Fortschrittliche Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen

Wir verwenden Cookies, um Ihr Erlebnis zu verbessern. Wenn Sie auf dieser Website weitersurfen, stimmen Sie der Verwendung von Cookies zu. Mehr Informationen. Es gibt keine offizielle Definition von seriösem Service. Darunter können Betriebsbedingungen verstanden werden, bei denen die Kosten für den Ventilaustausch hoch sind oder die Verarbeitungskapazität reduziert ist. Es besteht ein weltweiter Bedarf, die Prozessproduktionskosten zu senken, um die Rentabilität aller Sektoren zu steigern, die von schlechten Servicebedingungen betroffen sind. Diese reichen von Öl und Gas und Petrochemie bis hin zu Kernenergie und Stromerzeugung, Mineralverarbeitung und Bergbau. Designer und Ingenieure versuchen dieses Ziel auf unterschiedliche Weise zu erreichen. Die am besten geeignete Methode besteht darin, die Betriebszeit und Effizienz durch eine effektive Steuerung der Prozessparameter (z. B. effektive Abschaltung und optimierte Flusskontrolle) zu erhöhen. Auch die Optimierung der Sicherheit spielt eine entscheidende Rolle, da die Reduzierung des Austauschs zu einer sichereren Produktionsumgebung führen kann. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen daran, den Gerätebestand, einschließlich Pumpen und Ventile, sowie die erforderliche Entsorgung zu minimieren. Gleichzeitig rechnen die Anlageneigentümer mit einer enormen Vermögensverschiebung. Infolgedessen führt eine erhöhte Verarbeitungskapazität zu weniger Rohren und Geräten (aber größeren Durchmessern) und weniger Instrumenten für den gleichen Produktstrom. Dies zeigt, dass eine einzelne Systemkomponente nicht nur für einen größeren Rohrdurchmesser größer sein muss, sondern auch längere Zeit rauen Umgebungsbedingungen standhalten muss, um den Bedarf an Wartung und Austausch während des Betriebs zu reduzieren. Komponenten wie Ventile und Ventilkugeln müssen für die gewünschte Anwendung robust sein, können aber auch eine längere Lebensdauer bieten. Ein großes Problem bei den meisten Anwendungen besteht jedoch darin, dass Metallteile an ihre Leistungsgrenze stoßen. Dies deutet darauf hin, dass Designer für anspruchsvolle Serviceanwendungen möglicherweise Alternativen zu nichtmetallischen Materialien, insbesondere Keramikmaterialien, finden. Zu den typischen Parametern, die für den Betrieb von Komponenten unter schwierigen Betriebsbedingungen erforderlich sind, gehören Thermoschockbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Härte, Festigkeit und Zähigkeit. Resilienz ist ein entscheidender Parameter, denn weniger belastbare Komponenten können katastrophal ausfallen. Die Zähigkeit keramischer Werkstoffe wird als Widerstand gegen Rissausbreitung definiert. In einigen Fällen kann die Messung mit der Einrückungsmethode durchgeführt werden, was zu künstlich hohen Werten führt. Die Verwendung eines einseitig eingeschnittenen Strahls kann genaue Messungen liefern. Festigkeit hängt mit Zähigkeit zusammen, bezieht sich jedoch auf den einzelnen Punkt, an dem ein Material bei Belastung katastrophal versagt. Er wird allgemein als „Bruchmodul“ bezeichnet und wird durch eine Dreipunkt- oder Vierpunkt-Biegefestigkeitsmessung an einem Teststab gemessen. Der Drei-Punkte-Test liefert einen um 1 % höheren Wert als der Vier-Punkte-Test. Obwohl die Härte mit einer Vielzahl von Skalen, einschließlich Rockwell und Vickers, gemessen werden kann, eignet sich die Vickers-Mikrohärteskala sehr gut für fortschrittliche Keramikmaterialien. Die Härte ist direkt proportional zur Verschleißfestigkeit des Materials. Bei einem zyklisch arbeitenden Ventil ist die Ermüdung aufgrund des kontinuierlichen Öffnens und Schließens des Ventils ein großes Problem. Ermüdung ist die Festigkeitsschwelle, ab der das Material häufig unter seine normale Biegefestigkeit fällt. Die Korrosionsbeständigkeit hängt von der Betriebsumgebung und dem Medium ab, in dem sich der Werkstoff befindet. In diesem Bereich haben viele fortschrittliche Keramikmaterialien Vorteile gegenüber Metallen, mit Ausnahme des „hydrothermischen Abbaus“, der auftritt, wenn einige Materialien auf Zirkonoxidbasis Hochtemperaturdampf ausgesetzt werden. Teilegeometrie, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Zähigkeit und Festigkeit werden durch Thermoschock beeinflusst. Dies ist ein Bereich, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit begünstigt, sodass