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Non esiste una definizione ufficiale di servizio serio. Può essere inteso come condizioni operative in cui il costo di sostituzione della valvola è elevato o la capacità di elaborazione è ridotta.
Esiste un'esigenza globale di ridurre i costi di produzione dei processi per aumentare la redditività di tutti i settori coinvolti in scarse condizioni di servizio. Questi vanno dal petrolio e gas e dalla petrolchimica all'energia nucleare e alla produzione di energia, alla lavorazione dei minerali e all'estrazione mineraria.
Progettisti e ingegneri stanno cercando di raggiungere questo obiettivo in modi diversi. Il metodo più appropriato è aumentare i tempi di attività e l'efficienza controllando efficacemente i parametri di processo (come l'arresto efficace e il controllo del flusso ottimizzato).
Anche l'ottimizzazione della sicurezza gioca un ruolo fondamentale, perché ridurre le sostituzioni può portare a un ambiente di produzione più sicuro. Inoltre, l'azienda sta lavorando per ridurre al minimo l'inventario delle attrezzature, tra cui pompe e valvole, e lo smaltimento richiesto. Allo stesso tempo, i proprietari degli impianti si aspettano un enorme cambiamento nei loro asset. Di conseguenza, una maggiore capacità di elaborazione si traduce in meno tubi e attrezzature (ma diametri maggiori) e meno strumenti per lo stesso flusso di prodotti.
Ciò dimostra che, oltre a dover essere più grande per un diametro del tubo maggiore, un singolo componente del sistema deve anche resistere a un'esposizione prolungata ad ambienti difficili per ridurre la necessità di manutenzione e sostituzione durante il servizio.
I componenti, tra cui valvole e sfere per valvole, devono essere robusti per adattarsi all'applicazione desiderata, ma possono anche garantire una durata di servizio più lunga. Tuttavia, un problema importante con la maggior parte delle applicazioni è che le parti metalliche hanno raggiunto il limite delle loro prestazioni. Ciò indica che i progettisti potrebbero trovare alternative ai materiali non metallici, in particolare ai materiali ceramici, per applicazioni di servizio impegnative.
I parametri tipici richiesti per far funzionare i componenti in condizioni di servizio gravose includono resistenza agli shock termici, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, durezza, resistenza e tenacità.
La resilienza è un parametro chiave, perché i componenti meno resilienti possono rompersi in modo catastrofico. La tenacità dei materiali ceramici è definita come la resistenza alla propagazione delle crepe. In alcuni casi, può essere misurata utilizzando il metodo dell'indentazione, con conseguenti valori artificialmente elevati. L'uso di una trave di incisione monolaterale può fornire misurazioni accurate.
La resistenza è correlata alla tenacità, ma si riferisce al singolo punto in cui un materiale si rompe catastroficamente quando viene applicato uno stress. È comunemente definito "modulo di rottura" e viene misurato eseguendo una misurazione della resistenza alla flessione a tre o quattro punti su un'asta di prova. Il test a tre punti fornisce un valore che è superiore dell'1% rispetto al test a quattro punti.
Sebbene la durezza possa essere misurata con una varietà di scale, tra cui Rockwell e Vickers, la scala di microdurezza Vickers è molto adatta per materiali ceramici avanzati. La durezza è direttamente proporzionale alla resistenza all'usura del materiale.
In una valvola che funziona con un metodo ciclico, la fatica è un problema importante a causa della continua apertura e chiusura della valvola. La fatica è la soglia di resistenza, oltre la quale il materiale spesso cederà al di sotto della sua normale resistenza alla flessione.
La resistenza alla corrosione dipende dall'ambiente operativo e dal mezzo contenente il materiale. In questo campo, molti materiali ceramici avanzati hanno vantaggi rispetto ai metalli, fatta eccezione per la "degradazione idrotermica", che si verifica quando alcuni materiali a base di zirconia sono esposti a vapore ad alta temperatura.
