trötthet det främsta problemet på grund av den kontinuerliga öppningen och stängningen av ventilen. Trötthet är tröskeln till styrka. Bortom denna tröskel tenderar materialet att falla under sin normala böjhållfasthet. Korrosionsbeständigheten beror på driftsmiljön och mediet som innehåller materialet. Förutom "hydrotermisk nedbrytning" är många avancerade keramiska material överlägsna metaller inom detta område, och vissa zirkoniumoxidbaserade material kommer att genomgå "hydrotermisk nedbrytning" efter att ha exponerats för högtemperaturånga. Komponenternas geometri, värmeutvidgningskoefficient, värmeledningsförmåga, seghet och styrka påverkas av värmechock. Detta område bidrar till hög värmeledningsförmåga och seghet, så att metallkomponenterna kan fungera effektivt. Emellertid ger framsteg inom keramiska material nu acceptabla nivåer av värmechockbeständighet. Avancerad keramik har använts i många år och är populär bland tillförlitlighetsingenjörer, anläggningsingenjörer och ventildesigners som kräver hög prestanda och högt värde. Enligt specifika applikationskrav är den lämplig för olika formuleringar i en mängd olika branscher. Fyra avancerade keramer är dock av stor betydelse inom området för noggrant underhåll av ventiler, inklusive kiselkarbid (SiC), kiselnitrid (Si3N4), aluminiumoxid och zirkoniumoxid. Materialen i ventilen och ventilkulan väljs enligt de specifika applikationskraven. Ventilen använder två huvudformer av zirkoniumoxid, som har samma värmeutvidgningskoefficient och styvhet som stål. Magnesiumoxid partiellt stabiliserad zirkoniumoxid (Mg-PSZ) har den högsta termisk chockbeständighet och seghet, medan yttriumoxid tetragonal zirkoniumoxid polykristallin (Y-TZP) är hårdare, men är känslig för hydrotermisk nedbrytning. Kiselnitrid (Si3N4) har olika formuleringar. Gastrycksintrad kiselnitrid (GPPSN) är det mest använda materialet för ventiler och ventilkomponenter. Förutom sin genomsnittliga seghet har den också hög hårdhet och styrka, utmärkt motståndskraft mot termisk stöt och termisk stabilitet. Dessutom, i ångmiljöer med hög temperatur, kan Si3N4 ersätta zirkoniumoxid för att förhindra hydrotermisk nedbrytning. Med en striktare budget kan anrikningsverket välja mellan SiC eller aluminiumoxid. Båda materialen har hög hårdhet, men är inte hårdare än zirkoniumoxid eller kiselnitrid. Detta visar att materialet är mycket lämpligt för statiska komponenttillämpningar, såsom ventilfoder och ventilsäten, snarare än ventilkulor eller skivor som utsätts för högre belastning. Jämfört med metallmaterialen som används i krävande ventilapplikationer (inklusive ferrokrom (CrFe), volframkarbid, Hastelloy och Stellite), har avancerade keramiska material lägre seghet och liknande styrka. Krävande serviceapplikationer involverar användning av roterande ventiler, såsom vridspjällsventiler, tappar, flytande kulventiler och fjädrar. I sådana applikationer har Si3N4 och zirconia värmechockbeständighet, seghet och styrka, och kan anpassa sig till de mest krävande miljöerna. På grund av materialets hårdhet och korrosionsbeständighet är komponentens livslängd flera gånger så lång som metallkomponenten. Andra fördelar inkluderar prestandaegenskaper under ventilens livslängd, särskilt i områden där avstängnings- och styrförmåga bibehålls. Detta visades i fallet med en 65 mm (2,6 tum) ventil kynar/RTFE-kula och liner exponerade för 98 % svavelsyra plus ilmenit, varvid ilmeniten omvandlades till titanoxidpigment. Mediernas frätande natur gör att livslängden för dessa komponenter kan vara så lång som sex veckor. Användningen av sfäriska ventillister (en patenterad magnesiumoxid partiellt stabiliserad zirkoniumoxid (Mg-PSZ)) tillverkad av Nilcra™ (Figur 1) har utmärkt hårdhet och korrosionsbeständighet och har tillhandahållits i tre år. Intermittent service, utan något detekterbart slitage. I linjära ventiler (inklusive vinkelventiler, strypventiler eller klotventiler), på grund av dessa produkters "hårda säte"-egenskaper, är zirkoniumoxid och kiselnitrid lämpliga för både ventilpluggar och ventilsäten. På liknande sätt kan aluminiumoxid användas i vissa foder och burar. Genom den matchande kulan på sätesringen kan en hög grad av tätning uppnås. För ventilkärnan, inklusive slidventil, inlopp och utlopp eller ventilkroppsbussning, kan vilket som helst av de fyra huvudsakliga keramiska materialen användas enligt applikationskraven. Materialets