Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis exigents

Utilitzem cookies per millorar la teva experiència. En continuar navegant per aquest lloc web, acceptes el nostre ús de cookies. Més informació.
No hi ha una definició oficial de servei estricte. Es pot entendre com a condicions de funcionament on el cost de substitució de la vàlvula és elevat o la capacitat de processament es redueix.
Hi ha una necessitat global de reduir els costos de producció dels processos per tal d'augmentar la rendibilitat de tots els sectors implicats en condicions de servei deficients. Aquests van des de petroli i gas i productes petroquímics fins a l'energia nuclear i la generació d'energia, el processament de minerals i la mineria.
Dissenyadors i enginyers intenten aconseguir aquest objectiu de diferents maneres. El mètode més adequat és augmentar el temps de funcionament i l'eficiència controlant eficaçment els paràmetres del procés (com ara l'aturada efectiva i el control de flux optimitzat).
L'optimització de la seguretat també té un paper vital, perquè reduir la substitució pot conduir a un entorn de producció més segur. A més, l'empresa està treballant per minimitzar l'inventari d'equips, incloses bombes i vàlvules, i l'eliminació necessària. Al mateix temps, els propietaris de les instal·lacions esperen un gran canvi en els seus actius. Com a resultat, l'augment de la capacitat de processament dóna lloc a menys canonades i equips (però diàmetres més grans) i menys instruments per al mateix flux de producte.
Això indica que, a més d'haver de ser més gran per a un diàmetre de canonada més ampli, un únic component del sistema també ha de suportar una exposició prolongada a entorns durs per reduir la necessitat de manteniment i substitució en servei.
Els components, incloses les vàlvules i les boles de vàlvules, han de ser robusts per adaptar-se a l'aplicació requerida, però també poden proporcionar una vida útil més llarga. Tanmateix, un problema important amb la majoria d'aplicacions és que les peces metàl·liques han arribat al límit del seu rendiment. Això indica que els dissenyadors poden trobar alternatives als materials no metàl·lics, especialment materials ceràmics, per a aplicacions de servei exigents.
Els paràmetres típics necessaris per operar components en condicions de servei severes inclouen la resistència al xoc tèrmic, la resistència a la corrosió, la resistència a la fatiga, la duresa, la resistència i la tenacitat.
La resiliència és un paràmetre clau, perquè els components que són menys resistents poden fallar catastròficament. La tenacitat dels materials ceràmics es defineix com la resistència a la propagació d'esquerdes. En alguns casos, es pot mesurar mitjançant el mètode de sagnat, donant lloc a valors artificialment alts. L'ús d'un feix d'incisió d'un sol costat pot proporcionar mesures precises.
La resistència està relacionada amb la tenacitat, però es refereix al punt únic en què un material falla catastròficament quan s'aplica una tensió. Es coneix comunament com el "mòdul de ruptura" i es mesura realitzant una mesura de la resistència a la flexió de tres o quatre punts en una vareta de prova. La prova de tres punts proporciona un valor que és un 1% superior a la prova de quatre punts.
Tot i que la duresa es pot mesurar amb una varietat d'escales com Rockwell i Vickers, l'escala de microduresa Vickers és molt adequada per a materials ceràmics avançats. La duresa és directament proporcional a la resistència al desgast del material.
En una vàlvula que funciona en un mètode cíclic, la fatiga és un problema important a causa de l'obertura i el tancament continus de la vàlvula. La fatiga és el llindar de resistència, més enllà del qual el material sovint fallarà per sota de la seva resistència a la flexió normal.
La resistència a la corrosió depèn de l'entorn operatiu i del medi que conté el material. En aquest camp, molts materials ceràmics avançats tenen avantatges sobre els metalls, excepte la "degradació hidrotèrmica", que es produeix quan alguns materials a base de zirconi estan exposats a vapor d'alta temperatura.
La geometria de la peça, el coeficient d'expansió tèrmica, la conductivitat tèrmica, la duresa i la resistència es veuen afectats pel xoc tèrmic. Aquesta és una àrea favorable a una alta conductivitat tèrmica i duresa, de manera que les peces metàl·liques poden funcionar amb eficàcia. Tanmateix, els avenços en els materials ceràmics ofereixen ara nivells acceptables de resistència al xoc tèrmic.
