Avancerede keramiske materialer til krævende serviceapplikationer

Vi bruger cookies til at forbedre din oplevelse. Ved at fortsætte med at browse på denne hjemmeside accepterer du vores brug af cookies. Mere information.
Der er ingen officiel definition af streng service. Det kan forstås som driftsforhold, hvor ventiludskiftningsomkostningerne er høje, eller behandlingskapaciteten er reduceret.
Der er et globalt behov for at reducere procesproduktionsomkostningerne for at øge rentabiliteten for alle sektorer, der er involveret i dårlige serviceforhold. Disse spænder fra olie og gas og petrokemiske produkter til kerneenergi og elproduktion, mineralforarbejdning og minedrift.
Designere og ingeniører forsøger at nå dette mål på forskellige måder. Den mest passende metode er at øge oppetiden og effektiviteten ved effektivt at kontrollere procesparametre (såsom effektiv nedlukning og optimeret flowkontrol).
Sikkerhedsoptimering spiller også en afgørende rolle, fordi reduktion af udskiftning kan føre til et mere sikkert produktionsmiljø. Derudover arbejder virksomheden på at minimere udstyrsbeholdning, herunder pumper og ventiler, og den nødvendige bortskaffelse. Samtidig forventer anlægsejere et stort skift i deres aktiver. Som et resultat resulterer øget forarbejdningskapacitet i færre rør og udstyr (men større diametre) og færre instrumenter til den samme produktstrøm.
Dette indikerer, at ud over at skulle være større for en bredere rørdiameter, skal en enkelt systemkomponent også modstå langvarig udsættelse for barske miljøer for at reducere behovet for vedligeholdelse og udskiftning under drift.
Komponenter, herunder ventiler og ventilkugler, skal være robuste for at passe til den krævede anvendelse, men kan også give en længere levetid. Et stort problem med de fleste applikationer er dog, at metaldele har nået grænsen for deres ydeevne. Dette indikerer, at designere kan finde alternativer til ikke-metalliske materialer, især keramiske materialer, til krævende serviceapplikationer.
Typiske parametre, der kræves for at betjene komponenter under svære driftsforhold, omfatter termisk stødmodstand, korrosionsbestandighed, udmattelsesbestandighed, hårdhed, styrke og sejhed.
Resiliens er en nøgleparameter, fordi komponenter, der er mindre modstandsdygtige, kan svigte katastrofalt. Sejheden af ​​keramiske materialer er defineret som modstanden mod revneudbredelse. I nogle tilfælde kan det måles ved hjælp af indrykningsmetoden, hvilket resulterer i kunstigt høje værdier. Brugen af ​​en enkeltsidet snitstråle kan give nøjagtige målinger.
Styrke er relateret til sejhed, men refererer til det enkelte punkt, hvor et materiale svigter katastrofalt, når der påføres stress. Det omtales almindeligvis som "brudmodulet" og måles ved at udføre en tre- eller firepunkts bøjningsstyrkemåling på en teststang. Trepunktstesten giver en værdi, der er 1 % højere end firepunktstesten.
Selvom hårdhed kan måles med en række forskellige skalaer, inklusive Rockwell og Vickers, er Vickers mikrohårdhedsskala meget velegnet til avancerede keramiske materialer. Hårdheden er direkte proportional med materialets slidstyrke.
I en ventil, der opererer i en cyklisk metode, er træthed et stort problem på grund af den kontinuerlige åbning og lukning af ventilen. Træthed er styrketærsklen, over hvilken materialet ofte vil svigte under sin normale bøjningsstyrke.
Korrosionsbestandighed afhænger af driftsmiljøet og mediet, der indeholder materialet. På dette område har mange avancerede keramiske materialer fordele i forhold til metaller, bortset fra "hydrotermisk nedbrydning", som opstår, når nogle zirconiumoxidbaserede materialer udsættes for højtemperaturdamp.
Delens geometri, termisk udvidelseskoefficient, termisk ledningsevne, sejhed og styrke påvirkes af termisk stød. Dette er et område, der fremmer høj varmeledningsevne og sejhed, så metaldele kan fungere effektivt. Fremskridt inden for keramiske materialer giver imidlertid nu acceptable niveauer af modstand mod termisk stød.
