Napredni keramični materiali za zahtevne servisne aplikacije

Za izboljšanje vaše izkušnje uporabljamo piškotke. Z nadaljevanjem brskanja po tej spletni strani se strinjate z našo uporabo piškotkov. Več informacij. Uradne definicije resne službe ni. Razumemo ga lahko kot pogoje delovanja, kjer so stroški zamenjave ventila visoki ali je zmogljivost obdelave zmanjšana. Obstaja globalna potreba po znižanju proizvodnih stroškov procesa, da bi povečali donosnost vseh sektorjev, ki so vključeni v slabe delovne pogoje. Te segajo od nafte in plina ter petrokemičnih izdelkov do jedrske energije in proizvodnje električne energije, predelave mineralov in rudarjenja. Oblikovalci in inženirji poskušajo ta cilj doseči na različne načine. Najprimernejša metoda je povečanje časa delovanja in učinkovitosti z učinkovitim nadzorom procesnih parametrov (kot sta učinkovita zaustavitev in optimiziran nadzor pretoka). Varnostna optimizacija prav tako igra ključno vlogo, saj lahko zmanjšanje zamenjave vodi do varnejšega proizvodnega okolja. Poleg tega si podjetje prizadeva čim bolj zmanjšati zalogo opreme, vključno s črpalkami in ventili, ter potrebnim odstranjevanjem. Obenem lastniki objektov pričakujejo velik premik v svojem premoženju. Posledično povečana zmogljivost predelave povzroči manj cevi in ​​opreme (vendar večjih premerov) ter manj instrumentov za isti proizvodni tok. To kaže, da mora biti posamezna komponenta sistema poleg tega, da mora biti večja za širši premer cevi, tudi vzdržati dolgotrajno izpostavljenost težkim okoljem, da se zmanjša potreba po vzdrževanju in zamenjavi med obratovanjem. Komponente, vključno z ventili in ventilskimi kroglami, morajo biti robustne, da ustrezajo želeni uporabi, vendar lahko zagotovijo tudi daljšo življenjsko dobo. Vendar pa je velika težava večine aplikacij ta, da so kovinski deli dosegli mejo svoje zmogljivosti. To kaže, da lahko oblikovalci najdejo alternative nekovinskim materialom, zlasti keramičnim materialom, za zahtevne servisne aplikacije. Tipični parametri, potrebni za delovanje komponent v težkih delovnih pogojih, vključujejo odpornost na toplotni udar, odpornost proti koroziji, odpornost proti utrujenosti, trdoto, moč in žilavost. Prožnost je ključni parameter, saj lahko komponente, ki so manj prožne, katastrofalno odpovejo. Žilavost keramičnih materialov je opredeljena kot odpornost proti širjenju razpok. V nekaterih primerih se lahko meri z metodo vdolbine, kar ima za posledico umetno visoke vrednosti. Uporaba žarka z enostranskim zarezom lahko zagotovi natančne meritve. Trdnost je povezana z žilavostjo, vendar se nanaša na eno samo točko, kjer material ob uporabi obremenitve katastrofalno odpove. Običajno se imenuje "modul pretrganja" in se meri z izvedbo tritočkovne ali štiritočkovne meritve upogibne trdnosti na preskusni palici. Tritočkovni test zagotavlja vrednost, ki je za 1 % višja od štiritočkovnega testa. Čeprav lahko trdoto merimo z različnimi lestvicami, vključno z Rockwellovo in Vickersovo, je Vickersova mikrotrdotna lestvica zelo primerna za napredne keramične materiale. Trdota je neposredno sorazmerna z odpornostjo proti obrabi materiala. Pri ventilu, ki deluje na ciklični način, je utrujenost velik problem zaradi neprekinjenega odpiranja in zapiranja ventila. Utrujenost je mejna vrednost trdnosti, nad katero material pogosto pade pod normalno upogibno trdnost. Odpornost proti koroziji je odvisna od delovnega okolja in medija, ki vsebuje material. Na tem področju imajo številni napredni keramični materiali prednosti pred kovinami, razen "hidrotermične razgradnje", do katere pride, ko so nekateri materiali na osnovi cirkonijevega oksida izpostavljeni visokotemperaturni pari. Toplotni šok vpliva na geometrijo delov, koeficient toplotne razteznosti, toplotno prevodnost, žilavost in trdnost. To je območje, ki vodi do visoke toplotne prevodnosti in žilavosti, zato lahko kovinski deli učinkovito delujejo. Vendar