Materiale ceramice avansate pentru aplicații de service solicitante

Folosim cookie-uri pentru a vă îmbunătăți experiența. Continuând să navigați pe acest site, sunteți de acord cu utilizarea cookie-urilor. Mai multe informatii. Nu există o definiție oficială a serviciului serios. Poate fi înțeles ca condiții de funcționare în care costul de înlocuire a supapei este mare sau capacitatea de procesare este redusă. Există o nevoie globală de a reduce costurile de producție a proceselor pentru a crește profitabilitatea tuturor sectoarelor implicate în condiții precare de serviciu. Acestea variază de la petrol și gaze și petrochimice la energie nucleară și generarea de energie, procesarea mineralelor și minerit. Designerii și inginerii încearcă să atingă acest obiectiv în moduri diferite. Cea mai potrivită metodă este de a crește timpul de funcționare și eficiența prin controlul eficient al parametrilor procesului (cum ar fi oprirea efectivă și controlul optimizat al debitului). Optimizarea siguranței joacă, de asemenea, un rol vital, deoarece reducerea înlocuirii poate duce la un mediu de producție mai sigur. În plus, compania lucrează pentru a minimiza inventarul de echipamente, inclusiv pompe și supape, precum și eliminarea necesară. În același timp, proprietarii de unități se așteaptă la o schimbare uriașă a activelor lor. Ca rezultat, capacitatea crescută de procesare are ca rezultat mai puține țevi și echipamente (dar diametre mai mari) și mai puține instrumente pentru același flux de produse. Acest lucru arată că, pe lângă faptul că trebuie să fie mai mare pentru un diametru mai mare a țevii, o singură componentă a sistemului trebuie, de asemenea, să reziste la expunerea prelungită la medii dure pentru a reduce nevoia de întreținere și înlocuire în timpul funcționării. Componentele, inclusiv supapele și bilele de supapă, trebuie să fie robuste pentru a se potrivi aplicației dorite, dar pot oferi și o durată de viață mai lungă. Cu toate acestea, o problemă majoră cu majoritatea aplicațiilor este că piesele metalice au atins limita performanței lor. Acest lucru indică faptul că proiectanții pot găsi alternative la materialele nemetalice, în special materialele ceramice, pentru aplicații de service solicitante. Parametrii tipici necesari pentru operarea componentelor în condiții severe de funcționare includ rezistența la șoc termic, rezistența la coroziune, rezistența la oboseală, duritatea, rezistența și tenacitatea. Reziliența este un parametru cheie, deoarece componentele care sunt mai puțin rezistente pot eșua catastrofal. Duritatea materialelor ceramice este definită ca rezistență la propagarea fisurilor. În unele cazuri, poate fi măsurat folosind metoda indentării, rezultând valori artificial ridicate. Utilizarea unui fascicul de incizie cu o singură parte poate oferi măsurători precise. Rezistența este legată de tenacitate, dar se referă la punctul unic în care un material eșuează catastrofal atunci când se aplică stres. Este denumit în mod obișnuit „modul de rupere” și este măsurat prin efectuarea unei măsurători a rezistenței la încovoiere în trei sau patru puncte pe o tijă de testare. Testul în trei puncte oferă o valoare care este cu 1% mai mare decât testul în patru puncte. Deși duritatea poate fi măsurată cu o varietate de scale, inclusiv Rockwell și Vickers, scala de microduritate Vickers este foarte potrivită pentru materiale ceramice avansate. Duritatea este direct proporțională cu rezistența la uzură a materialului. Într-o supapă care funcționează într-o metodă ciclică, oboseala este o problemă majoră din cauza deschiderii și închiderii continue a supapei. Oboseala este pragul de rezistență, dincolo de care materialul va eșua adesea sub rezistența normală la încovoiere. Rezistența la coroziune depinde de mediul de lucru și de mediul care conține materialul. În acest domeniu, multe materiale ceramice avansate au avantaje față de metale, cu excepția „degradării hidrotermale”, care apare atunci când unele materiale pe bază de zirconiu sunt expuse la abur la temperatură înaltă. Geometria piesei, coeficientul de dilatare termică, conductivitatea termică, duritatea și rezistența sunt afectate de șocul termic. Aceasta este o zonă propice pentru o conductivitate termică ridicată și duritate, astfel încât piesele metalice pot funcționa eficient. Cu toate