La geometria delle parti, il coefficiente di dilatazione termica, la conduttività termica, la tenacità e la resistenza sono influenzate dallo shock termico. Questa è un'area che favorisce un'elevata conduttività termica e tenacità, così le parti metalliche possono funzionare efficacemente. Tuttavia, i progressi nei materiali ceramici ora forniscono livelli accettabili di resistenza allo shock termico.
Le ceramiche avanzate sono utilizzate da molti anni e sono popolari tra ingegneri dell'affidabilità, ingegneri di impianti e progettisti di valvole che richiedono elevate prestazioni e valore. In base ai requisiti specifici dell'applicazione, ci sono diverse formulazioni individuali adatte a un'ampia gamma di settori. Tuttavia, quattro ceramiche avanzate sono di grande importanza nel campo delle valvole per servizi severi. Includono carburo di silicio (SiC), nitruro di silicio (Si3N4), allumina e zirconia. I materiali della valvola e della sfera della valvola sono selezionati in base ai requisiti specifici dell'applicazione.
Nelle valvole vengono utilizzate due forme principali di zirconia, entrambe con lo stesso coefficiente di dilatazione termica e rigidità dell'acciaio. La zirconia parzialmente stabilizzata in ossido di magnesio (Mg-PSZ) ha la più elevata resistenza agli shock termici e tenacità, mentre la zirconia tetragonale policristallina in ossido di ittrio (Y-TZP) è più dura e resistente, ma è suscettibile alla degradazione idrotermica.
Il nitruro di silicio (Si3N4) ha diverse formulazioni. Il nitruro di silicio sinterizzato a pressione di gas (GPPSN) è il materiale più comunemente utilizzato per valvole e componenti di valvole. Oltre alla sua media tenacità, fornisce anche elevata durezza e resistenza, eccellente resistenza agli shock termici e stabilità termica. Inoltre, Si3N4 è un sostituto adatto per la zirconia in ambienti di vapore ad alta temperatura per prevenire la degradazione idrotermica.
Quando il budget è limitato, lo specificatore può scegliere carburo di silicio o allumina. Entrambi i materiali hanno un'elevata durezza, ma non sono più resistenti dello zirconio o del nitruro di silicio. Ciò dimostra che il materiale è molto adatto per applicazioni di componenti statiche, come rivestimenti e sedi delle valvole, piuttosto che per sfere o dischi delle valvole che sono soggetti a sollecitazioni maggiori.
Rispetto ai materiali metallici utilizzati nelle applicazioni delle valvole per impieghi gravosi (tra cui ferrocromo (CrFe), carburo di tungsteno, Hastelloy e Stellite), i materiali ceramici avanzati presentano una minore tenacità e una resistenza simile.
Le applicazioni di servizio gravose comportano l'uso di valvole rotanti, come valvole a farfalla, trunnion, valvole a sfera flottanti e valvole a molla. In tali applicazioni, Si3N4 e zirconia mostrano resistenza agli shock termici, tenacità e forza per adattarsi agli ambienti più esigenti. Grazie alla durezza e alla resistenza alla corrosione del materiale, la durata utile delle parti è aumentata di diverse volte rispetto a quella delle parti metalliche. Altri vantaggi includono le caratteristiche prestazionali della valvola per tutta la sua durata, specialmente nelle aree in cui mantiene la sua capacità di chiusura e il suo controllo.
Ciò è dimostrato in un'applicazione in cui una sfera e un rivestimento in kynar/RTFE da 65 mm (2,6 pollici) della valvola sono esposti al 98% di acido solforico e ilmenite, che viene convertito in pigmento di ossido di titanio. La natura corrosiva del mezzo implica che questi componenti possono durare fino a sei settimane. Tuttavia, l'uso di guarnizioni per valvole a sfera realizzate in Nilcra™ (Figura 1), che è una zirconia parzialmente stabilizzata con ossido di magnesio (Mg-PSZ) proprietaria, ha un'eccellente durezza e resistenza alla corrosione e può fornire tre anni di durata. Servizio intermittente senza alcuna usura rilevabile.
