Il n'existe pas de définition formelle du service. On peut considérer qu'il fait référence au coût élevé du remplacement de la vanne ou aux conditions de travail qui réduisent la capacité de traitement.
Il est nécessaire de réduire les coûts de production afin d'améliorer la rentabilité de tous les secteurs concernés par des conditions de service difficiles, allant du pétrole et du gaz à la pétrochimie, en passant par l'énergie nucléaire et la production d'électricité, le traitement des minéraux et l'exploitation minière.
Les concepteurs et les ingénieurs tentent d'atteindre cet objectif de différentes manières. La méthode la plus appropriée consiste à augmenter la disponibilité et l'efficacité en contrôlant efficacement les paramètres du processus (tels que l'arrêt efficace et le contrôle optimisé du flux).
L'optimisation de la sécurité joue également un rôle essentiel, car la réduction du nombre de remplacements peut conduire à un environnement de production plus sûr. En outre, l'entreprise s'efforce de réduire les stocks d'équipements (y compris les pompes et les vannes) et les besoins d'élimination. Dans le même temps, les propriétaires d'installations s'attendent à une rotation importante de leurs actifs. Par conséquent, l'augmentation de la capacité de traitement se traduira par moins de tuyaux et d'équipements (mais de plus grand diamètre) et moins d'instruments pour le même flux de produits.
Cela montre qu'en plus de devoir être plus grands pour des diamètres de tuyaux plus larges, les différents composants du système doivent également supporter une exposition prolongée à des environnements difficiles pour réduire le besoin de maintenance et de remplacement en service.
Les composants, notamment les vannes et les billes de vanne, doivent être robustes pour s'adapter à l'application souhaitée, mais ils peuvent également prolonger leur durée de vie. Cependant, le principal problème de la plupart des applications est que les pièces métalliques ont atteint leurs limites de performance. Cela indique que les concepteurs peuvent trouver des alternatives aux matériaux non métalliques dans les applications exigeantes, en particulier les matériaux céramiques.
Les paramètres typiques requis pour faire fonctionner des composants dans des conditions difficiles comprennent la résistance aux chocs thermiques, la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue, la dureté, la résistance et la ténacité.
La résilience est un paramètre clé, car les composants moins résistants peuvent connaître des défaillances catastrophiques. La ténacité des matériaux céramiques est définie comme la résistance à la propagation des fissures. Dans certains cas, elle peut être mesurée à l'aide de la méthode d'indentation pour obtenir une valeur artificiellement élevée. L'utilisation d'un faisceau d'incision unilatéral peut fournir des résultats de mesure précis.
La résistance est liée à la ténacité, mais fait référence à un point unique où un matériau est endommagé de manière catastrophique lorsqu'une contrainte est appliquée. On l'appelle communément « module de rupture », qui est obtenu en effectuant une mesure de résistance à la flexion en trois ou quatre points sur une tige d'essai. La valeur du test en trois points est supérieure de 1 % à la valeur du test en quatre points.
Bien que de nombreuses échelles, notamment la dureté Rockwell et la dureté Vickers, puissent être utilisées pour mesurer la dureté, l'échelle de microdureté Vickers est très adaptée aux matériaux céramiques avancés. La dureté varie en fonction de la résistance à l'usure du matériau.
Dans les vannes fonctionnant de manière cyclique, la fatigue est le problème principal en raison de l'ouverture et de la fermeture continues de la vanne. La fatigue est le seuil de résistance. Au-delà de ce seuil, le matériau a tendance à se rompre en dessous de sa résistance à la flexion normale.
La résistance à la corrosion dépend de l'environnement d'exploitation et du milieu dans lequel se trouve le matériau. Outre la « dégradation hydrothermique », de nombreux matériaux céramiques avancés sont supérieurs aux métaux dans ce domaine, et certains matériaux à base de zircone subiront une « dégradation hydrothermique » après avoir été exposés à de la vapeur à haute température.
