No existe una definición formal de servicio. Se puede considerar que hace referencia al alto costo de reemplazo de la válvula o a las condiciones de trabajo que reducen la capacidad de procesamiento.
La necesidad mundial de reducir los costos de producción de los procesos para mejorar la rentabilidad de todos los sectores involucrados en duras condiciones de servicio, desde el petróleo y el gas, la petroquímica hasta la energía nuclear y la generación de energía, el procesamiento de minerales y la minería.
Los diseñadores e ingenieros están intentando alcanzar este objetivo de distintas maneras. El método más adecuado es aumentar el tiempo de funcionamiento y la eficiencia mediante el control eficaz de los parámetros del proceso (como el apagado eficaz y el control optimizado del flujo).
La optimización de la seguridad también desempeña un papel fundamental, ya que la reducción del número de sustituciones puede dar lugar a un entorno de producción más seguro. Además, la empresa está trabajando para reducir el inventario de equipos (incluidas las bombas y válvulas) y la eliminación necesaria. Al mismo tiempo, los propietarios de las instalaciones esperan una gran rotación de sus activos. Por lo tanto, una mayor capacidad de procesamiento se traducirá en menos tuberías y equipos (pero de mayor diámetro) y menos instrumentos para el mismo flujo de producto.
Esto demuestra que, además de tener que utilizar componentes de sistemas individuales más grandes para diámetros de tuberías más amplios, también es necesario soportar una exposición prolongada a entornos hostiles para reducir los requisitos de mantenimiento y reemplazo en servicio.
Los componentes, incluidas las válvulas y las bolas de válvula, deben ser robustos para adaptarse a la aplicación deseada, pero también pueden prolongar su vida útil. Sin embargo, el principal problema con la mayoría de las aplicaciones es que las piezas metálicas han alcanzado sus límites de rendimiento. Esto indica que los diseñadores pueden encontrar alternativas a los materiales no metálicos en aplicaciones exigentes, especialmente los materiales cerámicos.
Los parámetros típicos necesarios para operar componentes en condiciones adversas incluyen resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga, dureza, resistencia y tenacidad.
La resiliencia es un parámetro clave, ya que los componentes menos resilientes pueden fallar de manera catastrófica. La tenacidad de los materiales cerámicos se define como la resistencia a la propagación de grietas. En algunos casos, se puede medir mediante el método de indentación para obtener un valor artificialmente alto. El uso de una viga de incisión de un solo lado puede proporcionar resultados de medición precisos.
La resistencia está relacionada con la tenacidad, pero se refiere a un único punto en el que un material sufre daños catastróficos cuando se le aplica tensión. Se denomina comúnmente “módulo de ruptura” y se obtiene midiendo la resistencia a la flexión en tres o cuatro puntos en una varilla de prueba. El valor de la prueba de tres puntos es un 1 % superior al valor de la prueba de cuatro puntos.
Aunque se pueden utilizar muchas escalas, como el durómetro Rockwell y el durómetro Vickers, para medir la dureza, la escala de microdureza Vickers es muy adecuada para materiales cerámicos avanzados. La dureza cambia en proporción a la resistencia al desgaste del material.
En las válvulas que funcionan de manera cíclica, la fatiga es la principal preocupación debido a la apertura y cierre continuos de la válvula. La fatiga es el umbral de resistencia. Más allá de este umbral, el material tiende a fallar por debajo de su resistencia normal a la flexión.
La resistencia a la corrosión depende del entorno operativo y del medio que contiene el material. Además de la “degradación hidrotérmica”, muchos materiales cerámicos avanzados son superiores a los metales en este campo, y ciertos materiales a base de circonio sufrirán una “degradación hidrotérmica” después de ser expuestos al vapor a alta temperatura.
La geometría, el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, la tenacidad y la resistencia de los componentes se ven afectados por el choque térmico. Esta área es propicia para una alta conductividad térmica y tenacidad, por lo que los componentes metálicos pueden funcionar de manera eficaz. Sin embargo, los avances en materiales cerámicos ahora brindan niveles aceptables de resistencia al choque térmico.
