Pokročilé inženýrství pro návrh kulového ventilu API6D

Design a metodika odlévání jsou velmi důležité pro kvalitu a životnost ventilu. Při vývoji a výrobě ventilů používaných v ropném a plynárenském průmyslu, jako jsou kulové ventily API6D, tyto metodiky pozitivně ovlivňují proces vývoje aplikací včetně statické, průtokové a odlévací analýzy a zároveň zajišťují validaci a spolehlivost produktů.

Ventily se používají v různých průmyslových odvětvích, včetně ropy, zemního plynu, chemikálií, námořní dopravy a dalších, aby bylo zajištěno bezpečné řízení průtoku. Byly vyvinuty různé typy ventilů na základě potrubí, ve kterých se používají, vlastností kapalin a podmínek prostředí.

Výroba a ověřování těchto ventilů v souladu s mezinárodními normami a předpisy je zásadní pro splnění požadavků výroby a ochrany životního prostředí a také pro zajištění bezpečnosti uživatele. Standard API6D, zavedený American Petroleum Institute, specifikuje požadavky na potrubí a ventily v nich používané. Ventily používané v potrubích na ropu a zemní plyn musí být vyrobeny tak, aby splňovaly všechny požadavky s ohledem jak na chemické vlastnosti kapalin, tak na jejich ekonomické hodnoty.

Tento článek si klade za cíl popsat pokročilou inženýrskou práci související s návrhem a vývojem výroby kulových kohoutů vyhovujících API6D, které jsou navrženy, vyráběny a testovány v naší společnosti. Vysvětluje také vady odlitku, které se vyskytly během výrobní fáze, a vylepšení provedená v metodice odlévání.

Proces návrhu ventilu

Ventily, v závislosti na sektoru, ve kterém se používají, mohou být vystaveny podmínkám, jako je vysoký tlak, korozivní prostředí, vysoké teploty a další. Proto musí být ventily navrženy a vyrobeny s ohledem na tyto podmínky. Kvůli náročným provozním podmínkám a složitým geometriím jsou některé ventily vyráběny metodou odlévání. Ve fázi návrhu je třeba vzít v úvahu obtíže a omezení spojená s procesem odlévání, stejně jako mezinárodní normy, požadavky zákazníků a provozní podmínky.

Kulové kohouty vyvinuté v této studii byly navrženy tak, aby splňovaly požadavky konstrukční normy API6D a dalších referenčních norem, jako jsou ASME B16.10, ASME B16.5 a ASME B16.34.

Během procesu návrhu byly mechanické vlastnosti ASTM A216 Gr. Kvalitní litá uhlíková ocel WCB, která byla vybrána jako materiál těla, byla testována pomocí zkoušek tahu a tvrdosti. Na základě těchto dat byly provedeny konstrukční výpočty a analytické práce. Statické analýzy byly provedeny na součástech vystavených tlaku, jako je karoserie, koule a část kapoty, aby se prověřilo zatížení a deformace, kterým tyto části působí. Na základě získaných výsledků bylo stanoveno, že zatížení působící na součásti jsou pod mezí kluzu materiálu, což naznačuje, že konstrukce je z hlediska tlaku vysoce vhodná. Simulace statické analýzy byly nastaveny na 1,5násobek pracovního tlaku ventilu (19,6 bar), což odpovídá 29,4~30 bar, jak je uvedeno v normách. Návrhové výpočty byly provedeny v souladu s požadavky specifikovanými v normách API6D a ASME B16.34. Data získaná z těchto výpočtů jsou v souladu s výsledky simulací statické analýzy provedených na počítači. V důsledku těchto snah byla konstrukce teoreticky ověřena a byla vyvinuta konstrukce ventilu, která zajišťuje maximální účinnost za provozních podmínek. Veškerá práce provedená v této fázi byla zdokumentována, výsledkem bylo vytvoření designového balíčku.

Po dokončení finálních konstrukčních prací byl zahájen proces výroby modelu dílů karoserie a kapoty, které mají být vyrobeny metodou odlévání. V tomto procesu byla vytvořena data modelu s přídavky na obrábění a smrštění poskytnutými podle požadavků normy EN 8062-3. Pro zachování maximální efektivity výroby ve fázi návrhu bylo množství obrobených ploch omezeno na minimum. Tento proces byl však proveden způsobem, který neovlivnil nepříznivě kvalitu produktu v souladu s požadavky normy.

