API6D 볼 밸브 설계를 위한 고급 엔지니어링

설계 및 주조 방법은 밸브 품질과 수명에 매우 중요합니다. API6D 볼 밸브와 같이 석유 및 가스 산업에 사용되는 밸브의 개발 및 생산에서 이러한 방법론은 제품의 검증 및 신뢰성을 보장하는 동시에 정적, 흐름 및 주조 분석을 포함한 응용 프로그램 개발 프로세스에 긍정적인 영향을 미칩니다.

밸브는 안전한 흐름 제어를 보장하기 위해 석유, 천연가스, 화학, 해양 등 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. 사용되는 파이프라인, 유체 특성 및 환경 조건에 따라 다양한 유형의 밸브가 개발되었습니다.

국제 표준 및 규정에 따라 이러한 밸브를 생산하고 검증하는 것은 생산 및 환경 요구 사항을 모두 충족하고 사용자 안전을 보장하는 데 중요합니다. American Petroleum Institute에서 제정한 API6D 표준은 파이프라인과 파이프라인에 사용되는 밸브에 대한 요구 사항을 지정합니다. 석유 및 천연가스 파이프라인에 사용되는 밸브는 유체의 화학적 특성과 경제적 가치를 모두 고려하여 모든 요구 사항을 충족하도록 제조되어야 합니다.

이 기사는 당사 내에서 설계, 생산 및 테스트되는 API6D 준수 볼 밸브의 설계 및 생산 개발 단계와 관련된 고급 엔지니어링 작업을 설명하는 것을 목표로 합니다. 또한 생산 단계에서 발생하는 주조 결함과 주조 방법의 개선 사항에 대해서도 설명합니다.

밸브 설계 과정

밸브는 사용되는 부문에 따라 고압, 부식성 환경, 고온 등과 같은 조건에 노출될 수 있습니다. 따라서 이러한 조건을 고려하여 밸브를 설계하고 제작해야 합니다. 까다로운 작동 조건과 복잡한 기하학적 구조로 인해 일부 밸브는 주조 방법을 사용하여 생산됩니다. 주조 공정에 내재된 어려움과 한계는 물론 국제 표준, 고객 요구 사항 및 작동 조건도 설계 단계에서 고려해야 합니다.

본 연구에서 개발된 볼 밸브는 API6D 설계 표준 및 ASME B16.10, ASME B16.5 및 ASME B16.34와 같은 기타 참조 표준의 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.

설계 과정에서 ASTM A216 Gr. 본체 재질로 선택된 WCB 품질의 주조 탄소강은 인장 및 경도 테스트를 통해 테스트되었습니다. 이러한 데이터를 기반으로 설계 계산 및 분석 작업이 수행되었습니다. 차체, 구형, 보닛 부품 등 압력에 노출된 부품에 대해 정적 해석을 수행하여 해당 부품이 겪는 하중과 변형을 조사했습니다. 얻은 결과를 토대로 부품에 가해지는 하중이 재료의 항복강도보다 낮은 것으로 판단되어 압력 측면에서 설계가 매우 적합하다는 것을 나타냅니다. 정적 해석 시뮬레이션은 표준에 명시된 밸브 작동 압력(19.6 Bar)의 1.5배, 즉 29.4~30 Bar에 해당하도록 설정되었습니다. 설계 계산은 API6D 및 ASME B16.34 표준에 지정된 요구 사항에 따라 수행되었습니다. 이러한 계산을 통해 얻은 데이터는 컴퓨터에서 수행된 정적 분석 시뮬레이션의 결과와 일치합니다. 이러한 노력의 결과, 설계가 이론적으로 검증되었으며, 작동 조건에서 최대 효율을 보장하는 밸브 설계가 개발되었습니다. 이 단계에서 수행된 모든 작업은 문서화되어 디자인 패키지가 생성되었습니다.

최종 설계 작업을 마친 후 주조 공법으로 제작할 차체 및 보닛 부품의 모형 제작 공정에 들어갔습니다. 이 과정에서 EN 8062-3 표준 요구사항에 따라 가공 및 수축 여유를 제공하여 모델 데이터가 생성되었습니다. 설계 단계에서 최대 생산 효율성을 유지하기 위해 가공된 표면의 양은 최소한으로 유지되었습니다. 그러나 이 과정은 표준 요구사항에 따라 제품 품질에 부정적인 영향을 미치지 않는 방식으로 수행되었습니다.

