Zaawansowana inżynieria konstrukcji zaworu kulowego API6D

Projektowanie i metodologia odlewania mają istotne znaczenie dla jakości i żywotności zaworu. Przy opracowywaniu i produkcji zaworów stosowanych w przemyśle naftowym i gazowym, takich jak zawory kulowe API6D, metodologie te pozytywnie wpływają na proces opracowywania aplikacji, w tym analizę statyczną, przepływową i odlewniczą, zapewniając jednocześnie walidację i niezawodność produktów.

Zawory są stosowane w różnych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle naftowym, gazowym, chemicznym, morskim i innych, aby zapewnić bezpieczną kontrolę przepływu. Opracowano różne typy zaworów w zależności od rurociągów, w których są stosowane, właściwości płynów i warunków środowiskowych.

Produkcja i walidacja tych zaworów zgodnie z międzynarodowymi normami i przepisami ma kluczowe znaczenie dla spełnienia wymagań produkcyjnych i środowiskowych, a także zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika. Norma API6D, ustanowiona przez American Petroleum Institute, określa wymagania stawiane rurociągom i stosowanym w nich zaworom. Zawory stosowane w rurociągach ropy i gazu ziemnego muszą być produkowane tak, aby spełniać wszystkie wymagania, biorąc pod uwagę zarówno właściwości chemiczne płynów, jak i ich walory ekonomiczne.

Celem tego artykułu jest opisanie zaawansowanych prac inżynieryjnych związanych z etapami projektowania i rozwoju produkcji zaworów kulowych zgodnych z API6D, które są projektowane, produkowane i testowane w naszej firmie. Wyjaśnia także wady odlewów napotkane na etapie produkcji oraz ulepszenia wprowadzone w metodologii odlewania.

Proces projektowania zaworu

Zawory, w zależności od sektora, w którym są stosowane, mogą być narażone na takie warunki, jak wysokie ciśnienie, środowiska korozyjne, wysokie temperatury i inne. Dlatego zawory muszą być projektowane i produkowane z uwzględnieniem tych warunków. Ze względu na trudne warunki pracy i złożoną geometrię, niektóre zawory są produkowane metodami odlewania. Na etapie projektowania należy wziąć pod uwagę trudności i ograniczenia nieodłącznie związane z procesem odlewania, a także międzynarodowe standardy, wymagania klientów i warunki pracy.

Zawory kulowe opracowane w tym badaniu zostały zaprojektowane tak, aby spełniać wymagania normy projektowej API6D i innych norm odniesienia, takich jak ASME B16.10, ASME B16.5 i ASME B16.34.

Podczas procesu projektowania właściwości mechaniczne ASTM A216 gr. Odlew ze stali węglowej jakości WCB, który został wybrany jako materiał korpusu, został przetestowany w testach rozciągania i twardości. Na podstawie tych danych przeprowadzono obliczenia projektowe i prace analityczne. Przeprowadzono analizy statyczne elementów narażonych na ciśnienie, takich jak korpus, kula i część maski, w celu zbadania obciążeń i odkształceń, jakim podlegają te części. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że obciążenia przyłożone do elementów są poniżej granicy plastyczności materiału, co wskazuje, że konstrukcja jest wysoce odpowiednia pod względem ciśnienia. Symulacje analizy statycznej ustawiono na 1,5-krotność ciśnienia roboczego zaworu (19,6 bar), co odpowiada 29,4 ~ 30 barów, jak określono w normach. Obliczenia projektowe wykonano zgodnie z wymaganiami norm API6D i ASME B16.34. Dane uzyskane z tych obliczeń są zgodne z wynikami symulacji analizy statycznej przeprowadzonych na komputerze. W wyniku tych wysiłków projekt został zweryfikowany teoretycznie i opracowano konstrukcję zaworu zapewniającą maksymalną wydajność w warunkach eksploatacyjnych. Wszystkie prace wykonane na tym etapie zostały udokumentowane, w wyniku czego powstał pakiet projektowy.

Po zakończeniu ostatecznych prac projektowych rozpoczęto proces produkcji modelowej części nadwozia i maski, które mają być wykonane metodą odlewniczą. W tym procesie utworzono dane modelu z naddatkami na obróbkę i skurcz zgodnie z wymaganiami normy EN 8062-3. Aby zachować maksymalną wydajność produkcji na etapie projektowania, ilość obrabianych powierzchni została ograniczona do minimum. Proces ten przeprowadzono jednak w sposób nie wpływający negatywnie na jakość produktu zgodną z wymaganiami normy.

