CC BY
32
ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ 6/Н (18) декабрь 2011 г.
АРМАТУРА
В ЗАЩИТУ КЕРАМИКИ, КАК МАТЕРИАЛА ДЛЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
IN DEFENSE OF CERAMICS AS A MATERIAL FOR PIPELINE VALVES
А.Г. КАРПОВ А. ШНАЙДЕР
A.G. KARPOV A. SCHNEIDER
Заместитель директора ООО «ЕвроАрм»
Менеджер по работе с Россией и странами СНГ, Cera System
Deputy Director, EvroArm LLC
Account Manager Russia and CIS countries «Cera System»
Чебоксары [email protected]
Cheboksary
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: KEYWORDS:
Трубопроводная арматура, керамика, прочность, термошок, износостойкость, коррозионная стойкость
Pipe and fittings, ceramics, strength, Thermal shock, wear and corrosion resistance
В статье приведено сравнение физических характеристик керамики на основе AI2O3, ZrO2, SiC, Si3N4 и сплавов стали, таких как твердость, прочность на изгиб, прочность на сжатие, плотность.
В статье также приведены результаты испытания коррозионной стойкости керамики и стальных сплавов в среде различных кислот и щелочей.
The article presents a comparison of physical characteristics of ceramics based on AI2O3, ZrO2, SiC, Si3N4 and alloys steel, such as hardness, flexural strength, compressive strength and density.
The article also presents the results of testing the corrosion resistance of ceramics and steel alloys in the environment of various acids and alkalis.
На протяжении последних лет наша фирма занимается продвижением на российский рынок трубопроводной арматуры для работы в тяжелых условиях: высокая температура, давление, агрессивность среды, наличие абразивных материалов в транспортируемой среде.
Обычно применяемая в этих условиях стальная или футерованная фторопластом арматура работает от нескольких недель до полугода.
Для подобных условий эксплуатации европейские компании предпочитают
использовать арматуру, футерованную керамикой.
Высокая стоимость этой арматуры с лихвой окупается за счет ее долговечности и надежности.
Попытки предложить подобную арматуру для российских предприятий наталкиваются не только на отказ из-за высокой стоимости со стороны закупщиков, но и на стойкое убеждение проектантов, технологов, других технических специалистов и закупщиков в хрупкости этих изделий. Тут очевидна ассоциация с
бытовыми керамическими предметами. Поскольку само слово «керамика» происходит от латинского «кагата» - глина, и связана в быту со столовой посудой, чайным фарфором, облицовочной плиткой. Все эти предметы достаточно хрупки и легко бьются при ударе или падении даже на деревянный пол.
Однако если обратиться к популярным и специальным статьям о технической керамике и ее применении, становится понятно, что это совсем другая керамика.
Техническая керамика давно используется в качестве материала режущих ►
99,5 % Al203 99,9 % а|20З
Среда t, °C Zr02 SiC Si3N4 SS304 SS316 НС3 Stellite® #6 Stellite" #12
20 % HCI 60 °C A A A A В С С В С С
20 % HCI 95 °C A A A A С - - С С С
90 % H2S04 60 °C A A A A A С С В В С
90 % H2S04 95 °C A A A A В С С С - -
60 % H3P04 60 °C A A A A С С С A В A
60 % H3P04 95 °C A A A A С С С A С С
10 % HF 60 °C В В С A A С С С С С
46 % HF 95 °C С С С A С - - С - -
60 % HN03 60 °C A A A A С A A С A A
60 % HN03 95 °C В A A A С В В С В С
30 % NaOH 60 °C В A A A В A A A С A
30 % NaOH 95 °C В A В A С A В A - В
Где:
А =< 0,1 ммг/см2 в день - незначительная или нулевая коррозия. Материал рекомендуется для применения в этих условиях. В = 0,1-0,3 ммг/см2 в день - небольшая коррозия. Материал рекомендуется использовать с ежегодным осмотром. С => 0,3 ммг/см2 в день - существенная коррозия. Материал не рекомендуется для использования.
