مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة القاسية

لا يوجد تعريف رسمي للخدمة. يمكن اعتبارها إشارة إلى التكلفة العالية لاستبدال الصمام أو ظروف العمل التي تقلل من قدرة المعالجة.
الحاجة العالمية إلى خفض تكاليف إنتاج العمليات من أجل تحسين ربحية كافة القطاعات التي تعمل في ظروف خدمة قاسية. وتتراوح هذه القطاعات من النفط والغاز والبتروكيماويات إلى الطاقة النووية وتوليد الطاقة ومعالجة المعادن والتعدين.
يحاول المصممون والمهندسون تحقيق هذا الهدف بطرق مختلفة. الطريقة الأكثر ملاءمة هي زيادة وقت التشغيل والكفاءة من خلال التحكم الفعال في معلمات العملية (مثل الإغلاق الفعال والتحكم الأمثل في التدفق).
كما يلعب تحسين السلامة دورًا حيويًا، لأن تقليل عدد عمليات الاستبدال يمكن أن يؤدي إلى بيئة إنتاج أكثر أمانًا. بالإضافة إلى ذلك، تعمل الشركة على تقليل مخزون المعدات (بما في ذلك المضخات والصمامات) والتخلص منها. في الوقت نفسه، يتوقع أصحاب المرافق معدل دوران ضخم من أصولهم. وبالتالي، فإن زيادة القدرة على المعالجة ستؤدي إلى عدد أقل (ولكن بقطر أكبر) من الأنابيب والمعدات وعدد أقل من الأدوات لنفس سلسلة المنتجات.
يوضح هذا أنه بالإضافة إلى الاضطرار إلى استخدام مكونات نظام فردية أكبر لأقطار الأنابيب الأوسع، فمن الضروري أيضًا تحمل التعرض لفترات طويلة للبيئات القاسية لتقليل متطلبات الصيانة والاستبدال أثناء الخدمة.
يجب أن تكون المكونات بما في ذلك الصمامات وكرات الصمامات قوية ومتينة لتناسب التطبيق المطلوب، ولكنها قد تطيل عمرها أيضًا. ومع ذلك، فإن المشكلة الرئيسية في معظم التطبيقات هي أن الأجزاء المعدنية وصلت إلى حدود أدائها. وهذا يشير إلى أن المصممين قد يجدون بدائل للمواد غير المعدنية في التطبيقات الصعبة، وخاصة المواد الخزفية.
تتضمن المعلمات النموذجية المطلوبة لتشغيل المكونات في ظل ظروف قاسية مقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التعب، والصلابة، والقوة، والصلابة.
المرونة هي أحد المعايير الأساسية، لأن المكونات الأقل مرونة قد تفشل بشكل كارثي. تُعرَّف صلابة المواد الخزفية بأنها مقاومة انتشار الشقوق. في بعض الحالات، يمكن قياسها باستخدام طريقة البصمة للحصول على قيمة عالية بشكل مصطنع. يمكن أن يوفر استخدام شعاع شق أحادي الجانب نتائج قياس دقيقة.
ترتبط القوة بالصلابة، ولكنها تشير إلى نقطة واحدة حيث تتعرض المادة لضرر كارثي عند تطبيق الإجهاد. يشار إليها عادةً باسم "معامل الكسر" ويتم الحصول عليها عن طريق قياس قوة الانحناء في ثلاث نقاط أو أربع نقاط على قضيب اختبار. قيمة اختبار النقاط الثلاث أعلى بنسبة 1% من قيمة اختبار النقاط الأربع.
على الرغم من إمكانية استخدام العديد من المقاييس بما في ذلك مقياس صلابة روكويل ومقياس صلابة فيكرز لقياس الصلابة، إلا أن مقياس صلابة فيكرز مناسب جدًا للمواد الخزفية المتقدمة. تتغير الصلابة بالتناسب مع مقاومة التآكل للمادة.
