Perché la sede della valvola determina l'affidabilità delle tubazioni acide e alcaline
I mezzi acidi e alcalini negli impianti chimici, idrometallurgici e di trattamento dei gas di scarico sono raramente puliti. Trasportano solidi sospesi, sali disciolti e gas intrappolati e arrivano velocemente alla valvola. La sede sopporta l'intero differenziale di pressione quando la valvola si chiude, quindi qualsiasi perdita della geometria della faccia si trasforma direttamente in perdite, rigature o trafilamenti dello stelo-. Un corpo valvola può essere riparato o sostituito molto più facilmente di quanto una linea possa essere messa fuori servizio, motivo per cui è il trim, e soprattutto la sede, a decidere per quanto tempo un punto di isolamento rimane serrato.
Il carburo di tungsteno cementato, chiamato anche metallo duro sinterizzato, è diventato il materiale predefinito per sedili e finiture per servizi gravosi. Combina un modulo elastico elevato, una resistenza alla compressione molto elevata e una forte resistenza all'usura da scorrimento con una conduttività termica sufficiente per diffondere il calore di attrito lontano dalla faccia di tenuta.
Composizione e famiglie tipiche di grado
Il materiale è un composito di granuli di carburo di tungsteno (WC) legati da una fase metallica, normalmente cobalto. La dimensione del grano, il contenuto di legante e la chimica degli additivi stabiliscono l'equilibrio tra durezza e tenacità. Per le sedi delle valvole vengono utilizzate tre famiglie pratiche:
Gradi di legante bassi, circa il 6% di cobalto a grana fine: durezza da circa 89 a 91 HRA e resistenza alla rottura trasversale da 2000 a 2400 MPa.
Gradi di legante medi, dall'8% al 10% di cobalto: durezza da circa 88 a 90 HRA con resistenza alla rottura trasversale da circa 2400 a 2900 MPa, un compromesso comune per il servizio generale con acidi e alcali.
Gradi di legante elevati, dal 12% al 15% di cobalto: durezza da 86 a 88 HRA e resistenza alla rottura trasversale fino a circa 3000 MPa, scelto dove dominano l'impatto e il ciclo termico.
Le varianti focalizzate sulla corrosione sostituiscono parte del cobalto con nichel o nichel-cromo, oppure aggiungono carburo di cromo, carburo di tantalio o carburo di niobio allo scheletro del WC. La verifica del grado deve seguire i metodi di prova dei metalli duri: densità secondo ISO 3369, durezza Rockwell A secondo ISO 3738, resistenza alla rottura trasversale secondo ISO 3327 e microstruttura secondo ISO 4499-2.
Comportamento alla corrosione in mezzi acidi e alcalini
Nel carburo cementato il legante è l'anello debole. Gli acidi ossidanti forti e i liquori ricchi di cloruro attaccano prima il cobalto, dopodiché i grani di WC vengono indeboliti e cadono, quindi la superficie si irruvidisce e la faccia di tenuta perde planarità. Gli acidi minerali diluiti a temperatura moderata causano una lenta perdita generale. I servizi solforici, nitrici e cloridrici concentrati richiedono quindi un grado con legante al nichel o un'opzione senza carburo. Le soluzioni alcaline sono generalmente molto meno aggressive e le linee caustiche sono un'applicazione classica per i sedili incollati al cobalto, sebbene gli alcali concentrati caldi attacchino comunque il legante dopo una lunga esposizione.
Poiché il comportamento dipende dalla concentrazione, dalla temperatura, dall'aerazione e dal flusso, le prestazioni della corrosione dovrebbero essere qualificate mediante prove di immersione o di circuito di flusso nel mezzo reale, con la variazione di massa riportata per unità di area all'anno e la superficie esaminata per l'esaurimento del legante piuttosto che giudicata solo in base all'aspetto.
Usura ed erosione sotto flusso carico di particelle
Il lavoro con liquame e cristallizzatore espone il sedile a due diverse modalità di danno. A bassi angoli di impatto, le fasi dure resistono all'abrasione delle scanalature e alla grana fine, mentre i gradi ad alta durezza offrono le migliori prestazioni. Ad angoli di impatto elevati, la resistenza alla frattura controlla il risultato, quindi i grani più grossi e il contenuto di legante più elevato sopravvivono meglio anche se sono più morbidi. La velocità ha l'influenza più forte, poiché la perdita dovuta all'erosione aumenta rapidamente con la velocità, quindi una modesta riduzione della velocità del flusso attraverso la geometria dell'assetto spesso fa di più per la vita di un cambiamento di pendenza. Laddove il mezzo trasporta anche catalizzatore duro o particelle di minerale, la durata della sede è limitata dal rapporto di durezza tra particella e legante, che costituisce un ulteriore argomento a favore di mantenere il foro e la sede completamente esposti al flusso anziché incassati.
