Zaawansowane materiały ceramiczne do wymagających zastosowań serwisowych

Używamy plików cookie, aby poprawić Twoje doświadczenia. Kontynuując przeglądanie tej witryny, wyrażasz zgodę na używanie przez nas plików cookie. Więcej informacji. Nie ma oficjalnej definicji poważnej usługi. Można to rozumieć jako warunki pracy, w których koszt wymiany zaworu jest wysoki lub wydajność przetwarzania jest zmniejszona. Istnieje globalna potrzeba obniżenia kosztów produkcji procesowej w celu zwiększenia rentowności wszystkich sektorów charakteryzujących się złymi warunkami świadczenia usług. Obejmują one produkty od ropy i gazu, produktów petrochemicznych po energię jądrową i wytwarzanie energii, przetwarzanie minerałów i górnictwo. Projektanci i inżynierowie próbują osiągnąć ten cel na różne sposoby. Najbardziej odpowiednią metodą jest zwiększenie czasu sprawności i wydajności poprzez skuteczne kontrolowanie parametrów procesu (takich jak skuteczne wyłączanie i zoptymalizowana kontrola przepływu). Optymalizacja bezpieczeństwa również odgrywa kluczową rolę, ponieważ ograniczenie wymiany może prowadzić do bezpieczniejszego środowiska produkcyjnego. Ponadto firma pracuje nad zminimalizowaniem zapasów sprzętu, w tym pomp i zaworów, oraz wymaganej utylizacji. Jednocześnie właściciele obiektów spodziewają się ogromnej zmiany majątku. W rezultacie zwiększona wydajność przetwarzania skutkuje mniejszą liczbą rur i sprzętu (ale większymi średnicami) oraz mniejszą liczbą instrumentów dla tego samego strumienia produktów. Pokazuje to, że oprócz tego, że w przypadku szerszej średnicy rury musi być większy, pojedynczy element systemu musi także wytrzymać długotrwałe narażenie na trudne warunki środowiskowe, aby zmniejszyć potrzebę konserwacji i wymiany w trakcie eksploatacji. Komponenty, w tym zawory i kulki zaworów, muszą być wytrzymałe, aby pasowały do ​​żądanego zastosowania, ale mogą również zapewniać dłuższą żywotność. Jednak głównym problemem w większości zastosowań jest to, że części metalowe osiągnęły granicę swojej wydajności. Oznacza to, że projektanci mogą znaleźć alternatywy dla materiałów niemetalowych, zwłaszcza materiałów ceramicznych, do wymagających zastosowań serwisowych. Typowe parametry wymagane do pracy komponentów w trudnych warunkach eksploatacyjnych obejmują odporność na szok termiczny, odporność na korozję, odporność na zmęczenie, twardość, wytrzymałość i udarność. Odporność jest kluczowym parametrem, ponieważ mniej odporne komponenty mogą spowodować katastrofalne w skutkach awarie. Udarność materiałów ceramicznych definiuje się jako odporność na propagację pęknięć. W niektórych przypadkach można to zmierzyć metodą wcięcia, co daje sztucznie zawyżone wartości. Zastosowanie jednostronnej belki nacinającej może zapewnić dokładne pomiary. Wytrzymałość jest powiązana z wytrzymałością, ale odnosi się do pojedynczego punktu, w którym materiał ulega katastrofalnemu uszkodzeniu pod wpływem naprężenia. Jest on powszechnie nazywany „modułem zerwania” i mierzy się go, wykonując trzypunktowy lub czteropunktowy pomiar wytrzymałości na zginanie na pręcie testowym. Test trzypunktowy daje wartość o 1% wyższą niż test czteropunktowy. Chociaż twardość można mierzyć za pomocą różnych skal, w tym Rockwella i Vickersa, skala mikrotwardości Vickersa jest bardzo odpowiednia w przypadku zaawansowanych materiałów ceramicznych. Twardość jest wprost proporcjonalna do odporności materiału na zużycie. W zaworze pracującym w sposób cykliczny głównym problemem jest zmęczenie spowodowane ciągłym otwieraniem i zamykaniem zaworu. Zmęczenie to próg wytrzymałości, powyżej którego materiał często spada poniżej swojej normalnej wytrzymałości na zginanie. Odporność na korozję zależy od środowiska pracy i medium zawierającego materiał. W tej dziedzinie wiele zaawansowanych materiałów ceramicznych ma przewagę nad metalami, z wyjątkiem „degradacji hydrotermalnej”, która występuje, gdy niektóre materiały na bazie tlenku cyrkonu są wystawione na działanie pary o wysokiej temperaturze. Szok termiczny wpływa na geometrię części, współczynnik rozszerzalności cieplnej, przewodność cieplną, wytrzymałość i wytrzymałość. Jest to obszar sprzyjający wysokiej przewodności cieplnej i wytrzymałości, dzięki czemu części metalowe mogą