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Il n'existe pas de définition officielle du service sérieux. On peut l'entendre comme des conditions de fonctionnement dans lesquelles le coût de remplacement des vannes est élevé ou la capacité de traitement est réduite.
Il est nécessaire de réduire les coûts de production des procédés à l’échelle mondiale afin d’accroître la rentabilité de tous les secteurs concernés par les mauvaises conditions de service, allant du pétrole et du gaz et de la pétrochimie à l’énergie nucléaire et à la production d’électricité, en passant par le traitement des minéraux et l’exploitation minière.
Les concepteurs et les ingénieurs tentent d'atteindre cet objectif de différentes manières. La méthode la plus appropriée consiste à augmenter la disponibilité et l'efficacité en contrôlant efficacement les paramètres du processus (tels que l'arrêt efficace et le contrôle optimisé du flux).
L’optimisation de la sécurité joue également un rôle essentiel, car la réduction des remplacements peut conduire à un environnement de production plus sûr. En outre, l’entreprise s’efforce de minimiser les stocks d’équipements, notamment les pompes et les vannes, ainsi que leur élimination. Dans le même temps, les propriétaires d’installations s’attendent à un changement considérable de leurs actifs. En conséquence, l’augmentation de la capacité de traitement se traduit par moins de tuyaux et d’équipements (mais de plus grands diamètres) et moins d’instruments pour le même flux de produits.
Cela montre qu'en plus de devoir être plus grand pour un diamètre de tuyau plus large, un seul composant du système doit également résister à une exposition prolongée à des environnements difficiles pour réduire le besoin de maintenance et de remplacement en service.
Les composants, notamment les vannes et les billes de vanne, doivent être robustes pour s'adapter à l'application souhaitée, mais peuvent également offrir une durée de vie plus longue. Cependant, un problème majeur dans la plupart des applications est que les pièces métalliques ont atteint la limite de leurs performances. Cela indique que les concepteurs peuvent trouver des alternatives aux matériaux non métalliques, en particulier les matériaux céramiques, pour les applications de service exigeantes.
Les paramètres typiques requis pour faire fonctionner les composants dans des conditions de service difficiles comprennent la résistance aux chocs thermiques, la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue, la dureté, la résistance et la ténacité.
La résilience est un paramètre clé, car les composants moins résistants peuvent connaître des défaillances catastrophiques. La ténacité des matériaux céramiques est définie comme la résistance à la propagation des fissures. Dans certains cas, elle peut être mesurée à l'aide de la méthode d'indentation, ce qui donne des valeurs artificiellement élevées. L'utilisation d'un faisceau d'incision unilatéral peut fournir des mesures précises.
La résistance est liée à la ténacité, mais fait référence au point unique où un matériau se rompt de manière catastrophique lorsqu'une contrainte est appliquée. On l'appelle communément « module de rupture » et on le mesure en effectuant une mesure de résistance à la flexion en trois ou quatre points sur une tige d'essai. Le test en trois points fournit une valeur supérieure de 1 % à celle du test en quatre points.
Bien que la dureté puisse être mesurée à l'aide de diverses échelles, notamment Rockwell et Vickers, l'échelle de microdureté Vickers est particulièrement adaptée aux matériaux céramiques avancés. La dureté est directement proportionnelle à la résistance à l'usure du matériau.
Dans une vanne fonctionnant de manière cyclique, la fatigue est un problème majeur en raison de l'ouverture et de la fermeture continues de la vanne. La fatigue est le seuil de résistance au-delà duquel le matériau se rompt souvent en dessous de sa résistance à la flexion normale.
La résistance à la corrosion dépend de l'environnement d'exploitation et du milieu dans lequel le matériau est placé. Dans ce domaine, de nombreux matériaux céramiques avancés présentent des avantages par rapport aux métaux, à l'exception de la « dégradation hydrothermique », qui se produit lorsque certains matériaux à base de zircone sont exposés à de la vapeur à haute température.