Las cerámicas avanzadas se han utilizado durante muchos años y son populares entre los ingenieros de confiabilidad, los ingenieros de planta y los diseñadores de válvulas que requieren un alto rendimiento y un alto valor. Según los requisitos de aplicación específicos, es adecuado para diferentes formulaciones en una variedad de industrias. Sin embargo, cuatro cerámicas avanzadas son de gran importancia en el campo del mantenimiento riguroso de las válvulas, incluido el carburo de silicio (SiC), el nitruro de silicio (Si3N4), la alúmina y el zirconio. Los materiales de la válvula y la bola de la válvula se seleccionan de acuerdo con los requisitos de aplicación específicos.
La válvula utiliza dos formas principales de zirconio, que tienen el mismo coeficiente de expansión térmica y rigidez que el acero. El zirconio parcialmente estabilizado con óxido de magnesio (Mg-PSZ) tiene la mayor resistencia al choque térmico y tenacidad, mientras que el zirconio tetragonal policristalino de itrio (Y-TZP) es más duro, pero es susceptible a la degradación hidrotermal.
El nitruro de silicio (Si3N4) tiene diferentes formulaciones. El nitruro de silicio sinterizado a presión de gas (GPPSN) es el material más comúnmente utilizado para válvulas y componentes de válvulas. Además de su tenacidad media, también tiene una alta dureza y resistencia, excelente resistencia al choque térmico y estabilidad térmica. Además, en entornos de vapor a alta temperatura, el Si3N4 puede reemplazar a la zirconia para evitar la degradación hidrotermal.
Con un presupuesto más ajustado, el concentrador puede elegir entre SiC o alúmina. Ambos materiales tienen una gran dureza, pero no son más duros que la zirconia o el nitruro de silicio. Esto demuestra que el material es muy adecuado para aplicaciones de componentes estáticos, como revestimientos y asientos de válvulas, en lugar de bolas o discos de válvulas que están sujetos a una mayor tensión.
En comparación con los materiales metálicos utilizados en aplicaciones de válvulas exigentes (incluidos ferrocromo (CrFe), carburo de tungsteno, Hastelloy y Stellite), los materiales cerámicos avanzados tienen menor tenacidad y resistencia similar.
Las aplicaciones de servicio exigentes implican el uso de válvulas rotativas, como válvulas de mariposa, de muñones, de bola flotante y de resortes. En dichas aplicaciones, el Si3N4 y el zirconio tienen resistencia al choque térmico, tenacidad y fuerza, y pueden adaptarse a los entornos más exigentes. Debido a la dureza y resistencia a la corrosión del material, la vida útil del componente es varias veces mayor que la del componente metálico. Otros beneficios incluyen características de rendimiento durante la vida útil de la válvula, especialmente en áreas donde se mantienen las capacidades de corte y control.
Esto se demostró en el caso de una válvula de 65 mm (2,6 pulgadas) con una bola y un revestimiento de kynar/RTFE expuestos a ácido sulfúrico al 98 % más ilmenita, convirtiéndose la ilmenita en pigmento de óxido de titanio. La naturaleza corrosiva del medio significa que la vida útil de estos componentes puede ser de hasta seis semanas. Sin embargo, el uso de un revestimiento esférico para válvulas (una zirconia parcialmente estabilizada con óxido de magnesio (Mg-PSZ) patentada) fabricada por Nilcra™ (Figura 1) tiene una excelente dureza y resistencia a la corrosión y se ha proporcionado durante tres años. Servicio intermitente, sin ningún desgaste detectable.
En las válvulas lineales (incluidas las válvulas angulares, las válvulas de mariposa o las válvulas de globo), debido a las características de "asiento duro" de estos productos, el zirconio y el nitruro de silicio son adecuados tanto para los tapones como para los asientos de las válvulas. De manera similar, la alúmina se puede utilizar en ciertos revestimientos y jaulas. A través de la bola correspondiente en el anillo del asiento, se puede lograr un alto grado de sellado.
