Передовые разработки для конструкции шарового крана API6D
Методика проектирования и литья имеет большое значение для качества и срока службы клапана. При разработке и производстве клапанов, используемых в нефтегазовой промышленности, таких как шаровые краны API6D, эти методологии положительно влияют на процесс разработки приложений, включая статический анализ, анализ потока и литья, обеспечивая при этом валидацию и надежность продукции.
Клапаны используются в различных отраслях промышленности, включая нефтяную, газовую, химическую, морскую и другие, для обеспечения безопасного управления потоком. Различные типы клапанов были разработаны в зависимости от трубопроводов, в которых они используются, свойств жидкостей и условий окружающей среды.
Производство и проверка этих клапанов в соответствии с международными стандартами и правилами имеет решающее значение для удовлетворения как производственных, так и экологических требований, а также обеспечения безопасности пользователей. Стандарт API6D, установленный Американским институтом нефти, определяет требования к трубопроводам и используемой в них арматуре. Арматура, используемая в нефте- и газопроводах, должна быть изготовлена с учетом всех требований, с учетом как химических свойств жидкостей, так и их экономической ценности.
Целью этой статьи является описание передовых инженерных работ, связанных с этапами проектирования и производства шаровых кранов, соответствующих API6D, которые проектируются, производятся и тестируются в нашей компании. В нем также объясняются дефекты литья, возникающие на этапе производства, и улучшения, внесенные в методологию литья.
Процесс проектирования клапана
Клапаны, в зависимости от отрасли, в которой они используются, могут подвергаться воздействию таких условий, как высокое давление, агрессивная среда, высокие температуры и многое другое. Поэтому клапаны должны проектироваться и изготавливаться с учетом этих условий. Из-за сложных условий эксплуатации и сложной геометрии некоторые клапаны изготавливаются методом литья. На этапе проектирования необходимо учитывать трудности и ограничения, присущие процессу литья, а также международные стандарты, требования заказчика и условия эксплуатации.
Шаровые краны, разработанные в этом исследовании, были разработаны в соответствии с требованиями стандарта проектирования API6D и других стандартов, таких как ASME B16.10, ASME B16.5 и ASME B16.34.
В процессе проектирования механические свойства ASTM A216 Gr. Литая углеродистая сталь качества WCB, выбранная в качестве материала корпуса, прошла испытания на растяжение и твердость. На основе этих данных были проведены проектные расчеты и аналитические работы. Статический анализ был выполнен на компонентах, подвергающихся давлению, таких как корпус, сфера и часть крышки, для изучения нагрузок и деформаций, испытываемых этими деталями. На основании полученных результатов было установлено, что нагрузки, приложенные к компонентам, ниже предела текучести материала, что свидетельствует о высокой пригодности конструкции по давлению. Моделирование статического анализа было настроено на 1,5-кратное рабочее давление клапана (19,6 бар), что соответствует 29,4–30 бар, как указано в стандартах. Проектные расчеты выполнены в соответствии с требованиями стандартов API6D и ASME B16.34. Данные, полученные в результате этих расчетов, совпадают с результатами статического анализа, проведенного на компьютере. В результате проведенных работ теоретически обоснована конструкция и разработана конструкция клапана, обеспечивающая максимальную эффективность в условиях эксплуатации. Все выполненные на этом этапе работы документировались, в результате чего был создан проектный пакет.
После завершения финальных проектных работ был начат процесс изготовления моделей деталей кузова и капота, которые будут изготавливаться методом литья. В этом процессе данные модели были созданы с учетом припусков на механическую обработку и усадку в соответствии с требованиями стандарта EN 8062-3. Для поддержания максимальной эффективности производства на этапе проектирования количество обрабатываемых поверхностей было сведено к минимуму. Однако этот процесс проводился таким образом, чтобы не оказать негативного влияния на качество продукции в соответствии с требованиями стандарта.
