Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio exigentes

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No existe una definición oficial de servicio estricto. Puede entenderse como condiciones de operación donde el costo de reemplazo de la válvula es alto o la capacidad de procesamiento se reduce.
Existe una necesidad global de reducir los costos de producción de los procesos para aumentar la rentabilidad de todos los sectores involucrados en malas condiciones de servicio. Estos van desde petróleo y gas y productos petroquímicos hasta energía nuclear y generación de energía, procesamiento de minerales y minería.
Los diseñadores e ingenieros intentan lograr este objetivo de diferentes maneras. El método más apropiado es aumentar el tiempo de actividad y la eficiencia mediante el control efectivo de los parámetros del proceso (como el apagado efectivo y el control de flujo optimizado).
La optimización de la seguridad también juega un papel vital, porque reducir el reemplazo puede conducir a un entorno de producción más seguro. Además, la empresa está trabajando para minimizar el inventario de equipos, incluidas bombas y válvulas, y la eliminación requerida. Al mismo tiempo, los propietarios de instalaciones esperan un gran cambio en sus activos. Como resultado, una mayor capacidad de procesamiento da como resultado menos tuberías y equipos (pero diámetros más grandes) y menos instrumentos para el mismo flujo de productos.
Esto indica que, además de tener que ser más grande para un diámetro de tubería más amplio, un único componente del sistema también debe resistir una exposición prolongada a entornos hostiles para reducir la necesidad de mantenimiento y reemplazo en servicio.
Los componentes, incluidas las válvulas y las bolas de válvulas, deben ser robustos para adaptarse a la aplicación requerida, pero también pueden proporcionar una vida útil más larga. Sin embargo, un problema importante con la mayoría de las aplicaciones es que las piezas metálicas han alcanzado el límite de su rendimiento. Esto indica que los diseñadores pueden encontrar alternativas a los materiales no metálicos, especialmente los materiales cerámicos, para aplicaciones de servicios exigentes.
Los parámetros típicos necesarios para operar componentes en condiciones de servicio severas incluyen resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga, dureza, resistencia y tenacidad.
La resiliencia es un parámetro clave, porque los componentes que son menos resistentes pueden fallar catastróficamente. La tenacidad de los materiales cerámicos se define como la resistencia a la propagación de grietas. En algunos casos, se puede medir mediante el método de sangría, lo que da como resultado valores artificialmente altos. El uso de un haz de incisión de un solo lado puede proporcionar mediciones precisas.
La resistencia está relacionada con la tenacidad, pero se refiere al único punto en el que un material falla catastróficamente cuando se le aplica tensión. Comúnmente se lo conoce como “módulo de ruptura” y se mide realizando una medición de la resistencia a la flexión de tres o cuatro puntos en una varilla de prueba. La prueba de tres puntos proporciona un valor un 1% mayor que la prueba de cuatro puntos.
Aunque la dureza se puede medir con una variedad de escalas, incluidas Rockwell y Vickers, la escala de microdureza Vickers es muy adecuada para materiales cerámicos avanzados. La dureza es directamente proporcional a la resistencia al desgaste del material.
En una válvula que funciona con un método cíclico, la fatiga es un problema importante debido a la apertura y cierre continuos de la válvula. La fatiga es el umbral de resistencia, más allá del cual el material a menudo fallará por debajo de su resistencia normal a la flexión.
La resistencia a la corrosión depende del entorno operativo y del medio que contiene el material. En este campo, muchos materiales cerámicos avanzados tienen ventajas sobre los metales, excepto la “degradación hidrotermal”, que ocurre cuando algunos materiales a base de circonio se exponen a vapor a alta temperatura.
La geometría de la pieza, el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, la tenacidad y la resistencia se ven afectados por el choque térmico. Esta es un área propicia para una alta conductividad térmica y tenacidad, por lo que las piezas metálicas pueden funcionar de manera efectiva. Sin embargo, los avances en los materiales cerámicos ahora proporcionan niveles aceptables de resistencia al choque térmico.
Las cerámicas avanzadas se han utilizado durante muchos años y son populares entre los ingenieros de confiabilidad, los ingenieros de plantas y los diseñadores de válvulas que requieren alto rendimiento y valor. Según los requisitos de aplicación específicos, existen diferentes formulaciones individuales adecuadas para una amplia gama de industrias. Sin embargo, cuatro cerámicas avanzadas son de gran importancia en el campo de las válvulas para servicios severos. Incluyen carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), alúmina y circonio. Los materiales de la válvula y la bola de la válvula se seleccionan de acuerdo con los requisitos específicos de la aplicación.
En las válvulas se utilizan dos formas principales de circonio, las cuales tienen el mismo coeficiente de expansión térmica y rigidez que el acero. La circona parcialmente estabilizada con óxido de magnesio (Mg-PSZ) tiene la mayor resistencia al choque térmico y tenacidad, mientras que la circona tetragonal policristalina de óxido de itrio (Y-TZP) es más dura y resistente, pero es susceptible a la degradación hidrotermal.
El nitruro de silicio (Si3N4) tiene diferentes formulaciones. El nitruro de silicio sinterizado a presión de gas (GPPSN) es el material más utilizado para válvulas y componentes de válvulas. Además de su dureza promedio, también proporciona alta dureza y resistencia, excelente resistencia al choque térmico y estabilidad térmica. Además, el Si3N4 es un sustituto adecuado del circonio en entornos de vapor de alta temperatura para evitar la degradación hidrotermal.