Comportamento alle alte temperature e integrità della tenuta
Il carburo cementato mantiene la durezza utile ben al di sopra dell'intervallo delle finiture in acciaio inossidabile temprato, ma nell'aria il legante inizia a ossidarsi a partire da circa 500 gradi Celsius in su, quindi il servizio di ossidazione a caldo richiede un design protettivo o non in carburo. L'espansione termica è diversa da quella dell'acciaio portante, quindi le sedi vengono montate a caldo, fissate o brasate in un supporto e l'assemblaggio è progettato in modo che il carburo rimanga in compressione. La qualità della tenuta dipende dalla planarità e dalla struttura piuttosto che dalla sola durezza: le facce di tenuta sono lappate fino alla planarità entro poche bande chiare e una rugosità superficiale inferiore a circa Ra 0,1 micrometri, abbinata a una sede del corpo altrettanto fine. L'accettazione della pressione e delle perdite viene normalmente presa dalla norma ISO 5208 o API 598, con il mezzo di prova e il tempo di tenuta concordati prima del rilascio della valvola.
Lista di controllo per selezione, lavorazione e ispezione
| Parametro | Requisito tipico per il servizio acido e alcalino |
|---|---|
| Contenuto del raccoglitore | dal 6% al 10% di cobalto; legante a base nichel per liquori ricchi di cloruri |
| Durezza | Da 88 a 91 HRA, testato secondo ISO 3738 |
| Resistenza alla rottura trasversale | Da 2000 a 2900 MPa, testato secondo ISO 3327 |
| Granulometria del WC | Da 0,6 a 2 micrometri a seconda della gravità dell'impatto |
| Sigillatura della planarità della faccia | All'interno poche bande chiare, lambite |
| Sigillatura delle rugosità del viso | Ra 0,1 micrometri o più fine |
| Controllo dei difetti superficiali | Nessun poro visibile, crepe o scheggiatura dei bordi nella zona di sigillatura |
| Prova di tenuta | ISO 5208 o API 598, con registrazione del tempo medio e di mantenimento |
Domande frequenti
D: Il carburo di tungsteno è adatto a tutti i servizi acidi?
No. I gradi legati al cobalto gestiscono bene gli acidi diluiti e la maggior parte dei mezzi alcalini, ma gli acidi fortemente ossidanti o ad alto contenuto di cloruro attaccano il legante, quindi i gradi legati al nichel o i materiali non al carburo devono essere valutati per primi.
D: Quale grado è adatto alla sede della valvola per liquami?
Iniziare da un legante medio, di grana fine compresa tra 88 e 90 HRA, quindi passare a un contenuto di cobalto più elevato se l'impatto o il ciclo termico causano scheggiature durante il servizio.
D: Perché il contenuto del legante è più importante della durezza complessiva?
La durezza descrive la resistenza all'abrasione della scanalatura, mentre il legante controlla la resistenza alla corrosione, la tenacità e la ritenzione dei bordi, quindi due gradi di uguale durezza possono comportarsi in modo molto diverso in condizioni acide.
D: Come viene fissata una sede in carburo nel corpo della valvola?
Di solito è montato a caldo, bloccato meccanicamente o brasato in un supporto che mantiene l'anello in compressione e si adatta all'espansione dell'acciaio circostante.
D: Come deve essere ispezionato un sedile prima del montaggio?
Controllare le dimensioni dell'anello, verificare i dati di durezza e densità, ispezionare la superficie di tenuta per individuare pori e scheggiature sotto ingrandimento e confermare planarità e ruvidità su un riferimento lappato.
D: È possibile ricondizionare una sede in carburo usurata?
La lappatura può ripristinare la planarità quando il danno è limitato allo strato superficiale, ma la scheggiatura dovuta a crepe o l'esaurimento del legante nella zona di tenuta richiede la sostituzione dell'anello.
