要求の厳しいサ​​ービス用途向けの高度なセラミック材料

エクスペリエンスを向上させるために Cookie を使用します。 この Web サイトの閲覧を続けると、Cookie の使用に同意したことになります。 詳しくは。 真剣なサービスの正式な定義はありません。 バルブ交換コストが高かったり、処理能力が低下したりする運転状況と把握できます。 劣悪なサービス条件に関係するすべての部門の収益性を高めるために、プロセス生産コストを削減することが世界的に必要とされています。 これらは、石油、ガス、石油化学製品から原子力発電、発電、鉱物処理、鉱業にまで及びます。 デザイナーとエンジニアは、さまざまな方法でこの目標を達成しようとしています。 最も適切な方法は、プロセス パラメーター (効果的なシャットダウンや最適化されたフロー制御など) を効果的に制御することにより、稼働時間と効率を向上させることです。 交換の削減はより安全な生産環境につながる可能性があるため、安全性の最適化も重要な役割を果たします。 さらに、同社はポンプやバルブを含む機器の在庫と必要な廃棄を最小限に抑えるよう努めています。 同時に、施設所有者は資産の大幅な変化を期待しています。 その結果、処理能力が向上すると、同じ製品の流れに対してパイプと機器の数が減り（ただし直径は大きくなり）、機器の数も減ります。 これは、パイプの直径を大きくするために大型にする必要があることに加えて、稼働中のメンテナンスや交換の必要性を減らすために、単一のシステム コンポーネントが過酷な環境に長時間さらされることに耐える必要があることを示しています。 バルブやバルブボールなどのコンポーネントは、目的の用途に合わせて堅牢である必要がありますが、より長い耐用年数を実現することもできます。 しかし、ほとんどの用途における大きな問題は、金属部品がその性能の限界に達していることです。 これは、設計者が要求の厳しいサ​​ービス用途向けに、非金属材料、特にセラミック材料の代替品を見つける可能性があることを示しています。 厳しい使用条件下でコンポーネントを動作させるために必要な一般的なパラメータには、耐熱衝撃性、耐腐食性、耐疲労性、硬度、強度、靱性が含まれます。 コンポーネントの復元力が低いと致命的な障害が発生する可能性があるため、復元力は重要なパラメーターです。 セラミック材料の靭性は、亀裂の伝播に対する抵抗として定義されます。 場合によっては、インデンテーション法を使用して測定することができ、その結果、人為的に高い値が得られます。 片面切開ビームを使用すると、正確な測定が可能になります。 強度は靭性に関連しますが、応力が加わったときに材料が壊滅的に破壊する単一点を指します。 これは一般に「破断係数」と呼ばれ、テストロッドの 3 点または 4 点曲げ強度測定を実行することによって測定されます。 3 点テストでは、4 点テストよりも 1% 高い値が得られます。 硬度はロックウェルやビッカースなどのさまざまなスケールで測定できますが、ビッカース微小硬度スケールは高度なセラミック材料に非常に適しています。 硬度は材料の耐摩耗性に直接比例します。 サイクリック方式で動作するバルブでは、バルブの連続開閉による疲労が大きな問題となります。 疲労は強度の閾値であり、この閾値を超えると、材料は通常の曲げ強度を下回って破損することがよくあります。 耐食性は使用環境および材料を含む媒体によって異なります。 この分野では、一部のジルコニアベースの材料が高温の蒸気にさらされたときに発生する「水熱劣化」を除いて、多くの先進的なセラミック材料が金属よりも優れています。 部品の形状、熱膨張係数、熱伝導率、靭性、強度は熱衝撃の影響を受けます。 熱伝導率が高く、靭性に優れているため、金属部品が有効に機能する領域です。 しかし、セラミック材料の進歩により、現在では許容可能なレベルの耐熱衝撃性が提供されています。 アドバンスト セラミックは長年使用されており、高い性能と価値を必要とする信頼性エンジニア、プラント エンジニア、バルブ設計者の間で人気があります。 特定の用途要件に応じて、幅広い業界に適したさまざまな個別の配合物があります。 しかし、4 つの先進セラミックスは、シビアサービスバルブの分野において非常に重要です。 