Усовершенствованные керамические материалы для требовательных сервисных приложений

Мы используем файлы cookie, чтобы улучшить ваш опыт. Продолжая просматривать этот сайт, вы соглашаетесь на использование нами файлов cookie. Больше информации. Официального определения серьезной службы не существует. Под этим можно понимать условия эксплуатации, при которых стоимость замены клапана высока или производительность обработки снижается. Существует глобальная потребность в сокращении затрат на перерабатывающее производство, чтобы повысить прибыльность всех секторов, работающих в плохих условиях эксплуатации. Они варьируются от нефти, газа и нефтехимии до атомной энергетики и производства электроэнергии, переработки полезных ископаемых и горнодобывающей промышленности. Конструкторы и инженеры пытаются достичь этой цели разными способами. Наиболее подходящим методом является увеличение времени безотказной работы и эффективности за счет эффективного управления параметрами процесса (например, эффективного отключения и оптимизированного управления потоком). Оптимизация безопасности также играет жизненно важную роль, поскольку сокращение замены может привести к более безопасной производственной среде. Кроме того, компания работает над минимизацией запасов оборудования, включая насосы и клапаны, а также необходимой утилизации. В то же время владельцы объектов ожидают огромных изменений в своих активах. В результате увеличение производительности обработки приводит к использованию меньшего количества труб и оборудования (но большего диаметра) и меньшего количества инструментов для того же потока продукции. Это показывает, что помимо того, что для более широкого диаметра трубы отдельный компонент системы должен быть больше, он также должен выдерживать длительное воздействие суровых условий окружающей среды, чтобы уменьшить потребность в обслуживании и замене в процессе эксплуатации. Компоненты, включая клапаны и шарики клапанов, должны быть прочными, чтобы соответствовать желаемому применению, но также могут обеспечивать более длительный срок службы. Однако основная проблема большинства применений заключается в том, что металлические детали достигли предела своих характеристик. Это указывает на то, что проектировщики могут найти альтернативу неметаллическим материалам, особенно керамическим материалам, для требовательных сервисных приложений. Типичные параметры, необходимые для работы компонентов в тяжелых условиях эксплуатации, включают стойкость к термическому удару, коррозионную стойкость, усталостную прочность, твердость, прочность и ударную вязкость. Устойчивость является ключевым параметром, поскольку менее устойчивые компоненты могут выйти из строя. Прочность керамических материалов определяется как устойчивость к распространению трещин. В некоторых случаях его можно измерить методом индентирования, что приводит к искусственно завышенным значениям. Использование одностороннего разрезающего луча может обеспечить точные измерения. Прочность связана с ударной вязкостью, но относится к той единственной точке, где материал катастрофически разрушается при приложении напряжения. Его обычно называют «модулем разрыва» и измеряют путем измерения прочности на изгиб в трех или четырех точках на испытательном стержне. Трехточечный тест дает значение, которое на 1% выше, чем четырехбалльный тест. Хотя твердость можно измерить с помощью различных шкал, включая Роквелла и Виккерса, шкала микротвердости по Виккерсу очень подходит для современных керамических материалов. Твердость прямо пропорциональна износостойкости материала. В клапане, работающем циклическим способом, основной проблемой является усталость из-за непрерывного открытия и закрытия клапана. Усталость — это порог прочности, за которым материал часто выходит из строя ниже своей нормальной прочности на изгиб. Коррозионная стойкость зависит от рабочей среды и среды, содержащей материал. В этой области многие современные керамические материалы имеют преимущества перед металлами, за исключением «гидротермальной деградации», которая происходит, когда некоторые материалы на основе диоксида циркония подвергаются воздействию высокотемпературного пара. Термический удар влияет на геометрию детали, коэффициент теплового расширения, теплопроводность, ударную вязкость и прочность. Это область, способствующая высокой теплопроводности и прочности, поэтому