혹독한 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 소재

공식적인 서비스 정의는 없습니다. 밸브를 교체하는 데 드는 높은 비용이나 처리 용량을 감소시키는 작업 조건을 지칭하는 것으로 볼 수 있습니다.
혹독한 서비스 조건에 관련된 모든 부문의 수익성을 개선하기 위해 공정 생산 비용을 줄여야 하는 글로벌 요구. 여기에는 석유 및 가스, 석유화학, 원자력 및 발전, 광물 가공 및 채굴이 포함됩니다.
디자이너와 엔지니어는 이 목표를 다양한 방법으로 달성하려고 노력하고 있습니다. 가장 적절한 방법은 프로세스 매개변수(예: 효과적인 셧다운 및 최적화된 흐름 제어)를 효과적으로 제어하여 가동 시간과 효율성을 높이는 것입니다.
안전 최적화도 중요한 역할을 하는데, 교체 횟수를 줄이면 보다 안전한 생산 환경으로 이어질 수 있기 때문입니다. 또한, 회사는 장비(펌프 및 밸브 포함) 재고와 필요한 폐기를 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 동시에, 시설 소유주는 자산에서 엄청난 매출을 기대합니다. 따라서 처리 용량이 증가하면 동일한 제품 스트림에 대해 더 적은(그러나 더 큰 직경) 파이프와 장비와 더 적은 계측기가 사용됩니다.
이는 더 넓은 직경의 파이프에 더 큰 개별 시스템 구성 요소를 사용해야 할 뿐만 아니라, 서비스 중 유지 관리 및 교체 요구 사항을 줄이려면 혹독한 환경에 장기간 노출되어야 함을 보여줍니다.
밸브와 밸브 볼을 포함한 구성 요소는 원하는 응용 분야에 맞게 견고해야 하지만 수명을 연장할 수도 있습니다. 그러나 대부분 응용 분야의 주요 문제는 금속 부품이 성능 한계에 도달했다는 것입니다. 이는 설계자가 까다로운 응용 분야, 특히 세라믹 재료에서 비금속 재료에 대한 대안을 찾을 수 있음을 나타냅니다.
혹독한 조건에서 부품을 작동하는 데 필요한 일반적인 매개변수로는 열충격 저항성, 내식성, 피로 저항성, 경도, 강도 및 인성이 있습니다.
회복성은 핵심 매개변수인데, 회복성이 낮은 구성 요소는 치명적으로 고장날 수 있기 때문입니다. 세라믹 재료의 인성은 균열 전파에 대한 저항으로 정의됩니다. 어떤 경우에는 인위적으로 높은 값을 얻기 위해 압입 방법을 사용하여 측정할 수 있습니다. 단일 측면 절개 빔을 사용하면 정확한 측정 결과를 얻을 수 있습니다.
강도는 인성과 관련이 있지만, 응력이 가해졌을 때 재료가 파괴적으로 손상되는 단일 지점을 말합니다. 일반적으로 "파단 계수"라고 하며 테스트 막대에서 3점 또는 4점 굽힘 강도를 측정하여 얻습니다. 3점 테스트의 값은 4점 테스트의 값보다 1% 더 높습니다.
록웰 경도 시험기 및 비커스 경도 시험기를 포함한 많은 척도를 사용하여 경도를 측정할 수 있지만, 비커스 마이크로경도 척도는 고급 세라믹 재료에 매우 적합합니다. 경도는 재료의 내마모성에 비례하여 변합니다.
순환 방식으로 작동하는 밸브에서 피로는 밸브의 지속적인 개폐로 인해 주요 관심사입니다. 피로는 강도의 한계입니다. 이 한계를 넘어서면 재료는 정상적인 굽힘 강도 아래에서 파손되는 경향이 있습니다.
내식성은 작동 환경과 재료가 포함된 매체에 따라 달라집니다. "열수 분해" 외에도 많은 고급 세라믹 재료가 이 분야에서 금속보다 우수하며, 특정 지르코니아 기반 재료는 고온 증기에 노출된 후 "열수 분해"를 겪습니다.
