مواد سرامیکی پیشرفته برای کاربردهای خدماتی سخت

ما از کوکی ها برای افزایش تجربه شما استفاده می کنیم. با ادامه مرور این وب سایت، با استفاده ما از کوکی ها موافقت می کنید. اطلاعات بیشتر.
هیچ تعریف رسمی از خدمات سخت وجود ندارد. این را می توان به عنوان شرایط عملیاتی درک کرد که در آن هزینه تعویض شیر بالا است یا ظرفیت پردازش کاهش می یابد.
نیاز جهانی به کاهش هزینه های تولید فرآیند به منظور افزایش سودآوری تمام بخش های درگیر در شرایط خدمات نامناسب وجود دارد. این محصولات از نفت و گاز و محصولات پتروشیمی گرفته تا انرژی هسته ای و تولید برق، فرآوری مواد معدنی و استخراج معادن را شامل می شود.
طراحان و مهندسان برای رسیدن به این هدف از طرق مختلف تلاش می کنند. مناسب ترین روش افزایش زمان کار و کارایی با کنترل موثر پارامترهای فرآیند (مانند خاموش شدن موثر و کنترل جریان بهینه) است.
بهینه سازی ایمنی نیز نقش حیاتی ایفا می کند، زیرا کاهش جایگزینی می تواند به محیط تولید ایمن تر منجر شود. علاوه بر این، این شرکت در تلاش است تا موجودی تجهیزات از جمله پمپ ها و شیرها و دفع مورد نیاز را به حداقل برساند. در عین حال، صاحبان تسهیلات انتظار یک تغییر بزرگ در دارایی های خود را دارند. در نتیجه، افزایش ظرفیت پردازش منجر به لوله‌ها و تجهیزات کمتر (اما قطر بزرگ‌تر) و ابزارهای کمتر برای جریان محصول مشابه می‌شود.
این نشان می‌دهد که علاوه بر بزرگ‌تر بودن برای قطر لوله بزرگ‌تر، یک جزء سیستم نیز باید در معرض قرار گرفتن طولانی‌مدت در محیط‌های خشن مقاومت کند تا نیاز به تعمیر و نگهداری و تعویض در حین کار کاهش یابد.
قطعات شامل سوپاپ ها و توپ های سوپاپ باید محکم باشند تا با کاربرد مورد نیاز مطابقت داشته باشند، اما همچنین می توانند عمر طولانی تری داشته باشند. با این حال، یک مشکل عمده در اکثر برنامه ها این است که قطعات فلزی به حد مجاز عملکرد خود رسیده اند. این نشان می دهد که طراحان ممکن است جایگزین هایی برای مواد غیر فلزی، به ویژه مواد سرامیکی، برای کاربردهای خدماتی سخت بیابند.
پارامترهای معمولی مورد نیاز برای کارکرد قطعات تحت شرایط خدمات سخت شامل مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر خستگی، سختی، استحکام و چقرمگی است.
انعطاف‌پذیری یک پارامتر کلیدی است، زیرا اجزایی که انعطاف‌پذیری کمتری دارند می‌توانند به طرز فاجعه‌باری از کار بیفتند. چقرمگی مواد سرامیکی به عنوان مقاومت در برابر انتشار ترک تعریف می شود. در برخی موارد، می توان آن را با استفاده از روش تورفتگی اندازه گیری کرد و در نتیجه مقادیر مصنوعی بالایی بدست آورد. استفاده از پرتو برش یک طرفه می تواند اندازه گیری های دقیقی را ارائه دهد.
استحکام به چقرمگی مربوط می شود، اما به نقطه واحدی اشاره دارد که در آن یک ماده در هنگام اعمال تنش به طور فاجعه بار شکست می خورد. معمولاً به آن "مدول گسیختگی" می گویند و با انجام اندازه گیری مقاومت خمشی سه یا چهار نقطه ای روی میله آزمایش اندازه گیری می شود. آزمون سه نقطه ای مقداری را ارائه می دهد که 1% بیشتر از آزمون چهار نقطه ای است.