металлические детали могут эффективно функционировать. Однако достижения в области керамических материалов теперь обеспечивают приемлемый уровень стойкости к тепловому удару. Усовершенствованная керамика используется уже много лет и пользуется популярностью среди инженеров по надежности, инженеров-технологов и проектировщиков клапанов, которым требуются высокая производительность и экономичность. В соответствии с конкретными требованиями применения существуют различные индивидуальные рецептуры, подходящие для широкого спектра отраслей промышленности. Однако четыре усовершенствованных керамики имеют большое значение в области клапанов для тяжелых условий эксплуатации. К ним относятся карбид кремния (SiC), нитрид кремния (Si3N4), оксид алюминия и цирконий. Материалы клапана и шара клапана выбираются в соответствии с конкретными требованиями применения. В клапанах используются две основные формы диоксида циркония, обе из которых имеют тот же коэффициент теплового расширения и жесткости, что и сталь. Частично стабилизированный оксидом магния диоксид циркония (Mg-PSZ) обладает самой высокой термостойкостью и ударной вязкостью, тогда как поликристаллический тетрагональный диоксид циркония иттрия (Y-TZP) тверже и прочнее, но подвержен гидротермальному разложению. Нитрид кремния (Si3N4) имеет разные составы. Нитрид кремния, спеченный под давлением газа (GPPSN), является наиболее часто используемым материалом для клапанов и их компонентов. Помимо средней прочности, он также обеспечивает высокую твердость и прочность, отличную термостойкость и термическую стабильность. Кроме того, в условиях высокотемпературного пара Si3N4 является подходящей заменой диоксида циркония, что может предотвратить гидротермальную деградацию. Когда бюджет ограничен, спецификатор может выбрать карбид кремния или оксид алюминия. Оба материала имеют высокую твердость, но не прочнее, чем цирконий или нитрид кремния. Это показывает, что материал очень подходит для статических компонентов, таких как накладки клапанов и седла клапанов, а не для шаров или дисков клапанов, которые подвергаются более высоким нагрузкам. По сравнению с металлическими материалами, используемыми в клапанах для суровых условий эксплуатации (включая феррохром (CrFe), карбид вольфрама, хастеллой и стеллит), современные керамические материалы имеют меньшую ударную вязкость и аналогичную прочность. В тяжелых условиях эксплуатации используются поворотные клапаны, такие как дроссельные заслонки, цапфы, плавающие шаровые краны и пружинные клапаны. В таких применениях Si3N4 и диоксид циркония демонстрируют стойкость к термическому удару, ударную вязкость и прочность, позволяющие адаптироваться к самым жестким условиям окружающей среды. За счет твердости и коррозионной стойкости материала срок службы деталей увеличивается в несколько раз по сравнению с металлическими деталями. Другие преимущества включают эксплуатационные характеристики клапана в течение всего срока его службы, особенно в тех областях, где он сохраняет свою закрывающую способность и контроль. Это демонстрируется на примере применения, где шар и вкладыш клапана из кинара/RTFE диаметром 65 мм (2,6 дюйма) подвергаются воздействию 98% серной кислоты и ильменита, который преобразуется в пигмент оксида титана. Коррозионная природа носителя означает, что срок службы этих компонентов может достигать шести недель. Тем не менее, использование трима шарового крана производства Nilcra™ (рис. 1), который представляет собой запатентованный цирконий, частично стабилизированный оксидом магния (Mg-PSZ), обладает превосходной твердостью и коррозионной стойкостью и может обеспечить три года непрерывной эксплуатации без каких-либо видимых признаков. износ. В линейных клапанах, включая угловые клапаны, дроссельные клапаны или проходные клапаны, благодаря характеристикам «жесткого уплотнения» этих продуктов нитрид циркония и кремния подходят для изготовления плунжеров и седел клапанов. Аналогичным образом оксид алюминия можно использовать для изготовления некоторых прокладок и сепараторов. Путем подбора мелющих шаров на седло клапана можно добиться высокой степени уплотнения. Для облицовки клапана, включая сердечник клапана, впускное и выпускное отверстие или облицовку корпуса клапана, можно использовать любой из четырех основных керамических материалов в соответствии с требованиями применения. Высокая