Non esiste una definizione formale di servizio. Può essere considerato come un riferimento all'elevato costo di sostituzione della valvola o alle condizioni di lavoro che riducono la capacità di elaborazione.
La necessità globale di ridurre i costi di produzione dei processi per migliorare la redditività di tutti i settori coinvolti in condizioni di servizio difficili. Questi vanno dal petrolio e gas, alla petrolchimica, all'energia nucleare e alla generazione di energia, alla lavorazione dei minerali e all'estrazione mineraria.
Progettisti e ingegneri stanno cercando di raggiungere questo obiettivo in modi diversi. Il metodo più appropriato è aumentare i tempi di attività e l'efficienza controllando efficacemente i parametri di processo (come l'arresto efficace e il controllo del flusso ottimizzato).
Anche l'ottimizzazione della sicurezza gioca un ruolo fondamentale, perché la riduzione del numero di sostituzioni può portare a un ambiente di produzione più sicuro. Inoltre, l'azienda sta lavorando per ridurre l'inventario delle attrezzature (comprese pompe e valvole) e lo smaltimento richiesto. Allo stesso tempo, i proprietari degli impianti si aspettano un enorme turnover dai loro asset. Pertanto, una maggiore capacità di elaborazione si tradurrà in un minor numero di tubi e attrezzature (ma di diametro maggiore) e in un minor numero di strumenti per lo stesso flusso di prodotti.
Ciò dimostra che, oltre a dover essere più grandi per diametri di tubi maggiori, i vari componenti del sistema devono anche resistere a un'esposizione prolungata ad ambienti difficili per ridurre la necessità di manutenzione e sostituzione durante il servizio.
I componenti, tra cui valvole e sfere per valvole, devono essere robusti per adattarsi all'applicazione desiderata, ma possono anche estenderne la durata. Tuttavia, il problema principale della maggior parte delle applicazioni è che le parti metalliche hanno raggiunto i loro limiti di prestazioni. Ciò indica che i progettisti potrebbero trovare alternative ai materiali non metallici in applicazioni impegnative, in particolare materiali ceramici.
I parametri tipici richiesti per far funzionare i componenti in condizioni difficili includono resistenza agli shock termici, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, durezza, resistenza e tenacità.
La resilienza è un parametro chiave, perché i componenti meno resilienti possono rompersi in modo catastrofico. La tenacità dei materiali ceramici è definita come la resistenza alla propagazione delle crepe. In alcuni casi, può essere misurata utilizzando il metodo dell'indentazione per ottenere un valore artificialmente alto. L'uso di una trave di incisione monolaterale può fornire risultati di misurazione accurati.
La resistenza è correlata alla tenacità, ma si riferisce a un singolo punto in cui un materiale viene danneggiato in modo catastrofico quando viene applicato uno stress. È comunemente definito "modulo di rottura", che si ottiene eseguendo una misurazione della resistenza alla flessione a tre o quattro punti su un'asta di prova. Il valore del test a tre punti è superiore dell'1% rispetto al valore del test a quattro punti.
Sebbene molte scale, tra cui la durezza Rockwell e la durezza Vickers, possano essere utilizzate per misurare la durezza, la scala di microdurezza Vickers è molto adatta per materiali ceramici avanzati. La durezza cambia in proporzione alla resistenza all'usura del materiale.
Nelle valvole che operano in modo ciclico, la fatica è la preoccupazione principale a causa della continua apertura e chiusura della valvola. La fatica è la soglia di resistenza. Oltre questa soglia, il materiale tende a rompersi al di sotto della sua normale resistenza alla flessione.
La resistenza alla corrosione dipende dall'ambiente operativo e dal mezzo contenente il materiale. Oltre alla "degradazione idrotermica", molti materiali ceramici avanzati sono superiori ai metalli in questo campo e alcuni materiali a base di zirconia subiranno una "degradazione idrotermica" dopo essere stati esposti a vapore ad alta temperatura.