Badania rozwoju metody odlewania

Przeprowadzono symulacje odlewania, aby zapobiec defektom, takim jak skurcz i porowatość gazowa, a także negatywnym skutkom, takim jak naprężenia wewnętrzne, w częściach korpusu i maski wytwarzanych metodami odlewania piaskowego. Oprócz tych symulacji przeprowadzono obliczenia podajnika i odległości podajnika, aby utrzymać produktywny stosunek siatki do brute i zapewnić-wysokiej jakości rzuty. Gradienty krzepnięcia i symulacje wypełnienia stopioną stalą przeprowadzono przy użyciu Novacast. Na podstawie tych symulacji zoptymalizowano konstrukcje podajników i prowadnic, co doprowadziło do opracowania optymalnej metody odlewania.

Wprowadzono ulepszenia w projekcie w oparciu o symulacje odlewania, aby zapewnić kierunkowe krzepnięcie i zminimalizować prawdopodobieństwo występowania gorących punktów. Wszystkie prace symulacyjne zostały szczegółowo udokumentowane i uwzględnione w pakiecie projektowym.

Dodatkowo stworzono i udokumentowano formularze metod odlewania w celu zdefiniowania podajników, mieszanek piasku i systemów chłodzenia, aby zapobiec pomyłkom na etapie produkcji.

Celem tych wysiłków jest osiągnięcie wysokiej-jakości produkcji przy niskim wskaźniku braków przy zastosowaniu opracowanego modelu i metody odlewania. Przed symulacją odlewu i badaniami obliczeniowymi zaobserwowano gorące punkty i wgłębienia skurczowe w obszarach wskazanych na wizualizacjach odlewów. Przed symulacją przeprowadzono badania nieniszczące (NDT) części odlewanych, a rozbieżności zidentyfikowane w symulacji zostały konkretnie wykryte. Wnęki skurczowe występowały w obszarach odległych od podajników i tam, gdzie wysokość modułu była duża. Dodatkowo, na skutek turbulencji podczas napełniania formy, w różnych miejscach części zaobserwowano wnęki gazowe. Wszystkie te nieciągłości zostały wykryte poprzez badania penetracyjne cieczy oraz badania radiograficzne wykonane w ramach prac NDT. W celu potwierdzenia tych rozbieżności dokonano podziału na odpowiednie obszary części. Poniżej udostępniamy zdjęcia części zbadanych za pomocą mikroskopu węglowego-elektronowego po badaniach NDT.

W wyniku badań NDT i badań symulacyjnych wygenerowano nowe dane modelowe, rozwiązując problemy takie jak krzepnięcie kierunkowe, które mogłoby powodować defekty. Po utworzeniu nowych danych naprawiono błędy takie jak skurcz i wnęki gazowe w odlewach.

Proces testowania i walidacji

Po zakończeniu etapów odlewania, obróbki i montażu zawory należy poddać testom, aby upewnić się, że spełniają odpowiednie wymagania norm. Zgodnie z wymaganiami normy projektowej API6D, zawory muszą zostać poddane próbom ciśnieniowym i szczelności. Opracowane prototypowe zawory pomyślnie przeszły testy ciśnieniowe i szczelności przeprowadzone przy ciśnieniu 1,5-krotności ciśnienia roboczego (19,6 bara), czyli w przybliżeniu 29,4–30 barów. Teoretycznie obliczone wartości momentu obrotowego otwierania i zamykania zostały również zmierzone i zweryfikowane na etapie obliczeń projektowych. Oprócz testów samego zaworu, przeprowadzono próby rozciągania, analizy chemiczne, testy twardości i inne testy na podzespołach zastosowanych w zespole zaworu, aby upewnić się, że wszystkie wymagania normy zostały spełnione.

Przykładowy obraz modelu

Wniosek

Celem tego badania było wyjaśnienie wkładu zaawansowanych aplikacji inżynieryjnych-wspomaganych komputerowo i pozytywnych skutków nowoczesnych procesów opracowywania produktów w uzupełnieniu tradycyjnych technik opracowywania produktów. Obliczenia projektu i metody odlewania zostały zweryfikowane za pomocą programów symulacyjnych w celu opracowania najbardziej odpowiedniej metody projektowania i produkcji. Dane uzyskane z obliczeń i symulacji zostały konkretnie przetestowane i zatwierdzone po wyprodukowaniu prototypu. W wyniku tych wysiłków opracowano wysokiej-jakości i-trwałości zawory kulowe API6D, w pełni spełniające standardy, wymagania rynku i klientów.

Rozwój i perspektywy na przyszłość

Postępy w technologii stopionej soli napędzają znaczące innowacje w branży zaworów, szczególnie w zastosowaniach skoncentrowanej energii słonecznej (CSP). Te udoskonalenia wymagają zaworów zdolnych wytrzymać ekstremalne temperatury, środowiska korozyjne i rygorystyczne warunki pracy.