कठोर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उन्नत सिरेमिक सामग्री

सेवा की कोई औपचारिक परिभाषा नहीं है। इसे वाल्व को बदलने की उच्च लागत या प्रसंस्करण क्षमता को कम करने वाली कार्य स्थितियों के संदर्भ में माना जा सकता है।
कठोर सेवा स्थितियों में शामिल सभी क्षेत्रों की लाभप्रदता में सुधार करने के लिए प्रक्रिया उत्पादन लागत को कम करने की वैश्विक आवश्यकता है। इनमें तेल और गैस, पेट्रोकेमिकल्स से लेकर परमाणु ऊर्जा और बिजली उत्पादन, खनिज प्रसंस्करण और खनन तक शामिल हैं।
डिज़ाइनर और इंजीनियर अलग-अलग तरीकों से इस लक्ष्य को हासिल करने की कोशिश कर रहे हैं। सबसे उपयुक्त तरीका प्रक्रिया मापदंडों (जैसे प्रभावी शटडाउन और अनुकूलित प्रवाह नियंत्रण) को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करके अपटाइम और दक्षता बढ़ाना है।
सुरक्षा अनुकूलन भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि प्रतिस्थापन की संख्या को कम करने से सुरक्षित उत्पादन वातावरण बन सकता है। इसके अलावा, कंपनी उपकरण (पंप और वाल्व सहित) की सूची और आवश्यक निपटान को कम करने के लिए काम कर रही है। साथ ही, सुविधा मालिकों को अपनी परिसंपत्तियों से भारी कारोबार की उम्मीद है। इसलिए, बढ़ी हुई प्रसंस्करण क्षमता के परिणामस्वरूप कम (लेकिन बड़े व्यास वाले) पाइप और उपकरण और एक ही उत्पाद स्ट्रीम के लिए कम उपकरण होंगे।
इससे पता चलता है कि, व्यापक पाइप व्यास के लिए बड़े व्यक्तिगत सिस्टम घटकों का उपयोग करने के अलावा, सेवा के दौरान रखरखाव और प्रतिस्थापन आवश्यकताओं को कम करने के लिए कठोर वातावरण में लंबे समय तक संपर्क में रहना भी आवश्यक है।
वाल्व और वाल्व बॉल सहित घटकों को वांछित अनुप्रयोग के अनुरूप मजबूत होना चाहिए, लेकिन वे अपने जीवन को भी बढ़ा सकते हैं। हालाँकि, अधिकांश अनुप्रयोगों के साथ मुख्य समस्या यह है कि धातु के हिस्से अपनी प्रदर्शन सीमा तक पहुँच चुके हैं। यह इंगित करता है कि डिजाइनर मांग वाले अनुप्रयोगों, विशेष रूप से सिरेमिक सामग्रियों में गैर-धातु सामग्री के विकल्प पा सकते हैं।
कठोर परिस्थितियों में घटकों को संचालित करने के लिए आवश्यक विशिष्ट मापदंडों में तापीय आघात प्रतिरोध, संक्षारण प्रतिरोध, थकान प्रतिरोध, कठोरता, शक्ति और मजबूती शामिल हैं।
लचीलापन एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, क्योंकि कम लचीले घटक भयावह रूप से विफल हो सकते हैं। सिरेमिक सामग्रियों की कठोरता को दरार प्रसार के प्रतिरोध के रूप में परिभाषित किया जाता है। कुछ मामलों में, कृत्रिम रूप से उच्च मूल्य प्राप्त करने के लिए इसे इंडेंटेशन विधि का उपयोग करके मापा जा सकता है। सिंगल-साइड चीरा बीम का उपयोग सटीक माप परिणाम प्रदान कर सकता है।
ताकत कठोरता से संबंधित है, लेकिन एक ऐसे बिंदु को संदर्भित करता है जहां तनाव लागू होने पर सामग्री भयावह रूप से क्षतिग्रस्त हो जाती है। इसे आमतौर पर "टूटने का मापांक" कहा जाता है और इसे परीक्षण रॉड पर तीन-बिंदु या चार-बिंदु झुकने की ताकत को मापकर प्राप्त किया जाता है। तीन-बिंदु परीक्षण का मूल्य चार-बिंदु परीक्षण के मूल्य से 1% अधिक है।
