Ingeniería avanzada para el diseño de válvulas de bola API6D
La metodología de diseño y fundición son de gran importancia para la calidad y la vida útil de la válvula. En el desarrollo y producción de válvulas utilizadas en la industria del petróleo y el gas, como las válvulas de bola API6D, estas metodologías influyen positivamente en el proceso de desarrollo de aplicaciones, incluido el análisis estático, de flujo y de fundición, al tiempo que garantizan la validación y confiabilidad de los productos.
Las válvulas se utilizan en diversas industrias, incluidas las de petróleo, gas natural, productos químicos, marina y otras, para garantizar un control de flujo seguro. Se han desarrollado diferentes tipos de válvulas en función de las tuberías en las que se utilizan, las propiedades de los fluidos y las condiciones ambientales.
Producir y validar estas válvulas de acuerdo con las normas y regulaciones internacionales es crucial para cumplir con los requisitos ambientales y de producción, así como para garantizar la seguridad del usuario. El estándar API6D, establecido por el Instituto Americano del Petróleo, especifica los requisitos para las tuberías y las válvulas utilizadas en ellas. Las válvulas utilizadas en oleoductos y gasoductos naturales deben fabricarse para cumplir con todos los requisitos, considerando tanto las propiedades químicas de los fluidos como sus valores económicos.
Este artículo tiene como objetivo describir el trabajo de ingeniería avanzado involucrado en las etapas de diseño y desarrollo de producción de válvulas de bola que cumplen con API6D, que se diseñan, producen y prueban dentro de nuestra empresa. También explica los defectos de fundición encontrados durante la fase de producción y las mejoras realizadas en la metodología de fundición.
Proceso de diseño de válvulas.
Las válvulas, dependiendo del sector en el que se utilicen, pueden estar expuestas a condiciones como alta presión, ambientes corrosivos, altas temperaturas y más. Por lo tanto, las válvulas deben diseñarse y fabricarse considerando estas condiciones. Debido a las difíciles condiciones de funcionamiento y a las geometrías complejas, algunas válvulas se fabrican mediante métodos de fundición. Durante la fase de diseño se deben tener en cuenta las dificultades y limitaciones inherentes al proceso de fundición, así como las normas internacionales, los requisitos del cliente y las condiciones de operación.
Las válvulas de bola desarrolladas en este estudio han sido diseñadas para cumplir con los requisitos de la norma de diseño API6D y otras normas de referencia como ASME B16.10, ASME B16.5 y ASME B16.34.
Durante el proceso de diseño, las propiedades mecánicas de ASTM A216 Gr. El acero al carbono fundido de calidad WCB, que se eligió como material de la carrocería, se probó mediante pruebas de tracción y dureza. A partir de estos datos se realizaron cálculos de diseño y trabajos de análisis. Se realizaron análisis estáticos de componentes expuestos a presión, como el cuerpo, la esfera y la parte del capó, para examinar las cargas y deformaciones experimentadas por estas piezas. Con base en los resultados obtenidos se determinó que las cargas aplicadas a los componentes están por debajo del límite elástico del material, lo que indica que el diseño es altamente adecuado en términos de presión. Las simulaciones de análisis estático se establecieron en 1,5 veces la presión de trabajo de la válvula (19,6 bar), lo que corresponde a 29,4~30 bar, como se especifica en las normas. Los cálculos de diseño se han realizado de acuerdo con los requisitos especificados en las normas API6D y ASME B16.34. Los datos obtenidos de estos cálculos se alinean con los resultados de las simulaciones de análisis estático realizadas en la computadora. Como resultado de estos esfuerzos, el diseño ha sido validado teóricamente y se ha desarrollado un diseño de válvula que garantiza la máxima eficiencia en condiciones operativas. Todo el trabajo realizado en esta etapa fue documentado, dando como resultado la creación de un paquete de diseño.
Después de completar el trabajo de diseño final, se inició el proceso de producción del modelo de las piezas de la carrocería y el capó que se fabricarán mediante el método de fundición. En este proceso, los datos del modelo se crearon con tolerancias de mecanizado y contracción proporcionadas de acuerdo con los requisitos de la norma EN 8062-3. Para mantener la máxima eficiencia de producción durante la fase de diseño, la cantidad de superficies mecanizadas se mantuvo al mínimo. Sin embargo, este proceso se llevó a cabo de una manera que no afectó negativamente a la calidad del producto de acuerdo con los requisitos estándar.
