까다로운 서비스 애플리케이션을 위한 고급 세라믹 소재

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심각한 서비스에 대한 공식적인 정의는 없습니다. 밸브 교체 비용이 높거나 처리 용량이 감소하는 운영 조건으로 이해할 수 있습니다.
열악한 서비스 조건에 관련된 모든 부문의 수익성을 높이기 위해 프로세스 생산 비용을 줄여야 할 전 세계적인 요구가 있습니다. 여기에는 석유 및 가스, 석유화학부터 원자력 및 발전, 광물 가공 및 채굴까지 다양합니다.
디자이너와 엔지니어는 이 목표를 다양한 방법으로 달성하려고 노력하고 있습니다. 가장 적절한 방법은 프로세스 매개변수(예: 효과적인 셧다운 및 최적화된 흐름 제어)를 효과적으로 제어하여 가동 시간과 효율성을 높이는 것입니다.
안전 최적화도 중요한 역할을 하는데, 교체를 줄이면 보다 안전한 생산 환경으로 이어질 수 있기 때문입니다. 또한 회사는 펌프와 밸브를 포함한 장비 재고와 필요한 폐기를 최소화하기 위해 노력하고 있습니다. 동시에 시설 소유주는 자산에 큰 변화가 있을 것으로 예상합니다. 결과적으로 처리 용량이 증가하면 파이프와 장비(그러나 직경은 더 큼)가 줄어들고 동일한 제품 스트림에 대한 계측기가 줄어듭니다.
이는 더 넓은 파이프 직경을 위해 더 커야 할 뿐만 아니라, 단일 시스템 구성 요소는 서비스 중 유지 관리 및 교체의 필요성을 줄이기 위해 혹독한 환경에 장기간 노출되어도 견뎌야 함을 보여줍니다.
밸브와 밸브 볼을 포함한 구성 요소는 원하는 응용 분야에 맞게 견고해야 하지만 더 긴 서비스 수명을 제공할 수도 있습니다. 그러나 대부분의 응용 분야에서 주요 문제는 금속 부품이 성능 한계에 도달했다는 것입니다. 이는 설계자가 까다로운 서비스 응용 분야에서 비금속 재료, 특히 세라믹 재료에 대한 대안을 찾을 수 있음을 나타냅니다.
혹독한 서비스 조건에서 부품을 작동하는 데 필요한 일반적인 매개변수로는 열충격 저항성, 내식성, 피로 저항성, 경도, 강도 및 인성이 있습니다.
탄력성은 핵심 매개변수인데, 탄력성이 낮은 구성 요소는 치명적으로 고장날 수 있기 때문입니다. 세라믹 재료의 인성은 균열 전파에 대한 저항으로 정의됩니다. 어떤 경우에는 압입 방법을 사용하여 측정할 수 있으며, 인위적으로 높은 값이 나옵니다. 단일 측면 절개 빔을 사용하면 정확한 측정을 제공할 수 있습니다.
강도는 인성과 관련이 있지만, 응력이 가해졌을 때 재료가 파괴적으로 파손되는 단일 지점을 말합니다. 일반적으로 "파단 계수"라고 하며 테스트 막대에서 3점 또는 4점 굽힘 강도 측정을 수행하여 측정합니다. 3점 테스트는 4점 테스트보다 1% 더 높은 값을 제공합니다.
경도는 Rockwell과 Vickers를 포함한 다양한 척도로 측정할 수 있지만 Vickers 미소경도 척도는 고급 세라믹 소재에 매우 적합합니다. 경도는 소재의 내마모성에 정비례합니다.
순환 방식으로 작동하는 밸브에서 피로는 밸브의 지속적인 개폐로 인해 주요 문제입니다. 피로는 강도 임계값이며, 이를 초과하면 재료가 정상 굽힘 강도 이하로 종종 파손됩니다.
내식성은 작동 환경과 재료가 포함된 매체에 따라 달라집니다. 이 분야에서 많은 고급 세라믹 재료는 금속보다 유리하지만, 지르코니아 기반 재료 중 일부가 고온 증기에 노출될 때 발생하는 "열수 분해"는 예외입니다.