La géométrie des pièces, le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, la ténacité et la résistance sont affectés par les chocs thermiques. Il s'agit d'un domaine propice à une conductivité thermique et une ténacité élevées, de sorte que les pièces métalliques peuvent fonctionner efficacement. Cependant, les progrès réalisés dans les matériaux céramiques offrent désormais des niveaux acceptables de résistance aux chocs thermiques.
Les céramiques avancées sont utilisées depuis de nombreuses années et sont très appréciées par les ingénieurs en fiabilité, les ingénieurs d'usine et les concepteurs de vannes qui exigent des performances et une valeur élevées. Selon les exigences spécifiques de l'application, il existe différentes formulations individuelles adaptées à un large éventail d'industries. Cependant, quatre céramiques avancées sont d'une grande importance dans le domaine des vannes à service intensif. Il s'agit du carbure de silicium (SiC), du nitrure de silicium (Si3N4), de l'alumine et de la zircone. Les matériaux de la vanne et de la bille de vanne sont sélectionnés en fonction des exigences spécifiques de l'application.
Deux formes principales de zircone sont utilisées dans les vannes, toutes deux ayant le même coefficient de dilatation thermique et la même rigidité que l'acier. La zircone partiellement stabilisée à l'oxyde de magnésium (Mg-PSZ) présente la résistance aux chocs thermiques et la ténacité les plus élevées, tandis que la zircone polycristalline tétragonale yttria (Y-TZP) est plus dure et plus résistante, mais est sensible à la dégradation hydrothermale.
Le nitrure de silicium (Si3N4) a différentes formulations. Le nitrure de silicium fritté sous pression de gaz (GPPSN) est le matériau le plus couramment utilisé pour les vannes et les composants de vannes. En plus de sa ténacité moyenne, il offre également une dureté et une résistance élevées, une excellente résistance aux chocs thermiques et une stabilité thermique. De plus, dans les environnements de vapeur à haute température, le Si3N4 est un substitut approprié à la zircone, ce qui peut empêcher la dégradation hydrothermale.
Lorsque le budget est serré, le prescripteur peut choisir le carbure de silicium ou l'alumine. Ces deux matériaux ont une dureté élevée, mais ne sont pas plus résistants que la zircone ou le nitrure de silicium. Cela montre que le matériau est très adapté aux applications de composants statiques, tels que les garnitures et les sièges de soupapes, plutôt que les billes ou les disques de soupapes qui sont soumis à des contraintes plus élevées.
Comparé aux matériaux métalliques utilisés dans les applications de vannes de service difficiles (y compris le ferrochrome (CrFe), le carbure de tungstène, l'Hastelloy et le Stellite), les matériaux céramiques avancés ont une ténacité inférieure et une résistance similaire.
Les applications à service intensif impliquent l'utilisation de vannes rotatives, telles que des vannes papillon, des tourillons, des vannes à boisseau sphérique flottant et des vannes à ressort. Dans de telles applications, le Si3N4 et la zircone présentent une résistance aux chocs thermiques, une ténacité et une résistance qui leur permettent de s'adapter aux environnements les plus exigeants. En raison de la dureté et de la résistance à la corrosion du matériau, la durée de vie des pièces est multipliée par rapport aux pièces métalliques. Parmi les autres avantages, citons les caractéristiques de performance de la vanne tout au long de sa durée de vie, en particulier dans les zones où elle conserve sa capacité de fermeture et son contrôle.
Ceci est démontré dans une application où une bille et une chemise en Kynar/RTFE de 65 mm (2,6 po) sont exposées à 98 % d'acide sulfurique et d'ilménite, qui est converti en pigment d'oxyde de titane. La nature corrosive du milieu signifie que la durée de vie de ces composants peut atteindre six semaines. Cependant, l'utilisation de garnitures de vanne à boisseau sphérique fabriquées par Nilcra™ (Figure 1), qui est une zircone partiellement stabilisée à l'oxyde de magnésium (Mg-PSZ) exclusive, présente une excellente dureté et une excellente résistance à la corrosion, et peut fournir trois ans de service ininterrompu sans aucune usure détectable.
