הנדסה מתקדמת לעיצוב שסתום כדור API6D

למתודולוגיית התכנון והיציקה יש חשיבות משמעותית לאיכות השסתום ולתוחלת החיים. בפיתוח וייצור של שסתומים המשמשים בתעשיית הנפט והגז, כגון API6D Ball Valves, מתודולוגיות אלו משפיעות לטובה על תהליך הפיתוח של יישומים הכוללים ניתוח סטטי, זרימה ויציקה תוך הבטחת האימות והאמינות של המוצרים.

שסתומים משמשים בתעשיות שונות, כולל נפט, גז טבעי, כימיקלים, ימיים ואחרים, כדי להבטיח בקרת זרימה בטוחה. סוגים שונים של שסתומים פותחו על סמך הצינורות שבהם הם משמשים, תכונות הנוזלים ותנאי הסביבה.

ייצור ואימות שסתומים אלה בהתאם לתקנים ולתקנות בינלאומיים הוא חיוני לעמידה בדרישות הייצור והסביבה, כמו גם הבטחת בטיחות המשתמש. תקן API6D, שהוקם על ידי מכון הנפט האמריקאי, מפרט את הדרישות לצינורות והשסתומים המשמשים בהם. שסתומים המשמשים בצינורות נפט וגז טבעי חייבים להיות מיוצרים כדי לעמוד בכל הדרישות, בהתחשב הן בתכונות הכימיות של הנוזלים והן בערכים הכלכליים שלהם.

מאמר זה נועד לתאר את העבודה ההנדסית המתקדמת הכרוכה בשלבי התכנון והייצור של שסתומי כדור תואמי API6D, אשר מתוכננים, מיוצרים ונבדקים בתוך החברה שלנו. זה גם מסביר את פגמי היציקה שנתגלו בשלב הייצור ואת השיפורים שנעשו במתודולוגיית היציקה.

תהליך עיצוב שסתומים

שסתומים, בהתאם למגזר בו הם משמשים, עלולים להיות חשופים לתנאים כגון לחץ גבוה, סביבות קורוזיביות, טמפרטורות גבוהות ועוד. לכן, שסתומים חייבים להיות מתוכננים ויוצרים בהתחשב בתנאים אלה. בשל תנאי ההפעלה המאתגרים והגיאומטריות המורכבות, חלק מהשסתומים מיוצרים בשיטות יציקה. יש לקחת בחשבון את הקשיים והמגבלות הגלומות בתהליך היציקה, כמו גם תקנים בינלאומיים, דרישות הלקוח ותנאי ההפעלה, בשלב התכנון.

השסתומים הכדוריים שפותחו במחקר זה תוכננו לעמוד בדרישות של תקן התכנון API6D ותקנים אחרים כמו ASME B16.10, ASME B16.5 ו-ASME B16.34.

במהלך תהליך התכנון, המאפיינים המכניים של ASTM A216 Gr. פלדת פחמן יצוקה באיכות WCB, שנבחרה כחומר הגוף, נבדקה באמצעות מבחני מתיחה וקשיות. על בסיס נתונים אלו בוצעו חישובי תכנון וניתוח. ניתוח סטטי בוצע על רכיבים החשופים ללחץ, כגון הגוף, הכדור ומכסה המנוע, כדי לבחון את העומסים והעיוותים שחווים חלקים אלה. בהתבסס על התוצאות שהתקבלו, נקבע כי העומסים המופעלים על הרכיבים הם מתחת לחוזק התנובה של החומר, מה שמעיד על כך שהעיצוב מתאים מאוד מבחינת לחץ. הדמיות ניתוח סטטי נקבעו לפי 1.5 מלחץ העבודה של השסתום (19.6 בר), המתאים ל-29.4~30 בר, כמפורט בתקנים. חישובי תכנון בוצעו בהתאם לדרישות המפורטות בתקני API6D ו-ASME B16.34. הנתונים המתקבלים מחישובים אלו עולים בקנה אחד עם תוצאות סימולציות ניתוח סטטי שבוצעו במחשב. כתוצאה מהמאמצים הללו, התכנון עבר תיקוף תיאורטי ופותח עיצוב שסתומים המבטיח יעילות מרבית בתנאי תפעול. כל העבודה שבוצעה בשלב זה תועדה, וכתוצאה מכך נוצרה חבילת עיצוב.

לאחר השלמת עבודת התכנון הסופית, הוחל תהליך ייצור הדגמים לחלקי המרכב והמכסה המנוע שייוצרו בשיטת היציקה. בתהליך זה נוצרו נתוני דגם עם קצבאות עיבוד וכיווץ הניתנות בהתאם לדרישות התקן EN 8062-3. כדי לשמור על יעילות ייצור מקסימלית במהלך שלב התכנון, כמות המשטחים המעובדים נשמרה למינימום. עם זאת, תהליך זה בוצע באופן שלא השפיע לרעה על איכות המוצר בהתאם לדרישות התקן.