これらには、炭化ケイ素 (SiC)、窒化ケイ素 (Si3N4)、アルミナ、ジルコニアが含まれます。 バルブとバルブボールの材質は、特定の用途要件に従って選択されます。 バルブには主に 2 つの形態のジルコニアが使用されており、どちらも鋼と同じ熱膨張係数と剛性を持っています。 酸化マグネシウム部分安定化ジルコニア (Mg-PSZ) は最高の耐熱衝撃性と靱性を備えていますが、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体 (Y-TZP) はより硬くて強いですが、水熱劣化を受けやすいです。 窒化ケイ素 (Si3N4) にはさまざまな配合があります。 ガス圧焼結窒化ケイ素 (GPPSN) は、バルブおよびバルブ部品に最も一般的に使用される材料です。 平均的な靭性に加えて、高い硬度と強度、優れた耐熱衝撃性と熱安定性も備えています。 さらに、高温蒸気環境では、Si3N4 がジルコニアの適切な代替品となり、水熱劣化を防ぐことができます。 予算が限られている場合、指定者は炭化ケイ素またはアルミナを選択できます。 どちらの材料も高い硬度を持っていますが、ジルコニアや窒化ケイ素よりも靭性は高くありません。 これは、この材料が、高い応力にさらされるバルブ ボールやディスクではなく、バルブ ライニングやバルブ シートなどの静的コンポーネントの用途に非常に適していることを示しています。 過酷なサービスのバルブ用途で使用される金属材料 (フェロクロム (CrFe)、タングステンカーバイド、ハステロイ、ステライトなど) と比較して、高度なセラミック材料は靭性が低く、同様の強度を持っています。 過酷なサービス用途では、バタフライ バルブ、トラニオン、フローティング ボール バルブ、スプリング バルブなどのロータリー バルブが使用されます。 このような用途では、Si3N4 とジルコニアは、最も要求の厳しい環境に適応する耐熱衝撃性、靱性、強度を示します。 材質の硬度と耐食性により、部品の寿命は金属部品に比べて数倍長くなります。 その他の利点には、特にバルブの閉鎖能力と制御を維持する領域における、バルブの寿命にわたる性能特性が含まれます。 これは、65 mm (2.6 インチ) のバルブ カイナー/RTFE ボールとライナーが 98% 硫酸とイルメナイトにさらされ、酸化チタン顔料に変換されるアプリケーションで実証されています。 媒体の腐食性により、これらのコンポーネントの寿命は 6 週間にも及ぶ可能性があります。 ただし、独自の酸化マグネシウム部分安定化ジルコニア (Mg-PSZ) である Nilcra™ 製のボール バルブ トリム (図 1) を使用すると、優れた硬度と耐食性があり、検出可能な異常なしで 3 年間の中断のないサービスを提供できます。磨耗します。 アングルバルブ、スロットルバルブ、グローブバルブなどのリニアバルブでは、これらの製品の「ハードシール」特性により、ジルコニアおよび窒化ケイ素がバルブプラグおよびバルブシートに適しています。 同様に、アルミナは一部のガスケットやケージに使用できます。 バルブシートに研削ボールを適合させることにより、高いシール性を実現します。 バルブコア、入口と出口、またはバルブ本体ライニングを含むバルブライニングには、アプリケーション要件に応じて 4 つの主要なセラミック材料のいずれかを使用できます。 材料の高い硬度と耐食性は、製品の性能と耐用年数の点で有益であることが証明されました。 オーストラリアのボーキサイト精製所で使用されている DN150 バタフライ バルブを例に挙げます。 媒体中のシリカ含有量が高いため、バルブライニングの摩耗レベルが高くなります。 最初に使用されたガスケットとディスクは 28% CrFe 合金でできており、寿命はわずか 8 ～ 10 週間でした。 しかし、Nilcra™ ジルコニア製のバルブ (図 2) を使用すると、耐用年数は 70 週間に延長されました。 セラミックはその靭性と強度により、ほとんどのバルブ用途でうまく機能します。 ただし、バルブの耐用年数を延ばすのに役立つのは、その硬度と耐食性です。 