في الصمامات التي تعمل بطريقة دورية، يكون التعب هو الشاغل الرئيسي بسبب فتح وإغلاق الصمام بشكل مستمر. التعب هو عتبة القوة. بعد هذه العتبة، تميل المادة إلى الفشل تحت قوة الانحناء الطبيعية.
تعتمد مقاومة التآكل على بيئة التشغيل والوسط الذي يحتوي على المادة. بالإضافة إلى "التحلل المائي الحراري"، فإن العديد من المواد الخزفية المتقدمة متفوقة على المعادن في هذا المجال، وبعض المواد القائمة على الزركونيا سوف تخضع "للتحلل المائي الحراري" بعد تعرضها لبخار عالي الحرارة.
تتأثر هندسة المكونات ومعامل التمدد الحراري والتوصيل الحراري والمتانة والقوة بالصدمة الحرارية. هذه المنطقة مواتية للموصلية الحرارية العالية والمتانة، وبالتالي يمكن للمكونات المعدنية أن تعمل بشكل فعال. ومع ذلك، توفر التطورات في المواد الخزفية الآن مستويات مقبولة من مقاومة الصدمات الحرارية.
تم استخدام السيراميك المتقدم لسنوات عديدة وهو شائع بين مهندسي الموثوقية ومهندسي المصانع ومصممي الصمامات الذين يحتاجون إلى أداء عالٍ وقيمة عالية. وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة، فهو مناسب لصيغ مختلفة في مجموعة متنوعة من الصناعات. ومع ذلك، فإن أربعة سيراميك متقدم لها أهمية كبيرة في مجال الصيانة الدقيقة للصمامات، بما في ذلك كربيد السيليكون (SiC) ونتريد السيليكون (Si3N4) والألومينا والزركونيا. يتم اختيار مواد الصمام وكرة الصمام وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة.
يستخدم الصمام شكلين رئيسيين من الزركونيا، اللذان لهما نفس معامل التمدد الحراري وصلابة الفولاذ. يتمتع الزركونيا المستقر جزئيًا بأكسيد المغنيسيوم (Mg-PSZ) بأعلى مقاومة للصدمات الحرارية والصلابة، في حين أن الزركونيا المتعددة البلورات رباعية الزوايا من الإيتريا (Y-TZP) أكثر صلابة، ولكنها عرضة للتدهور الحراري المائي.
يحتوي نيتريد السيليكون (Si3N4) على صيغ مختلفة. يعد نيتريد السيليكون المتكلس تحت ضغط الغاز (GPPSN) المادة الأكثر استخدامًا في الصمامات ومكونات الصمامات. بالإضافة إلى صلابته المتوسطة، فإنه يتمتع أيضًا بصلابة وقوة عالية ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والاستقرار الحراري. بالإضافة إلى ذلك، في بيئات البخار ذات درجات الحرارة العالية، يمكن أن يحل Si3N4 محل الزركونيا لمنع التدهور الحراري المائي.
مع ميزانية أكثر صرامة، يمكن للمكثف الاختيار بين SiC أو الألومينا. تتمتع كلتا المادتين بصلابة عالية، لكنهما ليستا أكثر صلابة من الزركونيا أو نيتريد السيليكون. يوضح هذا أن المادة مناسبة جدًا لتطبيقات المكونات الثابتة، مثل بطانات الصمامات ومقاعد الصمامات، بدلاً من كرات الصمامات أو الأقراص التي تخضع لضغط أعلى.
بالمقارنة مع المواد المعدنية المستخدمة في تطبيقات الصمامات الصعبة (بما في ذلك الفيرروكروم (CrFe)، وكربيد التنغستن، والهاستيلوي والستيلايت)، فإن المواد السيراميكية المتقدمة تتمتع بصلابة أقل وقوة مماثلة.
