Ingegneria avanzata per la progettazione della valvola a sfera API6D
La progettazione e la metodologia di fusione sono di notevole importanza per la qualità e la durata della valvola. Nello sviluppo e nella produzione di valvole utilizzate nell'industria del petrolio e del gas, come le valvole a sfera API6D, queste metodologie influenzano positivamente il processo di sviluppo di applicazioni, tra cui l'analisi statica, di flusso e di fusione, garantendo al contempo la validazione e l'affidabilità dei prodotti.
Le valvole vengono utilizzate in vari settori, tra cui quello petrolifero, del gas naturale, chimico, marittimo e altri, per garantire un controllo sicuro del flusso. Sono stati sviluppati diversi tipi di valvole in base alle tubazioni in cui vengono utilizzate, alle proprietà dei fluidi e alle condizioni ambientali.
Produrre e validare queste valvole in conformità con gli standard e le normative internazionali è fondamentale per soddisfare sia i requisiti di produzione che quelli ambientali, oltre a garantire la sicurezza degli utenti. Lo standard API6D, stabilito dall'American Petroleum Institute, specifica i requisiti per le condutture e le valvole utilizzate in esse. Le valvole utilizzate negli oleodotti e nei gasdotti devono essere prodotte per soddisfare tutti i requisiti, considerando sia le proprietà chimiche dei fluidi che il loro valore economico.
Questo articolo ha lo scopo di descrivere il lavoro di ingegneria avanzata coinvolto nelle fasi di progettazione e sviluppo della produzione di valvole a sfera conformi API6D, che sono progettate, prodotte e testate all'interno della nostra azienda. Spiega inoltre i difetti di fusione riscontrati durante la fase di produzione e i miglioramenti apportati alla metodologia di fusione.
Processo di progettazione della valvola
Le valvole, a seconda del settore in cui vengono utilizzate, possono essere esposte a condizioni quali alta pressione, ambienti corrosivi, alte temperature e altro. Pertanto, le valvole devono essere progettate e realizzate considerando queste condizioni. A causa delle difficili condizioni operative e delle geometrie complesse, alcune valvole vengono prodotte utilizzando metodi di fusione. Durante la fase di progettazione è necessario tenere conto delle difficoltà e dei limiti inerenti al processo di fusione, nonché degli standard internazionali, dei requisiti del cliente e delle condizioni operative.
Le valvole a sfera sviluppate in questo studio sono state progettate per soddisfare i requisiti dello standard di progettazione API6D e di altri standard di riferimento come ASME B16.10, ASME B16.5 e ASME B16.34.
Durante il processo di progettazione, le proprietà meccaniche di ASTM A216 Gr. L'acciaio al carbonio fuso di qualità WCB, scelto come materiale del corpo, è stato testato tramite prove di trazione e durezza. Sulla base di questi dati sono stati effettuati i calcoli di progettazione e il lavoro di analisi. Sono state eseguite analisi statiche sui componenti esposti a pressione, come la parte del corpo, della sfera e del coperchio, per esaminare i carichi e le deformazioni subite da queste parti. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato determinato che i carichi applicati ai componenti sono inferiori al carico di snervamento del materiale, indicando che il progetto è altamente adatto in termini di pressione. Le simulazioni di analisi statica sono state impostate su 1,5 volte la pressione di esercizio della valvola (19,6 Bar), che corrisponde a 29,4~30 Bar, come specificato negli standard. I calcoli di progettazione sono stati eseguiti in conformità con i requisiti specificati negli standard API6D e ASME B16.34. I dati ottenuti da questi calcoli si allineano con i risultati delle simulazioni di analisi statica condotte sul computer. Come risultato di questi sforzi, il progetto è stato convalidato teoricamente ed è stato sviluppato un design della valvola che garantisce la massima efficienza in condizioni operative. Tutto il lavoro svolto in questa fase è stato documentato, dando luogo alla creazione di un pacchetto di progettazione.
Dopo aver completato il lavoro di progettazione finale, è stato avviato il processo di produzione del modello per le parti della carrozzeria e del cofano da realizzare utilizzando il metodo della fusione. In questo processo, i dati del modello sono stati creati con tolleranze di lavorazione e ritiro fornite secondo i requisiti della norma EN 8062-3. Per mantenere la massima efficienza produttiva durante la fase di progettazione, la quantità di superfici lavorate è stata ridotta al minimo. Tuttavia, questo processo è stato eseguito in modo da non incidere negativamente sulla qualità del prodotto in conformità con i requisiti standard.