La geometria, il coefficiente di dilatazione termica, la conduttività termica, la tenacità e la resistenza dei componenti sono influenzati dallo shock termico. Quest'area è favorevole a un'elevata conduttività termica e tenacità, così i componenti metallici possono funzionare efficacemente. Tuttavia, i progressi nei materiali ceramici ora forniscono livelli accettabili di resistenza allo shock termico.
Le ceramiche avanzate sono state utilizzate per molti anni e sono popolari tra ingegneri dell'affidabilità, ingegneri di impianti e progettisti di valvole che richiedono alte prestazioni e alto valore. In base ai requisiti specifici dell'applicazione, sono adatte a diverse formulazioni in una varietà di settori. Tuttavia, quattro ceramiche avanzate sono di grande importanza nel campo delle valvole di manutenzione esigenti, tra cui carburo di silicio (SiC), nitruro di silicio (Si3N4), allumina e zirconia. I materiali della valvola e della sfera della valvola sono selezionati in base ai requisiti specifici dell'applicazione.
La valvola utilizza due forme principali di zirconia, che hanno lo stesso coefficiente di dilatazione termica e la stessa rigidità dell'acciaio. La zirconia parzialmente stabilizzata all'ossido di magnesio (Mg-PSZ) ha la più elevata resistenza agli shock termici e tenacità, mentre la zirconia tetragonale policristallina all'ittrio (Y-TZP) è più dura, ma è suscettibile alla degradazione idrotermica.
Il nitruro di silicio (Si3N4) ha diverse formulazioni. Il nitruro di silicio sinterizzato a pressione di gas (GPPSN) è il materiale più comune utilizzato per valvole e componenti di valvole. Oltre alla sua tenacità media, ha anche elevata durezza e resistenza, eccellente resistenza agli shock termici e stabilità termica. Inoltre, in ambienti con vapore ad alta temperatura, Si3N4 può sostituire la zirconia per prevenire la degradazione idrotermica.
Con un budget più limitato, il concentratore può scegliere tra SiC o allumina. Entrambi i materiali hanno un'elevata durezza, ma non sono più duri dello zirconia o del nitruro di silicio. Ciò dimostra che il materiale è molto adatto per applicazioni di componenti statiche, come rivestimenti e sedi valvola, piuttosto che per sfere o dischi soggetti a sollecitazioni maggiori.
Rispetto ai materiali metallici utilizzati nelle applicazioni più complesse delle valvole (tra cui ferrocromo (CrFe), carburo di tungsteno, Hastelloy e Stellite), i materiali ceramici avanzati presentano una minore tenacità e una resistenza simile.
Le applicazioni di servizio esigenti comportano l'uso di valvole rotanti, come valvole a farfalla, trunnion, valvole a sfera flottanti e molle. In tali applicazioni, Si3N4 e zirconia hanno resistenza agli shock termici, tenacità e forza e possono adattarsi agli ambienti più esigenti. Grazie alla durezza e alla resistenza alla corrosione del materiale, la durata utile del componente è diverse volte superiore a quella del componente metallico. Altri vantaggi includono caratteristiche di prestazione per tutta la durata della valvola, specialmente nelle aree in cui vengono mantenute le capacità di taglio e controllo.
Ciò è stato dimostrato nel caso di una valvola da 65 mm (2,6 pollici) con sfera e rivestimento in kynar/RTFE esposti al 98% di acido solforico più ilmenite, dove l'ilmenite è stata convertita in pigmento di ossido di titanio. La natura corrosiva del mezzo implica che la durata di questi componenti può arrivare fino a sei settimane. Tuttavia, l'uso di guarnizioni per valvole sferiche (una zirconia parzialmente stabilizzata con ossido di magnesio (Mg-PSZ)) prodotte da Nilcra™ (Figura 1) ha un'eccellente durezza e resistenza alla corrosione ed è stato fornito per tre anni. Servizio intermittente, senza alcuna usura rilevabile.