Cuando el presupuesto es ajustado, el especificador puede elegir carburo de silicio o alúmina. Ambos materiales tienen una gran dureza, pero no son más duros que el circonio o el nitruro de silicio. Esto demuestra que el material es muy adecuado para aplicaciones de componentes estáticos, como revestimientos y asientos de válvulas, en lugar de bolas o discos de válvulas que están sujetos a mayores tensiones.
En comparación con los materiales metálicos utilizados en aplicaciones de válvulas de servicio severo (incluidos ferrocromo (CrFe), carburo de tungsteno, Hastelloy y Stellite), los materiales cerámicos avanzados tienen menor tenacidad y resistencia similar.
Las aplicaciones de servicio severo implican el uso de válvulas rotativas, como válvulas de mariposa, muñones, válvulas de bola flotante y válvulas de resorte. En tales aplicaciones, el Si3N4 y el circonio exhiben resistencia al choque térmico, tenacidad y solidez para adaptarse a los entornos más exigentes. Debido a la dureza y resistencia a la corrosión del material, la vida útil de las piezas aumenta varias veces que la de las piezas metálicas. Otros beneficios incluyen las características de rendimiento de la válvula durante su vida útil, especialmente en áreas donde mantiene su capacidad de cierre y control.
Esto se demostró en una aplicación en la que una bola y un revestimiento de kynar/RTFE con válvula de 65 mm (2,6 pulgadas) se expusieron a ácido sulfúrico al 98 % e ilmenita, que se está convirtiendo en pigmento de óxido de titanio. La naturaleza corrosiva de los medios significa que estos componentes pueden durar hasta seis semanas. Sin embargo, el uso de accesorios de válvula de bola fabricados por Nilcra!" (Figura 1), que es una circona parcialmente estabilizada con óxido de magnesio (Mg-PSZ) patentada, tiene una excelente dureza y resistencia a la corrosión y puede proporcionar tres años de servicio ininterrumpido sin ningún elemento detectable. úsese y tírese.
En válvulas lineales, incluidas válvulas de ángulo, válvulas de estrangulación o válvulas de globo, el circonio y el nitruro de silicio son adecuados para obturadores y asientos de válvulas, gracias a las características de "asiento duro" de estos productos. De manera similar, se puede utilizar alúmina para algunas juntas y jaulas. Al hacer coincidir las bolas abrasivas en el asiento de la válvula, se puede lograr un alto grado de sellado.
Para el revestimiento de válvulas, incluido el núcleo de la válvula, la entrada y salida o el revestimiento del cuerpo de la válvula, se puede utilizar cualquiera de los cuatro materiales cerámicos principales según los requisitos de la aplicación. La alta dureza y resistencia a la corrosión del material resultó beneficiosa en términos de rendimiento y vida útil del producto.
Tomemos como ejemplo la válvula de mariposa DN150 utilizada en la refinería de bauxita australiana. El alto contenido de sílice en el medio provoca un alto nivel de desgaste en el revestimiento de la válvula. Las juntas y discos utilizados inicialmente están hechos de una aleación de CrFe al 28% y sólo pueden durar de ocho a diez semanas. Sin embargo, con las válvulas hechas de circonio Nilcra!" (Figura 2), la vida útil ha aumentado a 70 semanas.
Debido a su dureza y resistencia, la cerámica funciona bien en la mayoría de las aplicaciones de válvulas. Sin embargo, es su dureza y resistencia a la corrosión las que ayudan a aumentar la vida útil de la válvula. Esto, a su vez, reduce el costo de todo el ciclo de vida al reducir el tiempo de inactividad para las piezas de repuesto, reducir el capital de trabajo y el inventario, una manipulación manual mínima y mejorar la seguridad al reducir las fugas.
Durante mucho tiempo, la aplicación de materiales cerámicos en válvulas de alta presión ha sido una de las principales preocupaciones, porque estas válvulas están sujetas a altas cargas axiales o de torsión. Sin embargo, los principales actores en este campo están desarrollando diseños de válvulas de bola para mejorar la capacidad de supervivencia del par motor.
La otra limitación importante es la escala. El tamaño del asiento de válvula más grande y de la bola de válvula más grande (Figura 3) producidos por magnesia-circona parcialmente estabilizada es DN500 y DN250, respectivamente. Sin embargo, la mayoría de los especificadores prefieren actualmente componentes cerámicos de estos tamaños.
Aunque ahora se ha demostrado que el material cerámico es una opción adecuada, todavía existen algunas pautas sencillas a seguir para maximizar su rendimiento. Los materiales cerámicos sólo deberían utilizarse en primer lugar cuando sea necesario mantener los costes al mínimo. Se deben evitar las esquinas pronunciadas y la concentración de tensiones tanto en el interior como en el exterior.
Cualquier posible desajuste de expansión térmica debe considerarse durante la fase de diseño. Para reducir la tensión circular, la cerámica debe mantenerse en el exterior, no en el interior. Finalmente, se debe considerar cuidadosamente la necesidad de tolerancias geométricas y acabados superficiales, ya que aumentarán significativamente los costos innecesarios.
Siguiendo estas pautas y mejores prácticas para seleccionar materiales y coordinar con los proveedores desde el inicio del proyecto, es posible lograr la solución ideal para cada aplicación de servicio exigente.
Esta información se deriva de materiales proporcionados por Morgan Advanced Materials y ha sido revisada y adaptada.
Morgan Materiales Avanzados-Cerámica Técnica. (28 de noviembre de 2019). Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio exigentes. AZoM. Obtenido de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 el 7 de diciembre de 2021.
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