Avanceret keramik har været brugt i mange år og er populær blandt pålidelighedsingeniører, anlægsingeniører og ventildesignere, som kræver høj ydeevne og værdi. I henhold til specifikke anvendelseskrav er der forskellige individuelle formuleringer, der er egnede til en lang række industrier. Fire avancerede keramik har dog stor betydning inden for svære serviceventiler. De omfatter siliciumcarbid (SiC), siliciumnitrid (Si3N4), aluminiumoxid og zirconiumoxid. Materialerne til ventilen og ventilkuglen vælges i henhold til de specifikke anvendelseskrav.
To hovedformer for zirconia anvendes i ventiler, som begge har samme termiske udvidelseskoefficient og stivhed som stål. Magnesiumoxid delvist stabiliseret zirconia (Mg-PSZ) har den højeste termiske stødmodstand og sejhed, mens yttriumoxid tetragonal zirconia polycrystalline (Y-TZP) er hårdere og stærkere, men er modtagelig for hydrotermisk nedbrydning.
Siliciumnitrid (Si3N4) har forskellige formuleringer. Gastryksintret siliciumnitrid (GPPSN) er det mest almindeligt anvendte materiale til ventiler og ventilkomponenter. Ud over dens gennemsnitlige sejhed giver den også høj hårdhed og styrke, fremragende termisk stødmodstand og termisk stabilitet. Derudover er Si3N4 en velegnet erstatning for zirconia i højtemperaturdampmiljøer for at forhindre hydrotermisk nedbrydning.
Når budgettet er stramt, kan leverandøren vælge siliciumcarbid eller aluminiumoxid. Begge materialer har høj hårdhed, men er ikke hårdere end zirconia eller siliciumnitrid. Dette viser, at materialet er meget velegnet til statiske komponentanvendelser, såsom ventilforinger og ventilsæder, frem for ventilkugler eller skiver, der udsættes for højere belastning.
Sammenlignet med de metalmaterialer, der bruges i barske serviceventilapplikationer (herunder ferrochrom (CrFe), wolframcarbid, Hastelloy og Stellite), har avancerede keramiske materialer lavere sejhed og lignende styrke.
Alvorlige serviceapplikationer involverer brugen af ​​roterende ventiler, såsom spjældventiler, tapp, flydende kugleventiler og fjederventiler. I sådanne applikationer udviser Si3N4 og zirconia termisk stødmodstand, sejhed og styrke til at tilpasse sig de mest krævende miljøer. På grund af materialets hårdhed og korrosionsbestandighed øges delenes levetid flere gange end metaldelenes. Andre fordele omfatter ventilens ydeevnekarakteristika over dens levetid, især i områder, hvor den bevarer sin lukkekapacitet og kontrol.
Dette blev demonstreret i en applikation, hvor en 65 mm (2,6 tommer) ventil kynar/RTFE kugle og liner blev udsat for 98 % svovlsyre og ilmenit, som omdannes til titaniumoxidpigment. Mediernes ætsende karakter betyder, at disse komponenter kan holde i op til seks uger. Brugen af ​​kugleventilstrimler lavet af Nilcra!" (Figur 1), som er en proprietær magnesiumoxid delvist stabiliseret zirconia (Mg-PSZ), har fremragende hårdhed og korrosionsbestandighed og kan give tre års uafbrudt service uden nogen detekterbar slitage.
I lineære ventiler, inklusive vinkelventiler, drosselventiler eller kugleventiler, er zirkoniumoxid og siliciumnitrid velegnet til ventilpropper og ventilsæder, takket være disse produkters "hårde sæde"-egenskaber. På samme måde kan aluminiumoxid bruges til nogle pakninger og bure. Ved at matche slibekugler på ventilsædet kan der opnås en høj grad af tætning.
Til ventilbeklædning, inklusive ventilkerne, indløb og udløb eller ventilhusbeklædning, kan et hvilket som helst af de fire keramiske hovedmaterialer bruges i henhold til applikationskravene. Materialets høje hårdhed og korrosionsbestandighed viste sig at være gavnlig med hensyn til produktets ydeevne og levetid.