La ceràmica avançada s'ha utilitzat durant molts anys i és popular entre els enginyers de fiabilitat, enginyers de plantes i dissenyadors de vàlvules que requereixen un alt rendiment i valor. Segons els requisits específics d'aplicació, hi ha diferents formulacions individuals adequades per a una àmplia gamma d'indústries. No obstant això, quatre ceràmiques avançades són de gran importància en el camp de les vàlvules de servei greu. Inclouen carbur de silici (SiC), nitrur de silici (Si3N4), alúmina i zirconi. Els materials de la vàlvula i la bola de la vàlvula es seleccionen segons els requisits específics de l'aplicació.
A les vàlvules s'utilitzen dues formes principals de zirconi, ambdues tenen el mateix coeficient d'expansió tèrmica i rigidesa que l'acer. La zirconia parcialment estabilitzada d'òxid de magnesi (Mg-PSZ) té la major resistència al xoc tèrmic i la duresa, mentre que l'òxid d'itri tetragonal zirconia policristalina (Y-TZP) és més dura i més forta, però és susceptible a la degradació hidrotermal.
El nitrur de silici (Si3N4) té diferents formulacions. El nitrur de silici sinteritzat a pressió de gas (GPPSN) és el material més utilitzat per a vàlvules i components de vàlvules. A més de la seva duresa mitjana, també proporciona una gran duresa i resistència, una excel·lent resistència al xoc tèrmic i estabilitat tèrmica. A més, Si3N4 és un substitut adequat de la zirconia en entorns de vapor d'alta temperatura per evitar la degradació hidrotèrmica.
Quan el pressupost és ajustat, el especificador pot triar carbur de silici o alúmina. Tots dos materials tenen una duresa elevada, però no són més durs que el zirconi o el nitrur de silici. Això demostra que el material és molt adequat per a aplicacions de components estàtics, com ara revestiments de vàlvules i seients de vàlvules, en lloc de boles o discos de vàlvules que estan sotmesos a una major tensió.
En comparació amb els materials metàl·lics utilitzats en aplicacions de vàlvules de servei dures (incloent-hi ferrocrom (CrFe), carbur de tungstè, Hastelloy i Stellite), els materials ceràmics avançats tenen una resistència més baixa i una resistència similar.
Les aplicacions de servei greus impliquen l'ús de vàlvules rotatives, com ara vàlvules de papallona, ​​muñóns, vàlvules de bola flotant i vàlvules de molla. En aquestes aplicacions, el Si3N4 i el zirconi presenten resistència al xoc tèrmic, duresa i força per adaptar-se als entorns més exigents. A causa de la duresa i la resistència a la corrosió del material, la vida útil de les peces augmenta diverses vegades que la de les peces metàl·liques. Altres avantatges inclouen les característiques de rendiment de la vàlvula al llarg de la seva vida útil, especialment en zones on manté la seva capacitat de tancament i control.
Això es va demostrar en una aplicació on una bola i un revestiment kynar/RTFE de vàlvula de 65 mm (2,6 polzades) es van exposar a un 98% d'àcid sulfúric i ilmenita, que s'està convertint en pigment d'òxid de titani. La naturalesa corrosiva dels mitjans fa que aquests components puguin durar fins a sis setmanes. No obstant això, l'ús de la vàlvula de bola feta per Nilcra!" (Figura 1), que és un òxid de magnesi patentat de zirconi parcialment estabilitzat (Mg-PSZ), té una duresa i una resistència a la corrosió excel·lents i poden proporcionar tres anys de servei ininterromput sense cap tipus de detector. desgast.
En vàlvules lineals incloses vàlvules d'angle, vàlvules d'acceleració o vàlvules de globus, el zirconi i el nitrur de silici són adequats per a taps de vàlvules i seients de vàlvules, gràcies a les característiques de "seient dur" d'aquests productes. De la mateixa manera, l'alúmina es pot utilitzar per a algunes juntes i gàbies. En combinar boles de mòlta al seient de la vàlvula, es pot aconseguir un alt grau de segellat.
Per al revestiment de la vàlvula, inclòs el nucli de la vàlvula, l'entrada i la sortida o el revestiment del cos de la vàlvula, es pot utilitzar qualsevol dels quatre materials ceràmics principals segons els requisits de l'aplicació. L'elevada duresa i resistència a la corrosió del material va resultar beneficiosa pel que fa al rendiment del producte i la vida útil.
