Fortschrittliche Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen

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Für einen ernsthaften Service gibt es keine offizielle Definition. Darunter versteht man Betriebsbedingungen, bei denen die Kosten für den Ventilaustausch hoch sind oder die Verarbeitungskapazität reduziert ist.
Es besteht weltweit ein Bedarf an der Reduzierung der Prozessproduktionskosten, um die Rentabilität aller Branchen zu steigern, in denen schlechte Betriebsbedingungen herrschen. Diese reichen von Öl und Gas und Petrochemie über Kernkraft und Stromerzeugung bis hin zu Mineralverarbeitung und Bergbau.
Designer und Ingenieure versuchen, dieses Ziel auf unterschiedliche Weise zu erreichen. Die beste Methode besteht darin, die Betriebszeit und Effizienz durch eine effektive Kontrolle der Prozessparameter (wie z. B. effektives Herunterfahren und optimierte Durchflusskontrolle) zu erhöhen.
Auch die Optimierung der Sicherheit spielt eine wichtige Rolle, denn eine geringere Anzahl von Austauschvorgängen kann zu einer sichereren Produktionsumgebung führen. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen daran, den Gerätebestand, einschließlich Pumpen und Ventilen, sowie die erforderliche Entsorgung zu minimieren. Gleichzeitig erwarten die Anlagenbesitzer eine enorme Umstellung ihrer Anlagen. Eine erhöhte Verarbeitungskapazität führt dazu, dass weniger Rohre und Geräte (aber größere Durchmesser) und weniger Instrumente für denselben Produktstrom benötigt werden.
Dies zeigt, dass eine einzelne Systemkomponente nicht nur für einen größeren Rohrdurchmesser größer sein muss, sondern auch einer längeren Belastung durch raue Umgebungsbedingungen standhalten muss, um den Bedarf an Wartung und Austausch während des Betriebs zu verringern.
Komponenten wie Ventile und Ventilkugeln müssen robust sein, um der gewünschten Anwendung gerecht zu werden, können aber auch eine längere Lebensdauer bieten. Ein großes Problem bei den meisten Anwendungen ist jedoch, dass Metallteile ihre Leistungsgrenze erreicht haben. Dies deutet darauf hin, dass Konstrukteure für anspruchsvolle Anwendungen Alternativen zu nichtmetallischen Materialien, insbesondere Keramikmaterialien, finden könnten.
Zu den typischen Parametern, die für den Betrieb von Komponenten unter schwierigen Betriebsbedingungen erforderlich sind, gehören Temperaturschockbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Härte, Festigkeit und Zähigkeit.
Die Belastbarkeit ist ein Schlüsselparameter, da Komponenten mit geringer Belastbarkeit katastrophale Ausfälle erleiden können. Die Zähigkeit von Keramikmaterialien wird als Widerstand gegen Rissausbreitung definiert. In einigen Fällen kann sie mithilfe der Eindringmethode gemessen werden, was zu künstlich hohen Werten führt. Die Verwendung eines einseitigen Einschnittstrahls kann genaue Messungen liefern.
Die Festigkeit hängt mit der Zähigkeit zusammen, bezieht sich jedoch auf den einzelnen Punkt, an dem ein Material bei Belastung katastrophal versagt. Sie wird allgemein als „Bruchmodul“ bezeichnet und durch eine Drei- oder Vierpunkt-Biegefestigkeitsmessung an einem Prüfstab gemessen. Der Dreipunkttest liefert einen um 1 % höheren Wert als der Vierpunkttest.
Obwohl die Härte mit verschiedenen Skalen, darunter Rockwell und Vickers, gemessen werden kann, eignet sich die Vickers-Mikrohärteskala sehr gut für moderne Keramikmaterialien. Die Härte ist direkt proportional zur Verschleißfestigkeit des Materials.
Bei einem Ventil, das zyklisch arbeitet, stellt die Ermüdung aufgrund des ständigen Öffnens und Schließens des Ventils ein großes Problem dar. Ermüdung ist die Festigkeitsschwelle, ab der das Material häufig unter seiner normalen Biegefestigkeit versagt.
