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Não há uma definição oficial de serviço sério. Pode ser entendido como condições operacionais em que o custo de substituição de válvula é alto ou a capacidade de processamento é reduzida.
Há uma necessidade global de reduzir os custos de produção do processo para aumentar a lucratividade de todos os setores envolvidos em condições de serviço precárias. Elas variam de petróleo e gás e petroquímica a energia nuclear e geração de energia, processamento de minerais e mineração.
Designers e engenheiros estão tentando atingir esse objetivo de diferentes maneiras. O método mais apropriado é aumentar o tempo de atividade e a eficiência controlando efetivamente os parâmetros do processo (como desligamento efetivo e controle de fluxo otimizado).
A otimização da segurança também desempenha um papel vital, porque reduzir a substituição pode levar a um ambiente de produção mais seguro. Além disso, a empresa está trabalhando para minimizar o estoque de equipamentos, incluindo bombas e válvulas, e o descarte necessário. Ao mesmo tempo, os proprietários das instalações esperam uma grande mudança em seus ativos. Como resultado, o aumento da capacidade de processamento resulta em menos tubos e equipamentos (mas diâmetros maiores) e menos instrumentos para o mesmo fluxo de produto.
Isso mostra que, além de ter que ser maior para um diâmetro de tubo maior, um único componente do sistema também precisa suportar exposição prolongada a ambientes adversos para reduzir a necessidade de manutenção e substituição em serviço.
Componentes incluindo válvulas e esferas de válvulas precisam ser robustos para se adequarem à aplicação desejada, mas também podem fornecer uma vida útil mais longa. No entanto, um grande problema com a maioria das aplicações é que as peças metálicas atingiram o limite de seu desempenho. Isso indica que os projetistas podem encontrar alternativas para materiais não metálicos, especialmente materiais cerâmicos, para aplicações de serviço exigentes.
Os parâmetros típicos necessários para operar componentes sob condições severas de serviço incluem resistência ao choque térmico, resistência à corrosão, resistência à fadiga, dureza, resistência e tenacidade.
Resiliência é um parâmetro-chave, porque componentes menos resilientes podem falhar catastroficamente. A tenacidade de materiais cerâmicos é definida como a resistência à propagação de trincas. Em alguns casos, ela pode ser medida usando o método de indentação, resultando em valores artificialmente altos. O uso de uma viga de incisão de um único lado pode fornecer medições precisas.
A resistência está relacionada à tenacidade, mas se refere ao ponto único onde um material falha catastroficamente quando o estresse é aplicado. É comumente chamado de "módulo de ruptura" e é medido realizando uma medição de resistência à flexão de três ou quatro pontos em uma haste de teste. O teste de três pontos fornece um valor que é 1% maior do que o teste de quatro pontos.
Embora a dureza possa ser medida com uma variedade de escalas, incluindo Rockwell e Vickers, a escala de microdureza Vickers é muito adequada para materiais cerâmicos avançados. A dureza é diretamente proporcional à resistência ao desgaste do material.
Em uma válvula operando em um método cíclico, a fadiga é um grande problema devido à abertura e fechamento contínuos da válvula. A fadiga é o limite de resistência, além do qual o material frequentemente falhará abaixo de sua resistência normal à flexão.
A resistência à corrosão depende do ambiente operacional e do meio que contém o material. Neste campo, muitos materiais cerâmicos avançados têm vantagens sobre os metais, exceto pela “degradação hidrotérmica”, que ocorre quando alguns materiais à base de zircônia são expostos a vapor de alta temperatura.
Geometria da peça, coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica, tenacidade e resistência são afetados pelo choque térmico. Esta é uma área propícia para alta condutividade térmica e tenacidade, então peças de metal podem funcionar efetivamente. Entretanto, avanços em materiais cerâmicos agora fornecem níveis aceitáveis de resistência ao choque térmico.
Cerâmicas avançadas têm sido usadas por muitos anos e são populares entre engenheiros de confiabilidade, engenheiros de planta e projetistas de válvulas que exigem alto desempenho e valor. De acordo com requisitos de aplicação específicos, existem diferentes formulações individuais adequadas para uma ampla gama de indústrias. No entanto, quatro cerâmicas avançadas são de grande importância no campo de válvulas de serviço severo. Elas incluem carboneto de silício (SiC), nitreto de silício (Si3N4), alumina e zircônia. Os materiais da válvula e da esfera da válvula são selecionados de acordo com os requisitos de aplicação específicos.
Duas formas principais de zircônia são usadas em válvulas, ambas com o mesmo coeficiente de expansão térmica e rigidez do aço. A zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio (Mg-PSZ) tem a maior resistência ao choque térmico e tenacidade, enquanto a zircônia tetragonal policristalina com óxido de ítrio (Y-TZP) é mais dura e forte, mas é suscetível à degradação hidrotérmica.
O nitreto de silício (Si3N4) tem diferentes formulações. O nitreto de silício sinterizado por pressão de gás (GPPSN) é o material mais comumente usado para válvulas e componentes de válvulas. Além de sua tenacidade média, ele também fornece alta dureza e resistência, excelente resistência ao choque térmico e estabilidade térmica. Além disso, o Si3N4 é um substituto adequado para a zircônia em ambientes de vapor de alta temperatura para evitar a degradação hidrotérmica.