Preneu com a exemple la vàlvula de papallona DN150 que s'utilitza a la refineria de bauxita australiana. L'alt contingut de sílice en el medi proporciona un alt nivell de desgast al revestiment de la vàlvula. Les juntes i els discos utilitzats inicialment estan fets d'un aliatge CrFe al 28% i només poden durar de vuit a deu setmanes. Tanmateix, amb les vàlvules fetes de zirconi Nilcra!" (Figura 2), la vida útil ha augmentat fins a 70 setmanes.
A causa de la seva duresa i resistència, la ceràmica funciona bé en la majoria d'aplicacions de vàlvules. Tanmateix, és la seva duresa i resistència a la corrosió les que ajuden a augmentar la vida útil de la vàlvula. Això al seu torn redueix el cost de tot el cicle de vida reduint el temps d'inactivitat de les peces de recanvi, reduint el capital de treball i l'inventari, la manipulació manual mínima i la millora de la seguretat reduint les fuites.
Durant molt de temps, l'aplicació de materials ceràmics en vàlvules d'alta pressió ha estat una de les principals preocupacions, perquè aquestes vàlvules estan sotmeses a altes càrregues axials o torsionals. Tanmateix, els principals actors en aquest camp estan desenvolupant dissenys de boles de vàlvules per millorar la supervivència del parell de conducció.
L'altra gran limitació és l'escala. La mida del seient de la vàlvula més gran i la bola de la vàlvula més gran (figura 3) produïda per zirconi de magnesia parcialment estabilitzada és DN500 i DN250, respectivament. Tanmateix, la majoria dels especificadors prefereixen actualment components ceràmics d'aquestes mides.
Tot i que ara s'ha demostrat que el material ceràmic és una opció adequada, encara hi ha algunes pautes senzilles a seguir per maximitzar el seu rendiment. Els materials ceràmics només s'han d'utilitzar primer quan els costos s'han de reduir al mínim. S'han d'evitar els racons afilats i la concentració de l'estrès tant a l'interior com a l'exterior.
Qualsevol possible desajustament d'expansió tèrmica s'ha de tenir en compte durant la fase de disseny. Per tal de reduir l'estrès del cèrcol, la ceràmica s'ha de mantenir a l'exterior, no a l'interior. Finalment, s'ha de considerar acuradament la necessitat de toleràncies geomètriques i d'acabat superficial, ja que això augmentarà significativament els costos innecessaris.
Seguint aquestes directrius i bones pràctiques per a la selecció de materials i la coordinació amb els proveïdors des de l'inici del projecte, és possible aconseguir la solució ideal per a cada aplicació de servei difícil.
Aquesta informació es deriva de materials proporcionats per Morgan Advanced Materials i ha estat revisada i adaptada.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 de novembre de 2019). Materials ceràmics avançats per a aplicacions de servei exigents. AZoM. Recuperat de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 el 7 de desembre de 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis exigents”. AZoM. 7 de desembre de 2021. .
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis exigents”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consultat el 7 de desembre de 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis exigents. AZoM, consultat el 7 de desembre de 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
AZoM i el professor Guihua Yu de la Universitat de Texas a Austin van discutir un nou tipus de làmina d'hidrogel que pot convertir ràpidament l'aigua contaminada en aigua potable pura. Aquest nou procés pot tenir un impacte important per alleujar l'escassetat mundial d'aigua.
En aquesta entrevista, AZoM i Jurgen Schawe de METTLER TOLEDO van parlar sobre la calorimetria de xips d'escaneig ràpid i les seves diverses aplicacions.
AZoM va parlar amb el professor Oren Scherman sobre la seva investigació sobre un nou tipus d'hidrogel que pot aconseguir una compressibilitat extrema a alta pressió.
StructureScan Mini XT és l'eina perfecta per a l'escaneig de formigó; pot identificar amb precisió i rapidesa la profunditat i la posició d'objectes metàl·lics i no metàl·lics en el formigó.
Miniflex XpC és un difractòmetre de raigs X (XRD) dissenyat per al control de qualitat en plantes de ciment i altres operacions que requereixen control de processos en línia (com ara productes farmacèutics i bateries).
Raman Building Block 1064 consta dels components necessaris següents: espectròmetre, làser de 1064 nm, sonda de mostreig i altres accessoris opcionals.