Die Korrosionsbeständigkeit hängt von der Betriebsumgebung und dem Medium ab, in dem sich das Material befindet. In diesem Bereich haben viele moderne Keramikmaterialien Vorteile gegenüber Metallen, mit Ausnahme der „hydrothermalen Degradation“, die auftritt, wenn einige Zirkoniumdioxid-basierte Materialien Hochtemperaturdampf ausgesetzt werden.
Teilegeometrie, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Zähigkeit und Festigkeit werden durch Thermoschock beeinflusst. Dieser Bereich ist für eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit geeignet, damit Metallteile effektiv funktionieren können. Fortschritte bei keramischen Materialien bieten jedoch mittlerweile akzeptable Thermoschockbeständigkeit.
Hochleistungskeramiken werden seit vielen Jahren verwendet und sind bei Zuverlässigkeitsingenieuren, Anlagenbauern und Ventildesignern beliebt, die hohe Leistung und Wertigkeit verlangen. Je nach spezifischen Anwendungsanforderungen gibt es unterschiedliche individuelle Formulierungen, die für eine breite Palette von Branchen geeignet sind. Im Bereich der Hochleistungsventile sind jedoch vier Hochleistungskeramiken von großer Bedeutung. Dazu gehören Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Die Materialien des Ventils und der Ventilkugel werden entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen ausgewählt.
In Ventilen werden zwei Hauptformen von Zirkonoxid verwendet, die beide den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die gleiche Steifigkeit wie Stahl haben. Magnesiumoxid-teilstabilisiertes Zirkonoxid (Mg-PSZ) hat die höchste Wärmeschockbeständigkeit und Zähigkeit, während polykristallines Yttrium-tetragonales Zirkonoxid (Y-TZP) härter und fester ist, aber anfällig für hydrothermale Zersetzung ist.
Siliziumnitrid (Si3N4) hat verschiedene Zusammensetzungen. Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPPSN) ist das am häufigsten verwendete Material für Ventile und Ventilkomponenten. Neben seiner durchschnittlichen Zähigkeit bietet es auch eine hohe Härte und Festigkeit, eine ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit und thermische Stabilität. Darüber hinaus ist Si3N4 in Hochtemperatur-Dampfumgebungen ein geeigneter Ersatz für Zirkonoxid, der hydrothermale Zersetzung verhindern kann.
Wenn das Budget knapp ist, kann der Planer Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid wählen. Beide Materialien haben eine hohe Härte, sind aber nicht zäher als Zirkonoxid oder Siliziumnitrid. Dies zeigt, dass sich das Material sehr gut für statische Komponentenanwendungen wie Ventilauskleidungen und Ventilsitze eignet, nicht jedoch für Ventilkugeln oder -scheiben, die einer höheren Belastung ausgesetzt sind.
Im Vergleich zu den Metallmaterialien, die bei Ventilanwendungen mit rauer Beanspruchung verwendet werden (einschließlich Ferrochrom (CrFe), Wolframkarbid, Hastelloy und Stellite), weisen moderne Keramikmaterialien eine geringere Zähigkeit und eine ähnliche Festigkeit auf.
Bei anspruchsvollen Anwendungen kommen Drehventile wie Absperrklappen, Zapfen, Kugelhähne und Federventile zum Einsatz. Bei solchen Anwendungen weisen Si3N4 und Zirkonoxid eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit, Zähigkeit und Festigkeit auf, um sich an die anspruchsvollsten Umgebungen anzupassen. Aufgrund der Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials ist die Lebensdauer der Teile um ein Vielfaches länger als die von Metallteilen. Weitere Vorteile sind die Leistungsmerkmale des Ventils über seine gesamte Lebensdauer hinweg, insbesondere in Bereichen, in denen es seine Schließleistung und Kontrolle beibehält.
Dies wird in einer Anwendung demonstriert, in der eine 65 mm (2,6 Zoll) große Kynar/RTFE-Ventilkugel und -buchse 98 % Schwefelsäure und Ilmenit ausgesetzt sind, das in Titanoxidpigment umgewandelt wird. Aufgrund der korrosiven Natur des Mediums kann die Lebensdauer dieser Komponenten bis zu sechs Wochen betragen. Die Verwendung einer Kugelhahngarnitur von Nilcra™ (Abbildung 1), einem proprietären, teilweise mit Magnesiumoxid stabilisierten Zirkonoxid (Mg-PSZ), weist jedoch eine ausgezeichnete Härte und Korrosionsbeständigkeit auf und kann drei Jahre lang ununterbrochenen Betrieb ohne erkennbaren Verschleiß gewährleisten.
