Es gibt keine formelle Servicedefinition. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich dies auf die hohen Kosten für den Austausch des Ventils oder die Arbeitsbedingungen bezieht, die die Verarbeitungskapazität verringern.
Die globale Notwendigkeit, die Prozessproduktionskosten zu senken, um die Rentabilität aller Branchen zu verbessern, die mit harten Einsatzbedingungen zu tun haben. Dazu zählen Öl und Gas, Petrochemie, Kernkraft und Stromerzeugung, Mineralverarbeitung und Bergbau.
Designer und Ingenieure versuchen, dieses Ziel auf unterschiedliche Weise zu erreichen. Die beste Methode besteht darin, die Betriebszeit und Effizienz durch eine effektive Kontrolle der Prozessparameter (wie z. B. effektives Herunterfahren und optimierte Durchflusskontrolle) zu erhöhen.
Auch die Optimierung der Sicherheit spielt eine wichtige Rolle, denn eine geringere Anzahl von Ersatzteilen kann zu einer sichereren Produktionsumgebung führen. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen daran, den Gerätebestand (einschließlich Pumpen und Ventile) und die erforderliche Entsorgung zu reduzieren. Gleichzeitig erwarten die Anlagenbesitzer einen enormen Umsatz ihrer Anlagen. Eine erhöhte Verarbeitungskapazität führt daher dazu, dass weniger (aber mit größerem Durchmesser) Rohre und Geräte sowie weniger Instrumente für denselben Produktstrom benötigt werden.
Dies zeigt, dass neben der Verwendung größerer einzelner Systemkomponenten für größere Rohrdurchmesser auch die Notwendigkeit besteht, diese über einen längeren Zeitraum hinweg rauen Umgebungsbedingungen auszusetzen, um den Wartungs- und Austauschbedarf während des Betriebs zu reduzieren.
Komponenten wie Ventile und Ventilkugeln müssen robust sein, um für die gewünschte Anwendung geeignet zu sein, aber sie können auch ihre Lebensdauer verlängern. Das Hauptproblem bei den meisten Anwendungen besteht jedoch darin, dass Metallteile ihre Leistungsgrenzen erreicht haben. Dies deutet darauf hin, dass Designer bei anspruchsvollen Anwendungen Alternativen zu nichtmetallischen Materialien finden können, insbesondere zu keramischen Materialien.
Zu den typischen Parametern, die für den Betrieb von Komponenten unter rauen Bedingungen erforderlich sind, gehören Temperaturschockbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Härte, Festigkeit und Zähigkeit.
Die Belastbarkeit ist ein Schlüsselparameter, da weniger belastbare Komponenten katastrophale Schäden verursachen können. Die Zähigkeit von Keramikmaterialien wird als Widerstand gegen Rissausbreitung definiert. In einigen Fällen kann sie mithilfe der Eindringmethode gemessen werden, um künstlich hohe Werte zu erhalten. Die Verwendung eines einseitigen Einschnittstrahls kann genaue Messergebnisse liefern.
Die Festigkeit hängt mit der Zähigkeit zusammen, bezieht sich jedoch auf einen einzelnen Punkt, an dem ein Material bei Belastung katastrophal beschädigt wird. Sie wird allgemein als „Bruchmodul“ bezeichnet und durch Messen der Dreipunkt- oder Vierpunkt-Biegefestigkeit an einem Prüfstab ermittelt. Der Wert des Dreipunkttests ist 1 % höher als der Wert des Vierpunkttests.
Obwohl viele Skalen, darunter Rockwell-Härteprüfgeräte und Vickers-Härteprüfgeräte, zur Messung der Härte verwendet werden können, eignet sich die Vickers-Mikrohärteskala sehr gut für moderne Keramikmaterialien. Die Härte ändert sich proportional zur Verschleißfestigkeit des Materials.
Bei Ventilen, die zyklisch arbeiten, ist die Ermüdung aufgrund des ständigen Öffnens und Schließens des Ventils das Hauptproblem. Die Ermüdung ist die Festigkeitsschwelle. Über dieser Schwelle versagt das Material tendenziell unter seiner normalen Biegefestigkeit.
Die Korrosionsbeständigkeit hängt von der Betriebsumgebung und dem Medium ab, das das Material enthält. Neben der „hydrothermalen Zersetzung“ sind viele moderne Keramikmaterialien Metallen in diesem Bereich überlegen, und bestimmte Materialien auf Zirkonoxidbasis unterliegen einer „hydrothermalen Zersetzung“, nachdem sie Hochtemperaturdampf ausgesetzt wurden.