--Материал разрушился из-за сильной коррозии раньше окончания испытаний. Использовать нельзя!!
Таб. 1. Таблица химической стойкости
26 АРМАТУРА 6/Н (18) декабрь 2011 г. ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ
пластин металлорежущего инструмента для обработки деталей из твердых и тугоплавких сплавов в автомобильных, авиационных двигателях, в различных видах оружия и военной технике.
Также, техническая керамика нашла применение и в быту. Это покрытия для сковородок, кто любит готовить, знают, как хороши керамические ножи для разделки рыбы, картриджи для бытовых водопроводных кранов. Керамические краны практически вытеснили из наших кухонь и ванных комнат обычные краны за счет удобства в использовании, надежности и долговечности.
Для более наглядного сравнения свойств керамики и сталей приведем некоторые технические параметры основных видов керамики изготавливаемой на основе:
1. А1203 - Оксида алюминия;
2. ZrO2 - Оксида циркония;
3. SiC - Карбида кремния;
4. Si3N4 - Нитрида кремния.
ТВЕРДОСТЬ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
На износостойкость конструктивных элементов существенно влияет соответствующий вид нагрузки. Керамические материалы, благодаря их очень высокой твердости (рис. 1), обладают в разы более высокой износостойкость к трению, чем металлы. На практике в большинстве случаев с комплексным воздействием, таким как трение, абразивный износ, дробеструйный износ, а также квитанция, как правило, значительно лучше справляются керамические рабочие детали, чем металлические. Каждый отдельный случай непосредственного воздействия нагрузок требуют более точного рассмотрения.
гио
1W0
МО
л|,0ц м, sac six
Рис. 1. Твердость по Виккерсу, ГПа. Где Diamant - алмаз, Stahl - сталь.
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ
По сравнению с другими материалами коррозионная стойкость промышленных керамических материалов существенно более универсальна и высока (таб. 1).
Керамика абсолютно нейтральна к сильнейшим растворителям. Растворы солей и щелочей в большинстве случаев не создают проблем с ее использованием. На агрессивных кислотах использование керамики возможно до относительно высоких температур.
Однако имеются определенные нюансы, на которые нужно обращать внимание.
Например:
• Все оксидные керамические материалы непостоянны против солей фтористоводородной кислоты.
• Циркониевая керамика Y-PSZ чувствительна к водяному пару (гидротермально непостоянна).
В связи с этим до начала производства арматуры необходимо произвести подбор керамики исходя из конкретных условий ее эксплуатации. При этом непременно нужно обращать внимание, на то, что смеси веществ воздействуют, как правило, иначе, чем эти же вещества по отдельности.
Поэтому иногда требуются дополнительные испытания образцов керамики в лабораторных и рабочих условиях.
ПРОЧНОСТЬ НА ИЗГИБ И ПРОЧНОСТЬ НА СЖАТИЕ
В отличие от металлов величина прочности керамических материалов на изгиб, на разрыв и на сжатие сильно различается. Прочность на сжатие (рис. 2) почти всех
SCO г
7CG 7DD
6« US ■
5№ wj
ИЛ 390 ко
m
H» ... — ISO
100
0 .
"А ас. SSÎ ЯЛ
Рис. 3. Прочность на изгиб, МПа.
15 Г 14,4 Hartmetall" _ _--~ —О
12 ■
9
6 5,7 190 мзог
« ■ 3,1 3,2
3 ■ ■
С L - ■ ■ .
AIA гю, »1С ад
плотных керамик многократно превосходит прочность на сжатие металлов, и прежде всего, нужно обращать внимание на пределы прочности на разрыв и на изгиб (рис. 3).
Очень высокая прочность на сжатие А1203 может быть выгодна, прежде всего, в седле шарового крана.
Из-за высокой нагрузки крутящего момента шары необходимо изготавливать из материалов с высокой прочностью на изгиб. Поэтому для них предпочтительно использовать диоксид циркония и нитрид кремния.
