مواد سيراميكية متقدمة لتطبيقات الخدمة الصعبة

نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتحسين تجربتك. من خلال الاستمرار في تصفح هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط. مزيد من المعلومات.
لا يوجد تعريف رسمي للخدمة الجادة. يمكن فهمها على أنها ظروف تشغيل حيث تكون تكلفة استبدال الصمام عالية أو تكون سعة المعالجة منخفضة.
هناك حاجة عالمية لخفض تكاليف إنتاج العمليات من أجل زيادة ربحية كافة القطاعات التي تعاني من ظروف خدمة سيئة. وتتراوح هذه القطاعات من النفط والغاز والبتروكيماويات إلى الطاقة النووية وتوليد الطاقة ومعالجة المعادن والتعدين.
يحاول المصممون والمهندسون تحقيق هذا الهدف بطرق مختلفة. الطريقة الأكثر ملاءمة هي زيادة وقت التشغيل والكفاءة من خلال التحكم الفعال في معلمات العملية (مثل الإغلاق الفعال والتحكم الأمثل في التدفق).
كما يلعب تحسين السلامة دورًا حيويًا، لأن تقليل الاستبدال يمكن أن يؤدي إلى بيئة إنتاج أكثر أمانًا. بالإضافة إلى ذلك، تعمل الشركة على تقليل مخزون المعدات، بما في ذلك المضخات والصمامات، والتخلص المطلوب منها. في الوقت نفسه، يتوقع أصحاب المرافق تحولًا كبيرًا في أصولهم. ونتيجة لذلك، تؤدي زيادة القدرة على المعالجة إلى تقليل عدد الأنابيب والمعدات (ولكن بأقطار أكبر) وعدد أقل من الأدوات لنفس سلسلة المنتجات.
يوضح هذا أنه بالإضافة إلى ضرورة أن يكون المكون الواحد للنظام أكبر لقطر أنبوب أوسع، فإنه يحتاج أيضًا إلى تحمل التعرض لفترات طويلة للبيئات القاسية لتقليل الحاجة إلى الصيانة والاستبدال أثناء الخدمة.
يجب أن تكون المكونات بما في ذلك الصمامات وكرات الصمامات قوية لتناسب التطبيق المطلوب، ولكنها يمكن أن توفر أيضًا عمر خدمة أطول. ومع ذلك، فإن المشكلة الرئيسية في معظم التطبيقات هي أن الأجزاء المعدنية وصلت إلى الحد الأقصى لأدائها. وهذا يشير إلى أن المصممين قد يجدون بدائل للمواد غير المعدنية، وخاصة المواد الخزفية، لتطبيقات الخدمة الصعبة.
تتضمن المعلمات النموذجية المطلوبة لتشغيل المكونات في ظل ظروف الخدمة القاسية مقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التعب، والصلابة، والقوة، والصلابة.
المرونة هي أحد المعايير الأساسية، لأن المكونات الأقل مرونة قد تفشل بشكل كارثي. تُعرَّف صلابة المواد الخزفية بأنها مقاومة انتشار الشقوق. في بعض الحالات، يمكن قياسها باستخدام طريقة البصمة، مما يؤدي إلى قيم عالية بشكل مصطنع. يمكن أن يوفر استخدام شعاع شق أحادي الجانب قياسات دقيقة.
ترتبط القوة بالصلابة، لكنها تشير إلى النقطة الوحيدة التي تفشل فيها المادة بشكل كارثي عند تطبيق الإجهاد عليها. ويشار إليها عادةً باسم "معامل الكسر" ويتم قياسها من خلال إجراء قياس قوة الانحناء بثلاث نقاط أو أربع نقاط على قضيب اختبار. يوفر اختبار النقاط الثلاث قيمة أعلى بنسبة 1% من اختبار النقاط الأربع.
على الرغم من إمكانية قياس الصلابة باستخدام مجموعة متنوعة من المقاييس بما في ذلك مقياس روكويل ومقياس فيكرز، فإن مقياس فيكرز للصلابة الدقيقة مناسب جدًا للمواد الخزفية المتقدمة. وتتناسب الصلابة بشكل مباشر مع مقاومة التآكل للمادة.
في الصمامات التي تعمل بطريقة دورية، يشكل التعب مشكلة كبيرة بسبب فتح الصمام وإغلاقه بشكل مستمر. التعب هو عتبة القوة، والتي غالبًا ما تفشل المادة عند تجاوزها تحت قوة الانحناء الطبيعية.
تعتمد مقاومة التآكل على بيئة التشغيل والوسط الذي يحتوي على المادة. في هذا المجال، تتمتع العديد من المواد الخزفية المتقدمة بمزايا على المعادن، باستثناء "التحلل المائي الحراري"، والذي يحدث عندما تتعرض بعض المواد القائمة على الزركونيا لبخار عالي الحرارة.
تتأثر هندسة الأجزاء ومعامل التمدد الحراري والتوصيل الحراري والمتانة والقوة بالصدمة الحرارية. وهذه منطقة مواتية للتوصيل الحراري والمتانة العالية، وبالتالي يمكن للأجزاء المعدنية أن تعمل بشكل فعال. ومع ذلك، توفر التطورات في المواد الخزفية الآن مستويات مقبولة من مقاومة الصدمات الحرارية.
