要求の厳しいサ​​ービスアプリケーション向けの高度なセラミック材料

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深刻なサービスには正式な定義はありませんが、バルブの交換コストが高くなったり、処理能力が低下したりする運転状態と理解できます。
劣悪なサービス条件にかかわるすべての部門の収益性を高めるために、プロセス生産コストを削減することが世界的に求められています。これらの部門は、石油、ガス、石油化学から原子力、発電、鉱物処理、採鉱まで多岐にわたります。
設計者とエンジニアは、さまざまな方法でこの目標を達成しようとしています。最も適切な方法は、プロセス パラメータを効果的に制御して (効果的なシャットダウンや最適化されたフロー制御など)、稼働時間と効率を向上させることです。
安全性の最適化も重要な役割を果たします。交換を減らすことで、より安全な生産環境を実現できるからです。さらに、同社はポンプやバルブなどの機器の在庫と、必要な廃棄を最小限に抑えるよう取り組んでいます。同時に、施設の所有者は資産の大幅なシフトを期待しています。その結果、処理能力が増加すると、同じ製品ストリームに対して、パイプと機器の数が少なくなり (ただし直径は大きくなります)、機器の数も少なくなります。
これは、パイプの直径が大きくなるとシステム コンポーネントも大きくなる必要があることに加え、稼働中のメンテナンスや交換の必要性を減らすために、単一のシステム コンポーネントが過酷な環境に長期間さらされることにも耐える必要があることを示しています。
バルブやバルブ ボールなどのコンポーネントは、目的の用途に適合するために堅牢である必要がありますが、耐用年数を長くすることもできます。ただし、ほとんどの用途で大きな問題となるのは、金属部品が性能の限界に達していることです。これは、設計者が要求の厳しいサ​​ービス用途向けに、非金属材料、特にセラミック材料の代替品を見つける可能性があることを示しています。
厳しい使用条件下でコンポーネントを動作させるために必要な一般的なパラメータには、耐熱衝撃性、耐腐食性、耐疲労性、硬度、強度、靭性などがあります。
弾力性は重要なパラメータです。弾力性の低い部品は壊滅的な故障を引き起こす可能性があるためです。セラミック材料の靭性は、亀裂の伝播に対する抵抗力として定義されます。場合によっては、インデンテーション法を使用して測定され、人為的に高い値が得られることがあります。片側切開ビームを使用すると、正確な測定が可能です。
強度は靭性と関連していますが、応力がかかったときに材料が壊滅的に破損する単一の点を指します。これは一般に「破壊係数」と呼ばれ、試験棒で 3 点または 4 点の曲げ強度測定を実行することによって測定されます。3 点試験では、4 点試験よりも 1% 高い値が得られます。
硬度はロックウェルやビッカースなどさまざまなスケールで測定できますが、ビッカース微小硬度スケールは高度なセラミック材料に非常に適しています。硬度は材料の耐摩耗性に正比例します。
周期的に作動するバルブでは、バルブの連続的な開閉により疲労が大きな問題となります。疲労は強度の閾値であり、これを超えると材料が通常の曲げ強度を下回って破損することがよくあります。
耐食性は、動作環境と材料を含む媒体によって異なります。この分野では、一部のジルコニアベースの材料が高温の蒸気にさらされると発生する「水熱劣化」を除き、多くの先進セラミック材料が金属よりも優れています。
部品の形状、熱膨張係数、熱伝導率、靭性、強度は、熱衝撃の影響を受けます。これは、高い熱伝導率と靭性につながる領域であり、金属部品が効果的に機能します。ただし、セラミック材料の進歩により、許容できるレベルの熱衝撃耐性が実現しています。
先進セラミックスは長年使用されており、高い性能と価値を求める信頼性エンジニア、プラントエンジニア、バルブ設計者の間で人気があります。特定の用途要件に応じて、さまざまな業界に適したさまざまな個別の配合があります。ただし、過酷なサービスバルブの分野では、4 つの先進セラミックスが非常に重要です。これには、炭化ケイ素 (SiC)、窒化ケイ素 (Si3N4)、アルミナ、ジルコニアが含まれます。バルブとバルブボールの材料は、特定の用途要件に応じて選択されます。
バルブには主に 2 種類のジルコニアが使用されていますが、どちらも鋼と同じ熱膨張係数と剛性を持っています。マグネシウム酸化物部分安定化ジルコニア (Mg-PSZ) は最も高い耐熱衝撃性と靭性を持ち、イットリア正方晶ジルコニア多結晶 (Y-TZP) はより硬く強度が高いですが、水熱劣化の影響を受けやすいです。
窒化ケイ素（Si3N4）にはさまざまな配合があります。ガス圧焼結窒化ケイ素（GPPSN）は、バルブやバルブ部品に最もよく使用される材料です。平均的な靭性に加えて、高い硬度と強度、優れた耐熱衝撃性と熱安定性も提供します。さらに、高温蒸気環境では、Si3N4はジルコニアの適切な代替品であり、水熱劣化を防ぐことができます。
予算が限られている場合、設計者はシリコンカーバイドまたはアルミナを選択できます。どちらの材料も硬度は高いですが、ジルコニアや窒化シリコンよりも強度は高くありません。これは、この材料が、より高いストレスを受けるバルブボールやディスクではなく、バルブライニングやバルブシートなどの静的コンポーネント用途に非常に適していることを示しています。
過酷なサービスバルブ用途で使用される金属材料（フェロクロム（CrFe）、タングステンカーバイド、ハステロイ、ステライトなど）と比較すると、先進セラミック材料は靭性が低く、強度は同程度です。