לימודי פיתוח שיטות ליהוק

סימולציות יציקה נערכו כדי למנוע פגמים כמו התכווצות ונקבוביות גז, כמו גם השפעות שליליות כמו מתחים פנימיים, בחלקי הגוף והמכסה מיוצרים בשיטות יציקת חול. בנוסף לסימולציות אלו, הושלמו חישובי מרחק מזין ומזין כדי לשמור על יחס נטו/ברוט פרודוקטיבי ולהבטיח יציקה באיכות גבוהה-. שיפוע התמצקות וסימולציות מילוי פלדה מותכת בוצעו באמצעות Novacast. עיצובי הזנה ורצף עברו אופטימיזציה על סמך הדמיות אלו, מה שהוביל לפיתוח שיטת יציקה אופטימלית.

בוצעו שיפורים בתכנון המבוסס על הדמיות יציקה כדי להבטיח התמצקות כיוונית ולמזער את הסבירות לנקודות חמות. כל עבודת הסימולציה תועדה בקפידה ונכללה בחבילת העיצוב.

בנוסף, נוצרו ותועדו צורות שיטת יציקה כדי להגדיר מזינים, תערובות חול ומערכות קירור, במטרה למנוע בלבול בשלב הייצור.

המטרה של מאמצים אלה היא להשיג ייצור באיכות גבוהה- עם שיעורי גרוטאות נמוכים באמצעות המודל שפותח ושיטת היציקה. לפני סימולציית היציקה ומחקרי החישוב, נצפו נקודות חמות וחללי התכווצות באזורים המצוינים בתמונות של החלקים היצוקים. בדיקות לא-הרסניות (NDT) בוצעו בחלקי היצוק לפני הסימולציה, והפערים שזוהו בהדמיה זוהו באופן קונקרטי. חללי התכווצות התרחשו באזורים מרוחקים ממזינים ושם גובה המודול היה גבוה. כמו כן, עקב מערבולות במהלך מילוי התבנית, נצפו חללי גז בנקודות שונות בחלקים. כל אי המשכיות הללו התגלו באמצעות בדיקות חודר נוזלים ובדיקות רנטגן שבוצעו במסגרת עבודת ה-NDT. האזורים הרלוונטיים של החלקים חולקו כדי לאשר את הפערים הללו. להלן, תמונות של החלקים, שנבדקו באמצעות מיקרוסקופ-אלקטרון פחמן לאחר בדיקות ה-NDT, משותפות.

כתוצאה ממחקרי ה-NDT והסימולציה, נוצרו נתוני מודל חדשים, המתייחסים לבעיות כגון מיצוק כיווני שעלול ליצור פגמים. בעקבות יצירת הנתונים החדשים נפתרו שגיאות כמו הצטמקות וחללי גז בחלקים היצוקים.

תהליך בדיקה ואימות

לאחר השלמת שלבי היציקה, העיבוד וההרכבה, יש לבדוק את השסתומים כדי לוודא שהם עומדים בדרישות התקן הרלוונטיות. על פי דרישות תקן התכנון API6D, שסתומים חייבים לעבור בדיקות לחץ ודליפה. שסתומי אב הטיפוס שפותחו עברו בהצלחה בדיקות לחץ ודליפה שנערכו בפי 1.5 מלחץ העבודה (19.6 בר), שהוא כ-29.4~30 בר. ערכי מומנט הפתיחה והסגירה שחושבו תיאורטית נמדדו ואומתו גם הם בשלב חישוב התכנון. בנוסף לבדיקות שבוצעו על השסתום עצמו, נערכו בדיקות מתיחה, ניתוחים כימיים, בדיקות קשיות ובדיקות נוספות על רכיבי המשנה המשמשים במכלול השסתום על מנת לוודא כי כל דרישות התקן מתקיימות.

תמונת דגם לדוגמה

מַסְקָנָה

מחקר זה נועד להסביר את התרומות של יישומי הנדסה מתקדמים-ממוחשבים ואת ההשפעות החיוביות של תהליכי פיתוח מוצרים מודרניים, בנוסף לטכניקות פיתוח מוצרים מסורתיות. חישובי שיטת התכנון והיציקה אומתו באמצעות תוכניות סימולציה ליצירת שיטת התכנון והייצור המתאימה ביותר. נתונים שהתקבלו מחישובים וסימולציות נבדקו ואומתו באופן קונקרטי לאחר ייצור אב טיפוס. כתוצאה מהמאמצים הללו, פותחו שסתומי כדור API6D באיכות-גבוהה-לאורך זמן, שעומדים במלואם בתקנים, בדרישות השוק והלקוחות.

התפתחויות והסתכלות לעתיד

ההתקדמות בטכנולוגיות המלח המותך מניעה חדשנות משמעותית בתעשיית השסתומים, במיוחד עבור יישומי כוח שמש מרוכז (CSP). התקדמות אלו דורשות שסתומים המסוגלים לעמוד בטמפרטורות קיצוניות, סביבות קורוזיביות ותנאי תפעול קפדניים.