API6D ボールバルブ設計のための高度なエンジニアリング

設計と鋳造方法は、バルブの品質と寿命にとって非常に重要です。 API6D ボールバルブなど、石油・ガス産業で使用されるバルブの開発と製造において、これらの方法論は、製品の検証と信頼性を確保しながら、静的解析、流動解析、鋳造解析などのアプリケーション開発プロセスにプラスの影響を与えます。

バルブは、安全な流量制御を確保するために、石油、天然ガス、化学、船舶などのさまざまな業界で使用されています。使用されるパイプライン、流体の特性、環境条件に基づいて、さまざまなタイプのバルブが開発されています。

国際規格および規制に従ってこれらのバルブを製造および検証することは、生産要件と環境要件の両方を満たし、ユーザーの安全を確保するために非常に重要です。アメリカ石油協会によって制定された API6D 標準は、パイプラインとパイプラインで使用されるバルブの要件を指定します。石油および天然ガスのパイプラインで使用されるバルブは、流体の化学的特性と経済的価値の両方を考慮して、すべての要件を満たすように製造する必要があります。

この記事は、社内で設計、製造、テストが行​​われる API6D 準拠のボール バルブの設計および製造開発段階に関わる高度なエンジニアリング作業について説明することを目的としています。また、製造段階で遭遇する鋳造欠陥と鋳造方法の改善についても説明します。

バルブ設計プロセス

バルブは、使用される分野によっては、高圧、腐食環境、高温などの条件にさらされる場合があります。したがって、バルブはこれらの条件を考慮して設計、製造する必要があります。困難な動作条件と複雑な形状のため、一部のバルブは鋳造法を使用して製造されています。設計段階では、鋳造プロセスに固有の困難と制限、国際規格、顧客の要件、操作条件を考慮する必要があります。

この研究で開発されたボールバルブは、API6D 設計規格および ASME B16.10、ASME B16.5、ASME B16.34 などの他の参照規格の要件を満たすように設計されています。

設計プロセス中に、ASTM A216 Gr. の機械的特性が考慮されます。ボディ素材として選ばれたWCB品質の鋳造炭素鋼は、引張試験と硬度試験によってテストされました。これらのデータを基に設計計算や解析作業を実施した。静的解析は、ボディ、球体、ボンネット部品などの圧力にさらされる部品に対して実行され、これらの部品が受ける荷重と変形を調査しました。得られた結果に基づいて、コンポーネントにかかる荷重は材料の降伏強度を下回っていることが判明し、この設計が圧力の点で非常に適切であることがわかりました。静的解析シミュレーションは、バルブの作動圧力 (19.6 Bar) の 1.5 倍に設定されました。これは、規格で指定されている 29.4 ～ 30 Bar に相当します。設計計算は、API6D および ASME B16.34 標準で指定された要件に従って実行されています。これらの計算から得られたデータは、コンピューター上で実行された静的解析シミュレーションの結果と一致します。これらの努力の結果、設計は理論的に検証され、動作条件下で最大の効率を保証するバルブ設計が開発されました。この段階で実行されたすべての作業は文書化され、その結果、設計パッケージが作成されます。

最終設計作業終了後、鋳造法で製作するボディ・ボンネット部品の模型製作工程を開始しました。このプロセスでは、EN 8062-3 規格の要件に従って、機械加工および収縮の許容値を指定してモデル データが作成されます。設計段階で最大の生産効率を維持するために、機械加工される表面の量は最小限に抑えられました。ただし、このプロセスは、標準要件に従って製品の品質に悪影響を及ぼさない方法で実行されました。

鋳造法開発研究

砂型鋳造法で製造されるボディやボンネット部品は、収縮やガス気孔などの欠陥や内部応力などの悪影響を防ぐために、鋳造シミュレーションが実施されています。これらのシミュレーションに加えて、生産的なネット/ブルート比を維持し、高品質の鋳造を保証するために、フィーダーとフィーダーの距離の計算が完了しました。-凝固勾配と溶鋼の充填シミュレーションは、Novacast を使用して実行されました。これらのシミュレーションに基づいてフィーダーとランナーの設計を最適化し、最適な鋳造方法を開発しました。

方向性凝固を確実にし、ホットスポットの可能性を最小限に抑えるために、鋳造シミュレーションに基づいて設計が改良されました。すべてのシミュレーション作業は綿密に文書化され、設計パッケージに含まれています。

さらに、製造段階での混乱を防ぐことを目的として、フィーダー、砂混合物、冷却システムを定義するための鋳造方法のフォームが作成および文書化されました。

これらの取り組みの目標は、開発されたモデルと鋳造方法を使用して、スクラップ率を低く抑えながら高品質の生産を実現することです。{0}鋳造シミュレーションと計算研究の前に、鋳造部品のビジュアルに示された領域でホット スポットと引け巣が観察されました。シミュレーションの前に鋳造部品に対して非破壊検査 (NDT) が実行され、シミュレーションで特定された不一致が具体的に検出されました。ひけ巣はフィーダから離れた領域やモジュール高さが高い領域で発生しました。さらに、金型の充填中の乱流により、部品上のさまざまな点でガス空洞が観察されました。これらすべての不連続性は、NDT 作業の一環として行われた液体浸透試験と X 線検査によって検出されました。これらの矛盾を確認するために、部品の関連領域が切断されました。以下に、NDT テスト後に炭素電子顕微鏡を使用して検査された部品の画像を共有します。{9}}

NDT とシミュレーションの研究の結果、欠陥を引き起こす可能性のある方向性凝固などの問題に対処する新しいモデル データが生成されました。新しいデータの作成後、鋳造部品の収縮やガス巣などのエラーが解決されました。

テストと検証のプロセス

鋳造、機械加工、組み立ての各段階が完了したら、バルブをテストして、関連する標準要件を満たしていることを確認する必要があります。 API6D 設計標準要件に従って、バルブは圧力および漏れテストを受ける必要があります。開発されたプロトタイプのバルブは、作動圧力 (19.6 Bar) の 1.5 倍、つまり約 29.4 ～ 30 Bar で実施された圧力および漏れテストに合格しました。理論的に計算された開閉トルク値も、設計計算段階で測定および検証されました。バルブ自体に対して実行されるテストに加えて、引張テスト、化学分析、硬度テスト、およびその他のテストがバルブアセンブリに使用されるサブコンポーネントに対して実行され、すべての標準要件が満たされていることを確認します。

サンプルモデル画像

結論

この研究は、従来の製品開発手法に加えて、高度なコンピュータ支援エンジニアリング アプリケーションの貢献と最新の製品開発プロセスのプラスの効果を説明することを目的としていました。{0}シミュレーションプログラムを用いて設計・鋳造方法の計算を検証し、最適な設計・製造方法を導き出しました。計算とシミュレーションから得られたデータは、試作後に具体的にテストおよび検証されました。これらの努力の結果、高品質で長寿命の API6D ボール バルブが開発されました。{4}規格、市場、顧客の要件を完全に満たしています。{5}

開発状況と今後の展望

溶融塩技術の進歩により、バルブ業界、特に集光型太陽光発電 (CSP) 用途において重要な革新が推進されています。これらの進歩により、極端な温度、腐食環境、および厳しい動作条件に耐えることができるバルブが求められます。