Estudios de desarrollo de métodos de fundición.
Se han realizado simulaciones de fundición para evitar defectos como la contracción y la porosidad del gas, así como efectos negativos como tensiones internas, en las piezas del cuerpo y del capó que se producirán utilizando métodos de fundición en arena. Además de estas simulaciones, se completaron cálculos del alimentador y de la distancia del alimentador para mantener una relación neta/bruta productiva y garantizar una fundición de alta-calidad. Los gradientes de solidificación y las simulaciones de llenado de acero fundido se realizaron utilizando Novacast. Los diseños de alimentadores y corredores se optimizaron en base a estas simulaciones, lo que llevó al desarrollo de un método de fundición óptimo.
Se realizaron mejoras en el diseño basadas en simulaciones de fundición para garantizar la solidificación direccional y minimizar la probabilidad de puntos calientes. Todo el trabajo de simulación fue meticulosamente documentado e incluido en el paquete de diseño.
Además, se crearon y documentaron formularios de métodos de fundición para definir alimentadores, mezclas de arena y sistemas de enfriamiento, con el objetivo de evitar confusiones durante la fase de producción.
El objetivo de estos esfuerzos es lograr una producción de alta-calidad con bajas tasas de desperdicio utilizando el modelo y el método de fundición desarrollados. Antes de los estudios de cálculo y simulación de fundición, se observaron puntos calientes y cavidades de contracción en las regiones indicadas en las imágenes de las piezas fundidas. Antes de la simulación se realizaron pruebas no destructivas (END) en las piezas fundidas y se detectaron concretamente las discrepancias identificadas en la simulación. Se produjeron cavidades de contracción en áreas alejadas de los alimentadores y donde la altura del módulo era alta. Además, debido a las turbulencias durante el llenado del molde, se observaron cavidades de gas en varios puntos de las piezas. Todas estas discontinuidades fueron detectadas mediante pruebas de líquidos penetrantes e inspecciones radiográficas realizadas como parte del trabajo de END. Las áreas relevantes de las piezas fueron seccionadas para confirmar estas discrepancias. A continuación, se comparten imágenes de las piezas, que se examinaron mediante microscopía electrónica de carbono-después de las pruebas de END.
Como resultado de los estudios de simulación y END, se generaron nuevos datos de modelos que abordaron cuestiones como la solidificación direccional que podría crear defectos. Tras la creación de los nuevos datos, se resolvieron errores como la contracción y las cavidades de gas en las piezas fundidas.
Proceso de prueba y validación
Después de completar las fases de fundición, mecanizado y montaje, las válvulas deben probarse para garantizar que cumplen con los requisitos estándar pertinentes. De acuerdo con los requisitos de la norma de diseño API6D, las válvulas deben someterse a pruebas de presión y fugas. Las válvulas prototipo desarrolladas superaron con éxito las pruebas de presión y fugas realizadas a 1,5 veces la presión de trabajo (19,6 bar), que es aproximadamente 29,4~30 bar. Los valores de par de apertura y cierre calculados teóricamente también se midieron y verificaron durante la fase de cálculo del diseño. Además de las pruebas realizadas en la propia válvula, se realizaron pruebas de tracción, análisis químicos, pruebas de dureza y otras pruebas en los subcomponentes utilizados en el conjunto de la válvula para garantizar que se cumplieran todos los requisitos estándar.
Imagen de modelo de muestra
Conclusión
Este estudio tuvo como objetivo explicar las contribuciones de las aplicaciones avanzadas-de ingeniería asistida por computadora y los efectos positivos de los procesos modernos de desarrollo de productos, además de las técnicas tradicionales de desarrollo de productos. Los cálculos del método de diseño y fundición se validaron mediante programas de simulación para crear el método de diseño y producción más adecuado. Los datos obtenidos a partir de cálculos y simulaciones se probaron y validaron concretamente después de la producción del prototipo. Como resultado de estos esfuerzos, se han desarrollado válvulas de bola API6D de alta-calidad y-duración, que cumplen plenamente con los estándares, el mercado y los requisitos de los clientes.
Desarrollos y perspectivas de futuro
Los avances en las tecnologías de sales fundidas están impulsando una innovación significativa en la industria de las válvulas, especialmente para aplicaciones de energía solar concentrada (CSP). Estos avances exigen válvulas capaces de soportar temperaturas extremas, entornos corrosivos y condiciones operativas rigurosas.