Napredni inženjering za dizajn kuglastih ventila API6D
Projektovanje i metodologija livenja su od velikog značaja za kvalitet ventila i životni vek. U razvoju i proizvodnji ventila koji se koriste u industriji nafte i plina, kao što su kuglični ventili API6D, ove metodologije pozitivno utječu na proces razvoja aplikacija uključujući statičku analizu, analizu protoka i livenja, istovremeno osiguravajući validaciju i pouzdanost proizvoda.
Ventili se koriste u raznim industrijama, uključujući naftu, prirodni gas, hemikalije, pomorstvo i druge, kako bi se osigurala sigurna kontrola protoka. Različiti tipovi ventila su razvijeni na osnovu cevovoda u kojima se koriste, svojstava fluida i uslova okoline.
Proizvodnja i validacija ovih ventila u skladu sa međunarodnim standardima i propisima je ključna za ispunjavanje i proizvodnih i ekoloških zahteva, kao i za sigurnost korisnika. Standard API6D, koji je uspostavio Američki institut za naftu, specificira zahtjeve za cjevovode i ventile koji se u njima koriste. Ventili koji se koriste u cevovodima za naftu i prirodni gas moraju biti proizvedeni tako da ispunjavaju sve zahteve, uzimajući u obzir i hemijska svojstva fluida i njihovu ekonomsku vrednost.
Ovaj članak ima za cilj da opiše napredne inženjerske radove uključene u faze projektovanja i razvoja proizvodnje kugličnih ventila usklađenih sa API6D, koji su dizajnirani, proizvedeni i testirani u našoj kompaniji. Takođe objašnjava nedostatke livenja na koje se susreću tokom faze proizvodnje i poboljšanja u metodologiji livenja.
Proces projektovanja ventila
Ventili, ovisno o sektoru u kojem se koriste, mogu biti izloženi uvjetima kao što su visoki tlak, korozivna sredina, visoke temperature i drugo. Stoga ventili moraju biti projektovani i proizvedeni uzimajući u obzir ove uslove. Zbog izazovnih radnih uslova i složene geometrije, neki ventili se proizvode metodom livenja. Poteškoće i ograničenja svojstvena procesu livenja, kao i međunarodni standardi, zahtevi kupaca i uslovi rada, moraju se uzeti u obzir tokom faze projektovanja.
Kuglasti ventili razvijeni u ovoj studiji dizajnirani su da zadovolje zahtjeve standarda za dizajn API6D i drugih referentnih standarda kao što su ASME B16.10, ASME B16.5 i ASME B16.34.
Tokom procesa projektovanja, mehanička svojstva ASTM A216 Gr. Kvalitetni liveni ugljični čelik WCB, koji je odabran kao materijal karoserije, testiran je testovima zatezanja i tvrdoće. Na osnovu ovih podataka izvršeni su projektni proračuni i analiza. Izvršene su statičke analize komponenti izloženih pritisku, kao što su tijelo, kugla i dio haube, kako bi se ispitala opterećenja i deformacije koje su ovi dijelovi imali. Na temelju dobivenih rezultata utvrđeno je da su opterećenja koja se primjenjuju na komponente ispod granice popuštanja materijala, što ukazuje da je konstrukcija vrlo pogodna u pogledu pritiska. Simulacije statičke analize su postavljene na 1,5 puta veći radni pritisak ventila (19,6 bara), što odgovara 29,4~30 bara, kako je navedeno u standardima. Projektni proračuni su izvedeni u skladu sa zahtjevima navedenim u standardima API6D i ASME B16.34. Podaci dobijeni ovim proračunima usklađeni su s rezultatima simulacija statičke analize provedene na računaru. Kao rezultat ovih napora, dizajn je teoretski validiran i razvijen je dizajn ventila koji osigurava maksimalnu efikasnost u radnim uslovima. Svi obavljeni radovi u ovoj fazi su dokumentovani, što je rezultiralo kreiranjem paketa dizajna.
Nakon završetka završnog dizajna, započet je proces proizvodnje modela za dijelove karoserije i haube koji će se proizvoditi metodom livenja. U ovom procesu kreirani su podaci o modelu s dopuštenjima za obradu i skupljanje u skladu sa zahtjevima standarda EN 8062-3. Da bi se održala maksimalna efikasnost proizvodnje tokom faze projektovanja, količina obrađenih površina je svedena na minimum. Međutim, ovaj proces je izveden na način koji nije negativno utjecao na kvalitetu proizvoda u skladu sa zahtjevima standarda.