Даже если сравнение величины прочности металлов и керамик проблематично, все же, оно показывает сильное различие свойств материалов.
ПЛОТНОСТЬ
Как правило, преимуществом использования оборудования из керамики является еще и вес, так как эти материалы имеют более низкую плотность (рис. 4) в сравнении с твердым сплавом и высококачественной сталью.
ТЕРМОУДАР
Несмотря на то, что керамические конструктивные элементы сохраняют свою форму и прочность, а также остальные физико-механические свойства, до очень высоких температур (порядка +1600 °С), есть определенные ограничения по предельному значению ДТ (мгновенного скачка температуры - термоударов), превышение которого ведет к ухудшению физико-механических свойств или даже к разрушению материала (рис. 5) .
Кроме свойств самого материала, на предельное значение ДТ термоудара, сильно влияет геометрия изделия: простые геометрические формы (труба) менее чувствительны к термоудару, чем участки, значительно отличающиеся толщиной стенок. И это нужно учитывать.
Из приведенных данных видно превосходство керамики, как по механическим характеристикам, так и по теплофизическим в сравнении с нержавеющими сталями и как следствие этого арматура, футерованная керамикой, значительно превосходит стальную арматуру по своим эксплуатационным качествам.
В силу того, что корпуса арматуры изготавливаются из стали или пластика, внешние воздействия (механические удары, перекосы при монтаже и пр.), как и в обычной ►
AIA ZrQj SSK 51Д
Рис. 2. Прочность на сжатие, МПа. Где: 1,4462 * - дуплексная нержавеющая сталь 03Х22М5АМ2 1,4301 * - нержавеющая сталь 08Х18М10 Рис. 4. Плотность, г/см3 Где Hartmetall - твердый сплав. Рис. 5. Предельное значение ДТ термоудара для керамических материалов, К.
ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ 6/Н (18) декабрь 2011 г. АРМАТУРА
арматуре принимает на себя соответственно сталь или пластик - материалы, обладающие меньшей прочностью, но большей пластичностью, чем керамика, как мы видим из сравнительных таблиц. Воздействие же транспортируемой среды испытывают внутренние поверхности арматуры, изготовленные из цельнолитой керамики.
Применение арматуры, футерованной керамикой, оправдано при управлении потоками суспензий, пульп, жидких, газообразных сред, являющихся абразивными, высоко химически активными, летучими и опасными для человека, при очень высоких температурах (свыше +250 °С), на сыпучих средах, и становится незаменимой при сочетании этих экстремальных условий работы арматуры. Примеры:
• Процесс регулирования/дозирования хлорпарафина (при соприкосновении с металлом меняет цвет, что недопустимо).
• Процесс разбавления воды концентрированной серной кислотой (сильная коррозия).
• Пневмотранспорт кремния, кварца, подача твердого катализатора (сильный механический износ).
Конструктивные особенности данной арматуры позволяет использовать ее в качестве регулирующей, а также заменять дозирующие установки, получая при этом высокую точность дозирования реагентов. А всем химикам известно, как сильно зависит результат химической реакции от правильного соотношения вступающих в реакцию веществ.
Подводя итоги сказанному, можно резюмировать:
1. Использование керамики в трубопроводной арматуре позволят повысить ее работоспособность и надежность в тяжелых условиях эксплуатации, а значит повысить безопасность производств, избавиться от частых остановов и ремонтов.
2. Новые конструктивные формы арматуры позволят повысить качество выпускаемой продукции, снизить процент брака, а значит повысить эффективность производства.
Единственным сдерживающим фактором на пути широкого применения керамической арматуры на производстве является ее достаточно высокая стоимость по сравнению с обычной стальной. Но это только на первый взгляд!
Отсутствие потребности в частой замене арматуры (если приходится менять раз в полгода или чаще), расходы на закупку арматуры и запасных частей под ремонт, затраты на проведение тендера, на ремонтные работы, простой оборудования и прочее. Снижение процента брака, повышение качества конечного продукта, снижение расхода сырья за счет точности дозирования в технологическом процессе.
