مهندسی پیشرفته برای طراحی شیر توپی API6D

روش طراحی و ریخته گری برای کیفیت و طول عمر شیر از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. در توسعه و تولید شیرهای مورد استفاده در صنعت نفت و گاز، مانند شیرهای توپی API6D، این روش‌ها به طور مثبت بر روند توسعه برنامه‌های کاربردی از جمله تجزیه و تحلیل استاتیک، جریان و ریخته‌گری تأثیر می‌گذارند و در عین حال اعتبار و قابلیت اطمینان محصولات را تضمین می‌کنند.

شیرها در صنایع مختلف از جمله نفت، گاز طبیعی، مواد شیمیایی، دریایی و غیره برای اطمینان از کنترل جریان ایمن استفاده می شوند. انواع مختلفی از شیرها بر اساس خطوط لوله ای که در آنها استفاده می شوند، خواص سیالات و شرایط محیطی ایجاد شده اند.

تولید و اعتبار سنجی این شیرها مطابق با استانداردها و مقررات بین المللی برای برآوردن الزامات تولید و محیط زیست و همچنین تضمین ایمنی کاربر بسیار مهم است. استاندارد API6D که توسط موسسه نفت آمریکا ایجاد شده است، الزامات خطوط لوله و شیرهای مورد استفاده در آنها را مشخص می کند. شیرهای مورد استفاده در خطوط لوله نفت و گاز طبیعی باید به گونه ای ساخته شوند که تمامی الزامات را با در نظر گرفتن خواص شیمیایی سیالات و ارزش اقتصادی آنها برآورده کنند.

هدف این مقاله توصیف کار مهندسی پیشرفته در مراحل طراحی و توسعه تولید شیرهای توپی سازگار با API6D است که در شرکت ما طراحی، تولید و آزمایش شده‌اند. همچنین عیوب ریخته‌گری که در مرحله تولید با آن مواجه می‌شوند و پیشرفت‌های ایجاد شده در روش ریخته‌گری را توضیح می‌دهد.

فرآیند طراحی سوپاپ

سوپاپ ها بسته به بخشی که در آن استفاده می شوند، ممکن است در معرض شرایطی مانند فشار بالا، محیط های خورنده، دمای بالا و موارد دیگر قرار گیرند. بنابراین شیرآلات باید با در نظر گرفتن این شرایط طراحی و ساخته شوند. با توجه به شرایط عملیاتی چالش برانگیز و هندسه های پیچیده، برخی از شیرها با استفاده از روش های ریخته گری تولید می شوند. مشکلات و محدودیت های ذاتی فرآیند ریخته گری و همچنین استانداردهای بین المللی، الزامات مشتری و شرایط عملیاتی باید در مرحله طراحی در نظر گرفته شوند.

دریچه‌های توپی توسعه‌یافته در این مطالعه برای برآوردن الزامات استاندارد طراحی API6D و سایر استانداردهای مرجع مانند ASME B16.10، ASME B16.5 و ASME B16.34 طراحی شده‌اند.

در طول فرآیند طراحی، خواص مکانیکی ASTM A216 Gr. فولاد کربنی ریخته گری با کیفیت WCB که به عنوان ماده بدنه انتخاب شد، از طریق آزمون های کششی و سختی مورد آزمایش قرار گرفت. محاسبات طراحی و کار تجزیه و تحلیل بر اساس این داده ها انجام شد. آنالیزهای استاتیکی بر روی اجزای در معرض فشار مانند بدنه، کره و قسمت کاپوت انجام شد تا بارها و تغییر شکل‌های تجربه شده توسط این قطعات بررسی شود. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده مشخص شد که بارهای وارد شده به اجزای سازنده کمتر از مقاومت تسلیم ماده است که نشان می‌دهد طراحی از نظر فشار بسیار مناسب است. شبیه‌سازی‌های آنالیز استاتیکی بر روی 1.5 برابر فشار کاری شیر (19.6 بار)، که مطابق با 29.4 تا 30 بار است، مطابق استانداردها تنظیم شد. محاسبات طراحی مطابق با الزامات مشخص شده در استانداردهای API6D و ASME B16.34 انجام شده است. داده‌های به‌دست‌آمده از این محاسبات با نتایج شبیه‌سازی‌های تحلیل استاتیکی انجام‌شده بر روی رایانه مطابقت دارد. در نتیجه این تلاش‌ها، طراحی از نظر تئوری تایید شده است و یک طرح دریچه ایجاد شده است که حداکثر کارایی را در شرایط عملیاتی تضمین می‌کند. تمام کارهای انجام شده در این مرحله مستند شد و در نتیجه یک بسته طراحی ایجاد شد.

پس از اتمام کار طراحی نهایی، فرآیند تولید مدل برای قطعات بدنه و کاپوت که قرار است با روش ریخته‌گری ساخته شوند، آغاز شد. در این فرآیند، داده‌های مدل با استفاده از ماشین‌کاری و انقباض بر اساس الزامات استاندارد EN 8062-3 ایجاد شد. برای حفظ حداکثر راندمان تولید در مرحله طراحی، میزان سطوح ماشینکاری شده به حداقل رسیده است. با این حال، این فرآیند به گونه ای انجام شد که بر کیفیت محصول مطابق با الزامات استاندارد تأثیر منفی نداشت.

