Não há uma definição formal de serviço. Pode ser considerado como uma referência ao alto custo de substituição da válvula ou às condições de trabalho que reduzem a capacidade de processamento.
A necessidade global de reduzir os custos de produção do processo para melhorar a lucratividade de todos os setores envolvidos em condições de serviço severas. Elas variam de petróleo e gás, petroquímica a energia nuclear e geração de energia, processamento de minerais 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 reduzir o número de substituições pode levar a um ambiente de produção mais seguro. Além disso, a empresa está trabalhando para reduzir o inventário de equipamentos (incluindo bombas e válvulas) e o descarte necessário. Ao mesmo tempo, os proprietários das instalações esperam um grande giro de seus ativos. Portanto, o aumento da capacidade de processamento resultará em menos tubos e equipamentos (mas de diâmetro maior) e menos instrumentos para o mesmo fluxo de produto.
Isso mostra que, além de ter que usar componentes individuais maiores do sistema para diâmetros de tubos maiores, também é necessário suportar exposição prolongada a ambientes adversos para reduzir os requisitos de manutenção e substituição em serviço.
Componentes incluindo válvulas e esferas de válvulas precisam ser robustos para se adequarem à aplicação desejada, mas também podem estender sua vida útil. No entanto, o principal problema com a maioria das aplicações é que as peças metálicas atingiram seus limites de desempenho. Isso indica que os projetistas podem encontrar alternativas para materiais não metálicos em aplicações exigentes, especialmente materiais cerâmicos.
Os parâmetros típicos necessários para operar componentes sob condições adversas incluem resistência ao choque térmico, resistência à corrosão, resistência à fadiga, dureza, resistência e tenacidade.
Resiliência é um parâmetro-chave, porque componentes menos resilientes podem falhar catastroficamente. A tenacidade de materiais cerâmicos é definida como a resistência à propagação de trincas. Em alguns casos, ela pode ser medida usando o método de indentação para obter um valor artificialmente alto. O uso de uma viga de incisão de um único lado pode fornecer resultados de medição precisos.
A resistência está relacionada à tenacidade, mas se refere a um único ponto onde um material é catastroficamente danificado quando o estresse é aplicado. É comumente chamado de "módulo de ruptura" e é obtido medindo a resistência à flexão de três ou quatro pontos em uma barra de teste. O valor do teste de três pontos é 1% maior do que o valor do teste de quatro pontos.
Embora muitas escalas, incluindo o testador de dureza Rockwell e o testador de dureza Vickers, possam ser usadas para medir a dureza, a escala de microdureza Vickers é muito adequada para materiais cerâmicos avançados. A dureza muda em proporção à resistência ao desgaste do material.
Em válvulas que operam de forma cíclica, a fadiga é a principal preocupação devido à abertura e fechamento contínuos da válvula. A fadiga é o limite de resistência. Além desse limite, o material tende a falhar abaixo de sua resistência normal à flexão.
A resistência à corrosão depende do ambiente operacional e do meio que contém o material. Além da “degradação hidrotérmica”, muitos materiais cerâmicos avançados são superiores aos metais neste campo, e certos materiais à base de zircônia sofrerão “degradação hidrotérmica” após serem expostos a vapor de alta temperatura.
A geometria, o coeficiente de expansão térmica, a condutividade térmica, a tenacidade e a resistência dos componentes são afetados pelo choque térmico. Esta área é propícia à alta condutividade térmica e tenacidade, de modo que os componentes metálicos podem funcionar efetivamente. No entanto, os avanços em materiais cerâmicos agora fornecem níveis aceitáveis de resistência ao choque térmico.
Cerâmicas avançadas têm sido usadas por muitos anos e são populares entre engenheiros de confiabilidade, engenheiros de planta e projetistas de válvulas que exigem alto desempenho e alto valor. De acordo com requisitos de aplicação específicos, é adequado para diferentes formulações em uma variedade de indústrias. No entanto, quatro cerâmicas avançadas são de grande importância no campo da manutenção rigorosa de válvulas, incluindo 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 de aplicação específicos.
A válvula usa duas formas principais de zircônia, que têm 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 ítria (Y-TZP) é mais dura, mas é suscetível à degradação hidrotérmica.
O nitreto de silício (Si3N4) tem diferentes formulações. O nitreto de silício sinterizado por pressão de gás (GPPSN) é o material mais comumente usado para válvulas e componentes de válvulas. Além de sua tenacidade média, ele também tem alta dureza e resistência, excelente resistência ao choque térmico e estabilidade térmica. Além disso, em ambientes de vapor de alta temperatura, o Si3N4 pode substituir a zircônia para evitar a degradação hidrotérmica.
Com um orçamento mais restrito, o concentrador pode escolher entre SiC ou alumina. Ambos os materiais têm alta dureza, mas não são mais duros do que zircônia ou nitreto de silício. Isso mostra que o material é muito adequado para aplicações de componentes estáticos, como revestimentos de válvulas e assentos de válvulas, em vez de esferas ou discos de válvulas que estão sujeitos a maior estresse.