हालांकि रॉकवेल कठोरता परीक्षक और विकर्स कठोरता परीक्षक सहित कई पैमानों का उपयोग कठोरता को मापने के लिए किया जा सकता है, लेकिन विकर्स माइक्रोहार्डनेस स्केल उन्नत सिरेमिक सामग्रियों के लिए बहुत उपयुक्त है। कठोरता सामग्री के पहनने के प्रतिरोध के अनुपात में बदलती है।
चक्रीय तरीके से काम करने वाले वाल्वों में, वाल्व के लगातार खुलने और बंद होने के कारण थकान मुख्य चिंता का विषय है। थकान ताकत की दहलीज है। इस दहलीज से परे, सामग्री अपनी सामान्य झुकने की शक्ति से नीचे विफल हो जाती है।
संक्षारण प्रतिरोध ऑपरेटिंग वातावरण और सामग्री युक्त माध्यम पर निर्भर करता है। "हाइड्रोथर्मल गिरावट" के अलावा, कई उन्नत सिरेमिक सामग्री इस क्षेत्र में धातुओं से बेहतर हैं, और कुछ ज़िरकोनिया-आधारित सामग्री उच्च तापमान वाली भाप के संपर्क में आने के बाद "हाइड्रोथर्मल गिरावट" से गुज़रेंगी।
घटकों की ज्यामिति, तापीय विस्तार गुणांक, तापीय चालकता, कठोरता और ताकत थर्मल शॉक से प्रभावित होती है। यह क्षेत्र उच्च तापीय चालकता और कठोरता के लिए अनुकूल है, इसलिए धातु के घटक प्रभावी ढंग से कार्य कर सकते हैं। हालाँकि, सिरेमिक सामग्रियों में प्रगति अब थर्मल शॉक प्रतिरोध के स्वीकार्य स्तर प्रदान करती है।
उन्नत सिरेमिक का उपयोग कई वर्षों से किया जा रहा है और यह विश्वसनीयता इंजीनियरों, प्लांट इंजीनियरों और वाल्व डिजाइनरों के बीच लोकप्रिय है, जिन्हें उच्च प्रदर्शन और उच्च मूल्य की आवश्यकता होती है। विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के अनुसार, यह विभिन्न उद्योगों में विभिन्न योगों के लिए उपयुक्त है। हालाँकि, वाल्वों के कठोर रखरखाव के क्षेत्र में चार उन्नत सिरेमिक का बहुत महत्व है, जिनमें सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4), एल्यूमिना और ज़िरकोनिया शामिल हैं। वाल्व और वाल्व बॉल की सामग्री को विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के अनुसार चुना जाता है।
वाल्व में ज़िरकोनिया के दो मुख्य रूपों का उपयोग किया जाता है, जिनमें स्टील के समान ही तापीय विस्तार गुणांक और कठोरता होती है। मैग्नीशियम ऑक्साइड आंशिक रूप से स्थिर ज़िरकोनिया (Mg-PSZ) में सबसे अधिक तापीय आघात प्रतिरोध और कठोरता होती है, जबकि यट्रिया टेट्रागोनल ज़िरकोनिया पॉलीक्रिस्टलाइन (Y-TZP) अधिक कठोर होता है, लेकिन हाइड्रोथर्मल गिरावट के प्रति संवेदनशील होता है।
सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4) के अलग-अलग फॉर्मूलेशन हैं। गैस प्रेशर सिंटर्ड सिलिकॉन नाइट्राइड (GPPSN) वाल्व और वाल्व घटकों के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली सामग्री है। इसकी औसत कठोरता के अलावा, इसमें उच्च कठोरता और ताकत, उत्कृष्ट थर्मल शॉक प्रतिरोध और थर्मल स्थिरता भी है। इसके अलावा, उच्च तापमान वाले भाप वातावरण में, Si3N4 हाइड्रोथर्मल गिरावट को रोकने के लिए ज़िरकोनिया की जगह ले सकता है।