Studi sullo sviluppo del metodo di fusione
Sono state condotte simulazioni di fusione per prevenire difetti come ritiro e porosità da gas, nonché effetti negativi come tensioni interne, nelle parti della carrozzeria e del cofano da produrre utilizzando metodi di fusione in sabbia. Oltre a queste simulazioni, sono stati completati i calcoli del feeder e della distanza del feeder per mantenere un rapporto netto/bruto produttivo e garantire un lancio di alta-qualità. I gradienti di solidificazione e le simulazioni di riempimento dell'acciaio fuso sono stati eseguiti utilizzando Novacast. I progetti di alimentatori e canali sono stati ottimizzati sulla base di queste simulazioni, portando allo sviluppo di un metodo di colata ottimale.
Sono stati apportati miglioramenti al progetto sulla base di simulazioni di fusione per garantire la solidificazione direzionale e ridurre al minimo la probabilità di punti caldi. Tutto il lavoro di simulazione è stato meticolosamente documentato e incluso nel pacchetto di progettazione.
Inoltre, sono state create e documentate schede relative ai metodi di fusione per definire alimentatori, miscele di sabbia e sistemi di raffreddamento, con l'obiettivo di evitare confusione durante la fase di produzione.
L'obiettivo di questi sforzi è ottenere una produzione di alta-qualità con un basso tasso di scarti utilizzando il modello e il metodo di fusione sviluppati. Prima della simulazione della fusione e degli studi di calcolo, nelle regioni indicate nelle immagini delle parti fuse sono stati osservati punti caldi e cavità da ritiro. Prima della simulazione sono stati eseguiti test non-distruttivi (NDT) sulle parti fuse e le discrepanze identificate nella simulazione sono state concretamente rilevate. Le cavità da ritiro si sono verificate in aree distanti dagli alimentatori e dove l'altezza del modulo era elevata. Inoltre, a causa delle turbolenze durante il riempimento dello stampo, sono state osservate cavità di gas in vari punti dei pezzi. Tutte queste discontinuità sono state rilevate attraverso prove con liquidi penetranti e ispezioni radiografiche eseguite nell'ambito del lavoro CND. Le aree rilevanti delle parti sono state sezionate per confermare queste discrepanze. Di seguito vengono condivise le immagini delle parti esaminate utilizzando la microscopia elettronica al carbonio-dopo i test NDT.
Come risultato degli studi NDT e di simulazione, sono stati generati nuovi dati del modello, affrontando problemi come la solidificazione direzionale che potrebbe creare difetti. Dopo la creazione dei nuovi dati sono stati risolti errori come ritiro e cavità di gas nelle parti fuse.
Processo di test e validazione
Dopo aver completato le fasi di fusione, lavorazione e assemblaggio, le valvole devono essere testate per garantire che soddisfino i requisiti standard pertinenti. Secondo i requisiti dello standard di progettazione API6D, le valvole devono essere sottoposte a test di pressione e tenuta. Le valvole prototipo sviluppate hanno superato con successo i test di pressione e tenuta condotti a 1,5 volte la pressione di esercizio (19,6 bar), ovvero circa 29,4~30 bar. In fase di calcolo progettuale sono stati misurati e verificati anche i valori di coppia di apertura e chiusura teoricamente calcolati. Oltre ai test eseguiti sulla valvola stessa, sono stati condotti test di trazione, analisi chimiche, prove di durezza e altri test sui sottocomponenti utilizzati nel gruppo valvola per garantire che tutti i requisiti standard fossero soddisfatti.
Immagine del modello di esempio
Conclusione
Lo scopo di questo studio era spiegare i contributi delle applicazioni avanzate di ingegneria assistita dal computer-e gli effetti positivi dei moderni processi di sviluppo prodotto, oltre alle tradizionali tecniche di sviluppo prodotto. I calcoli del metodo di progettazione e fusione sono stati convalidati utilizzando programmi di simulazione per creare il metodo di progettazione e produzione più adatto. I dati ottenuti da calcoli e simulazioni sono stati concretamente testati e validati dopo la produzione del prototipo. Come risultato di questi sforzi, sono state sviluppate valvole a sfera API6D di alta-qualità e di lunga-durata, che soddisfano pienamente gli standard, i requisiti del mercato e dei clienti.
Sviluppi e prospettive future
I progressi nelle tecnologie dei sali fusi stanno determinando innovazioni significative nel settore delle valvole, in particolare per le applicazioni di energia solare concentrata (CSP). Questi progressi richiedono valvole in grado di resistere a temperature estreme, ambienti corrosivi e condizioni operative rigorose.