Em comparação com os materiais metálicos usados em aplicações de válvulas exigentes (incluindo ferrocromo (CrFe), carboneto de tungstênio, Hastelloy e Stellite), os materiais cerâmicos avançados têm menor tenacidade e resistência semelhante.
Aplicações de serviço exigentes envolvem o uso de válvulas rotativas, como válvulas borboleta, munhões, válvulas de esfera flutuantes e molas. Em tais aplicações, Si3N4 e zircônia têm resistência a choque térmico, tenacidade e força, e podem se adaptar aos ambientes mais exigentes. Devido à dureza e resistência à corrosão do material, a vida útil do componente é várias vezes maior que a do componente metálico. Outros benefícios incluem características de desempenho ao longo da vida útil da válvula, especialmente em áreas onde as capacidades de corte e controle são mantidas.
Isso foi demonstrado no caso de uma válvula de 65 mm (2,6 polegadas) de esfera e revestimento de kynar/RTFE expostos a 98% de ácido sulfúrico mais ilmenita, a ilmenita sendo convertida em pigmento de óxido de titânio. A natureza corrosiva do meio significa que a vida útil desses componentes pode ser de até seis semanas. No entanto, o uso de guarnição de válvula esférica (uma zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio patenteada (Mg-PSZ)) fabricada pela Nilcra™ (Figura 1) tem excelente dureza e resistência à corrosão e foi fornecida por três anos. Serviço intermitente, sem qualquer desgaste detectável.
Em válvulas lineares (incluindo válvulas angulares, válvulas de aceleração ou válvulas globo), devido às características de “assento duro” desses produtos, a zircônia e o nitreto de silício são adequados tanto para plugues de válvula quanto para assentos de válvula. Da mesma forma, a alumina pode ser usada em certos revestimentos e gaiolas. Por meio da esfera correspondente no anel do assento, um alto grau de vedação pode ser alcançado.
Para o núcleo da válvula, incluindo válvula de carretel, entrada e saída ou bucha do corpo da 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.
Tome como exemplo a válvula borboleta DN150 usada na refinaria de bauxita australiana. O alto teor de sílica no meio causa altos níveis de desgaste nas buchas da válvula. O revestimento e o disco da válvula usados inicialmente eram feitos de liga de 28% CrFe e duravam apenas de oito a dez semanas. No entanto, devido à introdução de válvulas feitas de zircônia Nilcra™ (Figura 2), a vida útil foi aumentada para 70 semanas.
Devido à sua tenacidade e resistência, a cerâmica funciona bem na maioria das aplicações de válvulas. No entanto, é sua dureza e resistência à corrosão que ajudam a estender a vida útil da válvula. Por sua vez, isso reduz o custo de todo o ciclo de vida ao reduzir o tempo de inatividade para peças de reposição, capital de giro e estoque reduzidos, manuseio manual mínimo e segurança aprimorada por meio de vazamento reduzido.
Por muito tempo, a aplicação de materiais cerâmicos em válvulas de alta pressão tem sido uma das principais preocupações, porque essas válvulas estão sujeitas a altas cargas axiais ou torcionais. No entanto, os principais participantes desse campo estão desenvolvendo projetos de esferas de válvulas que melhoram a capacidade de sobrevivência do torque de atuação.
A outra limitação importante é o tamanho. O tamanho do maior assento de válvula e da maior esfera de válvula (Figura 3) produzidos por zircônia parcialmente estabilizada com magnésia são DN500 e DN250, respectivamente. No entanto, a maioria dos especificadores atuais prefere usar cerâmica para fazer peças cujas dimensões não excedam essas dimensões.
Embora os materiais cerâmicos tenham se mostrado uma escolha adequada, ainda há algumas diretrizes simples que precisam ser seguidas para maximizar seu desempenho. Os materiais cerâmicos devem ser usados primeiro somente se houver necessidade de reduzir custos. Tanto o interior quanto o exterior devem evitar cantos afiados e concentração de estresse.
Qualquer potencial incompatibilidade de expansão térmica deve ser considerada durante a fase de projeto. Para reduzir o estresse do arco, é necessário manter a cerâmica do lado de fora, em vez de dentro. Finalmente, a necessidade de tolerâncias geométricas e acabamento de superfície deve ser cuidadosamente considerada, pois essas tolerâncias podem aumentar significativamente os custos desnecessários.
Seguindo essas diretrizes e melhores práticas na seleção de materiais e na coordenação com fornecedores desde o início do projeto, é possível obter uma solução ideal para cada aplicação de serviço exigente.
Estas informações foram obtidas, revisadas e adaptadas de materiais fornecidos pela Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 de novembro de 2019). Materiais cerâmicos avançados adequados para aplicações de serviço sérias. AZoM. Recuperado de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 em 26 de maio de 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços sérios”. AZoM. 26 de maio de 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços sérios”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Acessado em 26 de maio de 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materiais cerâmicos avançados adequados para aplicações de serviço sérias. AZoM, visualizado em 26 de maio de 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305.
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Horário da postagem: 26 de maio de 2021