La géométrie, le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, la ténacité et la résistance des composants sont affectés par les chocs thermiques. Cette zone est propice à une conductivité thermique et une ténacité élevées, de sorte que les composants métalliques peuvent fonctionner efficacement. Cependant, les progrès des matériaux céramiques offrent désormais des niveaux acceptables de résistance aux chocs thermiques.
Les céramiques avancées sont utilisées depuis de nombreuses années et sont populaires parmi les ingénieurs en fiabilité, les ingénieurs d'usine et les concepteurs de vannes qui exigent des performances élevées et une valeur élevée. Selon les exigences d'application spécifiques, elles conviennent à différentes formulations dans une variété d'industries. Cependant, quatre céramiques avancées sont d'une grande importance dans le domaine des vannes à maintenance exigeante, notamment le carbure de silicium (SiC), le nitrure de silicium (Si3N4), l'alumine et la zircone. Les matériaux de la vanne et de la bille de vanne sont sélectionnés en fonction des exigences d'application spécifiques.
La vanne utilise deux formes principales de zircone, qui ont le même coefficient de dilatation thermique et la même rigidité que l'acier. La zircone partiellement stabilisée à l'oxyde de magnésium (Mg-PSZ) présente la plus grande résistance aux chocs thermiques et la plus grande ténacité, tandis que la zircone polycristalline tétragonale à l'yttrium (Y-TZP) est plus dure, mais est sensible à la dégradation hydrothermale.
Le nitrure de silicium (Si3N4) a différentes formulations. Le nitrure de silicium fritté sous pression de gaz (GPPSN) est le matériau le plus couramment utilisé pour les vannes et les composants de vannes. En plus de sa ténacité moyenne, il présente également une dureté et une résistance élevées, une excellente résistance aux chocs thermiques et une excellente stabilité thermique. De plus, dans les environnements de vapeur à haute température, le Si3N4 peut remplacer la zircone pour éviter la dégradation hydrothermale.
Avec un budget plus serré, le concentrateur peut choisir entre le SiC ou l'alumine. Les deux matériaux ont une dureté élevée, mais ne sont pas plus durs que la zircone ou le nitrure de silicium. Cela montre que le matériau est très adapté aux applications de composants statiques, tels que les chemises et les sièges de soupapes, plutôt que les billes ou les disques qui sont soumis à des contraintes plus élevées.
Comparé aux matériaux métalliques utilisés dans les applications de vannes exigeantes (notamment le ferrochrome (CrFe), le carbure de tungstène, l'Hastelloy et le Stellite), les matériaux céramiques avancés ont une ténacité inférieure et une résistance similaire.
Les applications de service exigeantes impliquent l'utilisation de vannes rotatives, telles que des vannes papillon, des tourillons, des vannes à boisseau sphérique flottantes et des ressorts. Dans de telles applications, le Si3N4 et la zircone présentent une résistance aux chocs thermiques, une solidité et une résistance élevées, et peuvent s'adapter aux environnements les plus exigeants. En raison de la dureté et de la résistance à la corrosion du matériau, la durée de vie du composant est plusieurs fois supérieure à celle du composant métallique. Parmi les autres avantages, citons les caractéristiques de performance tout au long de la durée de vie de la vanne, en particulier dans les zones où les capacités de coupure et de contrôle sont maintenues.
Ceci a été démontré dans le cas d'une vanne à boisseau sphérique de 65 mm (2,6 pouces) en kynar/RTFE et d'une chemise exposées à 98 % d'acide sulfurique plus de l'ilménite, l'ilménite étant convertie en pigment d'oxyde de titane. La nature corrosive du milieu signifie que la durée de vie de ces composants peut atteindre six semaines. Cependant, l'utilisation de garnitures de vanne sphériques (une zircone partiellement stabilisée à l'oxyde de magnésium (Mg-PSZ) exclusive) fabriquée par Nilcra™ (Figure 1) présente une excellente dureté et une excellente résistance à la corrosion et est fournie depuis trois ans. Service intermittent, sans aucune usure détectable.