اگرچه سختی را می توان با مقیاس های مختلف از جمله راکول و ویکرز اندازه گیری کرد، مقیاس میکروسختی ویکرز برای مواد سرامیکی پیشرفته بسیار مناسب است. سختی به طور مستقیم با مقاومت در برابر سایش مواد متناسب است.
در شیری که به روش سیکلیک کار می کند، خستگی به دلیل باز و بسته شدن مداوم شیر، مشکل اصلی است. خستگی آستانه مقاومتی است که در ماورای آن ماده اغلب کمتر از مقاومت خمشی معمولی خود شکست می‌خورد.
مقاومت در برابر خوردگی به محیط عملیاتی و محیط حاوی مواد بستگی دارد. در این زمینه، بسیاری از مواد سرامیکی پیشرفته نسبت به فلزات دارای مزایایی هستند، به جز "تخریب هیدروترمال" که زمانی رخ می دهد که برخی از مواد مبتنی بر زیرکونیا در معرض بخار با دمای بالا قرار گیرند.
هندسه قطعات، ضریب انبساط حرارتی، هدایت حرارتی، چقرمگی و استحکام تحت تاثیر شوک حرارتی قرار می گیرند. این منطقه ای است که برای هدایت حرارتی و چقرمگی بالا مناسب است، بنابراین قطعات فلزی می توانند به طور موثر عمل کنند. با این حال، پیشرفت در مواد سرامیکی در حال حاضر سطوح قابل قبولی از مقاومت در برابر شوک حرارتی را فراهم می کند.
سرامیک های پیشرفته سالهاست که مورد استفاده قرار می گیرند و در میان مهندسان قابلیت اطمینان، مهندسان کارخانه و طراحان شیرآلات که به کارایی و ارزش بالایی نیاز دارند، محبوب هستند. با توجه به نیازهای کاربردی خاص، فرمول های فردی متفاوتی وجود دارد که برای طیف گسترده ای از صنایع مناسب است. با این حال، چهار سرامیک پیشرفته در زمینه شیرهای سرویس شدید اهمیت زیادی دارند. آنها شامل کاربید سیلیکون (SiC)، نیترید سیلیکون (Si3N4)، آلومینا و زیرکونیا هستند. مواد سوپاپ و توپ سوپاپ با توجه به نیازهای کاربردی خاص انتخاب می شوند.
دو شکل اصلی زیرکونیا در شیرها استفاده می شود که هر دو دارای ضریب انبساط حرارتی و سختی مشابه فولاد هستند. زیرکونیای نیمه تثبیت شده با اکسید منیزیم (Mg-PSZ) دارای بالاترین مقاومت در برابر شوک حرارتی و چقرمگی است، در حالی که اکسید ایتریم چهارضلعی زیرکونیا پلی کریستالی (Y-TZP) سخت تر و قوی تر است، اما مستعد تخریب هیدروترمال است.
نیترید سیلیکون (Si3N4) فرمولاسیون های مختلفی دارد. نیترید سیلیکون متخلخل با فشار گاز (GPPSN) متداول ترین ماده مورد استفاده برای شیرها و اجزای شیر است. علاوه بر چقرمگی متوسط، سختی و استحکام بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی عالی و پایداری حرارتی را نیز فراهم می کند. علاوه بر این، Si3N4 جایگزین مناسبی برای زیرکونیا در محیط های بخار با دمای بالا برای جلوگیری از تخریب هیدروترمال است.
هنگامی که بودجه محدود است، مشخص کننده می تواند کاربید سیلیکون یا آلومینا را انتخاب کند. هر دو ماده دارای سختی بالایی هستند، اما سخت تر از زیرکونیا یا نیترید سیلیکون نیستند. این نشان می‌دهد که این ماده برای کاربردهای اجزای استاتیک، مانند آستر سوپاپ‌ها و نشیمنگاه‌های سوپاپ، بسیار مناسب است تا توپ‌های سوپاپ یا دیسک‌هایی که در معرض تنش بیشتری هستند.