höga hårdhet och korrosionsbeständighet har visat sig vara fördelaktigt när det gäller produktprestanda och livslängd. Ta fjärilsventilen DN150 som används i det australiensiska bauxitraffinaderiet som ett exempel. Den höga kiseldioxidhalten i mediet orsakar högt slitage på ventilbussningarna. Linern och ventilskivan som användes från början var gjorda av 28 % CrFe-legering och höll bara åtta till tio veckor. Men på grund av introduktionen av ventiler gjorda av Nilcra™ zirkoniumoxid (Figur 2), har livslängden ökat till 70 veckor. På grund av sin seghet och styrka fungerar keramik bra i de flesta ventilapplikationer. Det är dock deras hårdhet och korrosionsbeständighet som hjälper till att förlänga ventilens livslängd. Detta minskar i sin tur kostnaden för hela livscykeln genom att minska stilleståndstiden för reservdelar, minskat rörelsekapital och lager, minimal manuell hantering och förbättrad säkerhet genom minskat läckage. Under lång tid har appliceringen av keramiska material i högtrycksventiler varit ett av huvudproblemen, eftersom dessa ventiler utsätts för höga axiella eller torsionella belastningar. Men stora aktörer inom detta område utvecklar ventilkuldesigner som förbättrar överlevnadsförmågan för manövermomentet. Den andra stora begränsningen är storleken. Storleken på det största ventilsätet och största ventilkulan (Figur 3) som produceras av partiellt stabiliserad zirkoniumoxid är DN500 respektive DN250. De flesta nuvarande specifikationer föredrar dock att använda keramik för att tillverka delar vars dimensioner inte överstiger dessa dimensioner. Även om keramiska material nu har visat sig vara ett lämpligt val, finns det fortfarande några enkla riktlinjer som måste följas för att maximera deras prestanda. Keramiska material bör användas först endast om det finns behov av att minska kostnaderna. Både in- och utvändigt ska undvika skarpa hörn och stresskoncentration. Eventuella potentiella termiska expansionsfel måste beaktas under konstruktionsfasen. För att minska bågspänningen är det nödvändigt att hålla keramiken utanför snarare än inuti. Slutligen bör behovet av geometriska toleranser och ytbehandling noga övervägas, eftersom dessa toleranser avsevärt kan öka onödiga kostnader. Genom att följa dessa riktlinjer och bästa praxis vid val av material och samordning med leverantörer från början av projektet, kan en idealisk lösning uppnås för varje krävande tjänsteapplikation. Denna information har erhållits, granskats och anpassats från material som tillhandahålls av Morgan Advanced Materials. Morgan Advanced Materials-Teknisk keramik. (28 november 2019). Avancerade keramiska material lämpliga för seriösa serviceapplikationer. AZoM. Hämtad från https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 den 26 maj 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Avancerat keramiskt material för seriösa serviceapplikationer". AZoM. 26 maj 2021. Morgan Advanced Materials-Teknisk keramik. "Avancerat keramiskt material för seriösa serviceapplikationer". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Åtkom den 26 maj 2021). Morgan Advanced Materials-Teknisk keramik. 2019. Avancerade keramiska material lämpliga för seriösa serviceapplikationer. AZoM, visade den 26 maj 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM pratade med docenten Arda Gozen, George och Joan Berry från Washington State University. Arda är en del av ett team av flera institutioner som är dedikerade till att skapa ställningar av konstruerade vävnader genom att imitera egenskaperna hos mänskliga vävnader. I den här intervjun pratade AZoM med Dr Tim Nunney och Dr Adam Bushell från Thermo Fisher Scientific om Nexsa G2 ytanalyssystem. I den här intervjun pratade AZoM och Dr. Juan Araneda, chef för tillämpad kemi vid Nanalysis, om den ökande användningen och användbarheten av NMR och hur man kan hjälpa till med analysen av litiumavlagringar. Lecos GDS850 glödurladdningsspektrometer kan användas för att analysera olika metallurgiska material. Det ger också en kvantitativ djupprofilering av materialet. Den har en räckvidd på 120-800 nm och är mångsidig. Hardinge® T-seriens svarvar och SUPER-PRECISION® T-seriens svarvar är erkända marknadsledare inom ultraprecision och hårdsvarvning. Vi använder cookies för att förbättra din upplevelse. Genom att fortsätta att surfa på denna webbplats godkänner du vår användning av cookies. Mer information.