Vật liệu gốm tiên tiến cho các ứng dụng dịch vụ khắc nghiệt

Không có định nghĩa dịch vụ chính thức. Có thể coi là do chi phí thay thế van cao hoặc điều kiện làm việc làm giảm công suất xử lý. Nhu cầu toàn cầu là giảm chi phí sản xuất quy trình để cải thiện lợi nhuận của tất cả các lĩnh vực liên quan đến điều kiện dịch vụ khắc nghiệt. Những phạm vi này từ dầu khí, hóa dầu đến sản xuất điện và năng lượng hạt nhân, chế biến và khai thác khoáng sản. Các nhà thiết kế và kỹ sư đang cố gắng đạt được mục tiêu này bằng nhiều cách khác nhau. Phương pháp thích hợp nhất là tăng thời gian hoạt động và hiệu quả bằng cách kiểm soát hiệu quả các thông số quy trình (chẳng hạn như tắt máy hiệu quả và kiểm soát dòng chảy được tối ưu hóa). Tối ưu hóa an toàn cũng đóng một vai trò quan trọng vì việc giảm số lượng thay thế có thể mang lại môi trường sản xuất an toàn hơn. Ngoài ra, công ty đang nỗ lực giảm lượng tồn kho thiết bị (bao gồm cả máy bơm và van) cũng như việc thải bỏ theo yêu cầu. Đồng thời, chủ sở hữu cơ sở mong đợi doanh thu lớn từ tài sản của họ. Do đó, công suất xử lý tăng sẽ dẫn đến số lượng ống và thiết bị ít hơn (nhưng có đường kính lớn hơn) và ít dụng cụ hơn cho cùng một dòng sản phẩm. Điều này cho thấy, ngoài việc phải sử dụng các thành phần hệ thống riêng lẻ lớn hơn để có đường kính ống rộng hơn, còn cần phải chịu đựng thời gian tiếp xúc kéo dài với môi trường khắc nghiệt để giảm yêu cầu bảo trì và thay thế trong quá trình sử dụng. Các bộ phận bao gồm van và bóng van cần phải chắc chắn để phù hợp với ứng dụng mong muốn nhưng chúng cũng có thể kéo dài tuổi thọ của chúng. Tuy nhiên, vấn đề chính với hầu hết các ứng dụng là các bộ phận kim loại đã đạt đến giới hạn hiệu suất. Điều này cho thấy rằng các nhà thiết kế có thể tìm ra các giải pháp thay thế cho vật liệu phi kim loại trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe, đặc biệt là vật liệu gốm. Các thông số điển hình cần có để vận hành các bộ phận trong điều kiện khắc nghiệt bao gồm khả năng chống sốc nhiệt, chống ăn mòn, chống mỏi, độ cứng, độ bền và độ bền. Khả năng phục hồi là một thông số quan trọng, bởi vì các thành phần kém đàn hồi hơn có thể bị hỏng hóc nghiêm trọng. Độ dẻo dai của vật liệu gốm được định nghĩa là khả năng chống lan truyền vết nứt. Trong một số trường hợp, nó có thể được đo bằng phương pháp thụt đầu dòng để thu được giá trị cao giả tạo. Việc sử dụng chùm tia rạch một bên có thể mang lại kết quả đo chính xác. Độ bền liên quan đến độ dẻo dai, nhưng đề cập đến một điểm duy nhất mà vật liệu bị hư hỏng nghiêm trọng khi có ứng suất tác dụng. Nó thường được gọi là "mô đun đứt" và thu được bằng cách đo cường độ uốn ba điểm hoặc bốn điểm trên que thử. Giá trị của bài kiểm tra ba điểm cao hơn giá trị của bài kiểm tra bốn điểm 1%. Mặc dù có thể sử dụng nhiều thang đo bao gồm máy đo độ cứng Rockwell và máy đo độ cứng Vickers để đo độ cứng, nhưng thang đo độ cứng vi mô Vickers rất phù hợp với các vật liệu gốm tiên tiến. Độ cứng thay đổi tỷ lệ thuận với khả năng chống mài mòn của vật liệu. Trong các van hoạt động theo chu kỳ, hiện tượng mỏi là mối lo ngại chính do van đóng mở liên tục. Mệt mỏi là ngưỡng của sức mạnh. Vượt quá ngưỡng này, vật liệu có xu hướng bị hỏng dưới cường độ uốn thông thường. Khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào môi trường hoạt động và môi trường chứa vật liệu. Ngoài "sự phân hủy thủy nhiệt", nhiều vật liệu gốm tiên tiến còn vượt trội hơn kim loại trong lĩnh vực này và một số vật liệu dựa trên zirconia sẽ trải qua "sự phân hủy thủy nhiệt" sau khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. Hình dạng, hệ số giãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt, độ bền và độ bền của các bộ phận bị ảnh hưởng bởi sốc nhiệt. Khu vực này có khả năng dẫn nhiệt và độ bền cao nên các thành phần kim loại có thể hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên, những tiến bộ trong vật liệu gốm hiện nay đã cung cấp mức độ chống sốc nhiệt chấp nhận được. Gốm sứ tiên tiến đã được sử dụng trong nhiều năm và được các kỹ sư về độ tin cậy, kỹ sư nhà máy và nhà thiết kế van ưa chuộng, những người yêu cầu hiệu suất cao và giá trị cao. Theo yêu cầu ứng dụng cụ thể, nó phù hợp với các công thức khác nhau trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, bốn loại gốm tiên tiến có ý nghĩa rất lớn trong lĩnh vực bảo trì van nghiêm ngặt, bao gồm silicon cacbua (SiC), silicon nitride (Si3N4), alumina và zirconia. Vật liệu của van và bóng van được lựa chọn theo yêu cầu ứng dụng cụ thể. Van sử dụng hai dạng zirconia chính, có cùng hệ số giãn nở nhiệt và độ cứng như thép. Magie oxit ổn định một phần zirconia (Mg-PSZ) có khả năng chống sốc nhiệt và độ bền cao nhất, trong khi zirconia đa tinh thể tứ giác yttria (Y-TZP) cứng hơn nhưng dễ bị phân hủy thủy nhiệt. Silicon nitride (Si3N4) có nhiều công thức khác nhau. Silicon nitride thiêu kết áp suất khí (GPPSN) là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho van và các bộ phận của van. Ngoài độ dẻo dai trung bình, nó còn có độ cứng và độ bền cao, khả năng chống sốc nhiệt và ổn định nhiệt tuyệt vời. Ngoài ra, trong môi trường hơi nước nhiệt độ cao, Si3N4 có thể thay thế zirconia để ngăn chặn sự phân hủy thủy nhiệt. Với ngân sách eo hẹp hơn, máy cô đặc có thể chọn SiC hoặc alumina. Cả hai vật liệu đều có độ cứng cao nhưng không cứng hơn zirconia hoặc silicon nitride. Điều này cho thấy vật liệu này rất phù hợp cho các ứng dụng thành phần tĩnh, chẳng hạn như ống lót van và mặt tựa van, thay vì bi van hoặc đĩa van chịu ứng suất cao hơn. So với các vật liệu kim loại được sử dụng trong các ứng dụng van đòi hỏi khắt khe (bao gồm sắt thép (CrFe), cacbua vonfram, Hastelloy và Stellite), vật liệu gốm tiên tiến có độ bền thấp hơn và độ bền tương tự. Các ứng dụng dịch vụ đòi hỏi khắt khe liên quan đến việc sử dụng các van quay, chẳng hạn như van bướm, van trục, van bi nổi và lò xo. Trong các ứng dụng như vậy, Si3N4 và zirconia có khả năng chống sốc nhiệt, độ bền và độ bền, đồng thời có thể thích ứng với những môi trường đòi hỏi khắt khe nhất. Do độ cứng và khả năng chống ăn mòn của vật liệu, tuổi thọ của linh kiện gấp nhiều lần so với linh kiện kim loại. Các lợi ích khác bao gồm các đặc tính hiệu suất trong suốt vòng đời của van, đặc biệt là ở những khu vực duy trì khả năng cắt và kiểm soát. Điều này đã được chứng minh trong trường hợp quả bóng kynar/RTFE van 65mm (2,6 inch) và lớp lót tiếp xúc với axit sulfuric 98% cộng với ilmenit, ilmenit được chuyển thành sắc tố oxit titan. Bản chất ăn mòn của vật liệu in có nghĩa là tuổi thọ của các bộ phận này có thể kéo dài tới sáu tuần. Tuy nhiên, việc sử dụng viền van hình cầu (một loại zirconia ổn định một phần oxit magie độc ​​quyền (Mg-PSZ)) do Nilcra™ sản xuất (Hình 1) có độ cứng và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và đã được cung cấp trong ba năm. Dịch vụ không liên tục, không có bất kỳ hao mòn nào có thể phát hiện được. Trong các loại van tuyến tính (bao gồm van góc, van tiết lưu hoặc van cầu), do đặc tính “đế cứng” của các sản phẩm này nên zirconia và silicon nitride phù hợp cho cả nút van và đế van. Tương tự, alumina có thể được sử dụng trong một số lớp lót và lồng nhất định. Thông qua quả bóng phù hợp trên vòng ghế, có thể đạt được mức độ kín cao. Đối với lõi van, bao gồm van ống, đầu vào và đầu ra hoặc ống lót thân van, có thể sử dụng bất kỳ một trong bốn vật liệu gốm chính theo yêu cầu ứng dụng. Độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn của vật liệu đã được chứng minh là có lợi về hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm. Lấy van bướm DN150 được sử dụng trong nhà máy lọc bauxite của Úc làm ví dụ. Hàm lượng silica cao trong môi trường gây ra mức độ mài mòn cao trên ống lót van. Lớp lót và đĩa van được sử dụng ban đầu được làm bằng hợp kim CrFe 28% và chỉ tồn tại được từ 8 đến 10 tuần. Tuy nhiên, do sự ra đời của van làm từ Nilcra™ zirconia (Hình 2), tuổi thọ sử dụng đã tăng lên 70 tuần. Do độ dẻo dai và độ bền cao, gốm sứ hoạt động tốt trong hầu hết các ứng dụng van. Tuy nhiên, chính độ cứng và khả năng chống ăn mòn của chúng mới giúp kéo dài tuổi thọ của van. Đổi lại, điều này giúp giảm chi phí của toàn bộ vòng đời bằng cách giảm thời gian ngừng hoạt động của các bộ phận thay thế, giảm vốn lưu động và hàng tồn kho, xử lý thủ công ở mức tối thiểu và cải thiện độ an toàn thông qua giảm rò rỉ. Trong một thời gian dài, việc ứng dụng vật liệu gốm trong van áp suất cao là một trong những mối quan tâm chính, bởi vì các van này phải chịu tải trọng trục hoặc xoắn cao. Tuy nhiên, những công ty lớn trong lĩnh vực này đang phát triển các thiết kế bi van nhằm cải thiện khả năng tồn tại của mô-men xoắn truyền động. Hạn chế lớn khác là kích thước. Kích thước của đế van lớn nhất và bóng van lớn nhất (Hình 3) được tạo ra bởi zirconia ổn định một phần magie lần lượt là DN500 và DN250. Tuy nhiên, hầu hết các nhà sản xuất hiện nay đều thích sử dụng gốm sứ để chế tạo các bộ phận có kích thước không