تتضمن تطبيقات الخدمة الشاقة استخدام الصمامات الدوارة، مثل صمامات الفراشة، والمحور، وصمامات الكرة العائمة والينابيع. في مثل هذه التطبيقات، يتمتع Si3N4 والزركونيا بمقاومة الصدمات الحرارية، والصلابة والقوة، ويمكنهما التكيف مع البيئات الأكثر تطلبًا. نظرًا لصلابة المادة ومقاومتها للتآكل، فإن عمر خدمة المكون هو عدة مرات عمر المكون المعدني. تشمل المزايا الأخرى خصائص الأداء طوال عمر الصمام، وخاصة في المناطق التي يتم فيها الحفاظ على قدرات القطع والتحكم.
وقد تم إثبات ذلك في حالة صمام 65 مم (2.6 بوصة) من كرة وبطانة كينار/RTFE المعرضة لحمض الكبريتيك بنسبة 98% بالإضافة إلى الإلمنيت، حيث يتم تحويل الإلمنيت إلى صبغة أكسيد التيتانيوم. تعني الطبيعة التآكلية للوسائط أن عمر هذه المكونات يمكن أن يصل إلى ستة أسابيع. ومع ذلك، فإن استخدام تقليم الصمام الكروي (زركونيا مثبتة جزئيًا بأكسيد المغنيسيوم (Mg-PSZ)) المصنعة بواسطة Nilcra™ (الشكل 1) يتميز بصلابة ممتازة ومقاومة للتآكل وقد تم توفيره لمدة ثلاث سنوات. خدمة متقطعة، بدون أي تآكل يمكن اكتشافه.
في الصمامات الخطية (بما في ذلك الصمامات الزاوية أو صمامات الخانق أو الصمامات الكروية)، نظرًا لخصائص "المقعد الصلب" لهذه المنتجات، فإن الزركونيا ونتريد السيليكون مناسبان لكل من سدادات الصمامات ومقاعد الصمامات. وبالمثل، يمكن استخدام الألومينا في بطانات وأقفاص معينة. من خلال الكرة المطابقة على حلقة المقعد، يمكن تحقيق درجة عالية من الختم.
بالنسبة لقلب الصمام، بما في ذلك صمام البكرة، ومدخل ومخرج الصمام أو جلبة جسم الصمام، يمكن استخدام أي من المواد الخزفية الرئيسية الأربعة وفقًا لمتطلبات التطبيق. وقد أثبتت صلابة المادة العالية ومقاومتها للتآكل أنها مفيدة من حيث أداء المنتج وعمر الخدمة.
خذ صمام الفراشة DN150 المستخدم في مصفاة البوكسيت الأسترالية كمثال. يتسبب المحتوى العالي من السيليكا في الوسط في مستويات عالية من التآكل في بطانات الصمام. تم تصنيع البطانة وقرص الصمام المستخدمين في البداية من سبيكة CrFe بنسبة 28% ولم يستمر سوى ثمانية إلى عشرة أسابيع. ومع ذلك، نظرًا لتقديم الصمامات المصنوعة من زركونيا Nilcra™ (الشكل 2)، فقد تمت زيادة عمر الخدمة إلى 70 أسبوعًا.
بفضل صلابتها وقوتها، تعمل السيراميك بشكل جيد في معظم تطبيقات الصمامات. ومع ذلك، فإن صلابتها ومقاومتها للتآكل تساعد في إطالة عمر الصمام. وهذا بدوره يقلل من تكلفة دورة الحياة بالكامل من خلال تقليل وقت التوقف عن العمل لقطع الغيار، وخفض رأس المال العامل والمخزون، والحد الأدنى من المناولة اليدوية، وتحسين السلامة من خلال تقليل التسرب.
لفترة طويلة، كان استخدام المواد الخزفية في الصمامات ذات الضغط العالي أحد الاهتمامات الرئيسية، لأن هذه الصمامات تخضع لأحمال محورية أو التوائية عالية. ومع ذلك، فإن اللاعبين الرئيسيين في هذا المجال يعملون على تطوير تصميمات كرات الصمام التي تعمل على تحسين قدرة عزم التشغيل على البقاء.