구성 요소의 기하학, 열 팽창 계수, 열 전도도, 인성 및 강도는 열 충격의 영향을 받습니다. 이 영역은 높은 열 전도도와 인성에 도움이 되므로 금속 구성 요소가 효과적으로 작동할 수 있습니다. 그러나 세라믹 재료의 발전으로 이제 허용 가능한 수준의 열 충격 저항이 제공됩니다.
고급 세라믹은 수년 동안 사용되어 왔으며 높은 성능과 높은 가치를 요구하는 신뢰성 엔지니어, 플랜트 엔지니어 및 밸브 설계자에게 인기가 있습니다. 특정 응용 분야 요구 사항에 따라 다양한 산업의 다양한 제형에 적합합니다. 그러나 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 질화물(Si3N4), 알루미나 및 지르코니아를 포함한 네 가지 고급 세라믹은 밸브의 엄격한 유지 관리 분야에서 매우 중요합니다. 밸브 및 밸브 볼의 재료는 특정 응용 분야 요구 사항에 따라 선택됩니다.
이 밸브는 두 가지 주요 형태의 지르코니아를 사용하는데, 이는 강철과 동일한 열팽창 계수와 강성을 가지고 있습니다. 산화 마그네슘 부분 안정화 지르코니아(Mg-PSZ)는 가장 높은 열충격 저항성과 인성을 가지고 있는 반면, 이트리아 사방정 지르코니아 다결정(Y-TZP)은 더 단단하지만 수열 분해에 취약합니다.
질화규소(Si3N4)는 다양한 제형을 가지고 있습니다. 가스압 소결 질화규소(GPPSN)는 밸브 및 밸브 구성품에 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 평균 인성 ​​외에도 높은 경도와 강도, 뛰어난 열충격 저항성 및 열 안정성을 가지고 있습니다. 또한 고온 증기 환경에서 Si3N4는 지르코니아를 대체하여 수열 분해를 방지할 수 있습니다.
예산이 더 엄격하면 농축기는 SiC 또는 알루미나 중에서 선택할 수 있습니다. 두 재료 모두 경도가 높지만 지르코니아나 질화규소보다 단단하지는 않습니다. 이는 이 재료가 더 높은 응력을 받는 밸브 볼이나 디스크보다는 밸브 라이너 및 밸브 시트와 같은 정적 구성 요소 애플리케이션에 매우 적합하다는 것을 보여줍니다.
까다로운 밸브 응용 분야에 사용되는 금속 소재(페로크롬(CrFe), 텅스텐 카바이드, 하스텔로이, 스텔라이트 등)와 비교했을 때 고급 세라믹 소재는 인성이 낮고 강도는 비슷합니다.
까다로운 서비스 애플리케이션에는 버터플라이 밸브, 트러니언, 플로팅 볼 밸브 및 스프링과 같은 회전 밸브를 사용하는 것이 포함됩니다. 이러한 애플리케이션에서 Si3N4 및 지르코니아는 열 충격 저항성, 인성 및 강도를 가지고 있으며 가장 까다로운 환경에 적응할 수 있습니다. 재료의 경도 및 내식성으로 인해 구성 요소의 서비스 수명은 금속 구성 요소의 수명보다 몇 배 더 깁니다. 다른 이점으로는 특히 차단 및 제어 기능이 유지되는 영역에서 밸브 수명 동안의 성능 특성이 포함됩니다.
이는 98% 황산과 일메나이트에 노출된 65mm(2.6인치) 밸브 카이나/RTFE 볼과 라이너의 경우에서 입증되었으며, 일메나이트는 이산화티타늄 안료로 변환되었습니다. 매체의 부식성으로 인해 이러한 구성 요소의 수명이 최대 6주가 될 수 있습니다. 그러나 Nilcra™에서 제조한 구형 밸브 트림(독점적인 산화마그네슘 부분 안정화 지르코니아(Mg-PSZ))을 사용하면(그림 1) 경도와 내식성이 뛰어나고 3년 동안 제공되었습니다. 감지 가능한 마모 및 파손 없이 간헐적으로 서비스합니다.