주조법 개발 연구

사형주조 방식으로 생산되는 차체 및 보닛 부품에 수축, 기공 등의 결함과 내부 응력 등의 부정적 영향을 방지하기 위해 주조 시뮬레이션이 수행되었습니다. 이러한 시뮬레이션 외에도 생산적인 Net/Brute 비율을 유지하고 고품질 주조를 보장하기 위해 피더 및 피더 거리 계산이 완료되었습니다.{1}} 응고 구배 및 용강 충전 시뮬레이션은 Novacast를 사용하여 수행되었습니다. 이러한 시뮬레이션을 바탕으로 피더 및 런너 설계를 최적화하여 최적의 주조 방법을 개발했습니다.

방향성 응고를 보장하고 핫스팟 가능성을 최소화하기 위해 주조 시뮬레이션을 기반으로 설계가 개선되었습니다. 모든 시뮬레이션 작업은 꼼꼼하게 문서화되어 설계 패키지에 포함되었습니다.

또한 생산 단계에서 혼란을 방지하기 위해 피더, 모래 혼합물 및 냉각 시스템을 정의하기 위한 주조 방법 양식을 작성하고 문서화했습니다.

이러한 노력의 목표는 개발된 모델과 주조 방법을 사용하여 불량률이 낮은 고품질 생산을 달성하는 것입니다.- 주조 시뮬레이션 및 계산 연구에 앞서 주조 부품의 시각적으로 표시된 영역에서 핫스팟과 수축 공동이 관찰되었습니다. 시뮬레이션 전 주조 부품에 대해 비{3}}NDT(비파괴 테스트)를 수행했으며, 시뮬레이션에서 확인된 불일치를 구체적으로 감지했습니다. 피더에서 멀리 떨어진 곳과 모듈 높이가 높은 곳에서 수축공이 발생했습니다. 또한, 금형을 채우는 동안 난류로 인해 부품의 여러 지점에서 가스 공동이 관찰되었습니다. 이러한 모든 불연속성은 NDT 작업의 일부로 수행된 액체 침투 테스트와 방사선 검사를 통해 감지되었습니다. 이러한 불일치를 확인하기 위해 부품의 관련 영역을 구분했습니다. 아래에는 NDT 테스트 후 탄소{9}}전자현미경을 사용하여 검사한 부품 이미지가 공유되어 있습니다.

NDT 및 시뮬레이션 연구 결과, 결함을 생성할 수 있는 방향성 응고와 같은 문제를 해결하는 새로운 모델 데이터가 생성되었습니다. 새로운 데이터 생성 후 주조 부품의 수축 및 가스 공동과 같은 오류가 해결되었습니다.

테스트 및 검증 프로세스

주조, 기계 가공 및 조립 단계를 완료한 후에는 밸브를 테스트하여 관련 표준 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다. API6D 설계 표준 요구 사항에 따라 밸브는 압력 및 누출 테스트를 거쳐야 합니다. 개발된 프로토타입 밸브는 작동 압력(19.6Bar)의 1.5배인 약 29.4~30Bar에서 수행된 압력 및 누출 테스트를 성공적으로 통과했습니다. 이론적으로 계산된 개폐 토크 값도 설계 계산 단계에서 측정 및 검증되었습니다. 밸브 자체에 대해 수행되는 테스트 외에도 밸브 어셈블리에 사용되는 하위 구성 요소에 대해 인장 테스트, 화학적 분석, 경도 테스트 및 기타 테스트를 수행하여 모든 표준 요구 사항이 충족되는지 확인했습니다.

샘플 모델 이미지

결론

이 연구의 목표는 고급 컴퓨터 지원 엔지니어링 애플리케이션의 기여와 기존 제품 개발 기술 외에도 최신 제품 개발 프로세스의 긍정적인 효과를 설명하는 것입니다. 가장 적합한 설계 및 생산 방법을 만들기 위해 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 설계 및 주조 방법 계산을 검증했습니다. 계산과 시뮬레이션을 통해 얻은 데이터는 프로토타입 제작 후 구체적으로 테스트되고 검증되었습니다. 이러한 노력의 결과로 표준, 시장 및 고객 요구 사항을 완벽하게 충족하는 고품질의 -오래 지속되는-API6D 볼 밸브가 개발되었습니다.

발전과 미래 전망

용융염 기술의 발전은 밸브 산업, 특히 집중형 태양광 발전(CSP) 응용 분야에서 상당한 혁신을 주도하고 있습니다. 이러한 발전을 위해서는 극한의 온도, 부식성 환경 및 엄격한 작동 조건을 견딜 수 있는 밸브가 필요합니다.