إن القيد الرئيسي الآخر هو الحجم. إن حجم أكبر مقعد صمام وأكبر كرة صمام (الشكل 3) المنتجة بواسطة الزركونيا المستقرة جزئيًا بالمغنيسيوم هما DN500 وDN250 على التوالي. ومع ذلك، يفضل معظم واضعي المواصفات الحاليين استخدام السيراميك لصنع أجزاء لا تتجاوز أبعادها هذه الأبعاد.
على الرغم من أن المواد الخزفية أثبتت الآن أنها خيار مناسب، إلا أنه لا تزال هناك بعض الإرشادات البسيطة التي يجب اتباعها لتحقيق أقصى قدر من الأداء. يجب استخدام المواد الخزفية أولاً فقط إذا كانت هناك حاجة لخفض التكاليف. يجب تجنب الزوايا الحادة وتركيز الإجهاد سواء في الداخل أو الخارج.
يجب مراعاة أي عدم توافق محتمل للتمدد الحراري أثناء مرحلة التصميم. ومن أجل تقليل إجهاد الطوق، من الضروري إبقاء السيراميك في الخارج بدلاً من الداخل. وأخيرًا، يجب مراعاة الحاجة إلى التفاوتات الهندسية والتشطيب السطحي بعناية، حيث قد تؤدي هذه التفاوتات إلى زيادة التكاليف غير الضرورية بشكل كبير.
ومن خلال اتباع هذه المبادئ التوجيهية وأفضل الممارسات في اختيار المواد والتنسيق مع الموردين منذ بداية المشروع، يمكن التوصل إلى حل مثالي لكل تطبيق خدمة متطلب.
تم الحصول على هذه المعلومات ومراجعتها وتكييفها من المواد المقدمة من قبل شركة Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 نوفمبر 2019). مواد سيراميكية متقدمة مناسبة لتطبيقات الخدمة الجادة. AZoM. تم الاسترجاع من https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 في 26 مايو 2021.
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك التقني. "مواد السيراميك المتقدمة لتطبيقات الخدمة الجادة". AZoM. 26 مايو 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Advanced ceramic materials for seriously service applications". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (تم الوصول إليه في 26 مايو 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. مواد سيراميكية متقدمة مناسبة لتطبيقات الخدمة الجادة. AZoM، تمت المشاهدة في 26 مايو 2021، https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305.
تحدثت AZoM مع الأساتذة المساعدين أردا جوزين وجورج وجوان بيري من جامعة ولاية واشنطن. أردا هي جزء من فريق من المؤسسات المتعددة المخصصة لإنشاء هياكل من الأنسجة الهندسية عن طريق تقليد خصائص الأنسجة البشرية.
في هذه المقابلة، تحدثت AZoM مع الدكتور تيم نوني والدكتور آدم بوشيل من شركة Thermo Fisher Scientific حول نظام تحليل السطح Nexsa G2.
في هذه المقابلة، تحدث AZoM والدكتور خوان أرانيدا، رئيس الكيمياء التطبيقية في Nanalysis، عن الاستخدام المتزايد وفائدة الرنين المغناطيسي النووي وكيفية المساعدة في تحليل رواسب الليثيوم.
يمكن استخدام مطياف التفريغ المتوهج GDS850 من Leco لتحليل مختلف المواد المعدنية. كما يوفر أيضًا تحليلًا كميًا لعمق المادة. يتراوح نطاقه بين 120 و800 نانومتر وهو متعدد الاستخدامات.
تعتبر مراكز الخراطة من سلسلة Hardinge® T ومراكز الخراطة من سلسلة SUPER-PRECISION® T من الشركات الرائدة المعترف بها في السوق في تطبيقات الخراطة فائقة الدقة والصلبة.
نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتحسين تجربتك. من خلال الاستمرار في تصفح هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط. مزيد من المعلومات.