مطالعات توسعه روش ریخته گری

شبیه‌سازی‌های ریخته‌گری برای جلوگیری از عیوب مانند انقباض و تخلخل گاز و همچنین اثرات منفی مانند تنش‌های داخلی در بدنه و قسمت‌های کاپوت با استفاده از روش‌های ریخته‌گری شن و ماسه انجام شده است. علاوه بر این شبیه‌سازی‌ها، محاسبات فاصله تغذیه‌کننده و فیدر برای حفظ نسبت خالص/بروت مولد و اطمینان از ریخته‌گری با کیفیت- تکمیل شد. شیب انجماد و شبیه سازی پر کردن فولاد مذاب با استفاده از Novacast انجام شد. طرح‌های فیدر و دونده بر اساس این شبیه‌سازی‌ها بهینه‌سازی شدند که منجر به توسعه یک روش ریخته‌گری بهینه شد.

برای اطمینان از انجماد جهتی و به حداقل رساندن احتمال بروز نقاط داغ، بهبودهایی در طراحی بر اساس شبیه سازی های ریخته گری انجام شد. تمام کارهای شبیه سازی به دقت مستند شده و در بسته طراحی گنجانده شده است.

علاوه بر این، فرم‌های روش ریخته‌گری برای تعریف فیدرها، مخلوط‌های ماسه و سیستم‌های خنک‌کننده با هدف جلوگیری از سردرگمی در مرحله تولید ایجاد و مستندسازی شدند.

هدف از این تلاش‌ها دستیابی به تولید با کیفیت-بالا با نرخ ضایعات پایین با استفاده از مدل توسعه‌یافته و روش ریخته‌گری است. قبل از شبیه سازی ریخته گری و مطالعات محاسباتی، نقاط داغ و حفره های انقباض در مناطق نشان داده شده در بصری قطعات ریخته گری مشاهده شد. آزمایش‌های غیرمخرب (NDT) قبل از شبیه‌سازی روی قطعات ریخته‌گری انجام شد و مغایرت‌های شناسایی‌شده در شبیه‌سازی به‌طور مشخص شناسایی شدند. حفره های انقباض در مناطق دور از فیدرها و جایی که ارتفاع ماژول بالا بود رخ داده است. همچنین به دلیل تلاطم در حین پر شدن قالب، حفره های گازی در نقاط مختلف قطعات مشاهده شد. تمام این ناپیوستگی ها از طریق آزمایش های نفوذ مایع و بازرسی های رادیوگرافی که به عنوان بخشی از کار NDT انجام شد، شناسایی شدند. نواحی مربوط به قطعات برای تایید این مغایرت ها برش داده شد. در زیر، تصاویری از قطعات، که با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کربن- پس از آزمایش‌های NDT مورد بررسی قرار گرفته‌اند، به اشتراک گذاشته شده است.

در نتیجه مطالعات NDT و شبیه‌سازی، داده‌های مدل جدیدی تولید شد که به مسائلی مانند انجماد جهتی که می‌تواند نقص‌هایی ایجاد کند، پرداخته شد. پس از ایجاد داده های جدید، خطاهایی مانند انقباض و حفره های گاز در قطعات ریخته گری برطرف شد.

آزمون T و فرآیند اعتبار سنجی

پس از اتمام مراحل ریخته گری، ماشینکاری و مونتاژ، شیرها باید آزمایش شوند تا اطمینان حاصل شود که الزامات استاندارد مربوطه را برآورده می کنند. طبق الزامات استاندارد طراحی API6D، شیرها باید تحت آزمایش فشار و نشت قرار گیرند. دریچه های نمونه آزمایشات فشار و نشت را با موفقیت گذراندند که با 1.5 برابر فشار کاری (19.6 بار)، که تقریباً 29.4 تا 30 بار است، انجام شد. مقادیر گشتاور باز و بسته به صورت نظری محاسبه شده نیز در مرحله محاسبه طراحی اندازه‌گیری و تأیید شد. علاوه بر آزمایش‌های انجام‌شده بر روی خود شیر، آزمایش‌های کششی، آنالیزهای شیمیایی، آزمایش‌های سختی و سایر آزمایش‌ها بر روی اجزای فرعی مورد استفاده در مجموعه شیر انجام شد تا اطمینان حاصل شود که تمام الزامات استاندارد برآورده شده‌اند.

نمونه تصویر مدل

نتیجه گیری

هدف این مطالعه توضیح کمک‌های برنامه‌های کاربردی مهندسی پیشرفته{0}}به کمک رایانه و اثرات مثبت فرآیندهای توسعه محصول مدرن، علاوه بر تکنیک‌های سنتی توسعه محصول بود. محاسبات روش طراحی و ریخته گری با استفاده از برنامه های شبیه سازی برای ایجاد مناسب ترین روش طراحی و تولید تایید شد. داده‌های به‌دست‌آمده از محاسبات و شبیه‌سازی‌ها به‌طور مشخص پس از تولید نمونه اولیه آزمایش و اعتبارسنجی شدند. در نتیجه این تلاش‌ها، دریچه‌های توپی API6D با کیفیت بالا و ماندگاری بالا-و کاملاً مطابق با استانداردها، نیازهای بازار و مشتری هستند.

تحولات و چشم انداز آینده

پیشرفت‌ها در فناوری‌های نمک مذاب، نوآوری قابل توجهی را در صنعت شیرآلات، به ویژه برای کاربردهای انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) ایجاد می‌کند. این پیشرفت‌ها به دریچه‌هایی نیاز دارند که بتوانند در برابر دماهای شدید، محیط‌های خورنده و شرایط عملیاتی سخت مقاومت کنند.