Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes

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Não existe uma definição oficial de serviço estrito. Pode ser entendido como condições operacionais onde o custo de substituição da válvula é elevado ou a capacidade de processamento é reduzida.
Existe uma necessidade global de reduzir os custos de produção do processo, a fim de aumentar a rentabilidade de todos os setores envolvidos em más condições de serviço. Estes vão desde petróleo e gás e produtos petroquímicos até energia nuclear e geração de energia, processamento mineral e mineração.
Designers e engenheiros estão tentando atingir esse objetivo de diferentes maneiras. O método mais apropriado é aumentar o tempo de atividade e a eficiência controlando efetivamente os parâmetros do processo (como desligamento efetivo e controle de fluxo otimizado).
A otimização da segurança também desempenha um papel vital, porque a redução da substituição pode levar a um ambiente de produção mais seguro. Além disso, a empresa está trabalhando para minimizar o estoque de equipamentos, incluindo bombas e válvulas, e o descarte necessário. Ao mesmo tempo, os proprietários das instalações esperam uma grande mudança nos seus activos. Como resultado, o aumento da capacidade de processamento resulta em menos tubos e equipamentos (mas com diâmetros maiores) e menos instrumentos para o mesmo fluxo de produto.
Isto indica que, além de ter que ser maior para um diâmetro de tubo maior, um único componente do sistema também precisa resistir à exposição prolongada a ambientes agressivos para reduzir a necessidade de manutenção e substituição em serviço.
Os componentes, incluindo válvulas e esferas de válvulas, precisam ser robustos para atender à aplicação necessária, mas também podem proporcionar uma vida útil mais longa. No entanto, um grande problema com a maioria das aplicações é que as peças metálicas atingiram o limite do seu desempenho. Isto indica que os projetistas podem encontrar alternativas aos materiais não metálicos, especialmente materiais cerâmicos, para aplicações de serviços exigentes.
Os parâmetros típicos necessários para operar componentes sob condições severas de serviço incluem resistência ao choque térmico, resistência à corrosão, resistência à fadiga, dureza, resistência e tenacidade.
A resiliência é um parâmetro fundamental, porque os componentes menos resilientes podem falhar catastroficamente. A tenacidade dos materiais cerâmicos é definida como a resistência à propagação de fissuras. Em alguns casos, pode ser medido pelo método de indentação, resultando em valores artificialmente elevados. O uso de um feixe de incisão unilateral pode fornecer medições precisas.
A resistência está relacionada à tenacidade, mas refere-se ao único ponto em que um material falha catastroficamente quando uma tensão é aplicada. É comumente referido como “módulo de ruptura” e é medido realizando uma medição de resistência à flexão de três ou quatro pontos em uma haste de teste. O teste de três pontos fornece um valor 1% maior que o teste de quatro pontos.
Embora a dureza possa ser medida com uma variedade de escalas, incluindo Rockwell e Vickers, a escala de microdureza Vickers é muito adequada para materiais cerâmicos avançados. A dureza é diretamente proporcional à resistência ao desgaste do material.
Em uma válvula operando em método cíclico, a fadiga é um grande problema devido à abertura e fechamento contínuos da válvula. A fadiga é o limite de resistência, além do qual o material falhará frequentemente abaixo de sua resistência à flexão normal.
A resistência à corrosão depende do ambiente operacional e do meio que contém o material. Neste campo, muitos materiais cerâmicos avançados apresentam vantagens sobre os metais, exceto a “degradação hidrotérmica”, que ocorre quando alguns materiais à base de zircônia são expostos a vapor de alta temperatura.
A geometria da peça, o coeficiente de expansão térmica, a condutividade térmica, a tenacidade e a resistência são afetados pelo choque térmico. Esta é uma área que conduz a alta condutividade térmica e resistência, para que as peças metálicas possam funcionar de maneira eficaz. No entanto, os avanços nos materiais cerâmicos proporcionam agora níveis aceitáveis ​​de resistência ao choque térmico.
Cerâmicas avançadas têm sido usadas há muitos anos e são populares entre engenheiros de confiabilidade, engenheiros de fábrica e projetistas de válvulas que exigem alto desempenho e valor. De acordo com requisitos específicos de aplicação, existem diferentes formulações individuais adequadas para uma ampla gama de indústrias. No entanto, quatro cerâmicas avançadas são de grande importância no campo de válvulas para serviços severos. Eles incluem carboneto de silício (SiC), nitreto de silício (Si3N4), alumina e zircônia. Os materiais da válvula e da esfera da válvula são selecionados de acordo com os requisitos específicos da aplicação.
Duas formas principais de zircônia são usadas em válvulas, ambas com o mesmo coeficiente de expansão térmica e rigidez do aço. A zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio (Mg-PSZ) tem a maior resistência ao choque térmico e tenacidade, enquanto a zircônia tetragonal policristalina de óxido de ítrio (Y-TZP) é mais dura e mais forte, mas é suscetível à degradação hidrotérmica.
O nitreto de silício (Si3N4) possui diferentes formulações. O nitreto de silício sinterizado sob pressão de gás (GPPSN) é o material mais comumente usado para válvulas e componentes de válvulas. Além de sua tenacidade média, também proporciona alta dureza e resistência, excelente resistência ao choque térmico e estabilidade térmica. Além disso, o Si3N4 é um substituto adequado para a zircônia em ambientes de vapor de alta temperatura para evitar a degradação hidrotérmica.