Исследования по разработке метода литья
Моделирование литья было проведено для предотвращения таких дефектов, как усадка и газовая пористость, а также негативных эффектов, таких как внутренние напряжения, в деталях корпуса и крышки, которые будут изготавливаться методами литья в песчаные формы. В дополнение к этому моделированию были выполнены расчеты питателя и расстояния между питателями, чтобы поддерживать продуктивное соотношение нетто/брут и гарантировать высокое-качество отливки. Градиенты затвердевания и моделирование заполнения расплавленной сталью были выполнены с использованием Novacast. На основе этого моделирования были оптимизированы конструкции питателей и литников, что привело к разработке оптимального метода разливки.
В конструкцию были внесены улучшения на основе моделирования литья, чтобы обеспечить направленное затвердевание и минимизировать вероятность возникновения горячих точек. Вся работа по моделированию была тщательно задокументирована и включена в пакет проектирования.
Кроме того, были созданы и задокументированы формы метода литья для определения питателей, песчаных смесей и систем охлаждения, чтобы избежать путаницы на этапе производства.
Целью этих усилий является достижение высококачественного-производства с низким процентом брака с использованием разработанной модели и метода литья. До моделирования литья и расчетных исследований в областях, указанных на изображениях отлитых деталей, наблюдались горячие точки и усадочные полости. Перед моделированием были проведены не-неразрушающие испытания (NDT) литых деталей, и несоответствия, выявленные в ходе моделирования, были конкретно обнаружены. Полости усадки возникали на участках, удаленных от питателей и где высота модуля была большой. Кроме того, из-за турбулентности при заполнении формы в различных точках деталей наблюдались газовые полости. Все эти несплошности были обнаружены посредством капиллярных испытаний и радиографического контроля, выполненных в рамках работ по неразрушающему контролю. Соответствующие участки деталей были разрезаны для подтверждения этих несоответствий. Ниже представлены изображения деталей, которые были исследованы с помощью углеродной-электронной микроскопии после испытаний неразрушающим контролем.
В результате исследований неразрушающего контроля и моделирования были получены новые данные модели, направленные на решение таких проблем, как направленная кристаллизация, которая может создавать дефекты. После создания новых данных были устранены такие ошибки, как усадка и газовые каверны в отлитых деталях.
Процесс тестирования и валидации
После завершения этапов литья, механической обработки и сборки клапаны должны быть проверены на предмет соответствия соответствующим стандартным требованиям. Согласно требованиям стандарта проектирования API6D, клапаны должны подвергаться испытаниям на давление и герметичность. Разработанные прототипы клапанов успешно прошли испытания на герметичность и давление, проведенные при давлении, в 1,5 раза превышающем рабочее давление (19,6 бар), что составляет примерно 29,4–30 бар. Теоретически рассчитанные значения крутящего момента открытия и закрытия также были измерены и проверены на этапе расчетов конструкции. В дополнение к испытаниям самого клапана, были проведены испытания на растяжение, химический анализ, испытания на твердость и другие испытания подкомпонентов, используемых в сборке клапана, чтобы гарантировать соблюдение всех стандартных требований.
Пример изображения модели
Заключение
Целью этого исследования было объяснить вклад передовых-инженерных приложений и положительное влияние современных процессов разработки продуктов в дополнение к традиционным методам разработки продуктов. Расчеты методов проектирования и литья были проверены с использованием программ моделирования для создания наиболее подходящего метода проектирования и производства. Данные, полученные в результате расчетов и моделирования, были конкретно проверены и подтверждены после изготовления прототипа. В результате этих усилий были разработаны высококачественные и долговечные-шаровые краны API6D, полностью соответствующие стандартам, требованиям рынка и клиентов.
События и перспективы на будущее
Достижения в области технологий расплавленной соли стимулируют значительные инновации в отрасли клапанов, особенно в области применения концентрированной солнечной энергии (CSP). Эти достижения требуют клапанов, способных выдерживать экстремальные температуры, агрессивные среды и жесткие условия эксплуатации.