Tag DN150 sommerfugleventilen brugt i det australske bauxitraffinaderi som et eksempel. Det høje indhold af silica i mediet giver et højt slid på ventilforingen. De pakninger og skiver, der oprindeligt blev brugt, er lavet af 28% CrFe-legering og kan kun holde otte til ti uger. Men med ventiler lavet af Nilcra!" zirconia (Figur 2) er levetiden øget til 70 uger.
På grund af dets sejhed og styrke fungerer keramik godt i de fleste ventilapplikationer. Det er dog deres hårdhed og korrosionsbestandighed, der er med til at øge ventilens levetid. Dette reducerer igen omkostningerne for hele livscyklussen ved at reducere nedetiden for reservedele, reducere driftskapital og lagerbeholdning, minimal manuel håndtering og forbedre sikkerheden ved at reducere lækage.
I lang tid har anvendelsen af ​​keramiske materialer i højtryksventiler været en af ​​de største bekymringer, fordi disse ventiler er udsat for høje aksiale eller torsionsbelastninger. Men store aktører på dette område udvikler nu ventilkugledesigns for at forbedre overlevelsesevnen af ​​drivmoment.
Den anden store begrænsning er skalaen. Størrelsen af ​​det største ventilsæde og største ventilkugle (Figur 3) fremstillet af delvist stabiliseret magnesia zirconia er henholdsvis DN500 og DN250. Imidlertid foretrækker de fleste specifikationer i øjeblikket keramiske komponenter af disse størrelser.
Selvom det keramiske materiale nu har vist sig at være et passende valg, er der stadig nogle enkle retningslinjer at følge for at maksimere dets ydeevne. Keramiske materialer bør kun bruges først, når omkostningerne skal holdes på et minimum. Skarpe hjørner og stresskoncentration bør undgås både inde og ude.
Enhver potentiel termisk ekspansionsmismatch skal tages i betragtning under designfasen. For at reducere bøjlespændingen skal keramikken holdes på ydersiden, ikke inde. Endelig bør behovet for geometriske tolerancer og overfladebehandling nøje overvejes, da disse vil øge unødvendige omkostninger markant.
Ved at følge disse retningslinjer og bedste praksis for valg af materialer og koordinering med leverandører fra starten af ​​projektet, er det muligt at opnå den ideelle løsning til enhver barsk serviceapplikation.
Disse oplysninger stammer fra materialer leveret af Morgan Advanced Materials og er blevet gennemgået og tilpasset.
Morgan Advanced Materials-Teknisk Keramik. (2019, 28. november). Avancerede keramiske materialer til krævende serviceapplikationer. AZoM. Hentet fra https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 den 7. december 2021.
Morgan Advanced Materials-Teknisk Keramik. "Avancerede keramiske materialer til krævende serviceapplikationer". AZoM. 7. december 2021. .
Morgan Advanced Materials-Teknisk Keramik. "Avancerede keramiske materialer til krævende serviceapplikationer". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Få adgang den 7. december 2021).
Morgan Advanced Materials-Teknisk Keramik. 2019. Avancerede keramiske materialer til krævende serviceapplikationer. AZoM, set den 7. december 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
AZoM og professor Guihua Yu fra University of Texas i Austin diskuterede en ny type hydrogelplade, der hurtigt kan omdanne forurenet vand til rent drikkevand. Denne nye proces kan have en stor indflydelse på at afhjælpe den globale vandmangel.
I dette interview talte AZoM og Jurgen Schawe fra METTLER TOLEDO om hurtig scanning af chipkalorimetri og dens forskellige anvendelser.
AZoM talte med professor Oren Scherman om hans forskning i en ny type hydrogel, der kan opnå ekstrem komprimerbarhed under højt tryk.
StructureScan Mini XT er det perfekte værktøj til betonscanning; den kan nøjagtigt og hurtigt identificere dybden og positionen af ​​metalliske og ikke-metalliske genstande i beton.
Miniflex XpC er et røntgendiffraktometer (XRD) designet til kvalitetskontrol i cementfabrikker og andre operationer, der kræver online proceskontrol (såsom lægemidler og batterier).
Raman Building Block 1064 består af følgende nødvendige komponenter: spektrometer, 1064 nm laser, prøvetagningssonde og andet valgfrit tilbehør.