Nelle valvole lineari, comprese le valvole angolari, le valvole a farfalla o le valvole a globo, grazie alle caratteristiche di "tenuta dura" di questi prodotti, zirconia e nitruro di silicio sono adatti per otturatori e sedi valvola. Allo stesso modo, l'allumina può essere utilizzata per alcune guarnizioni e gabbie. Abbinando sfere di macinazione sulla sede valvola, è possibile ottenere un elevato grado di tenuta.
Per il rivestimento della valvola, incluso il nucleo della valvola, l'ingresso e l'uscita o il rivestimento del corpo valvola, è possibile utilizzare uno qualsiasi dei quattro principali materiali ceramici in base ai requisiti dell'applicazione. L'elevata durezza e resistenza alla corrosione del materiale si sono dimostrate vantaggiose in termini di prestazioni del prodotto e durata utile.
Prendiamo come esempio la valvola a farfalla DN150 utilizzata nella raffineria di bauxite australiana. L'elevato contenuto di silice nel mezzo determina un elevato livello di usura del rivestimento della valvola. Le guarnizioni e i dischi inizialmente utilizzati erano realizzati in lega CrFe al 28% e duravano solo dalle otto alle dieci settimane. Tuttavia, con le valvole realizzate in zirconia Nilcra™ (Figura 2), la durata utile è aumentata a 70 settimane.
Grazie alla sua tenacità e resistenza, la ceramica funziona bene nella maggior parte delle applicazioni delle valvole. Tuttavia, sono la sua durezza e resistenza alla corrosione che aiutano ad aumentare la durata utile della valvola. Ciò a sua volta riduce il costo dell'intero ciclo di vita riducendo i tempi di fermo per le parti di ricambio, riducendo il capitale circolante e l'inventario, riducendo al minimo la movimentazione manuale e migliorando la sicurezza riducendo le perdite.
Per molto tempo, l'applicazione di materiali ceramici nelle valvole ad alta pressione è stata uno dei problemi principali, perché queste valvole sono soggette a carichi assiali o torsionali elevati. Tuttavia, i principali attori in questo campo stanno ora sviluppando progetti di sfere per valvole per migliorare la sopravvivenza della coppia motrice.
L'altra limitazione principale è la scala. La dimensione della sede valvola più grande e della sfera valvola più grande (Figura 3) prodotte da zirconia parzialmente stabilizzata con ossido di magnesio è rispettivamente DN500 e DN250. Tuttavia, la maggior parte degli specificatori attualmente preferisce la ceramica per componenti al di sotto di queste dimensioni.
Sebbene i materiali ceramici siano ormai una scelta adatta, è necessario seguire alcune semplici linee guida per massimizzarne le prestazioni. I materiali ceramici dovrebbero essere utilizzati per primi solo quando i costi devono essere ridotti al minimo. Gli angoli acuti e la concentrazione di stress dovrebbero essere evitati sia all'interno che all'esterno.
Ogni potenziale disallineamento di dilatazione termica deve essere preso in considerazione durante la fase di progettazione. Per ridurre lo stress del cerchio, la ceramica deve essere tenuta all'esterno, non all'interno. Infine, la necessità di tolleranze geometriche e finiture superficiali deve essere attentamente considerata, poiché ciò aumenterebbe significativamente i costi non necessari.
Seguendo queste linee guida e le best practice per la selezione dei materiali e il coordinamento con i fornitori fin dall'inizio del progetto, è possibile ottenere una soluzione ideale per ogni applicazione in condizioni gravose.
Le presenti informazioni sono ricavate da materiali forniti da Morgan Advanced Materials e sono state riviste e adattate.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (28 novembre 2019). Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio esigenti. AZoM. Recuperato da https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 il 27 giugno 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio esigenti". AZoM. 27 giugno 2021. .
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio esigenti". AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Consultato il 27 giugno 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materiali ceramici avanzati per applicazioni di servizio esigenti. AZoM, consultato il 27 giugno 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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Ora di pubblicazione: 28-06-2021
