用于严酷应用的高级陶瓷材料亚博网站下载

严格服务没有官方定义。它可能被认为是指阀门更换成本高或降低工艺能力的操作条件。

全球都需要降低工艺生产成本，以提高所有涉及恶劣服务条件的部门的盈利能力。这些领域包括石油天然气、石化、核能和发电、矿物加工和采矿。

设计师和工程师正在通过不同的方式努力实现这一目标。最合适的方法是通过有效控制工艺参数(如有效关闭和优化流量控制)来增加正常运行时间和效率。

安全优化也起着至关重要的作用，因为减少变更会带来更安全的生产环境。此外，公司正在努力减少设备的库存，包括泵和阀门，以及所需的搬运。与此同时，设施所有者期望从他们的资产中获得巨大的收益。因此，增加的工艺能力导致相同产品流的管道和设备更少（但直径更大），仪器更少。

这表明，除了需要在更宽的管径下使用更大的系统组件外，还需要忍受长时间暴露在恶劣环境中，以减少运行中维护和更换的需求。

部件（包括阀门和阀球）需要坚固，以适应所需的应用，但也可能延长使用寿命。然而，大多数应用的主要问题是金属部件已达到其性能极限。这表明设计师可能会发现非金属材料替代ives，特别是陶瓷材料，用于恶劣的应用场合。亚博网站下载

恶劣服务组件的主要特征

在恶劣工作条件下操作部件所需的典型参数包括抗热震性、耐腐蚀性、抗疲劳性、硬度、强度和韧性。

韧性是关键参数，因为不那么坚韧的部件可能会灾难性地失效。陶瓷材料的韧性是指对裂纹扩展的抗力。亚博网站下载在某些情况下，它可以用压痕法测量，从而产生人为的高值。使用单边切口光束可以提供精确的测量。

强度与韧性有关，但指的是材料在施加应力时发生灾难性破坏的单点。它通常被称为“断裂模量”，通过测试杆上的三点或四点弯曲强度测量来测量。三点测试提供的值比四点测试高1%。

虽然硬度可以用洛氏硬度计和维氏硬度计等多种标尺测量，但维氏显微硬度计非常适合于先进陶瓷材料。硬度与材料的耐磨性成比例变化。亚博网站下载

在循环操作的阀门中，由于阀门不断的开启和关闭，疲劳是一个主要的问题。疲劳是一个强度阈值，超过这个阈值，材料就会低于其正常弯曲强度而失效。

耐腐蚀性取决于操作环境和含有材料的介质。在这一领域，一些先进的陶瓷材料优于金属材料，除了一些锆基材亚博网站下载料暴露在高温蒸汽中会发生“水热降解”。

热冲击对构件几何形状、热膨胀系数、导热系数、韧性和强度均有影响。这是一个区域，有利于高导热性和韧性，因此，金属部件有效地发挥作用。然而，陶瓷材料的进步现在提供了可接受的抗热震水平。亚博网站下载

高级陶瓷中的可用选项

先进陶瓷已经使用了很多年，并在可靠性工程师、工厂工程师和阀门设计师中获得了高性能和高价值的普及。根据具体的应用要求，各种行业有不同的单独配方。但是，有四种先进陶瓷在恶劣工况阀门领域具有重要意义，包括碳化硅（SiC）、氮化硅（Si_3.N₄)，氧化铝，和氧化锆。阀门和阀亚博网站下载门球阀的材料可根据具体应用要求选择。

氧化锆有两种主要形式，它们的热膨胀系数和刚度与钢的相同，用于阀门。镁部分稳定氧化锆(Mg-PSZ)具有最高的抗热震性和韧性，而钇四方氧化锆多晶(Y-TZP)则更硬更强，但易被水热降解。

氮化硅(Si_3.N₄)有不同的配方可供选择。气体压力烧结氮化硅(GPPSN)是阀门和阀门组件最常用的材料，除具有平均韧性外，还具有高硬度和强度、优异的抗热震性和热稳定性。此外,如果_3.N₄在高温蒸汽环境中提供氧化锆的替代品，防止水热降解。