Dans les vannes linéaires, notamment les vannes d'angle, les vannes à papillon ou les vannes à soupape, en raison des caractéristiques de « joint dur » de ces produits, la zircone et le nitrure de silicium conviennent aux bouchons et aux sièges de vanne. De même, l'alumine peut être utilisée pour certains joints et cages. En faisant correspondre les billes de meulage sur le siège de vanne, un degré élevé d'étanchéité peut être obtenu.
Pour le revêtement des soupapes, y compris le noyau de soupape, l'entrée et la sortie ou le revêtement du corps de soupape, l'un des quatre principaux matériaux céramiques peut être utilisé en fonction des exigences de l'application. La dureté élevée et la résistance à la corrosion du matériau se sont avérées bénéfiques en termes de performances du produit et de durée de vie.
Prenons l’exemple de la vanne papillon DN150 utilisée dans la raffinerie de bauxite australienne. La teneur élevée en silice du fluide entraîne une forte usure du revêtement de la vanne. Les joints et les disques initialement utilisés étaient en alliage CrFe à 28 % et ne duraient que huit à dix semaines. Cependant, avec les vannes en zircone Nilcra™ (Figure 2), la durée de vie est passée à 70 semaines.
En raison de sa robustesse et de sa résistance, la céramique est idéale pour la plupart des applications de vannes. Cependant, c'est sa dureté et sa résistance à la corrosion qui contribuent à augmenter la durée de vie de la vanne. Cela permet de réduire le coût de l'ensemble du cycle de vie en réduisant les temps d'arrêt pour le remplacement des pièces, en réduisant le fonds de roulement et les stocks, en minimisant la manutention manuelle et en améliorant la sécurité en réduisant les fuites.
Pendant longtemps, l'utilisation de matériaux céramiques dans les vannes haute pression a été l'un des principaux problèmes, car ces vannes sont soumises à des charges axiales ou de torsion élevées. Cependant, les principaux acteurs dans ce domaine développent désormais des conceptions de billes de vanne pour améliorer la capacité de survie du couple moteur.
L'autre limitation majeure est l'échelle. La taille du plus grand siège de soupape et de la plus grande bille de soupape (Figure 3) produits à partir de zircone partiellement stabilisée avec de l'oxyde de magnésium est respectivement de DN500 et DN250. Cependant, la plupart des prescripteurs préfèrent actuellement la céramique pour les composants de tailles inférieures à ces tailles.
Bien que les matériaux céramiques soient désormais reconnus comme un choix approprié, il convient de suivre quelques règles simples pour optimiser leurs performances. Les matériaux céramiques ne doivent être utilisés en premier lieu que lorsque les coûts doivent être réduits au minimum. Les angles vifs et les concentrations de contraintes doivent être évités à l'intérieur comme à l'extérieur.
Tout écart potentiel de dilatation thermique doit être pris en compte lors de la phase de conception. Afin de réduire les contraintes circonférentielles, la céramique doit être conservée à l'extérieur et non à l'intérieur. Enfin, la nécessité de tolérances géométriques et de finitions de surface doit être soigneusement prise en compte, car elles augmenteront considérablement les coûts inutiles.
En suivant ces directives et bonnes pratiques de sélection des matériaux et en coordonnant avec les fournisseurs dès le début du projet, une solution idéale peut être obtenue pour chaque application de service difficile.
Ces informations sont tirées de documents fournis par Morgan Advanced Materials et ont été revues et adaptées.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (2019, 28 novembre). Matériaux céramiques avancés pour applications de service exigeantes. AZoM. Récupéré de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 le 7 juillet 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. « Matériaux céramiques avancés pour applications de service exigeantes ». AZoM. 7 juillet 2021. .
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. « Matériaux céramiques avancés pour applications de service exigeantes ». AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consulté le 7 juillet 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Matériaux céramiques avancés pour applications de service exigeantes. AZoM, consulté le 7 juillet 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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Date de publication : 08-07-2021
