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Il n’existe pas de définition officielle du service strict. Cela peut être compris comme des conditions de fonctionnement dans lesquelles le coût de remplacement des vannes est élevé ou la capacité de traitement est réduite.
Il existe un besoin mondial de réduire les coûts de production des procédés afin d'augmenter la rentabilité de tous les secteurs impliqués dans de mauvaises conditions de service. Ceux-ci vont du pétrole, du gaz et des produits pétrochimiques à l’énergie nucléaire et à la production d’électricité, en passant par le traitement des minéraux et l’exploitation minière.
Les concepteurs et les ingénieurs tentent d’atteindre cet objectif de différentes manières. La méthode la plus appropriée consiste à augmenter la disponibilité et l'efficacité en contrôlant efficacement les paramètres du processus (tels qu'un arrêt efficace et un contrôle de débit optimisé).
L'optimisation de la sécurité joue également un rôle essentiel, car la réduction du remplacement peut conduire à un environnement de production plus sûr. De plus, l'entreprise s'efforce de minimiser les stocks d'équipements, notamment les pompes et les vannes, ainsi que l'élimination requise. Dans le même temps, les propriétaires d’installations s’attendent à un changement considérable de leurs actifs. En conséquence, une capacité de traitement accrue se traduit par moins de tuyaux et d’équipements (mais de plus grands diamètres) et moins d’instruments pour le même flux de produits.
Cela indique qu'en plus de devoir être plus grand pour un diamètre de tuyau plus large, un seul composant du système doit également résister à une exposition prolongée à des environnements difficiles afin de réduire le besoin de maintenance et de remplacement en service.
Les composants, notamment les vannes et les billes de vanne, doivent être robustes pour s'adapter à l'application requise, mais peuvent également offrir une durée de vie plus longue. Cependant, un problème majeur dans la plupart des applications est que les pièces métalliques ont atteint la limite de leurs performances. Cela indique que les concepteurs peuvent trouver des alternatives aux matériaux non métalliques, en particulier les matériaux céramiques, pour les applications de service exigeantes.
Les paramètres typiques requis pour faire fonctionner les composants dans des conditions de service sévères comprennent la résistance aux chocs thermiques, la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue, la dureté, la résistance et la ténacité.
La résilience est un paramètre clé, car les composants moins résilients peuvent échouer de manière catastrophique. La ténacité des matériaux céramiques est définie comme la résistance à la propagation des fissures. Dans certains cas, elle peut être mesurée à l’aide de la méthode d’indentation, ce qui entraîne des valeurs artificiellement élevées. L’utilisation d’un faisceau d’incision d’un seul côté peut fournir des mesures précises.
La résistance est liée à la ténacité, mais fait référence au point unique auquel un matériau se brise de manière catastrophique lorsqu'une contrainte est appliquée. Il est communément appelé « module de rupture » et est mesuré en effectuant une mesure de résistance à la flexion en trois ou quatre points sur une tige d'essai. Le test en trois points fournit une valeur supérieure de 1 % au test en quatre points.
Bien que la dureté puisse être mesurée avec diverses échelles, notamment Rockwell et Vickers, l'échelle de microdureté Vickers est très adaptée aux matériaux céramiques avancés. La dureté est directement proportionnelle à la résistance à l'usure du matériau.
Dans une vanne fonctionnant selon un procédé cyclique, la fatigue est un problème majeur en raison de l'ouverture et de la fermeture continues de la vanne. La fatigue est le seuil de résistance au-delà duquel le matériau se brise souvent en dessous de sa résistance normale à la flexion.
La résistance à la corrosion dépend de l'environnement d'exploitation et du milieu contenant le matériau. Dans ce domaine, de nombreux matériaux céramiques avancés présentent des avantages par rapport aux métaux, à l’exception de la « dégradation hydrothermale », qui se produit lorsque certains matériaux à base de zircone sont exposés à de la vapeur à haute température.