由于预算紧张，规格师可以选择SiC或氧化铝。这两种材料都有很高亚博网站下载的硬度，但并不比氧化锆或氮化硅更硬。这表明，这种材料非常适合于静态组件应用，如阀门亚博网站下载衬管和阀座，而不是在更高应力下的阀门球或阀瓣。

与铬铁(CrFe)、碳化钨、哈氏合亚博网站下载金和钨铬钴合金等金属材料相比，高级陶瓷材料具有较低的韧性和类似的强度。

陶瓷在严酷应用阀门中的应用

苛刻的应用涉及旋转阀的使用，如蝶阀、耳轴阀、浮动球阀和簧载阀。在这些应用中，Si_3.N₄此外，氧化锆具有抗热震、韧性和强度，以适应最苛刻的环境。由于材料的硬度和耐腐蚀性，构件的使用寿命比金属构件提高数倍。其他优点还包括阀门在其使用寿命内的性能特点，特别是在保持关闭能力和控制方面。

这在一个应用中得到了说明，其中一个65mm（2.6英寸）的阀门kynar/RTFE钢球和衬里暴露在98%的硫酸和钛铁矿中，钛铁矿被转化为氧化钛颜料。介质的腐蚀性意味着这些部件的使用寿命可长达六周。但是，使用Nilcra制造的球阀阀内件™ （图1）是一种专有的氧化镁部分稳定氧化锆（Mg PSZ），具有优异的硬度和耐腐蚀性，已连续使用三年，且未发现任何磨损。

图1所示。球阀采用Nilcra™

在线性阀门（包括角阀、节流阀或截止阀）中，由于这些产品的“硬阀座”性质，氧化锆和氮化硅适用于阀塞和阀座。类似地，氧化铝可用于某些衬里和阀笼。通过阀座上的匹配研磨球，可以实现高度密封。

对于阀门衬管，包括阀芯、进口和出口衬管或阀体衬管，可根据应用要求使用四种主要陶瓷材料中的任何一种。亚博网站下载该材料具有较高的硬度和耐腐蚀性，对产品的性能和使用寿命都具有优势。亚博网站下载

考虑在澳大利亚铝土矿精炼厂使用的DN150蝶阀的例子。介质的高硅含量对阀门衬里提供了高水平的磨损。最初使用的衬垫和圆盘是由28%只CRFE合金制成的，只持续了八到十周。Nilcra™氧化锆(图2)，使用寿命延长至70周。

图2。Nilcra™氧化锆阀

陶瓷由于其韧性和强度，在大多数阀门应用中都发挥着良好的作用。但是，正是它们的硬度和耐腐蚀性，才有助于提高阀门的使用寿命。这进而降低了整个生命周期的成本，减少了更换部件的停机时间，降低了流动资金和库存，减少了人工操作，并通过减少泄漏增加了安全性。

陶瓷材料在阀门中的应用前景亚博网站下载

陶瓷材料在高压阀门中的应用是长期以来的主要问题之一，因亚博网站下载为这些阀门承受着高轴向或扭转载荷。然而，该领域的主要公司目前正在开发阀球设计，以提高驱动扭矩的生存能力。

另一个主要限制是规模。由氧化镁部分稳定氧化锆生产的最大阀座和最大阀球(图3)的尺寸分别为DN500和DN250。然而，目前大多数规格师更喜欢陶瓷的这些组件到这些尺寸。

图3。Nilcra™氧化锆球阀

设计注意事项

虽然现在已经证明陶瓷材料是一种合适的选择，但需要遵循一些简单的指南，以最大限度亚博网站下载地提高其性能。只有在要求将成本降至最低时，才应首先使用陶瓷材料。应避免内部和外部的尖角和应力集中纳利。

在设计阶段必须考虑到任何潜在的热膨胀不匹配。为了减少箍应力，必须把陶瓷放在外面，而不是里面。最后，应该仔细考虑几何公差和表面精加工的需要，因为这些会显著增加不必要的成本。

通过遵循这些指南以及从项目一开始就选择材料和与供应商协调的最佳实践，可以为每种恶劣服务应用实现理想的解决方案。亚博网站下载

这些信息已经从摩根先进材料公司提供的材料中获得，审查和改编。亚博网站下载

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