pa napredek v keramičnih materialih zdaj zagotavlja sprejemljive ravni odpornosti na toplotne udarce. Napredna keramika se uporablja že vrsto let in je priljubljena med inženirji za zanesljivost, inženirji obratov in oblikovalci ventilov, ki zahtevajo visoko zmogljivost in vrednost. Glede na specifične zahteve uporabe obstajajo različne individualne formulacije, primerne za širok spekter industrij. Vendar so štiri napredne keramike velikega pomena na področju težkih servisnih ventilov. Vključujejo silicijev karbid (SiC), silicijev nitrid (Si3N4), aluminijev oksid in cirkonijev oksid. Materiali ventila in ventilske krogle so izbrani glede na posebne zahteve uporabe. V ventilih se uporabljata dve glavni obliki cirkonijevega oksida, ki imata enak koeficient toplotne razteznosti in togosti kot jeklo. Delno stabiliziran cirkonij z magnezijevim oksidom (Mg-PSZ) ima največjo odpornost na toplotne udarce in žilavost, medtem ko je itrijev tetragonalni polikristalni cirkonij (Y-TZP) trši in močnejši, vendar je dovzeten za hidrotermalno razgradnjo. Silicijev nitrid (Si3N4) ima različne formulacije. Plinski sintrani silicijev nitrid (GPPSN) je najpogosteje uporabljen material za ventile in komponente ventilov. Poleg povprečne žilavosti zagotavlja tudi visoko trdoto in trdnost, odlično odpornost na toplotne udarce in toplotno stabilnost. Poleg tega je v visokotemperaturnih okoljih s paro Si3N4 primeren nadomestek za cirkonij, ki lahko prepreči hidrotermalno razgradnjo. Ko je proračun omejen, lahko specifikacijer izbere silicijev karbid ali aluminijev oksid. Oba materiala imata visoko trdoto, vendar nista močnejša od cirkonijevega oksida ali silicijevega nitrida. To kaže, da je material zelo primeren za aplikacije statičnih komponent, kot so obloge ventilov in sedeži ventilov, namesto za krogle ventilov ali diske, ki so izpostavljeni večjim obremenitvam. V primerjavi s kovinskimi materiali, ki se uporabljajo v težkih delovnih ventilih (vključno s ferokromom (CrFe), volframovim karbidom, Hastelloy in Stellite), imajo napredni keramični materiali manjšo žilavost in podobno trdnost. Težke servisne aplikacije vključujejo uporabo rotacijskih ventilov, kot so lopute, zaponke, plavajoči kroglični ventili in vzmetni ventili. V takšnih aplikacijah Si3N4 in cirkonij izkazujeta odpornost na toplotne udarce, žilavost in trdnost, da se prilagodita najzahtevnejšim okoljem. Zaradi trdote in korozijske odpornosti materiala se življenjska doba delov večkrat poveča v primerjavi s kovinskimi deli. Druge prednosti vključujejo karakteristike delovanja ventila v njegovi življenjski dobi, zlasti na območjih, kjer ohranja svojo zmogljivost zapiranja in nadzor. To je prikazano v aplikaciji, kjer sta 65 mm (2,6 palca) ventilska krogla kynar/RTFE in obloga izpostavljeni 98 % žveplovi kislini in ilmenitu, ki se pretvorita v pigment titanovega oksida. Korozivna narava medijev pomeni, da je lahko življenjska doba teh komponent dolga do šest tednov. Vendar pa ima uporaba obrobe krogelnega ventila Nilcra™ (slika 1), ki je lastniški cirkonijev oksid, delno stabiliziran z magnezijevim oksidom (Mg-PSZ), odlično trdoto in odpornost proti koroziji ter lahko zagotovi tri leta neprekinjenega delovanja brez kakršnega koli zaznavnega obraba. Pri linearnih ventilih, vključno s kotnimi ventili, dušilnimi ventili ali krogličnimi ventili, sta zaradi značilnosti "trdega tesnila" teh izdelkov cirkonijev oksid in silicijev nitrid primerna za čepe in sedeže ventilov. Podobno se lahko aluminijev oksid uporablja za nekatera tesnila in kletke. Z ujemanjem brusnih krogel na sedežu ventila je mogoče doseči visoko stopnjo tesnjenja. Za oblogo ventila, vključno z jedrom ventila, vstopom in izstopom ali oblogo telesa ventila, se lahko uporabi kateri koli od štirih glavnih keramičnih materialov v skladu z zahtevami uporabe. Visoka trdota in odpornost materiala proti koroziji sta se izkazali za koristne v smislu učinkovitosti in