Pokročilé keramické materiály pre náročné servisné aplikácie

Na zlepšenie vášho zážitku používame cookies. Pokračovaním v prehliadaní tejto webovej stránky súhlasíte s naším používaním cookies. Viac informácií.
Neexistuje žiadna oficiálna definícia prísnej služby. Môže sa to chápať ako prevádzkové podmienky, pri ktorých sú náklady na výmenu ventilu vysoké alebo výrobná kapacita je znížená.
Existuje globálna potreba znížiť náklady na procesnú výrobu, aby sa zvýšila ziskovosť všetkých sektorov zapojených do zlých servisných podmienok. Tie siahajú od ropných a plynových a petrochemických produktov po jadrovú energiu a výrobu energie, spracovanie nerastov a ťažbu.
Dizajnéri a inžinieri sa snažia dosiahnuť tento cieľ rôznymi spôsobmi. Najvhodnejšou metódou je zvýšenie doby prevádzkyschopnosti a efektívnosti efektívnym riadením parametrov procesu (ako je efektívne odstavenie a optimalizované riadenie toku).
Dôležitú úlohu zohráva aj optimalizácia bezpečnosti, pretože obmedzenie výmeny môže viesť k bezpečnejšiemu výrobnému prostrediu. Okrem toho spoločnosť pracuje na minimalizácii inventára zariadení vrátane čerpadiel a ventilov a potrebnej likvidácie. Majitelia zariadení zároveň očakávajú obrovský posun vo svojom majetku. Výsledkom je, že zvýšená kapacita spracovania vedie k menšiemu počtu potrubí a zariadení (ale väčších priemerov) a menšiemu počtu prístrojov pre rovnaký tok produktov.
To naznačuje, že okrem toho, že jeden komponent systému musí byť väčší pre väčší priemer potrubia, musí vydržať aj dlhodobé vystavenie drsnému prostrediu, aby sa znížila potreba údržby a výmeny počas prevádzky.
Komponenty vrátane ventilov a ventilových guľôčok musia byť robustné, aby vyhovovali požadovanej aplikácii, ale môžu tiež poskytnúť dlhšiu životnosť. Hlavným problémom väčšiny aplikácií je však to, že kovové časti dosiahli hranicu svojho výkonu. To naznačuje, že dizajnéri môžu nájsť alternatívy k nekovovým materiálom, najmä keramickým materiálom, pre náročné servisné aplikácie.
Typické parametre potrebné na prevádzku komponentov v náročných prevádzkových podmienkach zahŕňajú odolnosť proti tepelným šokom, odolnosť proti korózii, odolnosť proti únave, tvrdosť, pevnosť a húževnatosť.
Odolnosť je kľúčovým parametrom, pretože komponenty, ktoré sú menej odolné, môžu katastrofálne zlyhať. Húževnatosť keramických materiálov je definovaná ako odolnosť proti šíreniu trhlín. V niektorých prípadoch sa môže merať pomocou indentačnej metódy, čo vedie k umelo vysokým hodnotám. Použitie lúča s jednostranným rezom môže poskytnúť presné merania.
Pevnosť súvisí s húževnatosťou, ale vzťahuje sa na jediný bod, v ktorom materiál katastrofálne zlyhá, keď pôsobí napätie. Bežne sa označuje ako „modul pretrhnutia“ a meria sa vykonaním trojbodového alebo štvorbodového merania pevnosti v ohybe na skúšobnej tyči. Trojbodový test poskytuje hodnotu, ktorá je o 1 % vyššia ako štvorbodový test.
Hoci tvrdosť možno merať rôznymi stupnicami vrátane Rockwell a Vickers, stupnica mikrotvrdosti podľa Vickersa je veľmi vhodná pre pokročilé keramické materiály. Tvrdosť je priamo úmerná odolnosti materiálu proti opotrebovaniu.
Vo ventile pracujúcom cyklickým spôsobom je hlavným problémom únava v dôsledku nepretržitého otvárania a zatvárania ventilu. Únava je hranica pevnosti, pri prekročení ktorej materiál často zlyhá pod svoju normálnu pevnosť v ohybe.
Odolnosť proti korózii závisí od prevádzkového prostredia a média obsahujúceho materiál. V tejto oblasti má mnoho pokročilých keramických materiálov oproti kovom výhody, s výnimkou „hydrotermálnej degradácie“, ku ktorej dochádza, keď sú niektoré materiály na báze zirkónu vystavené vysokoteplotnej pare.
Geometria dielu, koeficient tepelnej rozťažnosti, tepelná vodivosť, húževnatosť a pevnosť sú ovplyvnené tepelným šokom. Toto je oblasť, ktorá vedie k vysokej tepelnej vodivosti a húževnatosti, takže kovové časti môžu efektívne fungovať. Pokroky v keramických materiáloch však teraz poskytujú prijateľnú úroveň odolnosti voči tepelným šokom.