선형 밸브(앵글 밸브, 스로틀 밸브 또는 글로브 밸브 포함)에서 이러한 제품의 "하드 시트" 특성으로 인해 지르코니아와 실리콘 질화물은 밸브 플러그와 밸브 시트 모두에 적합합니다. 마찬가지로 알루미나는 특정 라이닝과 케이지에 사용할 수 있습니다. 시트 링의 매칭 볼을 통해 높은 수준의 밀봉을 달성할 수 있습니다.
스풀 밸브, 입구 및 출구 또는 밸브 바디 부싱을 포함한 밸브 코어의 경우, 네 가지 주요 세라믹 재료 중 하나를 적용 요구 사항에 따라 사용할 수 있습니다. 재료의 높은 경도와 내식성은 제품 성능과 서비스 수명 측면에서 유익한 것으로 입증되었습니다.
호주 보크사이트 정유 공장에서 사용하는 DN150 버터플라이 밸브를 예로 들어보겠습니다. 매체의 높은 실리카 함량은 밸브 부싱의 마모 수준을 높입니다. 처음에 사용된 라이너와 밸브 디스크는 28% CrFe 합금으로 만들어졌으며 8~10주만 지속되었습니다. 그러나 Nilcra™ 지르코니아로 만든 밸브가 도입되면서(그림 2) 사용 수명이 70주로 늘어났습니다.
세라믹은 견고성과 강도로 인해 대부분의 밸브 응용 분야에서 잘 작동합니다. 그러나 경도와 내식성이 밸브의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 차례로 교체 부품의 가동 중지 시간을 줄이고, 작업 자본과 재고를 줄이고, 수동 처리를 최소화하고, 누출을 줄여 안전성을 개선하여 전체 수명 주기 비용을 줄입니다.
오랫동안 고압 밸브에 세라믹 소재를 적용하는 것은 주요 관심사 중 하나였습니다. 이러한 밸브는 높은 축 방향 또는 비틀림 하중을 받기 때문입니다. 그러나 이 분야의 주요 업체는 작동 토크의 생존성을 개선하는 밸브 볼 설계를 개발하고 있습니다.
다른 주요 제한은 크기입니다. 마그네시아 부분 안정화 지르코니아로 생산된 가장 큰 밸브 시트와 가장 큰 밸브 볼(그림 3)의 크기는 각각 DN500과 DN250입니다. 그러나 대부분의 현재 지정자는 이러한 치수를 초과하지 않는 치수의 부품을 만드는 데 세라믹을 사용하는 것을 선호합니다.
세라믹 소재가 이제 적합한 선택으로 입증되었지만, 성능을 극대화하기 위해 따라야 할 몇 가지 간단한 지침이 여전히 있습니다. 세라믹 소재는 비용을 절감해야 할 필요가 있는 경우에만 먼저 사용해야 합니다. 내부와 외부 모두 날카로운 모서리와 응력 집중을 피해야 합니다.
설계 단계에서 잠재적인 열 팽창 불일치를 고려해야 합니다. 후프 응력을 줄이기 위해 세라믹을 내부가 아닌 외부에 두는 것이 필요합니다. 마지막으로, 기하학적 공차와 표면 마감의 필요성을 신중하게 고려해야 합니다. 이러한 공차는 불필요한 비용을 크게 증가시킬 수 있기 때문입니다.
프로젝트 초기부터 이러한 지침과 모범 사례에 따라 재료를 선택하고 공급업체와 협력하면 까다로운 서비스 애플리케이션마다 이상적인 솔루션을 얻을 수 있습니다.
이 정보는 Morgan Advanced Materials에서 제공한 자료를 바탕으로 수집, 검토 및 수정되었습니다.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (2019년 11월 28일). 심각한 서비스 응용 분야에 적합한 고급 세라믹 소재. AZoM. 2021년 5월 26일 https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305에서 가져옴.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "심각한 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 소재". AZoM. 2021년 5월 26일.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "심각한 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 소재". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (2021년 5월 26일 접속).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. 심각한 서비스 응용 분야에 적합한 고급 세라믹 소재. AZoM, 2021년 5월 26일 확인, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305.
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