acestea, progresele materialelor ceramice oferă acum niveluri acceptabile de rezistență la șocuri termice. Ceramica avansată a fost folosită de mulți ani și este populară printre inginerii de fiabilitate, inginerii de instalații și proiectanții de supape care necesită performanță și valoare ridicată. În conformitate cu cerințele specifice aplicației, există diferite formulări individuale potrivite pentru o gamă largă de industrii. Cu toate acestea, patru ceramice avansate sunt de mare importanță în domeniul supapelor de serviciu sever. Acestea includ carbură de siliciu (SiC), nitrură de siliciu (Si3N4), alumină și zirconiu. Materialele supapei și bilei supapei sunt selectate în funcție de cerințele specifice aplicației. Două forme principale de zirconiu sunt utilizate în supape, ambele având același coeficient de dilatare termică și rigiditate ca oțelul. Zirconia parțial stabilizată cu oxid de magneziu (Mg-PSZ) are cea mai mare rezistență și duritate la șocuri termice, în timp ce zirconia policristalină tetragonală de yttria (Y-TZP) este mai dura și mai puternică, dar este susceptibilă la degradare hidrotermală. Nitrura de siliciu (Si3N4) are diferite formulări. Nitrura de siliciu sinterizată la presiunea gazului (GPPSN) este cel mai des folosit material pentru supape și componentele supapelor. Pe lângă duritatea medie, oferă, de asemenea, duritate și rezistență ridicate, rezistență excelentă la șocuri termice și stabilitate termică. În plus, în mediile cu abur cu temperaturi ridicate, Si3N4 este un înlocuitor potrivit pentru zirconiu, care poate preveni degradarea hidrotermală. Când bugetul este strâns, specificatorul poate alege carbură de siliciu sau alumină. Ambele materiale au duritate mare, dar nu sunt mai dure decât zirconia sau nitrura de siliciu. Acest lucru arată că materialul este foarte potrivit pentru aplicații cu componente statice, cum ar fi căptușelile supapelor și scaunele supapelor, mai degrabă decât bile sau discuri ale supapelor care sunt supuse unor solicitări mai mari. În comparație cu materialele metalice utilizate în aplicațiile grele pentru supape de serviciu (inclusiv ferocrom (CrFe), carbură de tungsten, Hastelloy și Stellit), materialele ceramice avansate au o duritate mai mică și o rezistență similară. Aplicațiile severe de service implică utilizarea supapelor rotative, cum ar fi supapele fluture, trunions, supapele cu bilă plutitoare și supapele cu arc. În astfel de aplicații, Si3N4 și zirconia prezintă rezistență la șoc termic, duritate și rezistență pentru a se adapta la cele mai solicitante medii. Datorită durității și rezistenței la coroziune a materialului, durata de viață a pieselor este mărită de câteva ori în comparație cu piesele metalice. Alte beneficii includ caracteristicile de performanță ale supapei pe durata de viață, în special în zonele în care își menține capacitatea de închidere și controlul. Acest lucru este demonstrat într-o aplicație în care o bilă și o căptușeală kynar/RTFE cu supapă de 65 mm (2,6 inchi) sunt expuse la 98% acid sulfuric și ilmenit, care este transformat în pigment de oxid de titan. Caracterul coroziv al suportului înseamnă că durata de viață a acestor componente poate fi de până la șase săptămâni. Cu toate acestea, utilizarea garniturii supapei cu bilă realizate de Nilcra™ (Figura 1), care este un zirconiu proprietar parțial stabilizat cu oxid de magneziu (Mg-PSZ), are o duritate excelentă și o rezistență la coroziune și poate oferi trei ani de funcționare neîntreruptă fără niciun fel de detectabil. uzura. În supapele liniare, inclusiv supapele unghiulare, supapele de accelerație sau supapele cu glob, datorită caracteristicilor de „etanșare dură” ale acestor produse, zirconia și nitrura de siliciu sunt potrivite pentru dopurile de supape și scaunele supapelor. În mod similar, alumina poate fi utilizată pentru unele garnituri și cuști. Prin potrivirea bilelor de șlefuire pe scaunul supapei, se poate obține un grad ridicat de etanșare. Pentru căptușeala supapei, inclusiv miezul supapei, intrarea și ieșirea sau căptușeala corpului supapei, oricare dintre cele patru materiale ceramice principale poate fi utilizat în conformitate cu cerințele aplicației. Duritatea ridicată și rezistența la coroziune a materialului s-au dovedit a fi benefice în ceea ce privește performanța produsului și durata de