skutecznie działać. Jednak postęp w materiałach ceramicznych zapewnia obecnie akceptowalny poziom odporności na szok termiczny. Zaawansowana ceramika jest stosowana od wielu lat i cieszy się popularnością wśród inżynierów zajmujących się niezawodnością, inżynierów instalacji i projektantów zaworów, którzy wymagają wysokiej wydajności i wartości. W zależności od wymagań konkretnego zastosowania dostępne są różne indywidualne receptury odpowiednie dla szerokiego zakresu branż. Jednakże cztery zaawansowane materiały ceramiczne mają ogromne znaczenie w dziedzinie zaworów do pracy w trudnych warunkach. Należą do nich węglik krzemu (SiC), azotek krzemu (Si3N4), tlenek glinu i tlenek cyrkonu. Materiały zaworu i kuli zaworu dobierane są zgodnie z wymaganiami konkretnego zastosowania. W zaworach stosuje się dwie główne formy tlenku cyrkonu, a oba mają ten sam współczynnik rozszerzalności cieplnej i sztywność co stal. Tlenek magnezu częściowo stabilizowany tlenkiem magnezu (Mg-PSZ) ma najwyższą odporność na szok termiczny i wytrzymałość, podczas gdy tetragonalny tlenek itru i polikrystaliczny tlenek cyrkonu (Y-TZP) jest twardszy i mocniejszy, ale jest podatny na degradację hydrotermalną. Azotek krzemu (Si3N4) ma różne formuły. Azotek krzemu spiekany pod ciśnieniem w gazie (GPSSN) jest najczęściej stosowanym materiałem na zawory i elementy zaworów. Oprócz średniej wytrzymałości zapewnia również wysoką twardość i wytrzymałość, doskonałą odporność na szok termiczny i stabilność termiczną. Ponadto w środowiskach pary o wysokiej temperaturze Si3N4 jest odpowiednim substytutem tlenku cyrkonu, który może zapobiegać degradacji hydrotermalnej. Gdy budżet jest napięty, specyfikator może wybrać węglik krzemu lub tlenek glinu. Obydwa materiały mają wysoką twardość, ale nie są twardsze niż tlenek cyrkonu czy azotek krzemu. Pokazuje to, że materiał ten doskonale nadaje się do zastosowań w elementach statycznych, takich jak okładziny zaworów i gniazda zaworów, zamiast kulek zaworów lub tarcz, które podlegają większym naprężeniom. W porównaniu z materiałami metalowymi stosowanymi w zaworach eksploatacyjnych w trudnych warunkach (w tym żelazochromem (CrFe), węglikiem wolframu, hastelloyem i stellitem), zaawansowane materiały ceramiczne mają niższą ciągliwość i podobną wytrzymałość. Ciężkie zastosowania serwisowe obejmują zastosowanie zaworów obrotowych, takich jak przepustnice, czopy, pływające zawory kulowe i zawory sprężynowe. W takich zastosowaniach Si3N4 i tlenek cyrkonu wykazują odporność na szok termiczny, wytrzymałość i wytrzymałość, aby dostosować się do najbardziej wymagających środowisk. Ze względu na twardość i odporność materiału na korozję żywotność części jest kilkakrotnie zwiększona w porównaniu z częściami metalowymi. Inne korzyści obejmują charakterystykę działania zaworu przez cały okres jego użytkowania, szczególnie w obszarach, w których utrzymuje on zdolność zamykania i kontrolę. Wykazano to w zastosowaniu, w którym kula i wkładka zaworu o średnicy 65 mm (2,6 cala) z kynaru/RTFE są poddawane działaniu 98% kwasu siarkowego i ilmenitu, który jest przekształcany w pigment w postaci tlenku tytanu. Korozyjny charakter mediów oznacza, że ​​żywotność tych elementów może sięgać nawet sześciu tygodni. Jednakże zastosowanie oprawy zaworu kulowego wykonanej przez firmę Nilcra™ (rysunek 1), która jest opatentowanym tlenkiem magnezu częściowo stabilizowanym tlenkiem magnezu (Mg-PSZ), charakteryzuje się doskonałą twardością i odpornością na korozję oraz może zapewnić trzy lata nieprzerwanej pracy bez zauważalnych zużycie. W zaworach liniowych, w tym zaworach kątowych, przepustnicach lub zaworach kulowych, ze względu na właściwości „twardego uszczelnienia” tych produktów, tlenek cyrkonu i azotek krzemu nadają się na grzyby i gniazda zaworów. Podobnie tlenek glinu można stosować do niektórych uszczelek i klatek. Dopasowując kulki szlifierskie do gniazda zaworu, można osiągnąć wysoki stopień uszczelnienia. W przypadku okładzin zaworów, w tym rdzenia zaworu, wlotu i wylotu lub okładziny korpusu zaworu, można zastosować dowolny z czterech głównych materiałów ceramicznych, zgodnie z wymaganiami zastosowania. Wysoka twardość i odporność na korozję materiału okazały się korzystne pod względem wydajności