正式なサービス定義はありませんが、バルブ交換にかかるコストの高さや、処理能力を低下させる作業条件などを指すと考えられます。
過酷なサービス条件にかかわるすべての分野の収益性を向上させるために、プロセス生産コストを削減することが世界的に求められています。これには、石油、ガス、石油化学製品から原子力、発電、鉱物処理、採鉱までが含まれます。
設計者とエンジニアは、さまざまな方法でこの目標を達成しようとしています。最も適切な方法は、プロセス パラメータを効果的に制御して (効果的なシャットダウンや最適化されたフロー制御など)、稼働時間と効率を向上させることです。
安全性の最適化も重要な役割を果たします。交換回数を減らすことで、より安全な生産環境を実現できるからです。さらに、同社は機器 (ポンプやバルブを含む) の在庫と必要な廃棄を削減する取り組みを行っています。同時に、施設の所有者は資産から大きな回転率を期待しています。したがって、処理能力が増加すると、同じ製品ストリームに対して、パイプと機器の数 (ただし直径は大きくなります) と器具の数が少なくなります。
これは、パイプの直径が大きくなるとサイズも大きくなるだけでなく、さまざまなシステム コンポーネントが過酷な環境に長期間さらされても耐えられるようにして、稼働中のメンテナンスや交換の必要性を減らす必要があることを示しています。
バルブやバルブ ボールなどのコンポーネントは、目的の用途に適合するために堅牢である必要がありますが、寿命を延ばすこともできます。ただし、ほとんどの用途での主な問題は、金属部品が性能限界に達していることです。これは、要求の厳しい用途では、設計者が非金属材料、特にセラミック材料の代替品を見つける可能性があることを示しています。
過酷な条件下でコンポーネントを動作させるために必要な一般的なパラメータには、耐熱衝撃性、耐腐食性、耐疲労性、硬度、強度、靭性などがあります。
弾力性は重要なパラメータです。弾力性の低い部品は壊滅的な故障を引き起こす可能性があるためです。セラミック材料の靭性は、亀裂伝播に対する抵抗として定義されます。場合によっては、インデンテーション法を使用して測定し、人工的に高い値を得ることができます。片側切開ビームを使用すると、正確な測定結果を得ることができます。
強度は靭性と関連していますが、応力がかかったときに材料が壊滅的な損傷を受ける単一の点を指します。これは一般に「破壊係数」と呼ばれ、試験棒で 3 点または 4 点の曲げ強度測定を実行することによって得られます。3 点試験の値は 4 点試験の値より 1% 高くなります。
硬度の測定にはロックウェル硬度やビッカース硬度など多くのスケールを使用できますが、ビッカース微小硬度スケールは高度なセラミック材料に非常に適しています。硬度は材料の耐摩耗性に比例して変化します。
周期的に作動するバルブでは、バルブの連続的な開閉により疲労が主な懸念事項となります。疲労は強度の閾値です。この閾値を超えると、材料は通常の曲げ強度を下回る強度で破損する傾向があります。
耐食性は、動作環境と材料を含む媒体によって異なります。「水熱劣化」に加えて、多くの先進セラミック材料はこの分野で金属よりも優れており、特定のジルコニアベースの材料は、高温の蒸気にさらされると「水熱劣化」を起こします。
部品の形状、熱膨張係数、熱伝導率、靭性、強度は熱衝撃の影響を受けます。この領域は高い熱伝導率と靭性につながるため、金属部品は効果的に機能します。しかし、セラミック材料の進歩により、許容できるレベルの耐熱衝撃性が得られるようになりました。
先進セラミックスは長年使用されており、高性能と高価値を要求する信頼性エンジニア、プラントエンジニア、バルブ設計者の間で人気があります。特定のアプリケーション要件に応じて、さまざまな業界のさまざまな配合に適しています。ただし、要求の厳しいメンテナンスバルブの分野では、炭化ケイ素（SiC）、窒化ケイ素（Si3N4）、アルミナ、ジルコニアの4つの先進セラミックスが非常に重要です。バルブとバルブボールの材料は、特定のアプリケーション要件に応じて選択されます。
バルブには、鋼と同じ熱膨張係数と剛性を持つ 2 種類の主なジルコニアが使用されています。マグネシウム酸化物部分安定化ジルコニア (Mg-PSZ) は、最も高い耐熱衝撃性と靭性を備えていますが、イットリア正方晶ジルコニア多結晶 (Y-TZP) はより硬いものの、水熱劣化の影響を受けやすいという欠点があります。
窒化ケイ素（Si3N4）にはさまざまな配合があります。ガス圧焼結窒化ケイ素（GPPSN）は、バルブやバルブ部品に使用される最も一般的な材料です。平均的な靭性に加えて、硬度と強度が高く、耐熱衝撃性と熱安定性に優れています。さらに、高温蒸気環境では、Si3N4はジルコニアの代わりに使用して水熱劣化を防ぐことができます。
予算が厳しい場合は、濃縮器は SiC またはアルミナを選択できます。どちらの材料も硬度は高いですが、ジルコニアや窒化ケイ素よりも硬くはありません。これは、この材料が、より高いストレスを受けるボールやディスクではなく、バルブ ライナーやバルブ シートなどの静的コンポーネントの用途に非常に適していることを示しています。
要求の厳しいバルブ用途で使用される金属材料（フェロクロム（CrFe）、タングステンカーバイド、ハステロイ、ステライトなど）と比較すると、先進のセラミック材料は靭性が低く、強度は同程度です。
