Engenharia avançada para projeto de válvula esfera API6D

A metodologia de projeto e fundição são de importância significativa para a qualidade e vida útil da válvula. No desenvolvimento e produção de válvulas utilizadas na indústria de petróleo e gás, como as Válvulas Esfera API6D, essas metodologias influenciam positivamente o processo de desenvolvimento de aplicações incluindo análises estáticas, de fluxo e de fundição, garantindo ao mesmo tempo a validação e confiabilidade dos produtos.

As válvulas são usadas em vários setores, incluindo petróleo, gás natural, produtos químicos, marítimo e outros, para garantir o controle seguro do fluxo. Diferentes tipos de válvulas foram desenvolvidos com base nas tubulações em que são utilizadas, nas propriedades dos fluidos e nas condições ambientais.

Produzir e validar estas válvulas de acordo com padrões e regulamentos internacionais é crucial para atender aos requisitos de produção e ambientais, bem como garantir a segurança do usuário. A norma API6D, estabelecida pelo American Petroleum Institute, especifica os requisitos para tubulações e as válvulas nelas utilizadas. As válvulas utilizadas em oleodutos e gasodutos devem ser fabricadas atendendo a todas as exigências, considerando tanto as propriedades químicas dos fluidos quanto seus valores econômicos.

Este artigo tem como objetivo descrever o trabalho de engenharia avançada envolvido nas etapas de projeto e desenvolvimento de produção de válvulas esfera compatíveis com API6D, que são projetadas, produzidas e testadas em nossa empresa. Também explica os defeitos de fundição encontrados durante a fase de produção e as melhorias introduzidas na metodologia de fundição.

Processo de projeto de válvula

As válvulas, dependendo do setor em que são utilizadas, podem estar expostas a condições como alta pressão, ambientes corrosivos, altas temperaturas e muito mais. Portanto, as válvulas devem ser projetadas e fabricadas considerando estas condições. Devido às condições operacionais desafiadoras e às geometrias complexas, algumas válvulas são produzidas utilizando métodos de fundição. As dificuldades e limitações inerentes ao processo de fundição, bem como as normas internacionais, requisitos do cliente e condições de operação, devem ser tidas em conta durante a fase de projeto.

As válvulas esfera desenvolvidas neste estudo foram projetadas para atender aos requisitos da norma de projeto API6D e outras normas referenciadas como ASME B16.10, ASME B16.5 e ASME B16.34.

Durante o processo de projeto, as propriedades mecânicas da ASTM A216 Gr. O aço carbono fundido de qualidade WCB, escolhido como material do corpo, foi testado através de testes de tração e dureza. Cálculos de projeto e trabalhos de análise foram realizados com base nesses dados. Análises estáticas foram realizadas em componentes expostos à pressão, como corpo, esfera e tampa, para examinar as cargas e deformações sofridas por essas peças. Com base nos resultados obtidos, determinou-se que as cargas aplicadas aos componentes estão abaixo do limite de escoamento do material, indicando que o projeto é altamente adequado em termos de pressão. As simulações de análise estática foram ajustadas para 1,5 vezes a pressão de trabalho da válvula (19,6 Bar), o que corresponde a 29,4~30 Bar, conforme especificado nas normas. Os cálculos de projeto foram realizados de acordo com os requisitos especificados nas normas API6D e ASME B16.34. Os dados obtidos a partir desses cálculos estão alinhados com os resultados das simulações de análise estática realizadas no computador. Como resultado destes esforços, o projeto foi validado teoricamente e foi desenvolvido um projeto de válvula que garante a máxima eficiência em condições operacionais. Todo o trabalho realizado nesta fase foi documentado, resultando na criação de um pacote de design.

Após a conclusão do trabalho final de projeto, foi iniciado o processo de produção do modelo das peças da carroceria e do capô a serem fabricadas pelo método de fundição. Neste processo, os dados do modelo foram criados com tolerâncias de usinagem e retração fornecidas de acordo com os requisitos da norma EN 8062-3. Para manter a máxima eficiência de produção durante a fase de projeto, a quantidade de superfícies usinadas foi mantida ao mínimo. No entanto, este processo foi realizado de uma forma que não afetou negativamente a qualidade do produto de acordo com os requisitos da norma.