در مقایسه با مواد فلزی مورد استفاده در کاربردهای شیر سرویس خشن (شامل فروکروم (CrFe)، کاربید تنگستن، Hastelloy و Stellite)، مواد سرامیکی پیشرفته دارای چقرمگی کمتر و استحکام مشابهی هستند.
کاربردهای خدماتی شدید شامل استفاده از شیرهای دوار مانند شیرهای پروانه ای، تراننیون ها، شیرهای توپی شناور و شیرهای فنری است. در چنین کاربردهایی، Si3N4 و زیرکونیا مقاومت در برابر شوک حرارتی، چقرمگی و استحکام را برای انطباق با سخت‌ترین محیط‌ها نشان می‌دهند. به دلیل سختی و مقاومت در برابر خوردگی مواد، عمر مفید قطعات چندین برابر بیشتر از قطعات فلزی است. مزایای دیگر شامل ویژگی های عملکرد شیر در طول عمر آن است، به ویژه در مناطقی که ظرفیت بسته شدن و کنترل خود را حفظ می کند.
این در یک برنامه کاربردی نشان داده شد که در آن توپ و لاینر و لاین سوپاپ kynar/RTFE 65 میلی‌متری (2.6 اینچی) در معرض اسید سولفوریک 98 درصد و ایلمنیت قرار گرفتند که به رنگدانه اکسید تیتانیوم تبدیل می‌شوند. ماهیت خورنده رسانه به این معنی است که این اجزا می توانند تا شش هفته دوام بیاورند. با این حال، استفاده از تریم شیر توپی ساخته شده توسط Nilcra!" (شکل 1)، که یک زیرکونیای اختصاصی اکسید منیزیم است که تا حدی تثبیت شده است (Mg-PSZ)، دارای سختی و مقاومت در برابر خوردگی عالی است و می تواند سه سال خدمات بدون وقفه را بدون هیچ گونه تشخیصی ارائه دهد. ساییدگی و پارگی.
در شیرهای خطی از جمله دریچه‌های زاویه‌دار، دریچه‌های دریچه گاز یا دریچه‌های گلوب، زیرکونیا و نیترید سیلیکون به دلیل ویژگی‌های "صندلی سخت" این محصولات، برای دریچه‌های سوپاپ و صندلی‌های سوپاپ مناسب هستند. به طور مشابه، آلومینا را می توان برای برخی از واشرها و قفس ها استفاده کرد. با تطبیق توپ های آسیاب روی نشیمنگاه سوپاپ، می توان به درجه بالایی از آب بندی دست یافت.
برای پوشش سوپاپ، از جمله هسته شیر، ورودی و خروجی یا پوشش بدنه شیر، هر یک از چهار ماده اصلی سرامیکی را می توان با توجه به الزامات کاربرد استفاده کرد. سختی بالا و مقاومت در برابر خوردگی مواد از نظر عملکرد محصول و عمر مفید مفید است.
به عنوان مثال شیر پروانه ای DN150 مورد استفاده در پالایشگاه بوکسیت استرالیا را در نظر بگیرید. محتوای سیلیس بالا در محیط، سطح بالایی از سایش را در آستر شیر ایجاد می کند. واشرها و دیسک های مورد استفاده در ابتدا از آلیاژ 28% CrFe ساخته شده اند و فقط هشت تا ده هفته دوام می آورند. با این حال، با شیرهای ساخته شده از زیرکونیا Nilcra!" (شکل 2)، عمر مفید به 70 هفته افزایش یافته است.
به دلیل چقرمگی و استحکام، سرامیک ها در اکثر کاربردهای شیر به خوبی کار می کنند. با این حال، این سختی و مقاومت در برابر خوردگی آنها است که به افزایش طول عمر شیر کمک می کند. این به نوبه خود با کاهش زمان خرابی قطعات تعویضی، کاهش سرمایه در گردش و موجودی، حداقل جابجایی دستی و بهبود ایمنی با کاهش نشتی، هزینه کل چرخه عمر را کاهش می دهد.
از دیرباز استفاده از مواد سرامیکی در شیرهای پرفشار یکی از دغدغه های اصلی بوده است، زیرا این شیرها در معرض بارهای محوری یا پیچشی بالایی هستند. با این حال، بازیگران اصلی در این زمینه اکنون در حال توسعه طرح‌های توپ سوپاپ برای بهبود بقای گشتاور حرکتی هستند.