過酷なサービス用途では、バタフライ バルブ、トラニオン、フローティング ボール バルブ、スプリング バルブなどのロータリー バルブが使用されます。このような用途では、Si3N4 とジルコニアは耐熱衝撃性、靭性、強度を備え、最も過酷な環境にも適応します。材料の硬度と耐腐食性により、部品の耐用年数は金属部品に比べて数倍長くなります。その他の利点としては、特にバルブが閉鎖能力と制御を維持する領域において、寿命全体にわたってバルブの性能特性が維持される点が挙げられます。
これは、65 mm (2.6 インチ) バルブの Kynar/RTFE ボールとライナーが 98% 硫酸とイルメナイトにさらされ、チタン酸化物顔料に変換されるアプリケーションで実証されています。媒体の腐食性により、これらのコンポーネントの寿命は 6 週間にも及ぶ可能性があります。ただし、独自の酸化マグネシウム部分安定化ジルコニア (Mg-PSZ) である Nilcra™ 製のボール バルブ トリム (図 1) を使用すると、優れた硬度と耐腐食性が得られ、目に見える摩耗や損傷がなく、3 年間連続して使用できます。
アングルバルブ、スロットルバルブ、グローブバルブなどのリニアバルブでは、これらの製品の「ハードシール」特性により、ジルコニアと窒化ケイ素がバルブプラグとバルブシートに適しています。同様に、一部のガスケットとケージにはアルミナを使用できます。バルブシートに研磨ボールを合わせることで、高度なシールを実現できます。
バルブライニング（バルブコア、入口と出口、バルブボディライニングを含む）には、用途要件に応じて 4 つの主なセラミック材料のいずれかを使用できます。材料の高硬度と耐腐食性は、製品の性能と耐用年数の点で有益であることが証明されています。
オーストラリアのボーキサイト精錬所で使用されている DN150 バタフライ バルブを例に挙げてみましょう。媒体に含まれるシリカ含有量が高いため、バルブのライニングの摩耗が激しくなります。最初に使用されたガスケットとディスクは 28% CrFe 合金製で、8 ～ 10 週間しか持ちませんでした。しかし、Nilcra™ ジルコニア製のバルブ (図 2) では、耐用年数が 70 週間にまで延びました。
セラミックは強靭性と強度に優れているため、ほとんどのバルブ用途に適しています。しかし、バルブの耐用年数を延ばすのに役立つのは、その硬度と耐腐食性です。これにより、交換部品のダウンタイムが短縮され、運転資金と在庫が削減され、手作業が最小限に抑えられ、漏れが減って安全性が向上するため、ライフサイクル全体のコストが削減されます。
高圧バルブは軸方向またはねじり方向の大きな負荷を受けるため、長い間、高圧バルブにセラミック材料を適用することは大きな問題の一つとなっていました。しかし、この分野の大手企業は現在、駆動トルクの耐久性を向上させるバルブボールの設計を開発しています。
もう一つの大きな制限は規模です。酸化マグネシウムを含む部分安定化ジルコニアから製造される最大のバルブ シートと最大のバルブ ボール (図 3) のサイズは、それぞれ DN500 と DN250 です。ただし、ほとんどの仕様者は、現在、これらのサイズ以下のコンポーネントにはセラミックを好んでいます。
セラミック材料は適切な選択肢であることが証明されていますが、その性能を最大限に引き出すには、いくつかの簡単なガイドラインに従う必要があります。セラミック材料は、コストを最小限に抑える必要がある場合にのみ最初に使用してください。内側と外側の両方で、鋭い角と応力の集中を避ける必要があります。
設計段階では、熱膨張の不一致の可能性を考慮する必要があります。フープ応力を軽減するには、セラミックを内側ではなく外側に配置する必要があります。最後に、幾何学的公差と表面仕上げの必要性を慎重に検討する必要があります。これらは不要なコストを大幅に増加させるからです。
プロジェクトの開始時から材料の選択とサプライヤーとの調整に関するこれらのガイドラインとベスト プラクティスに従うことで、あらゆる過酷なサービス アプリケーションに最適なソリューションを実現できます。
この情報は、Morgan Advanced Materials から提供された資料から得たものであり、検討および改訂されています。
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics。(2019年11月28日)。要求の厳しいサ​​ービスアプリケーション向けの先進セラミック材料。AZoM。2021年7月7日にhttps://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305から取得。
モーガン・アドバンスト・マテリアルズ - テクニカルセラミックス。「要求の厳しいサ​​ービスアプリケーション向けの先進セラミック材料」。AZoM。2021年7月7日。
Morgan Advanced Materials-テクニカルセラミックス。「要求の厳しいサ​​ービスアプリケーション向けの先進セラミック材料」。AZoM。https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305。（2021年7月7日にアクセス）。
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics。2019。要求の厳しいサ​​ービスアプリケーション向けの高度なセラミック材料。AZoM、2021年7月7日閲覧、https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305。
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