Avanceret teknik til API6D kugleventildesign
Design og støbemetode er af væsentlig betydning for ventilkvalitet og levetid. I udviklingen og produktionen af ventiler, der anvendes i olie- og gasindustrien, såsom API6D kugleventiler, påvirker disse metoder positivt processen med at udvikle applikationer, herunder statisk, flow og støbeanalyse, samtidig med at de sikrer validering og pålidelighed af produkterne.
Ventiler bruges på tværs af forskellige industrier, herunder olie, naturgas, kemikalier, marine og andre, for at sikre sikker flowkontrol. Der er udviklet forskellige typer ventiler baseret på de rørledninger, de anvendes i, væskernes egenskaber og miljøforhold.
At producere og validere disse ventiler i overensstemmelse med internationale standarder og regulativer er afgørende for at opfylde både produktions- og miljøkrav, samt for at sikre brugersikkerheden. API6D-standarden, etableret af American Petroleum Institute, specificerer kravene til rørledninger og de ventiler, der anvendes i dem. Ventiler, der anvendes i olie- og naturgasrørledninger, skal fremstilles, så de opfylder alle krav, både under hensyntagen til væskernes kemiske egenskaber og deres økonomiske værdier.
Denne artikel har til formål at beskrive det avancerede ingeniørarbejde, der er involveret i design- og produktionsudviklingsstadierne af API6D-kompatible kugleventiler, som er designet, produceret og testet i vores virksomhed. Den forklarer også de støbefejl, man støder på i produktionsfasen, og de forbedringer, der er foretaget i støbemetoden.
Ventil designproces
Ventiler kan, afhængigt af den sektor, de bruges i, blive udsat for forhold som højt tryk, korrosive miljøer, høje temperaturer og meget mere. Derfor skal ventiler designes og fremstilles under hensyntagen til disse forhold. På grund af de udfordrende driftsforhold og komplekse geometrier fremstilles nogle ventiler ved hjælp af støbemetoder. De vanskeligheder og begrænsninger, der ligger i støbeprocessen, samt internationale standarder, kundekrav og driftsforhold, skal tages i betragtning under designfasen.
Kugleventilerne udviklet i denne undersøgelse er designet til at opfylde kravene i API6D designstandarden og andre refererede standarder såsom ASME B16.10, ASME B16.5 og ASME B16.34.
Under designprocessen vil de mekaniske egenskaber af ASTM A216 Gr. WCB kvalitetsstøbt kulstofstål, som blev valgt som kropsmateriale, blev testet gennem træk- og hårdhedstest. Ud fra disse data er der udført designberegninger og analysearbejde. Statiske analyser blev udført på komponenter udsat for tryk, såsom krop, kugle og motorhjelmdel, for at undersøge de belastninger og deformationer, som disse dele oplever. På baggrund af de opnåede resultater blev det fastslået, at belastningerne på komponenterne er under materialets flydespænding, hvilket indikerer, at designet er særdeles velegnet med hensyn til tryk. Statiske analysesimuleringer blev sat til 1,5 gange ventilens arbejdstryk (19,6 Bar), hvilket svarer til 29,4~30 Bar, som specificeret i standarderne. Designberegninger er udført i overensstemmelse med kravene specificeret i API6D og ASME B16.34 standarder. Dataene opnået fra disse beregninger stemmer overens med resultaterne af statiske analysesimuleringer udført på computeren. Som et resultat af disse bestræbelser er designet blevet teoretisk valideret, og der er udviklet et ventildesign, der sikrer maksimal effektivitet under driftsforhold. Alt arbejde udført på dette stadium blev dokumenteret, hvilket resulterede i oprettelsen af en designpakke.
Efter at have afsluttet det endelige designarbejde blev modelproduktionsprocessen for de krops- og motorhjelmdele, der skulle fremstilles ved hjælp af støbemetoden, igangsat. I denne proces blev modeldata oprettet med bearbejdnings- og krympetilskud i henhold til EN 8062-3 standardkravene. For at opretholde maksimal produktionseffektivitet under designfasen blev mængden af bearbejdede overflader holdt på et minimum. Denne proces blev dog udført på en måde, der ikke påvirkede produktkvaliteten negativt i overensstemmelse med standardkravene.