تُستخدم السيراميك المتقدمة منذ سنوات عديدة وتحظى بشعبية كبيرة بين مهندسي الموثوقية ومهندسي المصانع ومصممي الصمامات الذين يحتاجون إلى أداء وقيمة عالية. وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة، توجد تركيبات فردية مختلفة مناسبة لمجموعة واسعة من الصناعات. ومع ذلك، فإن أربعة أنواع من السيراميك المتقدمة لها أهمية كبيرة في مجال صمامات الخدمة الشاقة. وهي تشمل كربيد السيليكون (SiC) ونتريد السيليكون (Si3N4) والألومينا والزركونيا. يتم اختيار مواد الصمام وكرة الصمام وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة.
تُستخدم شكلان رئيسيان من الزركونيا في الصمامات، وكلاهما لهما نفس معامل التمدد الحراري والصلابة مثل الفولاذ. يتمتع الزركونيا المستقر جزئيًا بأكسيد المغنيسيوم (Mg-PSZ) بأعلى مقاومة للصدمات الحرارية والمتانة، في حين أن الزركونيا الرباعية البلورات بأكسيد الإيتريوم (Y-TZP) أكثر صلابة وقوة، ولكنها عرضة للتدهور الحراري المائي.
يتوفر نيتريد السيليكون (Si3N4) بصيغ مختلفة. يُعد نيتريد السيليكون المتكلس تحت ضغط الغاز (GPPSN) المادة الأكثر استخدامًا في الصمامات ومكونات الصمامات. بالإضافة إلى صلابته المتوسطة، فإنه يوفر أيضًا صلابة وقوة عالية ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والاستقرار الحراري. بالإضافة إلى ذلك، يُعد Si3N4 بديلاً مناسبًا للزركونيا في بيئات البخار عالية الحرارة لمنع التدهور الحراري المائي.
عندما تكون الميزانية محدودة، يمكن للمحدد اختيار كربيد السيليكون أو الألومينا. تتمتع كلتا المادتين بصلابة عالية، لكنهما ليستا أكثر صلابة من الزركونيا أو نتريد السيليكون. وهذا يوضح أن المادة مناسبة جدًا لتطبيقات المكونات الثابتة، مثل بطانات الصمامات ومقاعد الصمامات، بدلاً من كرات الصمامات أو الأقراص التي تخضع لضغط أعلى.
بالمقارنة مع المواد المعدنية المستخدمة في تطبيقات صمام الخدمة القاسية (بما في ذلك الفيرروكروم (CrFe)، وكربيد التنغستن، والهاستيلوي والستيلايت)، فإن المواد السيراميكية المتقدمة تتمتع بصلابة أقل وقوة مماثلة.
تتضمن تطبيقات الخدمة الشاقة استخدام الصمامات الدوارة، مثل صمامات الفراشة، والصمامات المحورية، وصمامات الكرة العائمة، وصمامات الزنبرك. في مثل هذه التطبيقات، يُظهر Si3N4 والزركونيا مقاومة للصدمات الحرارية، والمتانة والقوة للتكيف مع البيئات الأكثر تطلبًا. ونظرًا لصلابة المادة ومقاومتها للتآكل، فإن عمر خدمة الأجزاء يزداد عدة مرات مقارنة بالأجزاء المعدنية. وتشمل الفوائد الأخرى خصائص أداء الصمام طوال عمره، وخاصة في المناطق التي يحافظ فيها على قدرته على الإغلاق والتحكم.
وقد تم إثبات ذلك في أحد التطبيقات حيث تعرضت كرة وبطانة صمام كينار/RTFE مقاس 65 مم (2.6 بوصة) لحمض الكبريتيك بنسبة 98% والإلمنيت، والذي يتم تحويله إلى صبغة أكسيد التيتانيوم. إن الطبيعة المسببة للتآكل للوسائط تعني أن هذه المكونات يمكن أن تدوم لمدة تصل إلى ستة أسابيع. ومع ذلك، فإن استخدام زخرفة صمام الكرة المصنوعة من Nilcra™ (الشكل 1)، وهي عبارة عن أكسيد المغنيسيوم المستقر جزئيًا (Mg-PSZ)، تتميز بصلابة ممتازة ومقاومة للتآكل، ويمكن أن توفر ثلاث سنوات من المتانة. خدمة متقطعة بدون أي تآكل يمكن اكتشافه.
في الصمامات الخطية، بما في ذلك الصمامات الزاوية أو صمامات الخانق أو الصمامات الكروية، نظرًا لخصائص "الختم الصلب" لهذه المنتجات، فإن الزركونيا ونتريد السيليكون مناسبان لسدادات الصمامات ومقاعد الصمامات. وبالمثل، يمكن استخدام الألومينا لبعض الحشيات والأقفاص. من خلال مطابقة كرات الطحن على مقعد الصمام، يمكن تحقيق درجة عالية من الختم.
