Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio impegnative

Utilizziamo i cookie per migliorare la tua esperienza. Continuando a navigare su questo sito web, accetti il ​​nostro utilizzo dei cookie. Maggiori informazioni. Non esiste una definizione ufficiale di servizio serio. Può essere inteso come condizioni operative in cui il costo di sostituzione della valvola è elevato o la capacità di elaborazione è ridotta. Esiste una necessità globale di ridurre i costi di produzione dei processi al fine di aumentare la redditività di tutti i settori coinvolti in condizioni di servizio scadenti. Si va dal petrolio e gas, ai prodotti petrolchimici, all'energia nucleare e alla produzione di energia, alla lavorazione dei minerali e all'estrazione mineraria. Designer e ingegneri stanno cercando di raggiungere questo obiettivo in modi diversi. Il metodo più appropriato è aumentare i tempi di attività e l'efficienza controllando efficacemente i parametri di processo (come l'arresto efficace e il controllo del flusso ottimizzato). Anche l’ottimizzazione della sicurezza svolge un ruolo fondamentale, poiché la riduzione delle sostituzioni può portare a un ambiente di produzione più sicuro. Inoltre, l'azienda sta lavorando per ridurre al minimo le scorte di attrezzature, comprese pompe e valvole, e lo smaltimento richiesto. Allo stesso tempo, i proprietari delle strutture si aspettano un enorme spostamento dei loro asset. Di conseguenza, una maggiore capacità di lavorazione si traduce in un minor numero di tubi e apparecchiature (ma di diametri maggiori) e di un minor numero di strumenti per lo stesso flusso di prodotti. Ciò dimostra che oltre a dover essere più grande per un diametro del tubo più ampio, un singolo componente del sistema deve anche resistere a un'esposizione prolungata ad ambienti difficili per ridurre la necessità di manutenzione e sostituzione in servizio. I componenti, comprese le valvole e le sfere delle valvole, devono essere robusti per adattarsi all'applicazione desiderata, ma possono anche garantire una durata operativa più lunga. Tuttavia, uno dei problemi principali della maggior parte delle applicazioni è che le parti metalliche hanno raggiunto il limite delle loro prestazioni. Ciò indica che i progettisti possono trovare alternative ai materiali non metallici, in particolare ai materiali ceramici, per applicazioni di servizio impegnative. I parametri tipici richiesti per il funzionamento dei componenti in condizioni di servizio severe includono resistenza allo shock termico, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, durezza, resistenza e tenacità. La resilienza è un parametro chiave, perché i componenti meno resilienti possono fallire in modo catastrofico. La tenacità dei materiali ceramici è definita come la resistenza alla propagazione delle cricche. In alcuni casi, può essere misurato utilizzando il metodo dell'indentazione, ottenendo valori artificialmente elevati. L'uso di un raggio di incisione su un solo lato può fornire misurazioni accurate. La resistenza è correlata alla tenacità, ma si riferisce al singolo punto in cui un materiale si rompe in modo catastrofico quando viene applicato lo stress. Viene comunemente definito "modulo di rottura" e viene misurato eseguendo una misurazione della resistenza alla flessione su tre o quattro punti su un'asta di prova. Il test a tre punti fornisce un valore superiore dell'1% rispetto al test a quattro punti. Sebbene la durezza possa essere misurata con una varietà di scale, tra cui Rockwell e Vickers, la scala di microdurezza Vickers è molto adatta per materiali ceramici avanzati. La durezza è direttamente proporzionale alla resistenza all'usura del materiale. In una valvola che funziona con metodo ciclico, la fatica è un problema importante a causa della continua apertura e chiusura della valvola. La fatica è la soglia di resistenza oltre la quale il materiale spesso cede al di sotto della sua normale resistenza alla flessione. La resistenza alla corrosione dipende dall'ambiente operativo e dal mezzo contenente il materiale. In questo campo, molti materiali ceramici avanzati presentano vantaggi rispetto ai metalli, ad eccezione della “degradazione idrotermale”, che si verifica quando alcuni materiali a base di zirconio sono esposti a vapore ad alta temperatura. La geometria della parte, il coefficiente di dilatazione termica, la conduttività termica, la tenacità e la resistenza sono influenzati dallo shock