Geometrie, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Zähigkeit und Festigkeit der Komponenten werden durch Thermoschock beeinflusst. Dieser Bereich ist für eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit förderlich, damit die Metallkomponenten effektiv funktionieren können. Fortschritte bei keramischen Materialien bieten jedoch mittlerweile akzeptable Thermoschockbeständigkeit.
Hochleistungskeramiken werden seit vielen Jahren verwendet und sind bei Zuverlässigkeitsingenieuren, Anlagenbauern und Ventildesignern beliebt, die hohe Leistung und einen hohen Wert benötigen. Je nach spezifischen Anwendungsanforderungen sind sie für verschiedene Formulierungen in einer Vielzahl von Branchen geeignet. Im Bereich der strengen Wartung von Ventilen sind jedoch vier Hochleistungskeramiken von großer Bedeutung, darunter Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Die Materialien des Ventils und der Ventilkugel werden entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen ausgewählt.
Das Ventil verwendet zwei Hauptformen von Zirkonoxid, die den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die gleiche Steifigkeit wie Stahl haben. Magnesiumoxid-teilstabilisiertes Zirkonoxid (Mg-PSZ) hat die höchste Wärmeschockbeständigkeit und Zähigkeit, während polykristallines Yttrium-tetragonales Zirkonoxid (Y-TZP) härter ist, aber anfällig für hydrothermale Zersetzung ist.
Siliziumnitrid (Si3N4) hat verschiedene Zusammensetzungen. Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPPSN) ist das am häufigsten verwendete Material für Ventile und Ventilkomponenten. Neben seiner durchschnittlichen Zähigkeit weist es auch eine hohe Härte und Festigkeit sowie eine ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit und thermische Stabilität auf. Darüber hinaus kann Si3N4 in Hochtemperatur-Dampfumgebungen Zirkonoxid ersetzen, um hydrothermale Zersetzung zu verhindern.
Bei einem knapperen Budget kann der Konzentrator zwischen SiC oder Aluminiumoxid wählen. Beide Materialien haben eine hohe Härte, sind aber nicht härter als Zirkonoxid oder Siliziumnitrid. Dies zeigt, dass sich das Material sehr gut für statische Bauteilanwendungen wie Ventilbuchsen und Ventilsitze eignet, nicht jedoch für Ventilkugeln oder -scheiben, die einer höheren Belastung ausgesetzt sind.
Im Vergleich zu den in anspruchsvollen Ventilanwendungen verwendeten Metallmaterialien (einschließlich Ferrochrom (CrFe), Wolframkarbid, Hastelloy und Stellite) weisen moderne Keramikmaterialien eine geringere Zähigkeit und eine ähnliche Festigkeit auf.
Anspruchsvolle Serviceanwendungen erfordern den Einsatz von Drehventilen wie Absperrklappen, Zapfen, schwimmenden Kugelhähnen und Federn. Bei solchen Anwendungen sind Si3N4 und Zirkonoxid temperaturwechselbeständig, zäh und fest und können sich an die anspruchsvollsten Umgebungen anpassen. Aufgrund der Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials ist die Lebensdauer der Komponente um ein Vielfaches höher als die der Metallkomponente. Zu den weiteren Vorteilen zählen Leistungseigenschaften über die gesamte Lebensdauer des Ventils, insbesondere in Bereichen, in denen Absperr- und Regelfunktionen beibehalten werden.
Dies wurde im Fall einer 65 mm (2,6 Zoll) großen Kynar/RTFE-Ventilkugel und -Auskleidung nachgewiesen, die 98 % Schwefelsäure plus Ilmenit ausgesetzt waren, wobei das Ilmenit in Titanoxidpigment umgewandelt wurde. Aufgrund der korrosiven Natur des Mediums kann die Lebensdauer dieser Komponenten bis zu sechs Wochen betragen. Die Verwendung einer sphärischen Ventilverkleidung (ein proprietäres, teilweise mit Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (Mg-PSZ)) von Nilcra™ (Abbildung 1) weist jedoch eine ausgezeichnete Härte und Korrosionsbeständigkeit auf und ist seit drei Jahren im Einsatz. Intermittierender Betrieb ohne erkennbaren Verschleiß.
