Redefinir la resistencia: Innovación en válvulas aditivas en el sector del petróleo y el gas
La industria del petróleo y el gas depende de infraestructuras críticas duraderas y fiables. Los componentes de este sector deben resistir entornos altamente corrosivos y presiones extremas, pero a menudo los métodos de fabricación tradicionales se quedan cortos. Un importante proveedor mundial de servicios de válvulas reconoció este reto y vio la oportunidad de transformar sus operaciones. Al asociarse con la consultora Additive Minds de EOS, se embarcaron en un proyecto para replantear el diseño y la producción de un componente de válvula crítico, aprovechando el poder de la fabricación aditivaFA) de polímeros para crear una solución más resistente, rentable y ágil.
El objetivo de la colaboración no era simplemente sustituir una pieza, sino crear un nuevo paradigma para la logística de piezas de recambio, el rendimiento y la eficiencia de la cadena de suministro. Al pasar de un proceso convencional, lento y costoso a un flujo de trabajo digital a la carta basado en la simulación, los socios pretendían establecer un nuevo estándar para un sector definido por sus rigurosos requisitos técnicos.
Desafío
Los componentes en cuestión eran válvulas de retención utilizadas en una tubería de agua producida, un entorno que expone con frecuencia las piezas a agua salada altamente corrosiva y a otros productos químicos. Para esta aplicación, las piezas fabricadas tradicionalmente con materiales caros y especializados, como el acero superdúplex, debían sustituirse cada seis meses.
Este ritmo creaba una importante carga de mantenimiento. El elevado volumen de estas piezas en uso obligaba a los equipos a mantener un inventario masivo en todo momento para evitar tiempos de inactividad operativa. Para agravar este problema, el plazo de entrega de las piezas metálicas convencionales era increíblemente largo, a menudo superior a 52 semanas.
La combinación de una alta frecuencia de sustitución, enormes necesidades de inventario y una cadena de suministro precaria generaba unos costes desorbitados.
Además, la primera iteración de una pieza de polímero FA, que imitaba el diseño metálico original, falló catastróficamente durante las pruebas de gas a alta presión, explotando al alcanzar 325 psi. Este fallo puso de manifiesto la necesidad de un enfoque de diseño fundamentalmente diferente y más sofisticado, que sólo podía lograrse mediante la simulación avanzada y el diseño para la experiencia de fabricación aditiva.
Solución
El equipo conjunto emprendió un proceso de rediseño basado en simulaciones para subsanar las deficiencias fundamentales de la pieza inicial. La colaboración se centró en un enfoque holístico, que abarcaba la ciencia de los materiales, el diseño avanzado y pruebas rigurosas.
El equipo seleccionó EOS PA 2200 (nailon 12) debido a su equilibrado perfil de propiedades, que se caracteriza por su resistencia, rigidez y excelente resistencia química, lo que lo hace ideal para el entorno altamente corrosivo. El equipo fabricó las piezas en máquinas de alta productividad EOS P 396 conocidas por su fiabilidad y precisión.
Los consultores de Additive Minds de EOS guiaron el diseño a través de la optimización topológica y el análisis de elementos finitos. Para analizar las concentraciones de tensión e iterar sobre el diseño, trabajaron conjuntamente con el equipo de ingeniería del proveedor de servicios de válvulas. El objetivo era encontrar un "punto óptimo" que satisficiera todos los requisitos (cargas, restricciones y límites) y, al mismo tiempo, redujera el volumen de la pieza para mejorar la capacidad de fabricación, reducir los costes y aumentar la resistencia. El rediseño consiguió reducir la tensión máxima de aproximadamente 58 MPa a menos de 27,5 MPa.
Una vez impresas, las piezas se sometieron al alisado por vaporfusión de DyeMansion. Este paso del postprocesado fue fundamental para garantizar la total estanqueidad de los componentes y lograr el sellado hermético a las burbujas necesario para el uso previsto. El flujo de trabajo sin fisuras, desde el diseño y la simulación hasta la impresión y el postprocesado, demostró que FA podía producir piezas que no sólo cumplían, sino que superaban, las prestaciones de sus predecesoras metálicas convencionales.
Resultados
La colaboración tuvo un impacto transformador en toda la cadena de valor. El resultado más inmediato y significativo fue la drástica reducción del plazo de entrega: de más de 52 semanas para la pieza superdúplex original a solo una semana para el componente de polímero FA. Este cambio monumental agilizó la cadena de suministro al tiempo que permitió un verdadero programa digital de piezas de repuesto, eliminando la necesidad de un vasto y costoso inventario físico.
Los componentes rediseñados demostraron un rendimiento excepcional bajo presión. Superaron todas las pruebas hidrostáticas de la carcasa y el asiento hasta 450 psi y 325 psi, respectivamente, con resultados impecables. Y lo que es más impresionante, las nuevas piezas lograron un "rendimiento hermético a las burbujas" durante las pruebas de larga duración con aire y gas nitrógeno a alta presión, un logro que el diseño inicial no pudo alcanzar. La integridad de las piezas se validó además en una prueba hidrostática de larga duración de 60 minutos con carga máxima, que no mostró signos de fluencia ni deformación plástica.
El ingeniero principal del proveedor mundial de servicios de válvulas expresó su satisfacción, afirmando que las piezas "superaron todas las pruebas de presión sin problemas. Los resultados son mejores de lo esperado". Y prosiguió, destacando la durabilidad y capacidad de estanquidad de la pieza FA : "En particular, los resultados de las dos últimas pruebas, una con aire y otra con nitrógeno a alta presión, mostraron unos resultados excelentes en cuanto al rendimiento a prueba de burbujas."
Además de las mejoras de rendimiento, el proyecto dio como resultado un componente un 15% más ligero y una reducción del coste total de propiedad de al menos un 30%. Los componentes también cumplieron rigurosas normas industriales, como API 598 y API 6D. Estos logros demuestran que FA puede ofrecer una solución superior, más resistente y más económica para las infraestructuras críticas del sector del petróleo y el gas, y para los fabricantes en general.
"Me complace informarles de que las piezas han superado sin problemas todas las pruebas de presión. Los resultados son incluso mejores de lo esperado".
Ingeniero principal, proveedor global de servicios de válvulas.
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