Inginerie avansată pentru proiectarea supapelor cu bilă API6D

Metodologia de proiectare și turnare este de o importanță semnificativă pentru calitatea și durata de viață a supapelor. În dezvoltarea și producția de supape utilizate în industria petrolului și gazelor, cum ar fi supapele cu sferă API6D, aceste metodologii influențează pozitiv procesul de dezvoltare a aplicațiilor, inclusiv analiza statică, de curgere și de turnare, asigurând în același timp validarea și fiabilitatea produselor.

Supapele sunt utilizate în diverse industrii, inclusiv petrol, gaze naturale, produse chimice, marine și altele, pentru a asigura un control sigur al debitului. Au fost dezvoltate diferite tipuri de supape în funcție de conductele în care sunt utilizate, de proprietățile fluidelor și de condițiile de mediu.

Producerea și validarea acestor supape în conformitate cu standardele și reglementările internaționale este crucială pentru îndeplinirea atât a cerințelor de producție, cât și a celor de mediu, precum și pentru asigurarea siguranței utilizatorilor. Standardul API6D, stabilit de Institutul American de Petrol, specifică cerințele pentru conducte și supapele utilizate în acestea. Supapele utilizate în conductele de petrol și gaze naturale trebuie să fie fabricate pentru a îndeplini toate cerințele, luând în considerare atât proprietățile chimice ale fluidelor, cât și valorile economice ale acestora.

Acest articol își propune să descrie munca de inginerie avansată implicată în etapele de proiectare și dezvoltare a producției ale supapelor cu bilă conforme API6D, care sunt proiectate, produse și testate în cadrul companiei noastre. De asemenea, se explică defectele de turnare întâlnite în faza de producție și îmbunătățirile aduse în metodologia de turnare.

Procesul de proiectare a supapei

Supapele, în funcție de sectorul în care sunt utilizate, pot fi expuse la condiții precum presiune ridicată, medii corozive, temperaturi ridicate și multe altele. Prin urmare, supapele trebuie proiectate și fabricate luând în considerare aceste condiții. Datorită condițiilor de funcționare dificile și geometriilor complexe, unele supape sunt produse prin metode de turnare. În faza de proiectare trebuie luate în considerare dificultățile și limitările inerente procesului de turnare, precum și standardele internaționale, cerințele clienților și condițiile de funcționare.

Supapele cu bilă dezvoltate în acest studiu au fost proiectate pentru a îndeplini cerințele standardului de proiectare API6D și ale altor standarde de referință, cum ar fi ASME B16.10, ASME B16.5 și ASME B16.34.

În timpul procesului de proiectare, proprietățile mecanice ale ASTM A216 Gr. Oțelul carbon turnat de calitate WCB, care a fost ales ca material pentru caroserie, a fost testat prin teste de întindere și duritate. Pe baza acestor date au fost efectuate calcule de proiectare și lucrări de analiză. S-au efectuat analize statice asupra componentelor expuse la presiune, cum ar fi corpul, sfera și partea de capotă, pentru a examina sarcinile și deformațiile suferite de aceste părți. Pe baza rezultatelor obținute s-a determinat că sarcinile aplicate componentelor sunt sub limita de curgere a materialului, ceea ce indică faptul că proiectarea este foarte potrivită din punct de vedere al presiunii. Simulările de analiză statică au fost setate la 1,5 ori presiunea de lucru a supapei (19,6 bar), ceea ce corespunde la 29,4~30 bar, așa cum se specifică în standarde. Calculele de proiectare au fost efectuate în conformitate cu cerințele specificate în standardele API6D și ASME B16.34. Datele obținute din aceste calcule se aliniază cu rezultatele simulărilor de analiză statică efectuate pe computer. Ca urmare a acestor eforturi, designul a fost validat teoretic și a fost dezvoltat un design de supapă care asigură eficiență maximă în condiții de funcționare. Toate lucrările efectuate în această etapă au fost documentate, rezultând în crearea unui pachet de design.

După finalizarea lucrărilor de proiectare finală, a fost inițiat procesul de producție a modelelor pentru piesele caroseriei și capotei care urmează să fie fabricate prin metoda turnării. În acest proces, datele modelului au fost create cu toleranțe de prelucrare și contracție furnizate conform cerințelor standardului EN 8062-3. Pentru a menține eficiența maximă a producției în timpul fazei de proiectare, cantitatea de suprafețe prelucrate a fost menținută la minimum. Cu toate acestea, acest proces a fost efectuat într-o manieră care nu a afectat negativ calitatea produsului în conformitate cu cerințele standard.