부품 형상, 열 팽창 계수, 열 전도도, 인성 및 강도는 열 충격의 영향을 받습니다. 이는 높은 열 전도도와 인성에 도움이 되는 영역이므로 금속 부품이 효과적으로 기능할 수 있습니다. 그러나 세라믹 소재의 발전으로 이제 허용 가능한 수준의 열 충격 저항성이 제공됩니다.
고급 세라믹은 수년 동안 사용되어 왔으며 높은 성능과 가치를 필요로 하는 신뢰성 엔지니어, 플랜트 엔지니어 및 밸브 설계자에게 인기가 있습니다. 특정 응용 분야 요구 사항에 따라 광범위한 산업에 적합한 다양한 개별 제형이 있습니다. 그러나 네 가지 고급 세라믹은 심각한 서비스 밸브 분야에서 매우 중요합니다. 여기에는 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 알루미나 및 지르코니아가 포함됩니다. 밸브 및 밸브 볼의 재료는 특정 응용 분야 요구 사항에 따라 선택됩니다.
밸브에는 두 가지 주요 형태의 지르코니아가 사용되는데, 둘 다 강철과 동일한 열팽창 계수와 강성을 가지고 있습니다. 산화 마그네슘 부분 안정화 지르코니아(Mg-PSZ)는 가장 높은 열충격 저항성과 인성을 가지고 있는 반면, 이트리아 사방정 지르코니아 다결정(Y-TZP)은 더 단단하고 강하지만 수열 분해에 취약합니다.
질화규소(Si3N4)는 다양한 제형을 가지고 있습니다. 가스압 소결 질화규소(GPPSN)는 밸브 및 밸브 구성품에 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 평균 인성 ​​외에도 높은 경도와 강도, 뛰어난 열충격 저항성 및 열 안정성을 제공합니다. 또한 고온 증기 환경에서 Si3N4는 지르코니아의 적합한 대체재로, 수열 분해를 방지할 수 있습니다.
예산이 부족할 때, 지정자는 탄화규소나 알루미나를 선택할 수 있습니다. 두 재료 모두 경도가 높지만 지르코니아나 질화규소보다 강하지는 않습니다. 이는 이 재료가 더 높은 응력을 받는 밸브 볼이나 디스크보다는 밸브 라이닝과 밸브 시트와 같은 정적 구성 요소 애플리케이션에 매우 적합하다는 것을 보여줍니다.
혹독한 서비스 밸브 응용 분야에 사용되는 금속 재료(페로크롬(CrFe), 텅스텐 카바이드, 하스텔로이, 스텔라이트 등)와 비교했을 때 고급 세라믹 재료는 인성이 낮고 강도는 비슷합니다.
심각한 서비스 응용 분야에는 버터플라이 밸브, 트러니언, 플로팅 볼 밸브, 스프링 밸브와 같은 회전 밸브를 사용하는 것이 포함됩니다. 이러한 응용 분야에서 Si3N4 및 지르코니아는 가장 까다로운 환경에 적응할 수 있는 열 충격 저항성, 인성 및 강도를 나타냅니다. 재료의 경도 및 내식성으로 인해 부품의 서비스 수명은 금속 부품에 비해 몇 배나 늘어납니다. 다른 이점으로는 수명 동안 밸브의 성능 특성이 있으며, 특히 폐쇄 용량과 제어를 유지하는 영역에서 그렇습니다.
이는 65mm(2.6인치) 밸브 카이나/RTFE 볼과 라이너가 98% 황산과 일메나이트에 노출되어 이산화티타늄 안료로 변환되는 응용 분야에서 입증되었습니다. 매체의 부식성으로 인해 이러한 구성 요소의 수명이 최대 6주가 될 수 있습니다. 그러나 독점적인 산화마그네슘 부분 안정화 지르코니아(Mg-PSZ)인 Nilcra™(그림 1)에서 만든 볼 밸브 트림을 사용하면 경도와 내식성이 뛰어나며 감지 가능한 마모 없이 3년 동안 중단 없이 서비스를 제공할 수 있습니다.