सख्त बजट के साथ, कंसंट्रेटर SiC या एल्यूमिना में से चुन सकता है। दोनों सामग्रियों में उच्च कठोरता होती है, लेकिन ज़िरकोनिया या सिलिकॉन नाइट्राइड से ज़्यादा कठोर नहीं होती। इससे पता चलता है कि यह सामग्री वाल्व बॉल या डिस्क के बजाय वाल्व लाइनर और वाल्व सीट जैसे स्थिर घटक अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयुक्त है जो उच्च तनाव के अधीन हैं।
मांग वाले वाल्व अनुप्रयोगों (जिसमें फेरोक्रोम (CrFe), टंगस्टन कार्बाइड, हेस्टेलोय और स्टेलाइट शामिल हैं) में प्रयुक्त धातु सामग्रियों की तुलना में, उन्नत सिरेमिक सामग्रियों में कम कठोरता और समान शक्ति होती है।
मांग वाले सेवा अनुप्रयोगों में रोटरी वाल्व, जैसे कि बटरफ्लाई वाल्व, ट्रूनियन, फ्लोटिंग बॉल वाल्व और स्प्रिंग्स का उपयोग शामिल है। ऐसे अनुप्रयोगों में, Si3N4 और ज़िरकोनिया में थर्मल शॉक प्रतिरोध, कठोरता और ताकत होती है, और वे सबसे अधिक मांग वाले वातावरण के अनुकूल हो सकते हैं। सामग्री की कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध के कारण, घटक का सेवा जीवन धातु घटक से कई गुना अधिक होता है। अन्य लाभों में वाल्व के जीवन भर प्रदर्शन विशेषताएँ शामिल हैं, खासकर उन क्षेत्रों में जहाँ कट-ऑफ और नियंत्रण क्षमताएँ बनाए रखी जाती हैं।
यह 65 मिमी (2.6 इंच) वाल्व काइनार/RTFE बॉल और लाइनर के मामले में प्रदर्शित किया गया था, जो 98% सल्फ्यूरिक एसिड और इल्मेनाइट के संपर्क में था, इल्मेनाइट टाइटेनियम ऑक्साइड वर्णक में परिवर्तित हो गया था। मीडिया की संक्षारक प्रकृति का मतलब है कि इन घटकों का जीवन छह सप्ताह तक हो सकता है। हालांकि, नीलक्रा™ (चित्र 1) द्वारा निर्मित गोलाकार वाल्व ट्रिम (एक मालिकाना मैग्नीशियम ऑक्साइड आंशिक रूप से स्थिर ज़िरकोनिया (Mg-PSZ)) के उपयोग में उत्कृष्ट कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध है और इसे तीन साल तक प्रदान किया गया है। बिना किसी पता लगाने योग्य टूट-फूट के, रुक-रुक कर सेवा।
रैखिक वाल्वों (कोण वाल्व, थ्रॉटल वाल्व या ग्लोब वाल्व सहित) में, इन उत्पादों की "हार्ड सीट" विशेषताओं के कारण, ज़िरकोनिया और सिलिकॉन नाइट्राइड वाल्व प्लग और वाल्व सीट दोनों के लिए उपयुक्त हैं। इसी तरह, एल्यूमिना का उपयोग कुछ अस्तर और पिंजरों में किया जा सकता है। सीट रिंग पर मैचिंग बॉल के माध्यम से, सीलिंग की एक उच्च डिग्री हासिल की जा सकती है।
स्पूल वाल्व, इनलेट और आउटलेट या वाल्व बॉडी बुशिंग सहित वाल्व कोर के लिए, चार मुख्य सिरेमिक सामग्रियों में से किसी एक का उपयोग आवेदन आवश्यकताओं के अनुसार किया जा सकता है। सामग्री की उच्च कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध उत्पाद प्रदर्शन और सेवा जीवन के संदर्भ में फायदेमंद साबित हुआ है।
ऑस्ट्रेलियाई बॉक्साइट रिफाइनरी में इस्तेमाल किए जाने वाले DN150 बटरफ्लाई वाल्व को उदाहरण के तौर पर लें। माध्यम में उच्च सिलिका सामग्री वाल्व बुशिंग पर उच्च स्तर के पहनने का कारण बनती है। शुरू में इस्तेमाल किए गए लाइनर और वाल्व डिस्क 28% CrFe मिश्र धातु से बने थे और केवल आठ से दस सप्ताह तक चले। हालाँकि, Nilcra™ ज़िरकोनिया (चित्र 2) से बने वाल्वों की शुरूआत के कारण, सेवा जीवन 70 सप्ताह तक बढ़ गया है।