Metallteile effektiv funktionieren können. Allerdings bieten Fortschritte bei keramischen Materialien mittlerweile ein akzeptables Maß an Temperaturwechselbeständigkeit. Hochleistungskeramik wird seit vielen Jahren verwendet und ist bei Zuverlässigkeitsingenieuren, Anlageningenieuren und Ventilkonstrukteuren beliebt, die hohe Leistung und Wertigkeit benötigen. Entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen gibt es unterschiedliche individuelle Rezepturen, die für die unterschiedlichsten Branchen geeignet sind. Vier Hochleistungskeramiken sind jedoch im Bereich der Ventile für den harten Einsatz von großer Bedeutung. Dazu gehören Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Die Materialien des Ventils und der Ventilkugel werden entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen ausgewählt. In Ventilen werden hauptsächlich zwei Formen von Zirkonoxid verwendet, die beide den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die gleiche Steifigkeit wie Stahl haben. Teilstabilisiertes Zirkonoxid mit Magnesiumoxid (Mg-PSZ) weist die höchste Temperaturwechselbeständigkeit und Zähigkeit auf, während tetragonales polykristallines Zirkonoxid mit Yttriumoxid (Y-TZP) härter und fester ist, aber anfällig für hydrothermale Zersetzung ist. Siliziumnitrid (Si3N4) hat unterschiedliche Formulierungen. Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPPSN) ist das am häufigsten verwendete Material für Ventile und Ventilkomponenten. Zusätzlich zu seiner durchschnittlichen Zähigkeit bietet es auch eine hohe Härte und Festigkeit sowie eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit und thermische Stabilität. Darüber hinaus ist Si3N4 in Hochtemperatur-Dampfumgebungen ein geeigneter Ersatz für Zirkonoxid, der einen hydrothermischen Abbau verhindern kann. Wenn das Budget knapp ist, kann der Planer zwischen Siliziumkarbid und Aluminiumoxid wählen. Beide Materialien weisen eine hohe Härte auf, sind jedoch nicht zäher als Zirkonoxid oder Siliziumnitrid. Dies zeigt, dass sich der Werkstoff eher für statische Bauteilanwendungen wie Ventilauskleidungen und Ventilsitze als für höher beanspruchte Ventilkugeln oder -scheiben eignet. Verglichen mit den Metallmaterialien, die in Ventilanwendungen mit rauem Einsatz verwendet werden (einschließlich Ferrochrom (CrFe), Wolframkarbid, Hastelloy und Stellit), weisen fortschrittliche Keramikmaterialien eine geringere Zähigkeit und eine ähnliche Festigkeit auf. Bei anspruchsvollen Serviceanwendungen kommen Drehventile wie Absperrklappen, Zapfenventile, schwimmende Kugelhähne und Federventile zum Einsatz. In solchen Anwendungen weisen Si3N4 und Zirkoniumdioxid eine Temperaturschockbeständigkeit, Zähigkeit und Festigkeit auf, um sich an die anspruchsvollsten Umgebungen anzupassen. Aufgrund der Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials erhöht sich die Lebensdauer der Teile im Vergleich zu Metallteilen um ein Vielfaches. Zu den weiteren Vorteilen zählen die Leistungsmerkmale des Ventils über seine gesamte Lebensdauer, insbesondere in Bereichen, in denen es seine Schließkapazität und Kontrolle beibehält. Dies wird in einer Anwendung demonstriert, bei der eine 65 mm (2,6 Zoll) große Ventilkynar/RTFE-Kugel und -Auskleidung 98 %iger Schwefelsäure und Ilmenit ausgesetzt werden, die in Titanoxidpigment umgewandelt werden. Aufgrund der korrosiven Natur der Medien kann die Lebensdauer dieser Komponenten bis zu sechs Wochen betragen. Die Verwendung von Kugelhahngarnituren von Nilcra™ (Abbildung 1), bei denen es sich um ein proprietäres, mit Magnesiumoxid teilweise stabilisiertes Zirkonoxid (Mg-PSZ) handelt, weist jedoch eine ausgezeichnete Härte und Korrosionsbeständigkeit auf und kann drei Jahre lang ununterbrochenen Betrieb ohne erkennbare Schäden gewährleisten Verschleiß. Bei Linearventilen, einschließlich Eckventilen, Drosselventilen oder Durchgangsventilen, eignen sich Zirkonoxid und Siliziumnitrid aufgrund der „harten Dichtung“-Eigenschaften dieser Produkte für Ventilkegel und Ventilsitze. Ebenso kann Aluminiumoxid für einige Dichtungen und Käfige verwendet werden. Durch passende Mahlkugeln am Ventilsitz kann ein hoher Dichtheitsgrad erreicht werden. Für die Ventilauskleidung, einschließlich Ventilkern, Einlass und Auslass oder Ventilkörperauskleidung, kann je nach Anwendungsanforderungen eines der vier wichtigsten Keramikmaterialien verwendet werden. Als vorteilhaft für