Quando o orçamento é apertado, o especificador pode escolher carboneto de silício ou alumina. Ambos os materiais possuem alta dureza, mas não são mais duros que a zircônia ou o nitreto de silício. Isso mostra que o material é muito adequado para aplicações de componentes estáticos, como revestimentos de válvulas e sedes de válvulas, em vez de esferas ou discos de válvulas que estão sujeitos a tensões mais altas.
Em comparação com os materiais metálicos usados ​​em aplicações severas de válvulas de serviço (incluindo ferrocromo (CrFe), carboneto de tungstênio, Hastelloy e Stellite), os materiais cerâmicos avançados têm menor tenacidade e resistência semelhante.
Aplicações de serviços severos envolvem o uso de válvulas rotativas, como válvulas borboleta, munhões, válvulas de esfera flutuantes e válvulas de mola. Nessas aplicações, o Si3N4 e a zircônia apresentam resistência ao choque térmico, tenacidade e resistência para se adaptarem aos ambientes mais exigentes. Devido à dureza e resistência à corrosão do material, a vida útil das peças aumenta várias vezes em relação às peças metálicas. Outros benefícios incluem as características de desempenho da válvula ao longo da sua vida útil, especialmente em áreas onde mantém a sua capacidade de fecho e controlo.
Isso foi demonstrado em uma aplicação em que uma esfera e um revestimento de válvula kynar/RTFE de 65 mm (2,6 pol.) foram expostos a ácido sulfúrico a 98% e ilmenita, que está sendo convertido em pigmento de óxido de titânio. A natureza corrosiva do meio significa que estes componentes podem durar até seis semanas. No entanto, o uso do interno da válvula esférica fabricado pela Nilcra!" (Figura 1), que é uma zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio (Mg-PSZ), possui excelente dureza e resistência à corrosão e pode fornecer três anos de serviço ininterrupto sem qualquer dano detectável. desgasto.
Em válvulas lineares, incluindo válvulas angulares, válvulas borboleta ou válvulas globo, a zircônia e o nitreto de silício são adequados para obturadores e sedes de válvulas, graças às características de “sede rígida” desses produtos. Da mesma forma, a alumina pode ser usada em algumas juntas e gaiolas. Ao combinar as esferas de moagem na sede da válvula, um alto grau de vedação pode ser alcançado.
Para revestimento de válvula, incluindo núcleo de válvula, entrada e saída ou revestimento de corpo de válvula, qualquer um dos quatro principais materiais cerâmicos pode ser usado de acordo com os requisitos da aplicação. A alta dureza e resistência à corrosão do material provaram ser benéficas em termos de desempenho do produto e vida útil.
Tomemos como exemplo a válvula borboleta DN150 usada na refinaria de bauxita australiana. O alto teor de sílica no meio proporciona um alto nível de desgaste na camisa da válvula. As juntas e discos inicialmente utilizados são feitos de liga 28% CrFe e podem durar apenas de oito a dez semanas. Porém, com válvulas feitas de zircônia Nilcra!" (Figura 2), a vida útil aumentou para 70 semanas.
Devido à sua tenacidade e resistência, a cerâmica funciona bem na maioria das aplicações de válvulas. No entanto, é a sua dureza e resistência à corrosão que ajudam a aumentar a vida útil da válvula. Isto, por sua vez, reduz o custo de todo o ciclo de vida, reduzindo o tempo de inatividade para peças de reposição, reduzindo o capital de giro e o estoque, minimizando o manuseio manual e melhorando a segurança ao reduzir vazamentos.
Há muito tempo que a aplicação de materiais cerâmicos em válvulas de alta pressão tem sido uma das principais preocupações, pois estas válvulas estão sujeitas a elevadas cargas axiais ou torcionais. No entanto, os principais participantes neste campo estão agora desenvolvendo projetos de esferas de válvulas para melhorar a capacidade de sobrevivência do torque de acionamento.
A outra grande limitação é a escala. O tamanho da maior sede da válvula e da maior esfera da válvula (Figura 3) produzida por zircônia magnésia parcialmente estabilizada é DN500 e DN250, respectivamente. Entretanto, a maioria dos especificadores atualmente prefere componentes cerâmicos desses tamanhos.
Embora o material cerâmico seja agora comprovado como uma escolha adequada, ainda existem algumas orientações simples a seguir para maximizar o seu desempenho. Os materiais cerâmicos só devem ser usados ​​primeiro quando os custos precisam ser reduzidos ao mínimo. Cantos agudos e concentração de tensão devem ser evitados tanto no interior como no exterior.
Qualquer potencial incompatibilidade de expansão térmica deve ser considerada durante a fase de projeto. Para reduzir a tensão do aro, a cerâmica deve ser mantida do lado de fora e não do lado de dentro. Finalmente, a necessidade de tolerâncias geométricas e acabamento superficial deve ser cuidadosamente considerada, pois aumentarão significativamente os custos desnecessários.
Seguindo estas diretrizes e melhores práticas para seleção de materiais e coordenação com os fornecedores desde o início do projeto, é possível alcançar a solução ideal para cada aplicação de serviço exigente.
Estas informações são derivadas de materiais fornecidos pela Morgan Advanced Materials e foram revisadas e adaptadas.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (2019, 28 de novembro). Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes. AZoM. Obtido em https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 em 7 de dezembro de 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes”. AZoM. 7 de dezembro de 2021. .
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Acessado em 7 de dezembro de 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes. AZoM, visualizado em 7 de dezembro de 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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