viață. Luați ca exemplu supapa fluture DN150 folosită în rafinăria de bauxită din Australia. Conținutul ridicat de silice din mediu asigură un nivel ridicat de uzură a căptușelii supapei. Garniturile și discurile utilizate inițial au fost realizate din aliaj de 28% CrFe și au durat doar opt până la zece săptămâni. Cu toate acestea, cu supapele fabricate din zirconiu Nilcra™ (Figura 2), durata de viață a crescut la 70 de săptămâni. Datorită durității și rezistenței sale, ceramica funcționează bine în majoritatea aplicațiilor cu supape. Cu toate acestea, duritatea și rezistența la coroziune contribuie la creșterea duratei de viață a supapei. Aceasta, la rândul său, reduce costul întregului ciclu de viață prin reducerea timpului de nefuncționare pentru piesele de schimb, reducerea capitalului de lucru și a stocurilor, manipularea manuală minimă și îmbunătățirea siguranței prin reducerea scurgerilor. Multă vreme, aplicarea materialelor ceramice în supapele de înaltă presiune a fost una dintre principalele probleme, deoarece aceste supape sunt supuse unor sarcini axiale sau de torsiune mari. Cu toate acestea, jucătorii importanți din acest domeniu dezvoltă acum modele de bile pentru supape pentru a îmbunătăți capacitatea de supraviețuire a cuplului de antrenare. Cealaltă limitare majoră este scara. Dimensiunea celui mai mare scaun de supapă și a celei mai mari bile de supapă (Figura 3) produse din zirconiu parțial stabilizat cu oxid de magneziu este DN500 și, respectiv, DN250. Cu toate acestea, majoritatea specificatorilor preferă în prezent ceramica pentru componente sub aceste dimensiuni. Deși materialele ceramice s-au dovedit acum a fi o alegere potrivită, trebuie urmate câteva linii directoare simple pentru a le maximiza performanța. Materialele ceramice trebuie folosite mai întâi numai atunci când costurile trebuie menținute la minimum. Colțurile ascuțite și concentrarea stresului trebuie evitate atât în ​​interior, cât și în exterior. Orice nepotrivire potențială de dilatare termică trebuie luată în considerare în timpul fazei de proiectare. Pentru a reduce stresul cercului, ceramica trebuie ținută în exterior, nu în interior. În cele din urmă, necesitatea toleranțelor geometrice și a finisării suprafeței trebuie luată în considerare cu atenție, deoarece acestea vor crește semnificativ costurile inutile. Urmând aceste linii directoare și cele mai bune practici pentru selectarea materialelor și coordonarea cu furnizorii de la începutul proiectului, se poate obține o soluție ideală pentru fiecare aplicație de service dificilă. Aceste informații sunt derivate din materialele furnizate de Morgan Advanced Materials și au fost revizuite și adaptate. Morgan Advanced Materials-Tehnical Ceramics. (28 noiembrie 2019). Materiale ceramice avansate pentru aplicații de service solicitante. AZoM. Preluat de la https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 pe 7 iulie 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. „Materiale ceramice avansate pentru aplicații de service solicitante”. AZoM. 7 iulie 2021. . Morgan Advanced Materials-Tehnical Ceramics. „Materiale ceramice avansate pentru aplicații de service solicitante”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Accesat 7 iulie 2021). Morgan Advanced Materials-Tehnical Ceramics. 2019. Materiale ceramice avansate pentru aplicații de service solicitante. AZoM, vizualizat la 7 iulie 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. AZoM și directorul general al Camfil din Marea Britanie, David Moulton, au discutat despre soluțiile de filtrare a aerului ale companiei și despre modul în care acestea pot contribui la asigurarea unui mediu de lucru mai sigur pentru oamenii din industria construcțiilor. În acest interviu, AZoM și managerul de produs ELTRA, Dr. Alan Klostermeier, au vorbit despre analiza O/N/H rapidă și fiabilă a greutăților mari ale eșantionului. În acest interviu, AZoM și Chuck Cimino, Senior Product Manager la Lake Shore Cryotronics, au discutat despre beneficiile sistemului lor de măsurare a sursei de sincronizare M81. Zeus Bioweb™ este o tehnologie care electrofilează PTFE în fibre polimerice cu diametre extrem de mici, variind de la nanometri la micrometri. Software-ul de analiză termică STARe de la METTLER TOLEDO oferă o flexibilitate incredibilă și posibilități nelimitate de evaluare.