Produktleistung und Lebensdauer erwiesen sich die hohe Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials. Nehmen Sie als Beispiel die DN150-Absperrklappe, die in der australischen Bauxitraffinerie eingesetzt wird. Der hohe Kieselsäuregehalt im Medium sorgt für einen hohen Verschleiß der Ventilauskleidung. Die ursprünglich verwendeten Dichtungen und Scheiben bestanden aus einer 28-prozentigen CrFe-Legierung und hielten nur acht bis zehn Wochen. Bei Ventilen aus Nilcra™-Zirkonoxid (Abbildung 2) erhöht sich die Lebensdauer jedoch auf 70 Wochen. Aufgrund seiner Zähigkeit und Festigkeit eignet sich Keramik gut für die meisten Ventilanwendungen. Es sind jedoch ihre Härte und Korrosionsbeständigkeit, die dazu beitragen, die Lebensdauer des Ventils zu erhöhen. Dies wiederum reduziert die Kosten des gesamten Lebenszyklus, indem Ausfallzeiten für Ersatzteile reduziert, Betriebskapital und Lagerbestände reduziert, manuelle Handhabung minimiert und die Sicherheit durch Reduzierung von Leckagen verbessert werden. Der Einsatz keramischer Werkstoffe in Hochdruckventilen war lange Zeit eines der Hauptprobleme, da diese Ventilen hohen axialen oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind. Allerdings entwickeln große Akteure auf diesem Gebiet derzeit Ventilkugelkonstruktionen, um die Überlebensfähigkeit des Antriebsdrehmoments zu verbessern. Die andere große Einschränkung ist die Skalierung. Die Größe des größten Ventilsitzes und der größten Ventilkugel (Abbildung 3), hergestellt aus teilstabilisiertem Zirkonoxid mit Magnesiumoxid, beträgt DN500 bzw. DN250. Allerdings bevorzugen die meisten Planer derzeit Keramik für Komponenten unterhalb dieser Größen. Obwohl sich Keramikmaterialien inzwischen als geeignete Wahl erwiesen haben, müssen einige einfache Richtlinien befolgt werden, um ihre Leistung zu maximieren. Keramische Werkstoffe sollten zunächst nur dann zum Einsatz kommen, wenn die Kosten möglichst gering gehalten werden müssen. Scharfe Ecken und Spannungskonzentrationen sollten sowohl im Innen- als auch im Außenbereich vermieden werden. Mögliche Unstimmigkeiten bei der Wärmeausdehnung müssen während der Entwurfsphase berücksichtigt werden. Um die Reifenspannung zu reduzieren, muss die Keramik draußen und nicht drinnen bleiben. Schließlich sollte die Notwendigkeit geometrischer Toleranzen und der Oberflächenveredelung sorgfältig berücksichtigt werden, da diese die unnötigen Kosten erheblich erhöhen. Durch die Befolgung dieser Richtlinien und Best Practices für die Materialauswahl und die Koordination mit Lieferanten von Beginn des Projekts an kann eine ideale Lösung für jeden rauen Serviceeinsatz erreicht werden. Diese Informationen stammen aus Materialien von Morgan Advanced Materials und wurden überprüft und angepasst. Morgan Advanced Materials-Technische Keramik. (2019, 28. November). Fortschrittliche Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen. AZoM. Abgerufen von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 am 7. Juli 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. „Hochentwickelte Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen“. AZoM. 7. Juli 2021. . Morgan Advanced Materials-Technische Keramik. „Hochentwickelte Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen“. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Zugriff am 7. Juli 2021). Morgan Advanced Materials-Technische Keramik. 2019. Fortschrittliche Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen. AZoM, angezeigt am 7. Juli 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. AZoM und David Moulton, Geschäftsführer von Camfil in Großbritannien, diskutierten über die Luftfilterlösungen des Unternehmens und darüber, wie sie dazu beitragen können, den Menschen in der Bauindustrie ein sichereres Arbeitsumfeld zu bieten. In diesem Interview sprach AZoM- und ELTRA-Produktmanager Dr. Alan Klostermeier über die schnelle und zuverlässige O/N/H-Analyse hoher Probengewichte. In diesem Interview diskutierten AZoM und Chuck Cimino, Senior Product Manager bei Lake Shore Cryotronics, die Vorteile ihres M81-Synchronisationsquellen-Messsystems. Zeus Bioweb™ ist eine Technologie, die PTFE elektrogesponnen zu Polymerfasern mit extrem kleinen Durchmessern im Nanometer- bis Mikrometerbereich verarbeitet. Die Thermoanalysesoftware STARe von METTLER TOLEDO bietet unglaubliche Flexibilität und unbegrenzte Auswertungsmöglichkeiten.