Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio exigentes

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No existe una definición oficial de servicio serio. Se puede entender como condiciones de operación donde el costo de reemplazo de válvulas es alto o la capacidad de procesamiento es reducida.
Existe una necesidad mundial de reducir los costos de producción de los procesos para aumentar la rentabilidad de todos los sectores involucrados en condiciones de servicio deficientes, desde el petróleo y el gas y la petroquímica hasta la energía nuclear y la generación de energía, el procesamiento de minerales y la minería.
Los diseñadores e ingenieros están intentando alcanzar este objetivo de distintas maneras. El método más adecuado es aumentar el tiempo de funcionamiento y la eficiencia mediante el control eficaz de los parámetros del proceso (como el apagado eficaz y el control optimizado del flujo).
La optimización de la seguridad también desempeña un papel fundamental, ya que la reducción de los reemplazos puede conducir a un entorno de producción más seguro. Además, la empresa está trabajando para minimizar el inventario de equipos, incluidas las bombas y válvulas, y la eliminación necesaria. Al mismo tiempo, los propietarios de las instalaciones esperan un gran cambio en sus activos. Como resultado, una mayor capacidad de procesamiento se traduce en menos tuberías y equipos (pero de diámetros mayores) y menos instrumentos para el mismo flujo de producto.
Esto demuestra que, además de tener que ser más grande para un diámetro de tubería más amplio, un solo componente del sistema también debe soportar una exposición prolongada a entornos hostiles para reducir la necesidad de mantenimiento y reemplazo en servicio.
Los componentes, incluidas las válvulas y las bolas de válvula, deben ser robustos para adaptarse a la aplicación deseada, pero también pueden proporcionar una vida útil más larga. Sin embargo, un problema importante con la mayoría de las aplicaciones es que las piezas metálicas han alcanzado el límite de su rendimiento. Esto indica que los diseñadores pueden encontrar alternativas a los materiales no metálicos, especialmente los materiales cerámicos, para aplicaciones de servicio exigentes.
Los parámetros típicos necesarios para operar componentes en condiciones de servicio severas incluyen resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga, dureza, resistencia y tenacidad.
La resiliencia es un parámetro clave, ya que los componentes menos resilientes pueden fallar de manera catastrófica. La tenacidad de los materiales cerámicos se define como la resistencia a la propagación de grietas. En algunos casos, se puede medir mediante el método de indentación, lo que da como resultado valores artificialmente altos. El uso de una viga de incisión de un solo lado puede proporcionar mediciones precisas.
La resistencia está relacionada con la tenacidad, pero se refiere al punto único en el que un material falla catastróficamente cuando se le aplica tensión. Se lo conoce comúnmente como “módulo de ruptura” y se mide realizando una medición de resistencia a la flexión de tres o cuatro puntos en una varilla de prueba. La prueba de tres puntos proporciona un valor que es un 1 % más alto que la prueba de cuatro puntos.
Aunque la dureza se puede medir con una variedad de escalas, incluidas Rockwell y Vickers, la escala de microdureza Vickers es muy adecuada para materiales cerámicos avanzados. La dureza es directamente proporcional a la resistencia al desgaste del material.
En una válvula que funciona con un método cíclico, la fatiga es un problema importante debido a la apertura y el cierre continuos de la válvula. La fatiga es el umbral de resistencia, más allá del cual el material a menudo fallará por debajo de su resistencia a la flexión normal.
La resistencia a la corrosión depende del entorno operativo y del medio que contiene el material. En este campo, muchos materiales cerámicos avanzados tienen ventajas sobre los metales, a excepción de la “degradación hidrotermal”, que se produce cuando algunos materiales a base de circonio se exponen a vapor a alta temperatura.
La geometría de la pieza, el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, la tenacidad y la resistencia se ven afectados por el choque térmico. Esta es una zona propicia para una alta conductividad térmica y tenacidad, por lo que las piezas de metal pueden funcionar de manera eficaz. Sin embargo, los avances en materiales cerámicos ahora proporcionan niveles aceptables de resistencia al choque térmico.
Las cerámicas avanzadas se han utilizado durante muchos años y son populares entre los ingenieros de confiabilidad, los ingenieros de planta y los diseñadores de válvulas que requieren alto rendimiento y valor. Según los requisitos específicos de la aplicación, existen diferentes formulaciones individuales adecuadas para una amplia gama de industrias. Sin embargo, cuatro cerámicas avanzadas son de gran importancia en el campo de las válvulas de servicio severo. Incluyen carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), alúmina y zirconio. Los materiales de la válvula y la bola de la válvula se seleccionan de acuerdo con los requisitos específicos de la aplicación.
En las válvulas se utilizan dos formas principales de zirconio, ambas con el mismo coeficiente de expansión térmica y rigidez que el acero. El zirconio parcialmente estabilizado con óxido de magnesio (Mg-PSZ) tiene la mayor resistencia al choque térmico y tenacidad, mientras que el zirconio tetragonal policristalino con óxido de itrio (Y-TZP) es más duro y resistente, pero es susceptible a la degradación hidrotermal.
El nitruro de silicio (Si3N4) tiene diferentes formulaciones. El nitruro de silicio sinterizado a presión de gas (GPPSN) es el material más comúnmente utilizado para válvulas y componentes de válvulas. Además de su tenacidad media, también proporciona alta dureza y resistencia, excelente resistencia al choque térmico y estabilidad térmica. Además, el Si3N4 es un sustituto adecuado de la zirconia en entornos de vapor a alta temperatura para evitar la degradación hidrotermal.