Bei Linearventilen (einschließlich Eckventilen, Drosselventilen oder Durchgangsventilen) eignen sich Zirkonoxid und Siliziumnitrid aufgrund der „harten Sitz“-Eigenschaften dieser Produkte sowohl für Ventilkegel als auch für Ventilsitze. Ebenso kann Aluminiumoxid in bestimmten Auskleidungen und Käfigen verwendet werden. Durch die passende Kugel am Sitzring kann ein hoher Grad an Abdichtung erreicht werden.
Für den Ventilkern, einschließlich Schieberventil, Einlass und Auslass oder Ventilkörperbuchse, kann je nach Anwendungsanforderungen eines der vier wichtigsten Keramikmaterialien verwendet werden. Die hohe Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials haben sich hinsichtlich der Produktleistung und Lebensdauer als vorteilhaft erwiesen.
Nehmen wir als Beispiel das DN150-Absperrventil, das in der australischen Bauxitraffinerie verwendet wird. Der hohe Kieselsäuregehalt im Medium führt zu hohem Verschleiß der Ventilbuchsen. Die ursprünglich verwendete Laufbuchse und Ventilscheibe bestanden aus einer 28% CrFe-Legierung und hielten nur acht bis zehn Wochen. Durch die Einführung von Ventilen aus Nilcra™ Zirkonoxid (Abbildung 2) konnte die Lebensdauer jedoch auf 70 Wochen erhöht werden.
Aufgrund ihrer Zähigkeit und Festigkeit eignen sich Keramiken für die meisten Ventilanwendungen. Allerdings sind es ihre Härte und Korrosionsbeständigkeit, die die Lebensdauer des Ventils verlängern. Dies wiederum reduziert die Kosten des gesamten Lebenszyklus, da Ausfallzeiten für Ersatzteile reduziert werden, Betriebskapital und Lagerbestände reduziert werden, manuelle Handhabung auf ein Minimum reduziert wird und die Sicherheit durch weniger Leckagen verbessert wird.
Der Einsatz von Keramikwerkstoffen in Hochdruckventilen war lange Zeit ein Hauptanliegen, da diese Ventile hohen axialen oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind. Wichtige Akteure auf diesem Gebiet entwickeln jedoch Ventilkugeldesigns, die die Beständigkeit gegenüber dem Betätigungsdrehmoment verbessern.
Die andere große Einschränkung ist die Größe. Die Größe des größten Ventilsitzes und der größten Ventilkugel (Abbildung 3), die aus mit Magnesiumoxid teilweise stabilisiertem Zirkonoxid hergestellt werden, beträgt DN500 bzw. DN250. Die meisten aktuellen Planer bevorzugen jedoch die Verwendung von Keramik zur Herstellung von Teilen, deren Abmessungen diese Abmessungen nicht überschreiten.
Obwohl sich Keramikmaterialien mittlerweile als geeignete Wahl erwiesen haben, müssen dennoch einige einfache Richtlinien befolgt werden, um ihre Leistung zu maximieren. Keramikmaterialien sollten nur dann verwendet werden, wenn Kosten gesenkt werden müssen. Sowohl innen als auch außen sollten scharfe Ecken und Spannungskonzentrationen vermieden werden.
Eventuelle Abweichungen bei der Wärmeausdehnung müssen während der Konstruktionsphase berücksichtigt werden. Um die Umfangsspannung zu verringern, ist es notwendig, die Keramik außen und nicht innen zu platzieren. Schließlich muss die Notwendigkeit geometrischer Toleranzen und Oberflächenbearbeitung sorgfältig bedacht werden, da diese Toleranzen die Kosten erheblich und unnötig erhöhen können.
Durch Befolgen dieser Richtlinien und Best Practices bei der Materialauswahl und der Abstimmung mit Lieferanten von Projektbeginn an kann für jede anspruchsvolle Serviceanwendung eine ideale Lösung erreicht werden.
Diese Informationen wurden aus Materialien von Morgan Advanced Materials bezogen, überprüft und angepasst.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28. November 2019). Fortschrittliche Keramikmaterialien, die für anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind. AZoM. Abgerufen von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 am 26. Mai 2021.
Morgan Advanced Materials – Technische Keramik. „Hochentwickelte Keramikmaterialien für anspruchsvolle Anwendungen“. AZoM.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. „Hochentwickelte Keramikmaterialien für anspruchsvolle Anwendungen“. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Zugriff am 26. Mai 2021).
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Veröffentlichungszeit: 26. Mai 2021