بالنسبة لبطانة الصمام، بما في ذلك بطانة قلب الصمام ومدخل ومخرج الصمام أو جسم الصمام، يمكن استخدام أي من المواد الخزفية الرئيسية الأربعة وفقًا لمتطلبات التطبيق. أثبتت صلابة المادة العالية ومقاومتها للتآكل أنها مفيدة من حيث أداء المنتج وعمر الخدمة.
خذ صمام الفراشة DN150 المستخدم في مصفاة البوكسيت الأسترالية كمثال. يؤدي المحتوى العالي من السيليكا في الوسط إلى ارتفاع مستوى التآكل في بطانة الصمام. كانت الحشوات والأقراص المستخدمة في البداية مصنوعة من سبيكة CrFe بنسبة 28% ولم تستمر سوى ثمانية إلى عشرة أسابيع. ومع ذلك، مع الصمامات المصنوعة من زركونيا Nilcra™ (الشكل 2)، زادت مدة الخدمة إلى 70 أسبوعًا.
بفضل صلابتها وقوتها، تعمل السيراميك بشكل جيد في معظم تطبيقات الصمامات. ومع ذلك، فإن صلابتها ومقاومتها للتآكل تساعد في زيادة عمر خدمة الصمام. وهذا بدوره يقلل من تكلفة دورة الحياة بالكامل من خلال تقليل وقت التوقف عن العمل لقطع الغيار، وتقليل رأس المال العامل والمخزون، والحد الأدنى من المناولة اليدوية، وتحسين السلامة من خلال تقليل التسرب.
لفترة طويلة، كان استخدام المواد الخزفية في صمامات الضغط العالي أحد المشكلات الرئيسية، لأن هذه الصمامات تخضع لأحمال محورية أو التوائية عالية. ومع ذلك، يقوم اللاعبون الرئيسيون في هذا المجال الآن بتطوير تصميمات كرات الصمام لتحسين قدرة عزم الدوران على البقاء.
إن القيد الرئيسي الآخر هو الحجم. إن حجم أكبر مقعد صمام وأكبر كرة صمام (الشكل 3) المنتجين من الزركونيا المستقرة جزئيًا مع أكسيد المغنيسيوم هو DN500 وDN250 على التوالي. ومع ذلك، فإن معظم واضعي المواصفات يفضلون حاليًا السيراميك للمكونات التي تقل عن هذه الأحجام.
على الرغم من أن المواد الخزفية أثبتت الآن أنها خيار مناسب، إلا أنه يجب اتباع بعض الإرشادات البسيطة لتحقيق أقصى قدر من الأداء. يجب استخدام المواد الخزفية أولاً فقط عندما يكون من الضروري الحفاظ على التكاليف عند الحد الأدنى. يجب تجنب الزوايا الحادة وتركيز الإجهاد سواء في الداخل أو الخارج.
يجب مراعاة أي عدم توافق محتمل للتمدد الحراري أثناء مرحلة التصميم. ومن أجل تقليل إجهاد الطوق، يجب إبقاء السيراميك في الخارج وليس في الداخل. وأخيرًا، يجب مراعاة الحاجة إلى التفاوتات الهندسية والتشطيب السطحي بعناية، حيث سيؤدي ذلك إلى زيادة التكاليف غير الضرورية بشكل كبير.
ومن خلال اتباع هذه المبادئ التوجيهية وأفضل الممارسات لاختيار المواد والتنسيق مع الموردين منذ بداية المشروع، يمكن التوصل إلى حل مثالي لكل تطبيق خدمة قاسية.
تم استخلاص هذه المعلومات من المواد التي قدمتها شركة Morgan Advanced Materials وتم مراجعتها وتكييفها.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (2019, November 28). Advanced ceramic materials for demand service applications. AZoM. تم الاسترجاع من https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 في 27 يونيو 2021.
مورجان للمواد المتقدمة - السيراميك التقني. "مواد السيراميك المتقدمة لتطبيقات الخدمة الصعبة". AZoM. 27 يونيو 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Advanced ceramic materials for demand service applications". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (تم الوصول إليه في 27 يونيو 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Advanced ceramic materials for hard-service applications. AZoM، تمت المشاهدة في 27 يونيو 2021، https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
في هذه المقابلة، ناقشت شركة AZoM وتشاك تشيمينو، مدير المنتجات الأول في شركة Lake Shore Cryotronics، فوائد نظام قياس مصدر المزامنة M81 الخاص بهم.
في هذه المقابلة، تحدثت AZoM مع جون أندرسون من شركة Paratherm حول سوائل نقل الحرارة الخاصة بهم، وحلول الصيانة الخاصة بهم، والتحديات التي يواجهونها في التكيف مع العمل في عالم الوباء.
تحدثت AZoM مع أردا جوزين، الأستاذ المساعد جورج وجوان بيري من جامعة ولاية واشنطن. أردا عضو في فريق متعدد الوكالات مخصص لإنشاء هياكل للأنسجة الهندسية من خلال تقليد خصائص الأنسجة البشرية.
يمكن لجهاز تحليل البورون Sievers مراقبة محتوى البورون في الماء النقي منزوع الأيونات بشكل مستمر عبر الإنترنت.