Cuando el presupuesto es ajustado, el especificador puede elegir carburo de silicio o alúmina. Ambos materiales tienen una gran dureza, pero no son más resistentes que la zirconia o el nitruro de silicio. Esto demuestra que el material es muy adecuado para aplicaciones de componentes estáticos, como revestimientos y asientos de válvulas, en lugar de bolas o discos de válvulas que están sujetos a una mayor tensión.
En comparación con los materiales metálicos utilizados en aplicaciones de válvulas de servicio severo (incluidos ferrocromo (CrFe), carburo de tungsteno, Hastelloy y Stellite), los materiales cerámicos avanzados tienen menor tenacidad y resistencia similar.
Las aplicaciones de servicio severo implican el uso de válvulas rotativas, como válvulas de mariposa, de muñones, de bola flotante y de resorte. En dichas aplicaciones, el Si3N4 y el zirconio exhiben resistencia al choque térmico, tenacidad y fuerza para adaptarse a los entornos más exigentes. Debido a la dureza y resistencia a la corrosión del material, la vida útil de las piezas se incrementa varias veces en comparación con las piezas metálicas. Otros beneficios incluyen las características de rendimiento de la válvula durante su vida útil, especialmente en áreas donde mantiene su capacidad de cierre y control.
Esto se demuestra en una aplicación en la que una válvula de 65 mm (2,6 in) de bola y revestimiento de kynar/RTFE se exponen a ácido sulfúrico al 98 % e ilmenita, que se convierte en pigmento de óxido de titanio. La naturaleza corrosiva del medio significa que estos componentes pueden durar hasta seis semanas. Sin embargo, el uso de guarniciones de válvulas de bola fabricadas con Nilcra™ (Figura 1), que es una zirconia parcialmente estabilizada con óxido de magnesio (Mg-PSZ) patentada, tiene una excelente dureza y resistencia a la corrosión, y puede proporcionar tres años de durabilidad. Servicio intermitente sin ningún desgaste detectable.
En las válvulas lineales, incluidas las válvulas angulares, las válvulas de mariposa o las válvulas de globo, debido a las características de "sellado duro" de estos productos, el zirconio y el nitruro de silicio son adecuados para los tapones y asientos de las válvulas. De manera similar, la alúmina se puede utilizar para algunas juntas y jaulas. Al combinar bolas de molienda con el asiento de la válvula, se puede lograr un alto grado de sellado.
Para el revestimiento de válvulas, incluido el núcleo de válvulas, la entrada y la salida o el revestimiento del cuerpo de válvulas, se puede utilizar cualquiera de los cuatro materiales cerámicos principales según los requisitos de la aplicación. La alta dureza y resistencia a la corrosión del material demostraron ser beneficiosas en términos de rendimiento del producto y vida útil.
Tomemos como ejemplo la válvula de mariposa DN150 utilizada en la refinería de bauxita australiana. El alto contenido de sílice en el medio provoca un alto nivel de desgaste en el revestimiento de la válvula. Las juntas y los discos utilizados inicialmente estaban hechos de aleación de CrFe al 28 % y duraban solo entre ocho y diez semanas. Sin embargo, con las válvulas hechas de circonio Nilcra™ (Figura 2), la vida útil ha aumentado a 70 semanas.
Debido a su dureza y resistencia, la cerámica funciona bien en la mayoría de las aplicaciones de válvulas. Sin embargo, es su dureza y resistencia a la corrosión lo que ayuda a aumentar la vida útil de la válvula. Esto, a su vez, reduce el costo de todo el ciclo de vida al reducir el tiempo de inactividad para las piezas de repuesto, reducir el capital de trabajo y el inventario, minimizar la manipulación manual y mejorar la seguridad al reducir las fugas.
Durante mucho tiempo, la aplicación de materiales cerámicos en válvulas de alta presión ha sido uno de los principales problemas, debido a que estas válvulas están sujetas a altas cargas axiales o torsionales. Sin embargo, los principales actores en este campo están desarrollando ahora diseños de válvulas de bola para mejorar la capacidad de supervivencia del par de accionamiento.
La otra limitación importante es la escala. El tamaño del asiento de válvula más grande y de la bola de válvula más grande (Figura 3) producidos a partir de zirconio parcialmente estabilizado con óxido de magnesio es DN500 y DN250, respectivamente. Sin embargo, la mayoría de los especificadores actualmente prefieren cerámica para componentes de tamaños inferiores a estos.
Aunque ya se ha demostrado que los materiales cerámicos son una opción adecuada, es necesario seguir algunas pautas sencillas para maximizar su rendimiento. Los materiales cerámicos solo deben utilizarse en primer lugar cuando sea necesario reducir los costes. Se deben evitar las esquinas agudas y la concentración de tensiones tanto en el interior como en el exterior.
Durante la fase de diseño se debe tener en cuenta cualquier posible desajuste por expansión térmica. Para reducir la tensión circunferencial, la cerámica debe mantenerse en el exterior, no en el interior. Por último, se debe considerar cuidadosamente la necesidad de tolerancias geométricas y acabado de la superficie, ya que esto aumentará significativamente los costos innecesarios.
Siguiendo estas pautas y mejores prácticas para seleccionar materiales y coordinar con proveedores desde el comienzo del proyecto, se puede lograr una solución ideal para cada aplicación de servicio severo.
Esta información se deriva de materiales proporcionados por Morgan Advanced Materials y ha sido revisada y adaptada.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 de noviembre de 2019). Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio exigentes. AZoM. Recuperado de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 el 27 de junio de 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio exigentes”. AZoM. 27 de junio de 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio exigentes”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consultado el 27 de junio de 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materiales cerámicos avanzados para aplicaciones de servicio exigentes. AZoM, consultado el 27 de junio de 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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