Para el núcleo de la válvula, incluida la válvula de carrete, la entrada y la salida o el casquillo del cuerpo de la válvula, se puede utilizar cualquiera de los cuatro materiales cerámicos principales según los requisitos de la aplicación. La alta dureza y la resistencia a la corrosión del material han demostrado ser beneficiosas en términos de rendimiento del producto y vida útil.
Tomemos como ejemplo la válvula de mariposa DN150 utilizada en la refinería de bauxita australiana. El alto contenido de sílice en el medio provoca altos niveles de desgaste en los casquillos de la válvula. El revestimiento y el disco de la válvula utilizados inicialmente estaban hechos de aleación de CrFe al 28 % y duraban solo entre ocho y diez semanas. Sin embargo, debido a la introducción de válvulas hechas de circonia Nilcra™ (Figura 2), la vida útil se ha incrementado a 70 semanas.
Debido a su dureza y resistencia, la cerámica funciona bien en la mayoría de las aplicaciones de válvulas. Sin embargo, es su dureza y resistencia a la corrosión lo que ayuda a prolongar la vida útil de la válvula. A su vez, esto reduce el costo de todo el ciclo de vida al reducir el tiempo de inactividad para las piezas de repuesto, el capital de trabajo y el inventario, la manipulación manual mínima y la seguridad mejorada mediante la reducción de fugas.
Durante mucho tiempo, la aplicación de materiales cerámicos en válvulas de alta presión ha sido una de las principales preocupaciones, debido a que estas válvulas están sujetas a altas cargas axiales o torsionales. Sin embargo, los principales actores en este campo están desarrollando diseños de válvulas de bola que mejoran la capacidad de supervivencia del par de actuación.
La otra limitación importante es el tamaño. El tamaño del asiento de válvula más grande y de la bola de válvula más grande (Figura 3) producidos con zirconia parcialmente estabilizada con magnesia son DN500 y DN250, respectivamente. Sin embargo, la mayoría de los especificadores actuales prefieren utilizar cerámica para fabricar piezas cuyas dimensiones no excedan estas dimensiones.
Aunque se ha demostrado que los materiales cerámicos son una opción adecuada, todavía hay algunas pautas simples que se deben seguir para maximizar su rendimiento. Los materiales cerámicos deben usarse primero solo si existe la necesidad de reducir costos. Tanto en el interior como en el exterior se deben evitar las esquinas agudas y la concentración de tensiones.
Durante la fase de diseño se debe tener en cuenta cualquier posible desajuste por expansión térmica. Para reducir la tensión circunferencial, es necesario mantener la cerámica en el exterior en lugar de en el interior. Por último, se debe considerar cuidadosamente la necesidad de tolerancias geométricas y acabado de la superficie, ya que estas tolerancias pueden aumentar significativamente los costos innecesarios.
Siguiendo estas pautas y mejores prácticas en la selección de materiales y la coordinación con los proveedores desde el inicio del proyecto, se puede lograr una solución ideal para cada aplicación de servicio exigente.
Esta información ha sido obtenida, revisada y adaptada de materiales proporcionados por Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 de noviembre de 2019). Materiales cerámicos avanzados adecuados para aplicaciones de servicio exigentes. AZoM. Recuperado de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 el 26 de mayo de 2021.
Materiales avanzados de Morgan: Cerámica técnica. “Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio importantes”. AZoM. 26 de mayo de 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio importantes”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consultado el 26 de mayo de 2021).
Materiales avanzados de Morgan: Cerámica técnica. 2019. Materiales cerámicos avanzados adecuados para aplicaciones de servicio exigentes. AZoM, consultado el 26 de mayo de 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305.
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Hora de publicación: 26 de mayo de 2021
