Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes

Usamos cookies para melhorar sua experiência. Ao continuar a navegar neste site, você concorda com o uso de cookies. Mais Informações. Não existe uma definição oficial de serviço sério. 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 petroquímica 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 mostra que, além de ter de 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 se adequarem à aplicação desejada, 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 onde um material falha catastroficamente quando a 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 e tenacidade ao choque térmico, enquanto a zircônia tetragonal policristalina de ítria (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, em ambientes de vapor de alta temperatura, o Si3N4 é um substituto adequado para a zircônia, que pode prevenir 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 resistentes 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 comparação com as 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 é demonstrado em uma aplicação em que uma esfera e um revestimento de válvula kynar/RTFE de 65 mm (2,6 pol.) são 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 a vida útil destes componentes pode chegar a seis semanas. No entanto, o uso de internos de válvula esférica fabricados pela Nilcra™ (Figura 1), que é uma zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio (Mg-PSZ) patenteada, tem 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, devido às características de "vedação rígida" desses produtos, a zircônia e o nitreto de silício são adequados para obturadores e sedes de válvulas. 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 no revestimento da válvula. As juntas e discos inicialmente utilizados eram feitos de liga de 28% CrFe e duravam apenas oito a dez semanas. Contudo, 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. Durante muito tempo, a aplicação de materiais cerâmicos em válvulas de alta pressão tem sido um dos principais problemas, 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 a partir de zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio é DN500 e DN250, respectivamente. Entretanto, a maioria dos especificadores atualmente prefere cerâmicas para componentes abaixo desses tamanhos. Embora os materiais cerâmicos sejam agora comprovados como uma escolha adequada, algumas orientações simples precisam ser seguidas 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 no exterior e não no interior. Finalmente, a necessidade de tolerâncias geométricas e acabamento superficial deve ser cuidadosamente considerada, pois aumentarão significativamente os custos desnecessários. Seguindo estas diretrizes e práticas recomendadas para seleção de materiais e coordenação com os fornecedores desde o início do projeto, uma solução ideal pode ser alcançada para cada aplicação de serviço difícil. 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 julho de 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes". AZoM. 7 de julho 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 julho de 2021). Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes. AZoM, visualizado em 7 de julho de 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. O diretor administrativo da AZoM e da Camfil no Reino Unido, David Moulton, discutiram as soluções de filtragem de ar da empresa e como elas podem ajudar a fornecer um ambiente de trabalho mais seguro para as pessoas na indústria da construção. Nesta entrevista, o gerente de produto AZoM e ELTRA, Dr. Alan Klostermeier, falou sobre análises O/N/H rápidas e confiáveis ​​de amostras com pesos elevados. Nesta entrevista, AZoM e Chuck Cimino, gerente sênior de produtos da Lake Shore Cryotronics, discutiram os benefícios de seu sistema de medição de fonte de sincronização M81. Zeus Bioweb™ é uma tecnologia que eletrofiou PTFE em fibras poliméricas com diâmetros extremamente pequenos, variando de nanômetros a micrômetros. O software de análise térmica STARe da METTLER TOLEDO oferece flexibilidade incrível e possibilidades de avaliação ilimitadas.