محدودیت اصلی دیگر مقیاس است. اندازه بزرگترین نشیمن سوپاپ و بزرگترین توپ سوپاپ (شکل 3) تولید شده توسط زیرکونیای منیزیم نیمه تثبیت شده به ترتیب DN500 و DN250 است. با این حال، اکثر مشخصات در حال حاضر اجزای سرامیکی با این اندازه ها را ترجیح می دهند.
اگرچه اکنون ثابت شده است که مواد سرامیکی انتخاب مناسبی هستند، اما هنوز دستورالعمل‌های ساده‌ای برای به حداکثر رساندن عملکرد آن وجود دارد. مواد سرامیکی باید ابتدا فقط زمانی استفاده شوند که هزینه ها به حداقل برسد. از گوشه های تیز و تمرکز استرس هم در داخل و هم در خارج باید اجتناب شود.
هرگونه عدم تطابق بالقوه انبساط حرارتی باید در مرحله طراحی در نظر گرفته شود. برای کاهش تنش حلقه، سرامیک باید در بیرون نگه داشته شود، نه داخل. در نهایت، نیاز به تلرانس های هندسی و تکمیل سطح باید به دقت مورد توجه قرار گیرد، زیرا این موارد هزینه های غیر ضروری را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند.
با پیروی از این دستورالعمل‌ها و بهترین روش‌ها برای انتخاب مواد و هماهنگی با تامین‌کنندگان از ابتدای پروژه، می‌توان به راه‌حل ایده‌آل برای هر کاربرد خدمات سخت دست یافت.
این اطلاعات از مطالب ارائه شده توسط Morgan Advanced Materials مشتق شده است و مورد بررسی و اقتباس قرار گرفته است.
Morgan Advanced Materials-Technical Seramics. (28 نوامبر 2019). مواد سرامیکی پیشرفته برای کاربردهای خدماتی سخت. AZoM. برگرفته از https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 در 7 دسامبر 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Seramics. "مواد سرامیکی پیشرفته برای کاربردهای خدماتی سخت". AZoM. 7 دسامبر 2021. .
سرامیک های فنی-مواد پیشرفته مورگان. "مواد سرامیکی پیشرفته برای کاربردهای خدماتی سخت". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (دسترسی در 7 دسامبر 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Seramics. 2019. مواد سرامیکی پیشرفته برای کاربردهای خدماتی سخت. AZoM، مشاهده شده در 7 دسامبر 2021، https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
AZoM و پروفسور Guihua Yu از دانشگاه تگزاس در آستین نوع جدیدی از ورق هیدروژل را مورد بحث قرار دادند که می تواند به سرعت آب آلوده را به آب آشامیدنی خالص تبدیل کند. این فرآیند جدید ممکن است تأثیر عمده ای در کاهش کمبود آب جهانی داشته باشد.
در این مصاحبه، AZoM و Jurgen Schawe از METTLER TOLEDO در مورد کالریمتری تراشه اسکن سریع و کاربردهای مختلف آن صحبت کردند.
AZoM با پروفسور Oren Scherman در مورد تحقیقات خود در مورد نوع جدیدی از هیدروژل صحبت کرد که می تواند تحت فشار بالا به تراکم پذیری شدید دست یابد.
StructureScan Mini XT ابزاری عالی برای اسکن بتن است. می تواند به طور دقیق و سریع عمق و موقعیت اجسام فلزی و غیرفلزی را در بتن شناسایی کند.
Miniflex XpC یک پراش سنج اشعه ایکس (XRD) است که برای کنترل کیفیت در کارخانه های سیمان و سایر عملیاتی که نیاز به کنترل فرآیند آنلاین (مانند داروها و باتری ها) دارند، طراحی شده است.
بلوک ساختمانی رامان 1064 از اجزای ضروری زیر تشکیل شده است: طیف سنج، لیزر 1064 نانومتری، پروب نمونه برداری و سایر لوازم جانبی اختیاری.