produktu i żywotności. Weźmy jako przykład przepustnicę DN150 używaną w australijskiej rafinerii boksytu. Wysoka zawartość krzemionki w medium zapewnia wysoki poziom zużycia okładzin zaworowych. Początkowo stosowane uszczelki i tarcze były wykonane ze stopu zawierającego 28% CrFe i wytrzymały tylko od ośmiu do dziesięciu tygodni. Jednakże w przypadku zastawek wykonanych z tlenku cyrkonu Nilcra™ (ryc. 2) żywotność wzrosła do 70 tygodni. Ze względu na swoją wytrzymałość i wytrzymałość ceramika dobrze sprawdza się w większości zastosowań związanych z zaworami. Jednakże to ich twardość i odporność na korozję pomagają wydłużyć żywotność zaworu. To z kolei zmniejsza koszty całego cyklu życia poprzez skrócenie przestojów na części zamienne, zmniejszenie kapitału obrotowego i zapasów, minimalną obsługę ręczną oraz poprawę bezpieczeństwa poprzez zmniejszenie wycieków. Przez długi czas jednym z głównych problemów było zastosowanie materiałów ceramicznych w zaworach wysokociśnieniowych, ponieważ zawory te poddawane są dużym obciążeniom osiowym i skrętnym. Jednak główni gracze w tej dziedzinie opracowują obecnie konstrukcje kul zaworowych, aby poprawić przeżywalność momentu napędowego. Drugim poważnym ograniczeniem jest skala. Rozmiar największego gniazda zaworu i największej kuli zaworu (rys. 3) wykonanych z częściowo stabilizowanego tlenku cyrkonu tlenkiem magnezu wynosi odpowiednio DN500 i DN250. Jednak większość projektantów preferuje obecnie ceramikę w przypadku komponentów o mniejszych rozmiarach. Chociaż obecnie udowodniono, że materiały ceramiczne są odpowiednim wyborem, należy przestrzegać kilku prostych wskazówek, aby zmaksymalizować ich wydajność. Materiały ceramiczne należy stosować w pierwszej kolejności tylko wtedy, gdy koszty muszą być ograniczone do minimum. Należy unikać ostrych narożników i koncentracji naprężeń zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. Na etapie projektowania należy uwzględnić wszelkie potencjalne niedopasowania w zakresie rozszerzalności cieplnej. Aby zmniejszyć naprężenie obręczy, ceramikę należy przechowywać na zewnątrz, a nie wewnątrz. Na koniec należy dokładnie rozważyć potrzebę tolerancji geometrycznych i wykończenia powierzchni, ponieważ znacznie zwiększają one niepotrzebne koszty. Postępując zgodnie z tymi wytycznymi i najlepszymi praktykami dotyczącymi wyboru materiałów i koordynując współpracę z dostawcami od początku projektu, można uzyskać idealne rozwiązanie dla każdego trudnego zastosowania. Informacje te pochodzą z materiałów dostarczonych przez Morgan Advanced Materials, zostały sprawdzone i dostosowane. Morgan Advanced Materials-ceramika techniczna. (2019, 28 listopada). Zaawansowane materiały ceramiczne do wymagających zastosowań serwisowych. AZoM. Pobrano z https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305, 7 lipca 2021 r. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. „Zaawansowane materiały ceramiczne do wymagających zastosowań serwisowych”. AZoM. 7 lipca 2021 r. . Morgan Advanced Materials-ceramika techniczna. „Zaawansowane materiały ceramiczne do wymagających zastosowań serwisowych”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Dostęp: 7 lipca 2021 r.). Morgan Advanced Materials-ceramika techniczna. 2019. Zaawansowane materiały ceramiczne do wymagających zastosowań serwisowych. AZoM, obejrzano 7 lipca 2021 r., https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. Dyrektor zarządzający AZoM i Camfil w Wielkiej Brytanii, David Moulton, omówił oferowane przez firmę rozwiązania w zakresie filtracji powietrza oraz to, w jaki sposób mogą one pomóc w zapewnieniu bezpieczniejszego środowiska pracy osobom pracującym w branży budowlanej. W tym wywiadzie menedżer produktu AZoM i ELTRA, dr Alan Klostermeier, mówił o szybkiej i niezawodnej analizie O/N/H próbek o dużych masach. W tym wywiadzie AZoM i Chuck Cimino, starszy menedżer produktu w Lake Shore Cryotronics, omówili zalety swojego systemu pomiaru źródła synchronizacji M81. Zeus Bioweb™ to technologia polegająca na elektroprzędzeniu PTFE w włókna polimerowe o wyjątkowo małych średnicach, od nanometrów do mikrometrów. Oprogramowanie do analizy termicznej STARe firmy METTLER TOLEDO zapewnia niesamowitą elastyczność i nieograniczone możliwości oceny.