Estudos de desenvolvimento de métodos de fundição

Simulações de fundição foram realizadas para evitar defeitos como encolhimento e porosidade de gás, bem como efeitos negativos, como tensões internas, nas peças do corpo e do castelo a serem produzidas usando métodos de fundição em areia. Além dessas simulações, os cálculos do alimentador e da distância do alimentador foram concluídos para manter uma relação líquida/bruta produtiva e garantir fundição de alta-qualidade. Gradientes de solidificação e simulações de enchimento de aço fundido foram realizadas utilizando Novacast. Os projetos de alimentadores e canais foram otimizados com base nessas simulações, levando ao desenvolvimento de um método de fundição ideal.

Foram feitas melhorias no projeto com base em simulações de fundição para garantir a solidificação direcional e minimizar a probabilidade de pontos quentes. Todo o trabalho de simulação foi meticulosamente documentado e incluído no pacote de design.

Além disso, foram criados e documentados formulários de métodos de fundição para definir alimentadores, misturas de areia e sistemas de resfriamento, visando evitar confusões durante a fase de produção.

O objetivo desses esforços é alcançar uma produção de alta-qualidade com baixas taxas de refugo usando o modelo desenvolvido e o método de fundição. Previamente aos estudos de simulação e cálculo de fundição, foram observados pontos quentes e cavidades de retração nas regiões indicadas nos visuais das peças fundidas. Testes Não-Destrutivos (END) foram realizados nas peças fundidas antes da simulação, e as discrepâncias identificadas na simulação foram detectadas concretamente. Cavidades de retração ocorreram em áreas distantes dos alimentadores e onde a altura do módulo era elevada. Além disso, devido à turbulência durante o enchimento do molde, foram observadas cavidades de gás em vários pontos das peças. Todas essas descontinuidades foram detectadas através de testes de líquido penetrante e inspeções radiográficas realizadas como parte do trabalho de END. As áreas relevantes das peças foram seccionadas para confirmar essas discrepâncias. Abaixo, são compartilhadas imagens das peças, que foram examinadas em microscopia eletrônica-de carbono após os testes de END.

Como resultado dos estudos de END e de simulação, foram gerados novos dados de modelo, abordando questões como a solidificação direcional que poderia criar defeitos. Após a criação dos novos dados, foram resolvidos erros como encolhimento e cavidades de gás nas peças fundidas.

Processo de teste e validação

Depois de concluídas as fases de fundição, usinagem e montagem, as válvulas devem ser testadas para garantir que atendem aos requisitos da norma relevante. De acordo com os requisitos da norma de projeto API6D, as válvulas devem passar por testes de pressão e vazamento. As válvulas protótipo desenvolvidas passaram com sucesso nos testes de pressão e vazamento realizados a 1,5 vezes a pressão de trabalho (19,6 Bar), que é aproximadamente 29,4~30 Bar. Os valores de torque de abertura e fechamento calculados teoricamente também foram medidos e verificados durante a fase de cálculo do projeto. Além dos testes realizados na própria válvula, foram realizados testes de tração, análises químicas, testes de dureza e outros testes nos subcomponentes utilizados na montagem da válvula para garantir que todos os requisitos padrão foram atendidos.

Exemplo de imagem de modelo

Conclusão

Este estudo teve como objetivo explicar as contribuições de aplicativos avançados de engenharia-assistidas por computador e os efeitos positivos dos processos modernos de desenvolvimento de produtos, além das técnicas tradicionais de desenvolvimento de produtos. Os cálculos dos métodos de projeto e fundição foram validados usando programas de simulação para criar o projeto e o método de produção mais adequados. Os dados obtidos a partir de cálculos e simulações foram concretamente testados e validados após a produção do protótipo. Como resultado desses esforços, foram desenvolvidas válvulas esfera API6D de alta-qualidade e longa{5}}duração, atendendo plenamente aos padrões, aos requisitos do mercado e dos clientes.

Desenvolvimentos e perspectivas futuras

Os avanços nas tecnologias de sal fundido estão impulsionando inovações significativas na indústria de válvulas, especialmente para aplicações de Energia Solar Concentrada (CSP). Esses avanços exigem válvulas capazes de suportar temperaturas extremas, ambientes corrosivos e condições operacionais rigorosas.