これにより、交換部品のダウンタイムが減少し、運転資本と在庫が削減され、手作業が最小限に抑えられ、漏れが減少することで安全性が向上するため、ライフサイクル全体のコストが削減されます。 高圧バルブは高い軸方向荷重またはねじれ荷重にさらされるため、高圧バルブにセラミック材料を使用することは、長い間、大きな問題の 1 つでした。 しかし、この分野の主要企業は現在、駆動トルクの持続性を向上させるバルブ ボールの設計を開発しています。 もう 1 つの大きな制限は規模です。 酸化マグネシウムを添加した部分安定化ジルコニアから製造された最大のバルブシートと最大のバルブボール（図3）のサイズは、それぞれDN500とDN250です。 ただし、現在、ほとんどの仕様者は、これらのサイズ以下のコンポーネントにはセラミックを優先しています。 セラミック材料が適切な選択であることが証明されていますが、その性能を最大限に高めるには、いくつかの簡単なガイドラインに従う必要があります。 セラミック材料は、コストを最小限に抑える必要がある場合にのみ最初に使用する必要があります。 内側と外側の両方で、鋭角な角や応力集中は避けてください。 潜在的な熱膨張の不一致は、設計段階で考慮する必要があります。 フープ応力を軽減するには、セラミックを内側ではなく外側に保持する必要があります。 最後に、不必要なコストが大幅に増加するため、幾何公差と表面仕上げの必要性を慎重に検討する必要があります。 これらのガイドラインとベスト プラクティスに従って材料を選択し、プロジェクトの開始時からサプライヤーと調整することで、あらゆる過酷なサービス アプリケーションに対して理想的なソリューションを実現できます。 この情報は、Morgan Advanced Materials が提供する資料に基づいており、再検討および調整されています。 モーガン アドバンスト マテリアルズ - テクニカル セラミックス。 （2019年11月28日）。 要求の厳しいサ​​ービス用途向けの高度なセラミック材料。 AZoM。 2021 年 7 月 7 日に https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 から取得。Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics。 「要求の厳しいサ​​ービス用途向けの高度なセラミック材料」。 AZoM。 2021年7月7日。 モーガン アドバンスト マテリアルズ - テクニカル セラミックス。 「要求の厳しいサ​​ービス用途向けの高度なセラミック材料」。 AZoM。 https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305。 (2021 年 7 月 7 日にアクセス)。 モーガン アドバンスト マテリアルズ - テクニカル セラミックス。 2019. 要求の厳しいサ​​ービス用途向けの高度なセラミック材料。 AZoM、2021 年 7 月 7 日閲覧、https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305。 AZoM と Camfil の英国マネージング ディレクターの David Moulton は、同社の空気濾過ソリューションと、それが建設業界の人々により安全な作業環境を提供するのにどのように役立つかについて話し合いました。 このインタビューでは、AZoM と ELTRA の製品マネージャーである Alan Klostermeier 博士が、高重量サンプルの高速かつ信頼性の高い O/N/H 分析について話しました。 このインタビューでは、AZoM と Lake Shore Cryotronics のシニア プロダクト マネージャーである Chuck Cimino が、M81 同期ソース測定システムの利点について話し合いました。 Zeus Bioweb™ は、PTFE を電界紡糸して、ナノメートルからマイクロメートルの範囲の非常に小さな直径のポリマー繊維を製造する技術です。 メトラー・トレドの STARe 熱解析ソフトウェアは、驚くべき柔軟性と無限の評価の可能性を提供します。