Dans les vannes linéaires (y compris les vannes d'angle, les vannes à papillon ou les vannes à soupape), la zircone et le nitrure de silicium conviennent aussi bien aux clapets qu'aux sièges de vanne en raison des caractéristiques de « joint dur » de ces produits. De même, l'alumine peut être utilisée dans certains revêtements et cages. Grâce à la bille correspondante sur la bague de siège, un degré élevé d'étanchéité peut être obtenu.
Pour le noyau de soupape, y compris la soupape à tiroir, l'entrée et la sortie ou la bague du corps de soupape, l'un des quatre principaux matériaux céramiques peut être utilisé en fonction des exigences de l'application. La dureté élevée et la résistance à la corrosion du matériau se sont avérées bénéfiques en termes de performances du produit et de durée de vie.
Prenons comme exemple la vanne papillon DN150 utilisée dans la raffinerie de bauxite australienne. La teneur élevée en silice du fluide provoque une usure importante des bagues de la vanne. La chemise et le disque de vanne utilisés initialement étaient en alliage CrFe à 28 % et ne duraient que huit à dix semaines. Cependant, grâce à l'introduction de vannes en zircone Nilcra™ (Figure 2), la durée de vie a été augmentée à 70 semaines.
En raison de sa robustesse et de sa résistance, la céramique est idéale pour la plupart des applications de vannes. Cependant, c'est sa dureté et sa résistance à la corrosion qui contribuent à prolonger la durée de vie de la vanne. Cela augmente la sécurité en réduisant les temps d'arrêt pour le remplacement des pièces, le fonds de roulement et les stocks, la manutention manuelle minimale et les fuites réduites, réduisant ainsi les coûts globaux du cycle de vie.
L'utilisation de matériaux céramiques dans les vannes haute pression est depuis longtemps l'une des principales préoccupations, car ces vannes sont soumises à des charges axiales ou de torsion élevées. Cependant, les principaux acteurs dans ce domaine développent des conceptions de billes de vanne qui améliorent la résistance du couple d'actionnement.
L'autre limitation majeure est la taille. La taille du plus grand siège de soupape et de la plus grande bille de soupape (Figure 3) produits par la zircone partiellement stabilisée à la magnésie est respectivement de DN500 et DN250. Cependant, la plupart des prescripteurs actuels préfèrent utiliser la céramique pour fabriquer des pièces dont les dimensions ne dépassent pas ces dimensions.
Bien qu'il soit désormais prouvé que les matériaux céramiques peuvent être utilisés comme un choix approprié, il existe encore quelques règles simples à suivre pour maximiser leurs performances. Les matériaux céramiques ne doivent être utilisés en premier lieu que s'il est nécessaire de réduire les coûts. À l'intérieur comme à l'extérieur, il faut éviter les angles vifs et la concentration des contraintes.
Tout écart potentiel de dilatation thermique doit être pris en compte lors de la phase de conception. Afin de réduire la contrainte circonférentielle, il est nécessaire de conserver la céramique à l'extérieur plutôt qu'à l'intérieur. Enfin, la nécessité de tolérances géométriques et de finitions de surface doit être soigneusement prise en compte, car ces tolérances peuvent augmenter considérablement les coûts inutiles.
En suivant ces directives et ces meilleures pratiques dans la sélection des matériaux et en coordonnant avec les fournisseurs dès le début du projet, une solution idéale peut être obtenue pour chaque application de service exigeante.
Ces informations ont été obtenues, révisées et adaptées à partir de documents fournis par Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 novembre 2019). Matériaux céramiques avancés adaptés aux applications de service sérieuses. AZoM. Récupéré de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 le 9 mars 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. « Matériaux céramiques avancés pour applications de service sérieuses ». AZoM. 9 mars 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. « Matériaux céramiques avancés pour applications de service sérieuses ». AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consulté le 9 mars 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Matériaux céramiques avancés adaptés aux applications de service sérieuses. AZoM, heure de consultation : 9 mars 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305.
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Heure de publication : 10-mars-2021