Bei linearen Ventilen, einschließlich Eckventilen, Drosselventilen oder Durchgangsventilen, eignen sich Zirkonoxid und Siliziumnitrid aufgrund der „harten Dichtungseigenschaften“ dieser Produkte für Ventilkegel und Ventilsitze. Ebenso kann Aluminiumoxid für einige Dichtungen und Käfige verwendet werden. Durch die Anpassung von Schleifkugeln an den Ventilsitz kann ein hoher Abdichtungsgrad erreicht werden.
Für die Ventilauskleidung, einschließlich Ventilkern, Einlass und Auslass oder Ventilkörperauskleidung, kann je nach Anwendungsanforderungen eines der vier wichtigsten Keramikmaterialien verwendet werden. Die hohe Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials erwiesen sich hinsichtlich der Produktleistung und Lebensdauer als vorteilhaft.
Nehmen wir als Beispiel das DN150-Absperrventil, das in der australischen Bauxitraffinerie verwendet wird. Der hohe Kieselsäuregehalt im Medium führt zu einem hohen Verschleiß der Ventilauskleidung. Die ursprünglich verwendeten Dichtungen und Scheiben bestanden aus einer 28% CrFe-Legierung und hielten nur acht bis zehn Wochen. Mit Ventilen aus Nilcra™ Zirkonoxid (Abbildung 2) hat sich die Lebensdauer jedoch auf 70 Wochen erhöht.
Aufgrund ihrer Zähigkeit und Festigkeit eignen sich Keramiken für die meisten Ventilanwendungen. Allerdings tragen ihre Härte und Korrosionsbeständigkeit dazu bei, die Lebensdauer des Ventils zu verlängern. Dies wiederum reduziert die Kosten des gesamten Lebenszyklus, da Ausfallzeiten für Ersatzteile reduziert werden, Betriebskapital und Lagerbestände reduziert werden, manuelle Handhabung minimiert wird und die Sicherheit durch die Reduzierung von Leckagen verbessert wird.
Lange Zeit war der Einsatz von Keramikwerkstoffen in Hochdruckventilen eines der Hauptprobleme, da diese Ventile hohen axialen oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind. Wichtige Akteure auf diesem Gebiet entwickeln jedoch jetzt Ventilkugeldesigns, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Antriebsdrehmoment zu verbessern.
Die andere große Einschränkung ist die Größe. Die Größe des größten Ventilsitzes und der größten Ventilkugel (Abbildung 3), die aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid mit Magnesiumoxid hergestellt werden, beträgt DN500 bzw. DN250. Die meisten Planer bevorzugen derzeit jedoch Keramik für Komponenten unterhalb dieser Größe.
Obwohl sich Keramikmaterialien mittlerweile als geeignete Wahl erwiesen haben, müssen einige einfache Richtlinien befolgt werden, um ihre Leistung zu maximieren. Keramikmaterialien sollten nur dann eingesetzt werden, wenn die Kosten auf ein Minimum beschränkt werden müssen. Scharfe Ecken und Spannungskonzentrationen sollten sowohl innen als auch außen vermieden werden.
Eventuelle Abweichungen bei der Wärmeausdehnung müssen bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden. Um die Ringspannung zu verringern, muss die Keramik außen und nicht innen angebracht werden. Schließlich müssen die erforderlichen geometrischen Toleranzen und die Oberflächenbearbeitung sorgfältig bedacht werden, da diese die Kosten erheblich und unnötig erhöhen.
Durch Befolgen dieser Richtlinien und Best Practices bei der Materialauswahl und der Abstimmung mit den Lieferanten von Projektbeginn an lässt sich für jede anspruchsvolle Einsatzanwendung eine ideale Lösung erzielen.
Diese Informationen basieren auf Materialien von Morgan Advanced Materials und wurden überprüft und angepasst.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28. November 2019). Fortschrittliche Keramikmaterialien für anspruchsvolle Serviceanwendungen. AZoM. Abgerufen von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 am 29. August 2021.
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