Studije razvoja metode livenja
Simulacije livenja su sprovedene kako bi se sprečili defekti kao što su skupljanje i poroznost gasa, kao i negativni efekti kao što su unutrašnji naponi, u telu i delovima poklopca koji će se proizvoditi metodama livenja u pesak. Pored ovih simulacija, izvršeni su proračuni udaljenosti dovoda i ulagača kako bi se održao produktivan omjer Neto/Brute i osigurao-kvalitetno bacanje. Gradijent skrućivanja i simulacije punjenja rastopljenim čelikom izvedene su pomoću Novacasta. Na osnovu ovih simulacija optimizovani su dizajn ulagača i klizača, što je dovelo do razvoja optimalne metode livenja.
Napravljena su poboljšanja u dizajnu zasnovana na simulacijama livenja kako bi se osiguralo usmjereno skrućivanje i smanjila vjerovatnoća vrućih tačaka. Sav simulacijski rad je pomno dokumentiran i uključen u projektni paket.
Dodatno, kreirani su i dokumentovani obrasci metode livenja kako bi se definisali hranilice, mešavine peska i sistemi za hlađenje, sa ciljem sprečavanja zabune tokom faze proizvodnje.
Cilj ovih napora je postizanje visoko-kvalitetne proizvodnje uz nisku stopu otpada koristeći razvijeni model i metodu livenja. Prije simulacije livenja i proračunskih studija, uočene su vruće tačke i šupljine skupljanja u područjima naznačenim na vizualnim prikazima livenih dijelova. Ne-Nerazarajuće ispitivanje (NDT) je izvršeno na livenim dijelovima prije simulacije, a odstupanja utvrđena u simulaciji su konkretno otkrivena. Šupljine skupljanja su se pojavile u područjima udaljenim od dovoda i gdje je visina modula bila velika. Dodatno, zbog turbulencije prilikom punjenja kalupa, uočene su plinske šupljine na različitim mjestima na dijelovima. Svi ovi diskontinuiteti otkriveni su testovima penetracije tekućine i radiografskim pregledima koji su obavljeni u sklopu NDT rada. Relevantna područja dijelova su podijeljena kako bi se potvrdila ova odstupanja. U nastavku se dijele slike dijelova, koji su ispitani ugljičnom-elektronskom mikroskopom nakon NDT testova.
Kao rezultat NDT i simulacijskih studija, generirani su novi podaci o modelu koji se bave pitanjima kao što je usmjereno skrućivanje koje bi moglo stvoriti defekte. Nakon kreiranja novih podataka, otklonjene su greške kao što su skupljanje i plinovite šupljine u livenim dijelovima.
Proces testiranja i validacije
Nakon završetka faza livenja, obrade i montaže, ventili se moraju testirati kako bi se osiguralo da ispunjavaju relevantne standardne zahtjeve. Prema zahtjevima standarda dizajna API6D, ventili moraju biti podvrgnuti ispitivanju tlaka i curenja. Razvijeni prototip ventila uspješno je prošao testove tlaka i curenja pri 1,5 puta većem od radnog pritiska (19,6 bara), što je približno 29,4~30 bara. Teoretski izračunate vrijednosti momenta otvaranja i zatvaranja također su izmjerene i verificirane u fazi proračuna projekta. Pored ispitivanja izvršenih na samom ventilu, na podkomponentama koje se koriste u sklopu ventila obavljena su zatezna ispitivanja, hemijske analize, testovi tvrdoće i druga ispitivanja kako bi se osiguralo da su ispunjeni svi standardni zahtjevi.
Uzorak slike modela
Zaključak
Ova studija je imala za cilj da objasni doprinose naprednih inženjerskih aplikacija{0}}potpomognutih računarom i pozitivne efekte savremenih procesa razvoja proizvoda, pored tradicionalnih tehnika razvoja proizvoda. Proračuni metode projektovanja i livenja su validirani korišćenjem simulacionih programa kako bi se kreirala najprikladnija metoda projektovanja i proizvodnje. Podaci dobiveni iz proračuna i simulacija su konkretno testirani i validirani nakon proizvodnje prototipa. Kao rezultat ovih napora, razvijeni su visoko-kvalitetni i dugotrajni- API6D kuglični ventili, koji u potpunosti ispunjavaju standarde, zahtjeve tržišta i kupaca.
Razvoj i izgledi za budućnost
Napredak u tehnologijama rastaljene soli pokreće značajne inovacije u industriji ventila, posebno za aplikacije koncentrisane solarne energije (CSP). Ova poboljšanja zahtijevaju ventile sposobne da izdrže ekstremne temperature, korozivna okruženja i rigorozne uslove rada.