termico. Questa è un'area che favorisce un'elevata conduttività termica e tenacità, quindi le parti metalliche possono funzionare in modo efficace. Tuttavia, i progressi nei materiali ceramici ora forniscono livelli accettabili di resistenza agli shock termici. Le ceramiche avanzate sono utilizzate da molti anni e sono apprezzate dagli ingegneri dell'affidabilità, dagli impiantisti e dai progettisti di valvole che richiedono prestazioni e valore elevati. A seconda dei requisiti applicativi specifici, esistono diverse formulazioni individuali adatte ad un'ampia gamma di settori. Tuttavia, quattro ceramiche avanzate sono di grande importanza nel campo delle valvole per servizi gravosi. Includono carburo di silicio (SiC), nitruro di silicio (Si3N4), allumina e zirconio. I materiali della valvola e della sfera della valvola sono selezionati in base ai requisiti applicativi specifici. Nelle valvole vengono utilizzate due forme principali di zirconio, entrambe con lo stesso coefficiente di dilatazione termica e rigidità dell'acciaio. La zirconia parzialmente stabilizzata con ossido di magnesio (Mg-PSZ) ha la massima resistenza agli shock termici e tenacità, mentre l'ossido di ossido di magnesio policristallino (Y-TZP) è più duro e resistente, ma è suscettibile alla degradazione idrotermale. Il nitruro di silicio (Si3N4) ha diverse formulazioni. Il nitruro di silicio sinterizzato a pressione di gas (GPPSN) è il materiale più comunemente utilizzato per valvole e componenti di valvole. Oltre alla sua tenacità media, fornisce anche elevata durezza e resistenza, eccellente resistenza allo shock termico e stabilità termica. Inoltre, negli ambienti con vapore ad alta temperatura, Si3N4 è un sostituto adatto della zirconia, che può prevenire la degradazione idrotermale. Quando il budget è limitato, il progettista può scegliere il carburo di silicio o l'allumina. Entrambi i materiali hanno un'elevata durezza, ma non sono più resistenti della zirconio o del nitruro di silicio. Ciò dimostra che il materiale è molto adatto per applicazioni di componenti statici, come rivestimenti e sedi di valvole, piuttosto che per sfere o dischi di valvole soggetti a sollecitazioni maggiori. Rispetto ai materiali metallici utilizzati nelle applicazioni per valvole per servizi gravosi (compresi ferrocromo (CrFe), carburo di tungsteno, Hastelloy e Stellite), i materiali ceramici avanzati hanno una tenacità inferiore e una resistenza simile. Le applicazioni per servizi gravosi prevedono l'uso di valvole rotative, come valvole a farfalla, perni, valvole a sfera flottante e valvole a molla. In tali applicazioni, Si3N4 e zirconio mostrano resistenza agli shock termici, tenacità e resistenza per adattarsi agli ambienti più esigenti. A causa della durezza e della resistenza alla corrosione del materiale, la durata delle parti aumenta notevolmente rispetto alle parti metalliche. Altri vantaggi includono le caratteristiche prestazionali della valvola per tutta la sua durata, soprattutto nelle aree in cui mantiene la sua capacità di chiusura e controllo. Ciò è dimostrato in un'applicazione in cui una sfera e un rivestimento in kynar/RTFE con valvola da 65 mm (2,6 pollici) sono esposti al 98% di acido solforico e ilmenite, che viene convertito in pigmento di ossido di titanio. La natura corrosiva dei fluidi fa sì che la durata di questi componenti possa arrivare fino a sei settimane. Tuttavia, l'uso del trim della valvola a sfera realizzato da Nilcra™ (Figura 1), che è un ossido di magnesio brevettato e zirconio parzialmente stabilizzato (Mg-PSZ), ha un'eccellente durezza e resistenza alla corrosione e può fornire tre anni di servizio ininterrotto senza alcuna traccia rilevabile usura. Nelle valvole lineari, comprese le valvole ad angolo, le valvole a farfalla o le valvole a globo, grazie alle caratteristiche di "tenuta dura" di questi prodotti, la zirconio e il nitruro di silicio sono adatti per gli otturatori e le sedi delle valvole. Allo stesso modo, l'allumina può essere utilizzata per alcune guarnizioni e gabbie. Abbinando le sfere di macinazione sulla sede della valvola è possibile ottenere un elevato grado di tenuta. Per il rivestimento della valvola, compreso il nucleo della valvola, l'ingresso e l'uscita o il rivestimento del corpo valvola, è possibile utilizzare uno qualsiasi dei quattro principali materiali ceramici in base ai requisiti dell'applicazione. L'elevata durezza e resistenza alla corrosione del materiale si