Pokročilá keramika sa používa už mnoho rokov a je obľúbená medzi technikmi spoľahlivosti, závodnými inžiniermi a konštruktérmi ventilov, ktorí vyžadujú vysoký výkon a hodnotu. Podľa špecifických požiadaviek na aplikáciu existujú rôzne individuálne formulácie vhodné pre širokú škálu priemyselných odvetví. Avšak štyri pokročilé keramiky majú veľký význam v oblasti ventilov pre náročné servisné práce. Zahŕňajú karbid kremíka (SiC), nitrid kremíka (Si3N4), oxid hlinitý a oxid zirkoničitý. Materiály ventilu a ventilovej gule sa vyberajú podľa špecifických požiadaviek aplikácie.
Vo ventiloch sa používajú dve hlavné formy oxidu zirkoničitého, pričom obe majú rovnaký koeficient tepelnej rozťažnosti a tuhosti ako oceľ. Oxidom horečnatým čiastočne stabilizovaný oxid zirkoničitý (Mg-PSZ) má najvyššiu odolnosť proti tepelným šokom a húževnatosť, zatiaľ čo oxid ytritý, tetragonálny polykryštalický oxid zirkoničitý (Y-TZP) je tvrdší a pevnejší, ale je náchylný na hydrotermálnu degradáciu.
Nitrid kremíka (Si3N4) má rôzne zloženie. Sintrovaný nitrid kremíka pod tlakom plynu (GPPSN) je najbežnejšie používaný materiál pre ventily a komponenty ventilov. Okrem svojej priemernej húževnatosti poskytuje aj vysokú tvrdosť a pevnosť, vynikajúcu odolnosť proti tepelným šokom a tepelnú stabilitu. Okrem toho je Si3N4 vhodnou náhradou za oxid zirkoničitý v prostredí s vysokou teplotou pary, aby sa zabránilo hydrotermálnej degradácii.
Keď je rozpočet obmedzený, špecifikátor si môže vybrať karbid kremíka alebo oxid hlinitý. Oba materiály majú vysokú tvrdosť, ale nie sú tvrdšie ako oxid zirkoničitý alebo nitrid kremíka. To ukazuje, že materiál je veľmi vhodný pre aplikácie statických komponentov, ako sú ventilové obloženia a ventilové sedlá, skôr než ventilové gule alebo kotúče, ktoré sú vystavené vyššiemu namáhaniu.
V porovnaní s kovovými materiálmi používanými v náročných aplikáciách servisných ventilov (vrátane ferochrómu (CrFe), karbidu volfrámu, Hastelloy a stelitu) majú pokročilé keramické materiály nižšiu húževnatosť a podobnú pevnosť.
Ťažké servisné aplikácie zahŕňajú použitie rotačných ventilov, ako sú škrtiace ventily, čapy, plávajúce guľové ventily a pružinové ventily. V takýchto aplikáciách vykazujú Si3N4 a oxid zirkoničitý odolnosť voči tepelným šokom, húževnatosť a pevnosť, aby sa prispôsobili tým najnáročnejším prostrediam. Vďaka tvrdosti a odolnosti materiálu proti korózii sa životnosť dielov niekoľkonásobne zvyšuje ako životnosť kovových dielov. Medzi ďalšie výhody patrí výkonová charakteristika ventilu počas jeho životnosti, najmä v oblastiach, kde si zachováva svoju uzatváraciu schopnosť a kontrolu.
Toto bolo demonštrované v aplikácii, kde 65 mm (2,6 palca) ventil kynar/RTFE guľôčka a vložka boli vystavené 98 % kyseline sírovej a ilmenitu, ktorý sa premieňa na pigment oxidu titánu. Korozívna povaha médií znamená, že tieto zložky môžu vydržať až šesť týždňov. Avšak použitie obloženia guľového ventilu vyrobeného spoločnosťou Nilcra!" (Obrázok 1), čo je patentovaný oxid horečnatý čiastočne stabilizovaný oxid zirkoničitý (Mg-PSZ), má vynikajúcu tvrdosť a odolnosť proti korózii a môže poskytnúť tri roky neprerušovaného servisu bez akéhokoľvek detekovateľného opotrebovanie.
V lineárnych ventiloch vrátane uhlových ventilov, škrtiacich ventilov alebo globálnych ventilov sú oxid zirkoničitý a nitrid kremíka vhodné pre ventilové kužeľky a ventilové sedlá vďaka vlastnostiam týchto produktov „tvrdého sedla“. Podobne možno oxid hlinitý použiť na niektoré tesnenia a klietky. Prispôsobením brúsnych gúľ na sedle ventilu je možné dosiahnuť vysoký stupeň tesnenia.
Na obloženie ventilu, vrátane jadra ventilu, vstupu a výstupu alebo obloženia telesa ventilu, možno použiť ktorýkoľvek zo štyroch hlavných keramických materiálov podľa požiadaviek aplikácie. Vysoká tvrdosť a odolnosť materiálu proti korózii sa ukázali ako prospešné z hľadiska výkonu produktu a životnosti.