앵글 밸브, 스로틀 밸브 또는 글로브 밸브를 포함한 선형 밸브에서 이러한 제품의 "하드 씰" 특성으로 인해 지르코니아와 질화규소는 밸브 플러그와 밸브 시트에 적합합니다. 마찬가지로 알루미나는 일부 개스킷과 케이지에 사용할 수 있습니다. 밸브 시트에 연삭 볼을 맞추면 높은 수준의 밀봉을 달성할 수 있습니다.
밸브 코어, 입구 및 출구 또는 밸브 바디 라이닝을 포함한 밸브 라이닝의 경우, 적용 요구 사항에 따라 4가지 주요 세라믹 재료 중 하나를 사용할 수 있습니다. 재료의 높은 경도와 내식성은 제품 성능과 서비스 수명 측면에서 유익한 것으로 입증되었습니다.
호주 보크사이트 정유 공장에서 사용하는 DN150 버터플라이 밸브를 예로 들어보겠습니다. 매체의 높은 실리카 함량은 밸브 라이닝에 높은 수준의 마모를 제공합니다. 처음에 사용된 개스킷과 디스크는 28% CrFe 합금으로 만들어졌으며 8~10주만 지속되었습니다. 그러나 Nilcra™ 지르코니아로 만든 밸브(그림 2)의 경우 서비스 수명이 70주로 늘어났습니다.
세라믹은 견고성과 강도로 인해 대부분의 밸브 응용 분야에서 잘 작동합니다. 그러나 경도와 내식성이 밸브의 서비스 수명을 늘리는 데 도움이 됩니다. 이는 교체 부품의 가동 중지 시간을 줄이고, 작업 자본과 재고를 줄이고, 수동 처리를 최소화하고, 누출을 줄여 안전성을 개선하여 전체 수명 주기 비용을 줄입니다.
오랫동안 고압 밸브에 세라믹 소재를 적용하는 것은 주요 문제 중 하나였습니다. 이러한 밸브는 높은 축 방향 또는 비틀림 하중을 받기 때문입니다. 그러나 이 분야의 주요 업체는 이제 구동 토크의 생존성을 개선하기 위해 밸브 볼 설계를 개발하고 있습니다.
다른 주요 제한은 규모입니다. 산화 마그네슘이 포함된 부분 안정화 지르코니아에서 생산된 가장 큰 밸브 시트와 가장 큰 밸브 볼(그림 3)의 크기는 각각 DN500과 DN250입니다. 그러나 대부분의 지정자는 현재 이 크기 이하의 구성 요소에 세라믹을 선호합니다.
세라믹 소재가 이제 적합한 선택으로 입증되었지만, 성능을 극대화하기 위해 몇 가지 간단한 지침을 따라야 합니다. 세라믹 소재는 비용을 최소화해야 할 때만 먼저 사용해야 합니다. 날카로운 모서리와 응력 집중은 내부와 외부 모두에서 피해야 합니다.
설계 단계에서 잠재적인 열 팽창 불일치를 고려해야 합니다. 후프 응력을 줄이기 위해 세라믹은 내부가 아닌 외부에 두어야 합니다. 마지막으로 기하학적 공차와 표면 마감의 필요성을 신중하게 고려해야 합니다. 이는 불필요한 비용을 크게 증가시킬 것입니다.
프로젝트 초기부터 이러한 지침과 모범 사례에 따라 재료를 선택하고 공급업체와 협력하면 모든 혹독한 서비스 환경에 적합한 이상적인 솔루션을 얻을 수 있습니다.
이 정보는 Morgan Advanced Materials에서 제공한 자료를 바탕으로 작성되었으며, 검토 및 수정되었습니다.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (2019년 11월 28일). 까다로운 서비스 애플리케이션을 위한 고급 세라믹 소재. AZoM. 2021년 7월 7일 https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305에서 가져옴.
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