sono rivelate vantaggiose in termini di prestazioni e durata del prodotto. Prendiamo come esempio la valvola a farfalla DN150 utilizzata nella raffineria di bauxite australiana. L'elevato contenuto di silice nel mezzo garantisce un elevato livello di usura sul rivestimento della valvola. Le guarnizioni e i dischi inizialmente utilizzati erano realizzati in una lega di CrFe al 28% e duravano solo da otto a dieci settimane. Tuttavia, con le valvole realizzate in zirconio Nilcra™ (Figura 2), la durata utile è aumentata a 70 settimane. Grazie alla sua tenacità e resistenza, la ceramica funziona bene nella maggior parte delle applicazioni su valvole. Tuttavia, sono la loro durezza e resistenza alla corrosione che contribuiscono ad aumentare la durata della valvola. Ciò a sua volta riduce il costo dell'intero ciclo di vita riducendo i tempi di inattività per le parti di ricambio, riducendo il capitale circolante e le scorte, riducendo al minimo la movimentazione manuale e migliorando la sicurezza riducendo le perdite. Per molto tempo l'applicazione dei materiali ceramici nelle valvole ad alta pressione è stata uno dei problemi principali, poiché queste valvole sono soggette a carichi assiali o torsionali elevati. Tuttavia, i principali attori in questo campo stanno ora sviluppando progetti di valvole a sfera per migliorare la sopravvivenza della coppia motrice. L’altro limite principale è la scala. La dimensione della sede della valvola più grande e della sfera della valvola più grande (Figura 3) prodotte da zirconia parzialmente stabilizzata con ossido di magnesio è rispettivamente DN500 e DN250. Tuttavia, la maggior parte dei prescrittori attualmente preferisce la ceramica per i componenti al di sotto di queste dimensioni. Sebbene i materiali ceramici abbiano ormai dimostrato di essere una scelta adeguata, è necessario seguire alcune semplici linee guida per massimizzarne le prestazioni. I materiali ceramici dovrebbero essere utilizzati per primi solo quando è necessario mantenere i costi al minimo. Gli angoli acuti e la concentrazione di stress dovrebbero essere evitati sia all'interno che all'esterno. Qualsiasi potenziale disadattamento di dilatazione termica deve essere considerato durante la fase di progettazione. Per ridurre lo stress sul telaio, la ceramica deve essere tenuta all'esterno, non all'interno. Infine, la necessità di tolleranze geometriche e di finitura superficiale dovrebbe essere attentamente considerata, poiché queste aumenteranno significativamente i costi inutili. Seguendo queste linee guida e le migliori pratiche per la selezione dei materiali e il coordinamento con i fornitori fin dall'inizio del progetto, è possibile ottenere una soluzione ideale per ogni applicazione di servizio gravosa. Queste informazioni derivano dai materiali forniti da Morgan Advanced Materials e sono state riviste e adattate. Morgan Advanced Materials-Ceramica tecnica. (28 novembre 2019). Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio impegnative. AZoM. Estratto da https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 il 7 luglio 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio esigenti". AZoM. 7 luglio 2021. . Morgan Advanced Materials-Ceramica tecnica. "Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio esigenti". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Accesso il 7 luglio 2021). Morgan Advanced Materials-Ceramica tecnica. 2019. Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio esigenti. AZoM, visualizzato il 7 luglio 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. AZoM e l'amministratore delegato di Camfil per il Regno Unito, David Moulton, hanno discusso delle soluzioni di filtraggio dell'aria dell'azienda e di come queste possano contribuire a fornire un ambiente di lavoro più sicuro per gli operatori del settore edile. In questa intervista, il Dr. Alan Klostermeier, product manager di AZoM e ELTRA, ha parlato di analisi O/N/H rapide e affidabili di campioni di peso elevato. In questa intervista, AZoM e Chuck Cimino, Senior Product Manager presso Lake Shore Cryotronics, hanno discusso i vantaggi del loro sistema di misurazione della sorgente di sincronizzazione M81. Zeus Bioweb™ è una tecnologia che elettrofila il PTFE in fibre polimeriche con diametri estremamente piccoli che vanno dai nanometri ai micrometri. Il software di analisi termica STARe di METTLER TOLEDO offre un'incredibile flessibilità e possibilità di valutazione illimitate.