Quando o orçamento é apertado, o especificador pode escolher carboneto de silício ou alumina. Ambos os materiais têm alta dureza, mas não são mais resistentes do que zircônia ou nitreto de silício. Isso mostra que o material é muito adequado para aplicações de componentes estáticos, como revestimentos de válvulas e assentos de válvulas, em vez de esferas ou discos de válvulas que estão sujeitos a maior estresse.
Em comparação com os materiais metálicos usados em aplicações de válvulas de serviço severo (incluindo ferrocromo (CrFe), carboneto de tungstênio, Hastelloy e Stellite), os materiais cerâmicos avançados têm menor tenacidade e resistência semelhante.
Aplicações de serviço severo envolvem o uso de válvulas rotativas, como válvulas borboleta, munhões, válvulas de esfera flutuantes e válvulas de mola. Em tais aplicações, Si3N4 e zircônia exibem resistência ao choque térmico, tenacidade e força para se adaptar aos ambientes mais exigentes. Devido à dureza e resistência à corrosão do material, a vida útil das peças é aumentada várias vezes do que a das peças de metal. Outros benefícios incluem as características de desempenho da válvula ao longo de sua vida útil, especialmente em áreas onde ela mantém sua capacidade de fechamento e controle.
Isso é demonstrado em uma aplicação onde uma esfera e revestimento de válvula de 65 mm (2,6 pol.) de kynar/RTFE são expostos a 98% de ácido sulfúrico e ilmenita, que está sendo convertido em pigmento de óxido de titânio. A natureza corrosiva do meio significa que esses componentes podem durar até seis semanas. No entanto, o uso de guarnição de válvula de esfera feita de Nilcra™ (Figura 1), que é uma zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio patenteada (Mg-PSZ), tem excelente dureza e resistência à corrosão e pode fornecer três anos de durabilidade. Serviço intermitente sem qualquer desgaste detectável.
Em válvulas lineares, incluindo válvulas angulares, válvulas de aceleração ou válvulas globo, devido às características de “vedação dura” desses produtos, zircônia e nitreto de silício são adequados para plugues de válvula e assentos de válvula. Da mesma forma, a alumina pode ser usada para algumas juntas e gaiolas. Ao combinar esferas de moagem no assento da válvula, um alto grau de vedação pode ser alcançado.
Para revestimento de válvula, incluindo núcleo de válvula, entrada e saída ou revestimento de corpo de válvula, qualquer um dos quatro principais materiais cerâmicos pode ser usado de acordo com os requisitos da aplicação. A alta dureza e resistência à corrosão do material provaram ser benéficas em termos de desempenho do produto e vida útil.
Tome como exemplo a válvula borboleta DN150 usada na refinaria de bauxita australiana. O alto teor de sílica no meio fornece um alto nível de desgaste no revestimento da válvula. As juntas e discos usados inicialmente eram feitos de liga de 28% CrFe e duravam apenas de oito a dez semanas. No entanto, com válvulas feitas de zircônia Nilcra™ (Figura 2), a vida útil aumentou para 70 semanas.
Devido à sua tenacidade e resistência, a cerâmica funciona bem na maioria das aplicações de válvulas. No entanto, é sua dureza e resistência à corrosão que ajudam a aumentar a vida útil da válvula. Isso, por sua vez, reduz o custo de todo o ciclo de vida, reduzindo o tempo de inatividade para peças de reposição, reduzindo o capital de giro e o estoque, o manuseio manual mínimo e melhorando a segurança, reduzindo vazamentos.
Por muito tempo, a aplicação de materiais cerâmicos em válvulas de alta pressão tem sido um dos principais problemas, porque essas válvulas estão sujeitas a altas cargas axiais ou torcionais. No entanto, os principais participantes desse campo estão agora desenvolvendo projetos de esferas de válvulas para melhorar a capacidade de sobrevivência do torque de acionamento.
A outra grande limitação é a escala. O tamanho do maior assento de válvula e da maior esfera de válvula (Figura 3) produzidos a partir de zircônia parcialmente estabilizada com óxido de magnésio é DN500 e DN250, respectivamente. No entanto, a maioria dos especificadores atualmente prefere cerâmicas para componentes abaixo desses tamanhos.
Embora materiais cerâmicos agora sejam comprovadamente uma escolha adequada, algumas diretrizes simples precisam ser seguidas para maximizar seu desempenho. Materiais cerâmicos devem ser usados somente quando os custos precisam ser mantidos no mínimo. Cantos afiados e concentração de estresse devem ser evitados tanto dentro quanto fora.
Qualquer potencial incompatibilidade de expansão térmica deve ser considerada durante a fase de projeto. Para reduzir o estresse do arco, a cerâmica deve ser mantida do lado de fora, não do lado de dentro. Finalmente, a necessidade de tolerâncias geométricas e acabamento de superfície deve ser cuidadosamente considerada, pois isso aumentará significativamente os custos desnecessários.
Seguindo essas diretrizes e práticas recomendadas para selecionar materiais e coordenar com fornecedores desde o início do projeto, uma solução ideal pode ser alcançada para cada aplicação de serviço severo.
Estas informações são derivadas de materiais fornecidos pela Morgan Advanced Materials e foram revisadas e adaptadas.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (2019, 28 de novembro). Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviço exigentes. AZoM. Recuperado de https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305 em 27 de junho de 2021.
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes”. AZoM. 27 de junho de 2021. .
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. “Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviços exigentes”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (Acessado em 27 de junho de 2021).
Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. Materiais cerâmicos avançados para aplicações de serviço exigentes. AZoM, visualizado em 27 de junho de 2021, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305.
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Horário da postagem: 28/06/2021