La géométrie des pièces, le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, la ténacité et la résistance sont affectés par le choc thermique. Il s’agit d’une zone propice à une conductivité thermique et à une ténacité élevées, afin que les pièces métalliques puissent fonctionner efficacement. Cependant, les progrès réalisés dans le domaine des matériaux céramiques offrent désormais des niveaux acceptables de résistance aux chocs thermiques.
Les céramiques avancées sont utilisées depuis de nombreuses années et sont populaires parmi les ingénieurs en fiabilité, les ingénieurs d'usine et les concepteurs de vannes qui exigent des performances et une valeur élevées. Selon les exigences spécifiques de l'application, il existe différentes formulations individuelles adaptées à un large éventail d'industries. Cependant, quatre céramiques avancées revêtent une grande importance dans le domaine des vannes pour services sévères. Ils comprennent le carbure de silicium (SiC), le nitrure de silicium (Si3N4), l'alumine et la zircone. Les matériaux de la vanne et de la bille de la vanne sont sélectionnés en fonction des exigences spécifiques de l'application.
Deux formes principales de zircone sont utilisées dans les vannes, qui ont toutes deux le même coefficient de dilatation thermique et la même rigidité que l'acier. La zircone partiellement stabilisée à l'oxyde de magnésium (Mg-PSZ) présente la résistance aux chocs thermiques et la ténacité les plus élevées, tandis que la zircone tétragonale polycristalline à l'oxyde d'yttrium (Y-TZP) est plus dure et plus résistante, mais est sensible à la dégradation hydrothermale.
Le nitrure de silicium (Si3N4) a différentes formulations. Le nitrure de silicium fritté sous pression gazeuse (GPPSN) est le matériau le plus couramment utilisé pour les vannes et les composants de vannes. En plus de sa ténacité moyenne, il offre également une dureté et une résistance élevées, une excellente résistance aux chocs thermiques et une stabilité thermique. De plus, Si3N4 constitue un substitut approprié à la zircone dans les environnements de vapeur à haute température pour empêcher la dégradation hydrothermale.
Lorsque le budget est serré, le prescripteur peut choisir le carbure de silicium ou l'alumine. Les deux matériaux ont une dureté élevée, mais ne sont pas plus durs que la zircone ou le nitrure de silicium. Cela montre que le matériau est très approprié pour les applications de composants statiques, tels que les garnitures et les sièges de vannes, plutôt que pour les billes ou les disques de vannes soumis à des contraintes plus élevées.
Comparés aux matériaux métalliques utilisés dans les applications de vannes de service difficiles (notamment le ferrochrome (CrFe), le carbure de tungstène, l'Hastelloy et le Stellite), les matériaux céramiques avancés ont une ténacité inférieure et une résistance similaire.
Les applications de service sévères impliquent l'utilisation de vannes rotatives, telles que des vannes papillon, des tourillons, des vannes à bille flottante et des vannes à ressort. Dans de telles applications, le Si3N4 et la zircone présentent une résistance aux chocs thermiques, une ténacité et une solidité nécessaires pour s'adapter aux environnements les plus exigeants. En raison de la dureté et de la résistance à la corrosion du matériau, la durée de vie des pièces est plusieurs fois supérieure à celle des pièces métalliques. D'autres avantages incluent les caractéristiques de performance de la vanne tout au long de sa durée de vie, en particulier dans les domaines où elle conserve sa capacité de fermeture et son contrôle.
Cela a été démontré dans une application où une bille et un revêtement de valve en kynar/RTFE de 65 mm (2,6 pouces) ont été exposés à 98 % d'acide sulfurique et d'ilménite, qui est en cours de conversion en pigment d'oxyde de titane. La nature corrosive des médias signifie que ces composants peuvent durer jusqu'à six semaines. Cependant, l'utilisation de garnitures de robinet à tournant sphérique fabriquées par Nilcra!" (Figure 1), qui est une zircone exclusive partiellement stabilisée à l'oxyde de magnésium (Mg-PSZ), présente une excellente dureté et résistance à la corrosion et peut fournir trois ans de service ininterrompu sans aucun dommage détectable. usure normale.