življenjske dobe izdelka. Za primer vzemimo metulj DN150, ki se uporablja v avstralski rafineriji boksita. Visoka vsebnost silicijevega dioksida v mediju zagotavlja visoko stopnjo obrabe obloge ventila. Tesnila in diski, ki so bili prvotno uporabljeni, so bili izdelani iz 28-odstotne zlitine CrFe in so zdržali le osem do deset tednov. Z ventili iz cirkonijevega oksida Nilcra™ (slika 2) pa se je življenjska doba podaljšala na 70 tednov. Zaradi svoje žilavosti in trdnosti se keramika dobro obnese v večini aplikacij ventilov. Vendar sta njihova trdota in odpornost proti koroziji tisti, ki pomagata podaljšati življenjsko dobo ventila. To pa zmanjša stroške celotnega življenjskega cikla z zmanjšanjem izpadov za nadomestne dele, zmanjšanjem obratnega kapitala in zalog, minimalnim ročnim rokovanjem in izboljšanjem varnosti z zmanjšanjem puščanja. Dolgo časa je bila ena glavnih težav uporaba keramičnih materialov v visokotlačnih ventilih, saj so ti ventili izpostavljeni velikim aksialnim ali torzijskim obremenitvam. Vendar glavni akterji na tem področju zdaj razvijajo zasnove krogle ventila za izboljšanje preživetja pogonskega navora. Druga pomembna omejitev je obseg. Velikost največjega sedeža ventila in največje krogle ventila (slika 3), izdelana iz delno stabiliziranega cirkonijevega oksida z magnezijevim oksidom, je DN500 oziroma DN250. Vendar ima večina specifikacij trenutno raje keramiko za komponente pod temi velikostmi. Čeprav je zdaj dokazano, da so keramični materiali ustrezna izbira, je treba upoštevati nekaj preprostih smernic, da bi povečali njihovo učinkovitost. Keramične materiale je treba najprej uporabiti le takrat, ko je treba zmanjšati stroške na minimum. Izogibati se je treba ostrim vogalom in koncentraciji napetosti znotraj in zunaj. Morebitno neskladje toplotnega raztezanja je treba upoštevati v fazi načrtovanja. Da bi zmanjšali napetost obroča, mora biti keramika zunaj, ne znotraj. Nazadnje je treba skrbno pretehtati potrebo po geometrijskih tolerancah in površinski obdelavi, saj bo to znatno povečalo nepotrebne stroške. Z upoštevanjem teh smernic in najboljših praks za izbiro materialov in usklajevanje z dobavitelji od začetka projekta je mogoče doseči idealno rešitev za vsako težjo uporabo storitev. Te informacije izhajajo iz materialov, ki jih zagotavlja Morgan Advanced Materials, in so bile pregledane in prilagojene. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (2019, 28. november). Napredni keramični materiali za zahtevne servisne aplikacije. AZoM. Pridobljeno s https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 7. julija 2021. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Napredni keramični materiali za zahtevne servisne aplikacije". AZoM. 7. julij 2021. . Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Napredni keramični materiali za zahtevne servisne aplikacije". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Dostopano 7. julija 2021). Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Napredni keramični materiali za zahtevne servisne aplikacije. AZoM, ogled 7. julija 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. AZoM in generalni direktor Camfila v Združenem kraljestvu David Moulton sta razpravljala o rešitvah podjetja za filtriranje zraka in o tem, kako lahko pomagajo zagotoviti varnejše delovno okolje za ljudi v gradbeništvu. V tem intervjuju sta produktni vodja AZoM in ELTRA dr. Alan Klostermeier govorila o hitri in zanesljivi O/N/H analizi visokih uteži vzorcev. V tem intervjuju sta AZoM in Chuck Cimino, višji produktni vodja pri Lake Shore Cryotronics, razpravljala o prednostih njihovega sistema za merjenje vira sinhronizacije M81. Zeus Bioweb™ je tehnologija, ki elektroprede PTFE v polimerna vlakna z izjemno majhnimi premeri, od nanometrov do mikrometrov. Programska oprema STARe za termično analizo podjetja METTLER TOLEDO zagotavlja neverjetno prilagodljivost in neomejene možnosti ocenjevanja.