Studier til udvikling af støbemetoder
Støbesimuleringer er blevet udført for at forhindre defekter såsom krympning og gasporøsitet, samt negative effekter som interne spændinger, i krops- og motorhjelmens dele, der skal fremstilles ved brug af sandstøbemetoder. Ud over disse simuleringer blev feeder- og feederafstandsberegninger gennemført for at opretholde et produktivt Net/Brute-forhold og sikre støbning af høj-kvalitet. Størkningsgradienter og fyldningssimuleringer af smeltet stål blev udført med Novacast. Foder- og løberdesign blev optimeret baseret på disse simuleringer, hvilket førte til udviklingen af en optimal støbemetode.
Der blev foretaget forbedringer af designet baseret på støbesimuleringer for at sikre retningsbestemt størkning og minimere sandsynligheden for hot spots. Alt simuleringsarbejde blev omhyggeligt dokumenteret og inkluderet i designpakken.
Derudover blev støbemetodeformularer skabt og dokumenteret for at definere feeders, sandblandinger og kølesystemer med det formål at forhindre forvirring i produktionsfasen.
Målet med disse bestræbelser er at opnå høj-kvalitetsproduktion med lave skrotmængder ved hjælp af den udviklede model og støbemetode. Forud for støbesimulerings- og beregningsundersøgelserne blev der observeret hot spots og krympehulrum i de områder, der er angivet i billederne af de støbte dele. Ikke-destruktiv test (NDT) blev udført på de støbte dele før simuleringen, og de afvigelser, der blev identificeret i simuleringen, blev konkret opdaget. Svindhuler opstod i områder fjernt fra fødere, og hvor modulhøjden var høj. På grund af turbulens under fyldningen af formen blev der desuden observeret gashulrum på forskellige punkter på delene. Alle disse diskontinuiteter blev opdaget gennem væskegennemtrængningsprøver og radiografiske inspektioner udført som en del af NDT-arbejdet. De relevante områder af delene blev opdelt for at bekræfte disse uoverensstemmelser. Nedenfor deles billeder af delene, som blev undersøgt ved hjælp af kul-elektronmikroskopi efter NDT-testene.
Som et resultat af NDT- og simuleringsundersøgelserne blev der genereret nye modeldata, der adresserede spørgsmål såsom retningsbestemt størkning, der kunne skabe defekter. Efter oprettelsen af de nye data blev fejl som svind og gashulrum i de støbte dele løst.
Test- og valideringsproces
Efter afslutning af støbe-, bearbejdnings- og montagefaserne skal ventilerne testes for at sikre, at de opfylder de relevante standardkrav. I henhold til API6D-designstandardkravene skal ventiler gennemgå tryk- og lækagetest. Prototypeventilerne udviklede med succes bestået tryk- og lækagetest udført ved 1,5 gange arbejdstrykket (19,6 Bar), hvilket er cirka 29,4~30 Bar. De teoretisk beregnede åbnings- og lukkemomentværdier blev også målt og verificeret under designberegningsfasen. Ud over de test, der er udført på selve ventilen, er der udført træktest, kemiske analyser, hårdhedstest og andre tests på de delkomponenter, der anvendes i ventilsamlingen for at sikre, at alle standardkrav blev opfyldt.
Eksempel på modelbillede
Konklusion
Denne undersøgelse havde til formål at forklare bidragene fra avancerede computerstøttede-ingeniørapplikationer og de positive virkninger af moderne produktudviklingsprocesser ud over traditionelle produktudviklingsteknikker. Design- og støbemetodeberegninger blev valideret ved hjælp af simuleringsprogrammer for at skabe den bedst egnede design- og produktionsmetode. Data opnået fra beregninger og simuleringer blev konkret testet og valideret efter prototypeproduktion. Som et resultat af disse bestræbelser er der udviklet API6D-kugleventiler af høj-kvalitet og langvarig-tid, som fuldt ud opfylder standarder, markeds- og kundekrav.
Udvikling og fremtidsudsigt
Fremskridt inden for smeltet salt-teknologier driver betydelig innovation i ventilindustrien, især for Concentrated Solar Power (CSP) applikationer. Disse fremskridt kræver ventiler, der er i stand til at modstå ekstreme temperaturer, korrosive miljøer og strenge driftsforhold.