Все это тоже экономия.
Но об этом более подробно мы поговорим в следующей статье, где обязательно приведем пример расчетов экономической эффективности с учетом этих факторов. ■
428022, Россия,Чувашская Республика, г. Чебоксары, ул. Декабристов, д. 33-А, оф. 311 тел./факс (8352) 63-00-24 , тел. (8352) 23-03-41; e-mail: [email protected] ; http://www.evro-arm.ru/
ООО «ЕвроАрм» консультирует по подбору, применению предлагаемой арматуры для различных условий эксплуатации, разрабатывает нестандартные решения для сложных мест установки и тяжелых условий эксплуатации арматуры (сильноагрессивные, абразивные, чистые среды, высокие температуры и давление) и осуществляет комплексные поставки.
Компания является официальным представителем производителей запорной, регулирующей, предохранительной, дозирующей арматуры для химии, нефтепереработки, энергетики и других отраслей: CERA SYSTEM, LESER (Германия), ABO Valve, LDM (Чехия).
лг
УВАЖАЕМЫЕ ПОСПО
Ш
ПРИГЛАШАЕМ ВАС ПРИНЯТЬ УЧАСТИI В ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫСТАВКАХ:
2012г
15 -16 февраля, г. Иркутск
Шестая специализированная выставка «ТЭК. НЕФТЬ. ГАЗ. УГОЛЬ. ЭНЕРГО - 2012я «ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ - 2012ч «ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ - 20121»
Поддержка Администрации Иркутской области
26-29 февраля, г. Усикк
Седьмая специализированная выставка «УСИНСК. НЕФТЬ И ГАЗ. ЭНЕРГО - 2012» «УСИНСК. СТРОИТЕЛЬСТВО. ЖКХ. ЭН ЕР ГОРЕСУPCO С &ЕР ЕЖЕ Н И Е 2012&
Пвдяержкй: Министерство промышленности и энергетики
ззяяштндопйя Kuw
РеспубпьМк* Комм, li. ЛЦГ'ЧД'УПГц
20-29 марта, г Якутск
Тринадцатая специализированная выставка «САХА, НЕФТЬ. ГАЗ. УГОЛЬ. ЭНЕРГО - 2012» (к но вые технологии - 2012»)
к САХА. ГОРНОДОБЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ - 2012» «САХА СТРОМТЕЛЬСТГЕЮ-ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ - 2012»
Пддсеэикл" Правительство Республики Сагэ, Министерство строительстве РС.
министерство прсчыллениоотнРС Министерство внешни* связей
13-19 апреля, г. Норильск
Одиннадцатая специализированная выставка «МЕТАЛЛУРГИЯ ГОРНОЕ ДЕЛО ОБОРУДОВАНИЕ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НОРИЛЬСК - £012» «СТРОИТЕЛЬСТВО. ЭНЕР ГОР ЕСУРСОСБЕ РЕЖЕН И Е - 2012» Псшнрвпш: Администрация с Норильска. ЗФ ОАО ТМК "Норипьский никель"
11-12 апреля, г, Архангельск
Первая специализированная выставка «СУДОСТРОЕНИЕ - 2012»
«СТРОИТЕЛЬСТВО. ЭНЕРГЕТИКА ЖКХ - 2012»
Если Бас заинтересовало наше предложение Btj гложете связаться с нами: Телефон,'факс: [363| 33CM2-3&. 330-76-16 e-mail: [email protected], арел-ечюЦрй.ш Адрес. Россия. ШОЭО. Новосибирск, ул. Игьича, Щ ¡t. 211, 219
С Более noqpcfiMoti информацией аы мотете познакомиться на нашей сайте: http:iiwww.apex-expo.riet бсдаожны изуенения и дополнения (Предлагаемому плану
Всего доброго, фирма «АПЕКС»