अपनी कठोरता और ताकत के कारण, सिरेमिक अधिकांश वाल्व अनुप्रयोगों में अच्छी तरह से काम करते हैं। हालांकि, यह उनकी कठोरता और संक्षारण प्रतिरोध है जो वाल्व के जीवन को बढ़ाने में मदद करता है। बदले में, यह प्रतिस्थापन भागों के लिए डाउनटाइम को कम करके, कार्यशील पूंजी और इन्वेंट्री को कम करके, न्यूनतम मैनुअल हैंडलिंग और कम रिसाव के माध्यम से बेहतर सुरक्षा द्वारा पूरे जीवन चक्र की लागत को कम करता है।
लंबे समय से, उच्च दबाव वाले वाल्वों में सिरेमिक सामग्रियों का उपयोग मुख्य चिंताओं में से एक रहा है, क्योंकि ये वाल्व उच्च अक्षीय या मरोड़ वाले भार के अधीन होते हैं। हालाँकि, इस क्षेत्र के प्रमुख खिलाड़ी वाल्व बॉल डिज़ाइन विकसित कर रहे हैं जो एक्ट्यूएशन टॉर्क की उत्तरजीविता में सुधार करते हैं।
दूसरी बड़ी सीमा आकार है। मैग्नेशिया आंशिक रूप से स्थिर ज़िरकोनिया द्वारा उत्पादित सबसे बड़ी वाल्व सीट और सबसे बड़ी वाल्व बॉल (चित्र 3) का आकार क्रमशः DN500 और DN250 है। हालाँकि, अधिकांश वर्तमान विनिर्देशक ऐसे भागों को बनाने के लिए सिरेमिक का उपयोग करना पसंद करते हैं जिनके आयाम इन आयामों से अधिक नहीं होते हैं।
हालाँकि अब सिरेमिक सामग्री एक उपयुक्त विकल्प साबित हो चुकी है, फिर भी कुछ सरल दिशा-निर्देश हैं जिनका पालन उनके प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए किया जाना चाहिए। सिरेमिक सामग्री का उपयोग पहले तभी किया जाना चाहिए जब लागत कम करने की आवश्यकता हो। अंदर और बाहर दोनों जगह तीखे कोनों और तनाव एकाग्रता से बचना चाहिए।
डिजाइन चरण के दौरान किसी भी संभावित थर्मल विस्तार बेमेल पर विचार किया जाना चाहिए। हूप तनाव को कम करने के लिए, सिरेमिक को अंदर की बजाय बाहर रखना आवश्यक है। अंत में, ज्यामितीय सहनशीलता और सतह परिष्करण की आवश्यकता पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए, क्योंकि ये सहनशीलता अनावश्यक लागतों को काफी बढ़ा सकती है।
परियोजना के आरंभ से ही सामग्री के चयन और आपूर्तिकर्ताओं के साथ समन्वय में इन दिशानिर्देशों और सर्वोत्तम प्रथाओं का पालन करके, प्रत्येक मांगलिक सेवा अनुप्रयोग के लिए एक आदर्श समाधान प्राप्त किया जा सकता है।
यह जानकारी मॉर्गन एडवांस्ड मैटेरियल्स द्वारा उपलब्ध कराई गई सामग्रियों से प्राप्त, समीक्षा की गई और अनुकूलित की गई है।
मॉर्गन एडवांस्ड मैटेरियल्स-टेक्निकल सिरेमिक्स। (28 नवंबर, 2019)। गंभीर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त उन्नत सिरेमिक सामग्री। AZoM। 26 मई, 2021 को https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 से लिया गया।
मॉर्गन एडवांस्ड मैटेरियल्स-टेक्निकल सिरेमिक्स। “गंभीर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उन्नत सिरेमिक सामग्री”। AZoM। 26 मई, 2021।
मॉर्गन एडवांस्ड मैटेरियल्स-टेक्निकल सिरेमिक्स। “गंभीर सेवा अनुप्रयोगों के लिए उन्नत सिरेमिक सामग्री”। AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (26 मई, 2021 को एक्सेस किया गया)।
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