Zoberme si ako príklad škrtiaci ventil DN150 používaný v austrálskej rafinérii bauxitu. Vysoký obsah oxidu kremičitého v médiu zaisťuje vysokú úroveň opotrebovania vložky ventilu. Pôvodne použité tesnenia a kotúče sú vyrobené z 28 % zliatiny CrFe a môžu vydržať iba osem až desať týždňov. Avšak s ventilmi vyrobenými z oxidu zirkoničitého Nilcra!" (obrázok 2) sa životnosť zvýšila na 70 týždňov.
Vďaka svojej húževnatosti a pevnosti funguje keramika dobre vo väčšine aplikácií ventilov. Je to však ich tvrdosť a odolnosť proti korózii, ktoré pomáhajú zvyšovať životnosť ventilu. To následne znižuje náklady na celý životný cyklus znížením prestojov na náhradné diely, znížením pracovného kapitálu a zásob, minimálnou ručnou manipuláciou a zlepšením bezpečnosti znížením netesností.
Aplikácia keramických materiálov vo vysokotlakových ventiloch bola dlhodobo jedným z hlavných problémov, pretože tieto ventily sú vystavené vysokému axiálnemu alebo torznému zaťaženiu. Veľkí hráči v tejto oblasti však teraz vyvíjajú dizajn guľôčok ventilov, aby zlepšili životnosť hnacieho momentu.
Ďalším veľkým obmedzením je rozsah. Veľkosť najväčšieho ventilového sedla a najväčšej ventilovej gule (obrázok 3) vyrobených čiastočne stabilizovaným oxidom horečnatým a zirkónom je DN500 a DN250. Väčšina špecifikátorov však v súčasnosti uprednostňuje keramické komponenty týchto veľkostí.
Hoci sa teraz ukázalo, že keramický materiál je vhodnou voľbou, stále existuje niekoľko jednoduchých pokynov, ktoré je potrebné dodržiavať, aby ste maximalizovali jeho výkon. Keramické materiály by sa mali používať ako prvé len vtedy, keď je potrebné znížiť náklady na minimum. Vo vnútri aj vonku by ste sa mali vyhnúť ostrým rohom a koncentrácii stresu.
Akýkoľvek potenciálny nesúlad s tepelnou rozťažnosťou sa musí zvážiť vo fáze návrhu. Aby sa znížilo namáhanie obruče, keramika musí byť umiestnená zvonka, nie vnútri. Nakoniec treba dôkladne zvážiť potrebu geometrických tolerancií a povrchovej úpravy, pretože tieto výrazne zvýšia zbytočné náklady.
Dodržiavaním týchto pokynov a osvedčených postupov pre výber materiálov a koordináciu s dodávateľmi od začiatku projektu je možné dosiahnuť ideálne riešenie pre každú drsnú aplikáciu.
Tieto informácie sú odvodené z materiálov poskytnutých spoločnosťou Morgan Advanced Materials a boli skontrolované a upravené.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28. novembra 2019). Pokročilé keramické materiály pre náročné servisné aplikácie. AZOM. Prevzaté z https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 7. decembra 2021.
Morgan Advanced Materials-Technická keramika. „Pokročilé keramické materiály pre náročné servisné aplikácie“. AZOM. 7. decembra 2021. .
Morgan Advanced Materials-Technická keramika. „Pokročilé keramické materiály pre náročné servisné aplikácie“. AZOM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Prístup 7. decembra 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Pokročilé keramické materiály pre náročné servisné aplikácie. AZoM, zobrazené 7. decembra 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
AZoM a profesor Guihua Yu z University of Texas v Austine diskutovali o novom type hydrogélovej fólie, ktorá dokáže rýchlo premeniť kontaminovanú vodu na čistú pitnú vodu. Tento nový proces môže mať veľký vplyv na zmiernenie globálneho nedostatku vody.
V tomto rozhovore AZoM a Jurgen Schawe z METTLER TOLEDO hovorili o rýchlej skenovacej čipovej kalorimetrii a jej rôznych aplikáciách.
AZoM hovoril s profesorom Orenom Schermanom o jeho výskume nového typu hydrogélu, ktorý dokáže dosiahnuť extrémnu stlačiteľnosť pod vysokým tlakom.
StructureScan Mini XT je dokonalý nástroj na skenovanie betónu; dokáže presne a rýchlo identifikovať hĺbku a polohu kovových a nekovových predmetov v betóne.
Miniflex XpC je röntgenový difraktometer (XRD) určený na kontrolu kvality v cementárňach a iných prevádzkach, ktoré vyžadujú online riadenie procesov (ako sú liečivá a batérie).
Raman Building Block 1064 sa skladá z nasledujúcich potrebných komponentov: spektrometer, 1064 nm laser, vzorkovacia sonda a ďalšie voliteľné príslušenstvo.