Nelle valvole lineari (comprese valvole angolari, valvole a farfalla o valvole a globo), zirconia e nitruro di silicio sono adatti sia per i tappi delle valvole che per le sedi delle valvole grazie alle caratteristiche di "tenuta dura" di questi prodotti. Allo stesso modo, l'allumina può essere utilizzata in alcuni rivestimenti e gabbie. Attraverso la sfera corrispondente sull'anello di sede, è possibile ottenere un elevato grado di tenuta.
Per il nucleo della valvola, inclusa la valvola a spola, l'ingresso e l'uscita o la boccola del corpo valvola, è possibile utilizzare uno qualsiasi dei quattro materiali ceramici principali in base ai requisiti dell'applicazione. L'elevata durezza e resistenza alla corrosione del materiale hanno dimostrato di essere vantaggiose in termini di prestazioni del prodotto e durata utile.
Prendiamo come esempio la valvola a farfalla DN150 utilizzata nella raffineria di bauxite australiana. L'elevato contenuto di silice nel mezzo provoca elevati livelli di usura sulle boccole della valvola. Il rivestimento e il disco della valvola utilizzati inizialmente erano realizzati in lega al 28% di CrFe e duravano solo dalle otto alle dieci settimane. Tuttavia, grazie all'introduzione di valvole realizzate in zirconia Nilcra™ (Figura 2), la durata utile è stata aumentata a 70 settimane.
Grazie alla sua tenacità e resistenza, la ceramica funziona bene nella maggior parte delle applicazioni delle valvole. Tuttavia, sono la sua durezza e resistenza alla corrosione che contribuiscono a prolungare la durata della valvola. A sua volta, ciò aumenta la sicurezza riducendo i tempi di fermo per le parti di ricambio, il capitale circolante e l'inventario ridotti, la movimentazione manuale minima e le perdite ridotte, riducendo così i costi complessivi del ciclo di vita.
Per molto tempo, l'applicazione di materiali ceramici nelle valvole ad alta pressione è stata una delle principali preoccupazioni, perché queste valvole sono soggette a carichi assiali o torsionali elevati. Tuttavia, i principali attori in questo campo stanno sviluppando progetti di sfere per valvole che migliorano la sopravvivenza della coppia di azionamento.
L'altra limitazione principale è la dimensione. La dimensione della sede valvola più grande e della sfera valvola più grande (Figura 3) prodotte da zirconia parzialmente stabilizzata con magnesia sono rispettivamente DN500 e DN250. Tuttavia, la maggior parte degli attuali specificatori preferisce utilizzare la ceramica per realizzare parti le cui dimensioni non superino queste dimensioni.
Sebbene sia stato ormai dimostrato che i materiali ceramici possono essere utilizzati come scelta appropriata, ci sono ancora alcune semplici linee guida da seguire per massimizzarne le prestazioni. I materiali ceramici dovrebbero essere utilizzati per primi solo se c'è la necessità di ridurre i costi. Sia all'interno che all'esterno si dovrebbero evitare angoli acuti e concentrazione di stress.
Qualsiasi potenziale disallineamento di dilatazione termica deve essere considerato durante la fase di progettazione. Per ridurre lo stress del cerchio, è necessario mantenere la ceramica all'esterno anziché all'interno. Infine, la necessità di tolleranze geometriche e finiture superficiali deve essere attentamente considerata, poiché queste tolleranze possono aumentare significativamente i costi non necessari.
Seguendo queste linee guida e le buone pratiche nella selezione dei materiali e nel coordinamento con i fornitori fin dall'inizio del progetto, è possibile ottenere una soluzione ideale per ogni applicazione di servizio impegnativa.
Le presenti informazioni sono state ottenute, riviste e adattate dai materiali forniti da Morgan Advanced Materials.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 novembre 2019). Materiali ceramici avanzati adatti per applicazioni di servizio serio. AZoM. Recuperato da https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 il 9 marzo 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizi seri". AZoM. 9 marzo 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizi seri". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consultato il 9 marzo 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materiali ceramici avanzati adatti per applicazioni di servizio gravose. AZoM, orario di visualizzazione 9 marzo 2021, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305.
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Ora di pubblicazione: 10-03-2021
