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 seriós. 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 del petroli i el gas i la petroquímica 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 demostra 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 desitjada, 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 on 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 amb òxid de magnesi (Mg-PSZ) té la resistència i la duresa al xoc tèrmic més altes, mentre que la zirconia tetragonal policristal·lina (Y-TZP) és més dura i més forta, però és susceptible a la degradació hidrotèrmica. 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, en entorns de vapor d'alta temperatura, Si3N4 és un substitut adequat de la zirconia, que pot prevenir 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 resistents que la zirconia 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 en comparació amb 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 demostra en una aplicació on una bola i un revestiment kynar/RTFE de vàlvula de 65 mm (2,6 polzades) estan exposats a un 98% d'àcid sulfúric i ilmenita, que s'està convertint en pigment d'òxid de titani. La naturalesa corrosiva dels mitjans significa que la vida d'aquests components pot arribar a ser de sis setmanes. No obstant això, l'ús de l'ajust de la vàlvula de bola fabricat 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. A les vàlvules lineals, incloses les vàlvules angulars, les vàlvules d'acceleració o les vàlvules de globus, a causa de les característiques de "segell dur" d'aquests productes, el zirconi i el nitrur de silici són adequats per a taps de vàlvules i seients de vàlvules. 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 estaven fets d'un aliatge CrFe al 28% i només van 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 un dels principals problemes, ja que 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) produïdes a partir de zirconi parcialment estabilitzat amb òxid de magnesi és DN500 i DN250, respectivament. Tanmateix, la majoria dels especificadors prefereixen actualment la ceràmica per a components per sota d'aquestes mides. Tot i que ara s'ha demostrat que els materials ceràmics són una opció adequada, cal seguir algunes pautes senzilles 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 seleccionar materials i coordinar-se amb els proveïdors des de l'inici del projecte, es pot aconseguir una 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 juliol de 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis exigents". AZoM. 7 de juliol 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 juliol de 2021). Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materials ceràmics avançats per a aplicacions de serveis exigents. AZoM, consultat el 7 de juliol de 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. AZoM i el director general de Camfil al Regne Unit, David Moulton, van discutir les solucions de filtració d'aire de l'empresa i com poden ajudar a oferir un entorn de treball més segur per a la gent del sector de la construcció. En aquesta entrevista, AZoM i el director de producte d'ELTRA, el Dr. Alan Klostermeier, van parlar sobre l'anàlisi O/N/H ràpida i fiable de peses de mostres elevats. En aquesta entrevista, AZoM i Chuck Cimino, director de producte sènior de Lake Shore Cryotronics, van discutir els avantatges del seu sistema de mesurament de font de sincronització M81. Zeus Bioweb™ és una tecnologia que electrospun PTFE en fibres de polímer amb diàmetres extremadament petits que van des dels nanòmetres fins als micròmetres. El programari d'anàlisi tèrmica STARe de METTLER TOLEDO ofereix una flexibilitat increïble i possibilitats d'avaluació il·limitades.