твердость и коррозионная стойкость материала оказались благоприятными с точки зрения эксплуатационных характеристик и срока службы изделия. В качестве примера возьмем дроссельную заслонку DN150, используемую на австралийском заводе по переработке бокситов. Высокое содержание кремнезема в среде обеспечивает высокий уровень износа прокладки клапана. Изначально использованные прокладки и диски были изготовлены из сплава с содержанием CrFe 28% и прослужили всего восемь-десять недель. Однако при использовании клапанов из диоксида циркония Nilcra™ (рис. 2) срок службы увеличивается до 70 недель. Благодаря своей прочности и прочности керамика хорошо подходит для большинства клапанов. Однако именно их твердость и коррозионная стойкость способствуют увеличению срока службы клапана. Это, в свою очередь, снижает стоимость всего жизненного цикла за счет сокращения времени простоя запасных частей, сокращения оборотного капитала и запасов, минимальной ручной обработки и повышения безопасности за счет уменьшения утечек. В течение длительного времени применение керамических материалов в клапанах высокого давления было одной из основных проблем, поскольку эти клапаны подвергаются высоким осевым или скручивающим нагрузкам. Однако крупные игроки в этой области в настоящее время разрабатывают конструкции шаров клапанов для повышения живучести крутящего момента. Другим важным ограничением является масштаб. Размер самого большого седла клапана и самого большого шара клапана (рис. 3), изготовленных из частично стабилизированного диоксида циркония оксидом магния, составляет DN500 и DN250 соответственно. Однако большинство спецификаторов в настоящее время предпочитают керамику для компонентов меньше этих размеров. Хотя сейчас доказано, что керамические материалы являются подходящим выбором, необходимо следовать некоторым простым рекомендациям, чтобы максимизировать их эффективность. Керамические материалы следует использовать в первую очередь только тогда, когда затраты необходимо свести к минимуму. Следует избегать острых углов и концентрации напряжений как внутри, так и снаружи. Любое потенциальное несоответствие теплового расширения должно быть учтено на этапе проектирования. Чтобы уменьшить окружное напряжение, керамику следует держать снаружи, а не внутри. Наконец, следует тщательно рассмотреть необходимость геометрических допусков и обработки поверхности, поскольку это значительно увеличит ненужные затраты. Следуя этим рекомендациям и передовым методам выбора материалов и координируя действия с поставщиками с самого начала проекта, можно найти идеальное решение для любого сурового применения. Эта информация получена из материалов, предоставленных Morgan Advanced Materials, и была проверена и адаптирована. Morgan Advanced Materials - Техническая керамика. (2019, 28 ноября). Усовершенствованные керамические материалы для требовательных сервисных применений. АЗом. Получено с https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 7 июля 2021 г. Morgan Advanced Materials – Техническая керамика. «Передовые керамические материалы для требовательных сервисных применений». АЗом. 7 июля 2021 г. . Morgan Advanced Materials - Техническая керамика. «Передовые керамические материалы для требовательных сервисных применений». АЗом. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (По состоянию на 7 июля 2021 г.). Morgan Advanced Materials - Техническая керамика. 2019. Передовые керамические материалы для требовательных сервисов. AZoM, просмотрено 7 июля 2021 г., https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. AZoM и управляющий директор Camfil в Великобритании Дэвид Моултон обсудили решения компании по фильтрации воздуха и то, как они могут помочь обеспечить более безопасную рабочую среду для людей в строительной отрасли. В этом интервью менеджер по продукции AZoM и ELTRA д-р Алан Клостермайер рассказал о быстром и надежном анализе O/N/H для образцов большого веса. В этом интервью AZoM и Чак Чимино, старший менеджер по продукции Lake Shore Cryotronics, обсудили преимущества своей системы измерения источника синхронизации M81. Zeus Bioweb™ — это технология электропрядения ПТФЭ в полимерные волокна чрезвычайно малого диаметра — от нанометров до микрометров. Программное обеспечение STARe для термического анализа МЕТТЛЕР ТОЛЕДО обеспечивает невероятную гибкость и неограниченные возможности оценки.