Studie vývoje metody odlévání

Byly provedeny simulace odlévání, aby se předešlo defektům, jako je smrštění a poréznost plynu, a také negativním účinkům, jako je vnitřní pnutí, v částech karoserie a kapoty, které se mají vyrábět pomocí metod lití do písku. Kromě těchto simulací byly dokončeny výpočty vzdálenosti podavače a podavače, aby se zachoval produktivní poměr Net/Brute a zajistil se vysoce-kvalitní odlitek. Gradienty tuhnutí a simulace plnění roztavenou ocelí byly provedeny pomocí Novacast. Na základě těchto simulací byly optimalizovány konstrukce podavače a žlabu, což vedlo k vývoji optimální metody odlévání.

Na základě simulací lití byla provedena vylepšení návrhu, aby bylo zajištěno směrové tuhnutí a minimalizována pravděpodobnost horkých míst. Všechny simulační práce byly pečlivě zdokumentovány a zahrnuty do návrhového balíčku.

Kromě toho byly vytvořeny a zdokumentovány formy způsobu odlévání pro definování podavačů, pískových směsí a chladicích systémů s cílem zabránit záměně během výrobní fáze.

Cílem těchto snah je dosáhnout vysoce-kvalitní výroby s nízkou zmetkovitostí pomocí vyvinutého modelu a metody odlévání. Před studiem simulace odlévání a výpočtů byla pozorována horká místa a smršťovací dutiny v oblastech naznačených na vizuálech odlitků. Ne-destruktivní testování (NDT) bylo provedeno na odlévaných dílech před simulací a nesrovnalosti zjištěné v simulaci byly konkrétně zjištěny. Smršťovací dutiny se vyskytovaly v oblastech vzdálených od podavačů a tam, kde byla výška modulu vysoká. Navíc v důsledku turbulencí během plnění formy byly na různých místech na součástech pozorovány plynové dutiny. Všechny tyto diskontinuity byly detekovány pomocí kapalných penetračních testů a radiografických kontrol prováděných v rámci NDT práce. Příslušné oblasti dílů byly rozděleny, aby se potvrdily tyto nesrovnalosti. Níže jsou sdíleny snímky dílů, které byly po testech NDT zkoumány pomocí uhlíkové-elektronové mikroskopie.

Výsledkem NDT a simulačních studií byla nová modelová data, která se zabývala problémy, jako je směrové tuhnutí, které by mohlo způsobit defekty. Po vytvoření nových dat byly vyřešeny chyby jako smrštění a plynové dutiny v odlitcích.

Proces testování a validace

Po dokončení fází odlévání, obrábění a montáže musí být ventily otestovány, aby se zajistilo, že splňují příslušné standardní požadavky. Podle požadavků konstrukční normy API6D musí ventily projít tlakovými zkouškami a zkouškami těsnosti. Vyvinuté prototypové ventily úspěšně prošly tlakovými a těsnými testy provedenými při 1,5násobku pracovního tlaku (19,6 barů), což je přibližně 29,4~30 barů. Teoreticky vypočtené hodnoty otvíracího a zavíracího momentu byly rovněž změřeny a ověřeny ve fázi návrhu návrhu. Kromě zkoušek provedených na samotném ventilu byly provedeny zkoušky tahem, chemické analýzy, zkoušky tvrdosti a další zkoušky na dílčích součástech použitých v sestavě ventilu, aby bylo zajištěno splnění všech standardních požadavků.

Ukázkový obrázek modelu

Závěr

Cílem této studie bylo vysvětlit přínosy pokročilých počítačových{0}}inženýrských aplikací a pozitivní účinky moderních procesů vývoje produktů, kromě tradičních technik vývoje produktů. Výpočty konstrukční a odlévací metody byly ověřeny pomocí simulačních programů pro vytvoření nejvhodnější konstrukční a výrobní metody. Data získaná z výpočtů a simulací byla po výrobě prototypu konkrétně testována a validována. V důsledku tohoto úsilí byly vyvinuty vysoce-kvalitní a dlouhotrvající{5}}kulové ventily API6D, které plně splňují standardy, požadavky trhu a zákazníků.

Vývoj a výhled do budoucna

Pokroky v technologiích roztavené soli jsou hnací silou významných inovací v průmyslu ventilů, zejména pro aplikace koncentrované solární energie (CSP). Tato vylepšení vyžadují ventily schopné odolat extrémním teplotám, korozivnímu prostředí a náročným provozním podmínkám.