vượt quá các kích thước này. Mặc dù vật liệu gốm hiện đã được chứng minh là sự lựa chọn phù hợp nhưng vẫn có một số nguyên tắc đơn giản cần tuân theo để tối đa hóa hiệu suất của chúng. Vật liệu gốm chỉ nên được sử dụng trước tiên nếu có nhu cầu giảm chi phí. Cả bên trong và bên ngoài nên tránh các góc nhọn và tập trung ứng suất. Bất kỳ sự không phù hợp về giãn nở nhiệt tiềm ẩn nào cũng phải được xem xét trong giai đoạn thiết kế. Để giảm bớt căng thẳng cho vòng đai, cần phải giữ gốm ở bên ngoài thay vì bên trong. Cuối cùng, cần phải xem xét cẩn thận nhu cầu về dung sai hình học và độ hoàn thiện bề mặt, vì những dung sai này có thể làm tăng đáng kể các chi phí không cần thiết. Bằng cách tuân theo các nguyên tắc và phương pháp thực hành tốt nhất này trong việc lựa chọn vật liệu và phối hợp với các nhà cung cấp ngay từ đầu dự án, bạn có thể đạt được giải pháp lý tưởng cho từng ứng dụng dịch vụ đòi hỏi khắt khe. Thông tin này được thu thập, xem xét và điều chỉnh từ các tài liệu do Morgan Advanced Materials cung cấp. Vật liệu-Gốm kỹ thuật tiên tiến Morgan. (ngày 28 tháng 11 năm 2019). Vật liệu gốm tiên tiến phù hợp cho các ứng dụng dịch vụ nghiêm túc. AZoM. Được lấy từ https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 vào ngày 26 tháng 5 năm 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Vật liệu gốm tiên tiến cho các ứng dụng dịch vụ nghiêm túc". AZoM. Ngày 26 tháng 5 năm 2021 . Vật liệu-Gốm kỹ thuật tiên tiến Morgan. "Vật liệu gốm tiên tiến cho các ứng dụng dịch vụ nghiêm túc". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Truy cập vào ngày 26 tháng 5 năm 2021). Vật liệu-Gốm kỹ thuật tiên tiến Morgan. 2019. Vật liệu gốm tiên tiến phù hợp cho các ứng dụng dịch vụ nghiêm túc. AZoM, được xem vào ngày 26 tháng 5 năm 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM đã nói chuyện với các Phó Giáo sư Arda Gozen, George và Joan Berry từ Đại học Bang Washington. Arda là thành viên của một nhóm gồm nhiều tổ chức chuyên tạo ra các giàn mô được thiết kế bằng cách bắt chước các đặc điểm của mô người. Trong cuộc phỏng vấn này, AZoM đã nói chuyện với Tiến sĩ Tim Nunney và Tiến sĩ Adam Bushell của Thermo Fisher Scientific về hệ thống phân tích bề mặt Nexsa G2. Trong cuộc phỏng vấn này, AZoM và Tiến sĩ Juan Araneda, người đứng đầu bộ phận hóa học ứng dụng của Nanalysis, đã nói về việc sử dụng và tiện ích ngày càng tăng của NMR cũng như cách hỗ trợ phân tích cặn lithium. Máy quang phổ phóng điện phát sáng GDS850 của Leco có thể được sử dụng để phân tích các vật liệu luyện kim khác nhau. Nó cũng cung cấp một hồ sơ định lượng độ sâu của vật liệu. Nó có phạm vi 120-800 nm và rất linh hoạt. Các trung tâm tiện dòng Hardinge® T và các trung tâm tiện dòng SUPER-PRECISION® T được công nhận dẫn đầu thị trường trong các ứng dụng tiện siêu chính xác và tiện cứng. Chúng tôi sử dụng cookie để cải thiện trải nghiệm của bạn. Bằng cách tiếp tục duyệt trang web này, bạn đồng ý với việc chúng tôi sử dụng cookie. Thêm thông tin.