Dans les vannes linéaires, notamment les vannes d'angle, les papillons ou les vannes à soupape, la zircone et le nitrure de silicium conviennent aux clapets et aux sièges de vannes, grâce aux caractéristiques de « siège dur » de ces produits. De même, l’alumine peut être utilisée pour certains joints et cages. En faisant correspondre les billes de broyage sur le siège de soupape, un haut degré d'étanchéité peut être obtenu.
Pour le revêtement de vanne, y compris le noyau de vanne, l'entrée et la sortie ou le revêtement du corps de vanne, l'un des quatre principaux matériaux céramiques peut être utilisé en fonction des exigences de l'application. La dureté élevée et la résistance à la corrosion du matériau se sont révélées bénéfiques en termes de performances et de durée de vie du produit.
Prenons comme exemple la vanne papillon DN150 utilisée dans la raffinerie de bauxite australienne. La teneur élevée en silice dans le fluide entraîne une usure élevée de la garniture de soupape. Les joints et disques initialement utilisés sont en alliage CrFe à 28 % et ne peuvent durer que huit à dix semaines. Cependant, avec les valves en zircone Nilcra!" (Figure 2), la durée de vie est passée à 70 semaines.
En raison de sa ténacité et de sa résistance, la céramique fonctionne bien dans la plupart des applications de vannes. Cependant, c'est leur dureté et leur résistance à la corrosion qui contribuent à augmenter la durée de vie de la vanne. Cela réduit à son tour le coût de l'ensemble du cycle de vie en réduisant les temps d'arrêt pour les pièces de rechange, en réduisant le fonds de roulement et les stocks, en minimisant la manipulation manuelle et en améliorant la sécurité en réduisant les fuites.
Pendant longtemps, l'application de matériaux céramiques dans les vannes haute pression a été l'une des principales préoccupations, car ces vannes sont soumises à des charges axiales ou de torsion élevées. Cependant, les principaux acteurs dans ce domaine développent actuellement des conceptions de billes de valve pour améliorer la capacité de survie du couple moteur.
L’autre limitation majeure est l’échelle. La taille du plus grand siège de vanne et de la plus grande bille de vanne (Figure 3) produits par de la zircone magnésienne partiellement stabilisée est respectivement DN500 et DN250. Cependant, la plupart des prescripteurs préfèrent actuellement les composants en céramique de ces tailles.
Bien que le matériau céramique s’avère désormais être un choix approprié, il reste encore quelques directives simples à suivre pour maximiser ses performances. Les matériaux céramiques ne doivent être utilisés en premier que lorsque les coûts doivent être réduits au minimum. Les angles vifs et la concentration de contraintes doivent être évités tant à l’intérieur qu’à l’extérieur.
Tout décalage potentiel de dilatation thermique doit être pris en compte lors de la phase de conception. Afin de réduire les contraintes du cerceau, la céramique doit être conservée à l'extérieur et non à l'intérieur. Enfin, la nécessité de tolérances géométriques et de finition de surface doit être soigneusement étudiée, car celles-ci augmenteront considérablement les coûts inutiles.
En suivant ces directives et bonnes pratiques pour la sélection des matériaux et en coordination avec les fournisseurs dès le début du projet, il est possible d'obtenir la solution idéale pour chaque application de service difficile.
Ces informations sont dérivées de documents fournis par Morgan Advanced Materials et ont été révisées et adaptées.
Morgan Advanced Materials-Céramiques techniques. (28 novembre 2019). Matériaux céramiques avancés pour les applications de service exigeantes. AZOM. Extrait de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 le 7 décembre 2021.
Morgan Advanced Materials-Céramiques techniques. « Matériaux céramiques avancés pour les applications de service exigeantes ». AZOM. 7 décembre 2021.
Morgan Advanced Materials-Céramiques techniques. « Matériaux céramiques avancés pour les applications de service exigeantes ». AZOM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consulté le 7 décembre 2021).
Morgan Advanced Materials-Céramiques techniques. 2019. Matériaux céramiques avancés pour les applications de service exigeantes. AZoM, consulté le 7 décembre 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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Heure de publication : 08 décembre 2021