Studii de dezvoltare a metodei de turnare

Simulările de turnare au fost efectuate pentru a preveni defectele precum contracția și porozitatea gazului, precum și efectele negative, cum ar fi tensiunile interne, în părțile corpului și ale capotei care urmează să fie produse prin metode de turnare cu nisip. În plus față de aceste simulări, au fost efectuate calcule ale distanței de alimentare și de alimentare pentru a menține un raport productiv net/brut și pentru a asigura o calitate-înaltă a turnării. Gradienții de solidificare și simulările de umplere cu oțel topit au fost efectuate folosind Novacast. Pe baza acestor simulări au fost optimizate modelele de alimentare și de rulare, ducând la dezvoltarea unei metode de turnare optime.

Au fost aduse îmbunătățiri în proiectare pe baza simulărilor de turnare pentru a asigura solidificarea direcțională și pentru a minimiza probabilitatea apariției punctelor fierbinți. Toate lucrările de simulare au fost documentate meticulos și incluse în pachetul de proiectare.

În plus, au fost create și documentate forme de metodă de turnare pentru a defini alimentatoarele, amestecurile de nisip și sistemele de răcire, cu scopul de a preveni confuzia în timpul fazei de producție.

Scopul acestor eforturi este de a obține o producție de{0}}înaltă calitate, cu rate scăzute de deșeuri, folosind modelul dezvoltat și metoda de turnare. Înainte de simularea turnării și studiile de calcul, au fost observate puncte fierbinți și cavități de contracție în regiunile indicate în imaginile pieselor turnate. Testarea ne-distructivă (NDT) a fost efectuată pe piesele turnate înainte de simulare, iar discrepanțele identificate în simulare au fost detectate în mod concret. Cavitățile de contracție au apărut în zone îndepărtate de alimentatoare și unde înălțimea modulului era mare. În plus, din cauza turbulențelor în timpul umplerii matriței, au fost observate cavități de gaz în diferite puncte ale pieselor. Toate aceste discontinuități au fost detectate prin teste de penetrare lichidă și inspecții radiografice efectuate în cadrul lucrărilor NDT. Zonele relevante ale pieselor au fost secționate pentru a confirma aceste discrepanțe. Mai jos, sunt împărtășite imagini ale pieselor, care au fost examinate utilizând microscopia electronică cu carbon-după testele NDT.

Ca urmare a studiilor NDT și de simulare, au fost generate noi date de model, abordând probleme precum solidificarea direcțională care ar putea crea defecte. În urma creării noilor date, au fost rezolvate erori precum contracția și cavitățile de gaz din piesele turnate.

Proces de testare și validare

După finalizarea fazelor de turnare, prelucrare și asamblare, supapele trebuie testate pentru a se asigura că îndeplinesc cerințele standard relevante. În conformitate cu cerințele standardului de proiectare API6D, supapele trebuie să fie supuse testelor de presiune și de scurgere. Prototipurile de supape dezvoltate au trecut cu succes testele de presiune și de scurgere efectuate la de 1,5 ori presiunea de lucru (19,6 bar), care este de aproximativ 29,4 ~ 30 bar. Valorile cuplului de deschidere și închidere calculate teoretic au fost, de asemenea, măsurate și verificate în faza de calcul al proiectării. Pe lângă testele efectuate asupra supapei în sine, au fost efectuate încercări de tracțiune, analize chimice, teste de duritate și alte încercări asupra subcomponentelor utilizate în ansamblul supapei pentru a se asigura că toate cerințele standard au fost îndeplinite.

Exemplu de imagine model

Concluzie

Acest studiu și-a propus să explice contribuțiile aplicațiilor avansate de inginerie-asistată de computer și efectele pozitive ale proceselor moderne de dezvoltare a produselor, pe lângă tehnicile tradiționale de dezvoltare a produselor. Calculele metodei de proiectare și turnare au fost validate folosind programe de simulare pentru a crea cea mai potrivită metodă de proiectare și producție. Datele obținute din calcule și simulări au fost testate și validate concret după producerea prototipului. Ca urmare a acestor eforturi, au fost dezvoltate supape cu bilă API6D de înaltă-calitate și-durată lungă, care îndeplinesc pe deplin standardele, cerințele pieței și ale clienților.

Evoluții și perspective de viitor

Progresele în tehnologiile de sare topită conduc la inovații semnificative în industria supapelor, în special pentru aplicațiile de energie solară concentrată (CSP). Aceste progrese necesită supape capabile să reziste la temperaturi extreme, medii corozive și condiții de funcționare riguroase.