要求の厳しいサービス アプリケーションには、バタフライ バルブ、トラニオン、フローティング ボール バルブ、スプリングなどのロータリー バルブの使用が含まれます。このようなアプリケーションでは、Si3N4 とジルコニアは耐熱衝撃性、靭性、強度を備えており、最も要求の厳しい環境にも適応できます。材料の硬度と耐腐食性により、コンポーネントの耐用年数は金属コンポーネントの数倍になります。その他の利点としては、特に遮断機能と制御機能が維持される領域で、バルブの寿命全体にわたってパフォーマンス特性が向上することが挙げられます。
これは、65mm (2.6 インチ) バルブの Kynar/RTFE ボールとライナーを 98% 硫酸とイルメナイトにさらし、イルメナイトを酸化チタン顔料に変換した場合に実証されました。媒体の腐食性により、これらのコンポーネントの寿命は 6 週間ほどになる場合があります。ただし、Nilcra™ 製の球状バルブ トリム (独自の酸化マグネシウム部分安定化ジルコニア (Mg-PSZ)) (図 1) を使用すると、硬度と耐腐食性が優れ、3 年間使用できます。断続的な使用でも、目立った摩耗や損傷はありません。
リニア バルブ (アングル バルブ、スロットル バルブ、グローブ バルブを含む) では、ジルコニアとシリコン窒化物は、これらの製品の「ハード シール」特性により、バルブ プラグとバルブ シートの両方に適しています。同様に、アルミナは特定のライニングとケージに使用できます。シート リング上のマッチング ボールにより、高度なシールを実現できます。
スプールバルブ、入口と出口、またはバルブ本体ブッシングを含むバルブコアには、用途の要件に応じて 4 つの主要なセラミック材料のいずれかを使用できます。材料の高硬度と耐腐食性は、製品の性能と耐用年数の点で有益であることが証明されています。
オーストラリアのボーキサイト精錬所で使用されている DN150 バタフライ バルブを例に挙げてみましょう。媒体に含まれるシリカ含有量が多いため、バルブ ブッシングの摩耗が激しくなります。当初使用されていたライナーとバルブ ディスクは 28% CrFe 合金製で、耐用年数はわずか 8 ～ 10 週間でした。しかし、Nilcra™ ジルコニア製のバルブ (図 2) を導入したことで、耐用年数は 70 週間にまで延びました。
セラミックは強靭性と強度に優れているため、ほとんどのバルブ用途に適しています。しかし、バルブの寿命を延ばすのは、その硬度と耐腐食性です。その結果、交換部品のダウンタイムが短縮され、運転資金と在庫が削減され、手作業が最小限に抑えられ、漏れが減るため、安全性が向上し、ライフサイクル全体のコストが削減されます。
高圧バルブは高い軸方向荷重やねじり荷重を受けるため、長い間、高圧バルブにセラミック材料を適用することは大きな懸念事項の 1 つでした。しかし、この分野の大手企業は、作動トルクの耐久性を向上させるバルブ ボール設計を開発しています。
もう一つの大きな制限はサイズです。マグネシア部分安定化ジルコニアで製造される最大のバルブ シートと最大のバルブ ボール (図 3) のサイズは、それぞれ DN500 と DN250 です。ただし、現在のほとんどの仕様者は、寸法がこれらの寸法を超えない部品を製造するためにセラミックを使用することを好みます。
セラミック材料が適切な選択肢として使用できることが証明されましたが、その性能を最大限に引き出すために従うべき簡単なガイドラインがいくつかあります。セラミック材料は、コストを削減する必要がある場合にのみ最初に使用する必要があります。内側と外側の両方で、鋭い角と応力の集中を避ける必要があります。
設計段階では、熱膨張の不一致の可能性を考慮する必要があります。フープ応力を軽減するには、セラミックを内側ではなく外側に配置する必要があります。最後に、幾何学的公差と表面仕上げの必要性を慎重に検討する必要があります。これらの公差により、不要なコストが大幅に増加する可能性があります。
プロジェクトの開始時から材料の選択とサプライヤーとの調整においてこれらのガイドラインとベスト プラクティスに従うことで、要求の厳しい各サービス アプリケーションに最適なソリューションを実現できます。
この情報は、Morgan Advanced Materials から提供された資料から入手、検討、改変したものです。
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics。(2019 年 11 月 28 日)。本格的なサービス用途に適した先進セラミック材料。AZoM。2021 年 3 月 9 日に https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 から取得。
モーガン・アドバンスト・マテリアルズ - テクニカルセラミックス。「本格的なサービス用途向けの先進セラミック材料」。AZoM。2021年3月9日。
Morgan Advanced Materials-テクニカルセラミックス。「本格的なサービスアプリケーション向けの先進セラミック材料」。AZoM。https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305。（2021年3月9日にアクセス）。
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics。2019。本格的なサービス用途に適した高度なセラミック材料。AZoM、閲覧時間は2021年3月9日、https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305。
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投稿日時: 2021年3月10日
