Ridefinire la resilienza: Innovazione delle valvole additive nel settore petrolifero e del gas
L'industria petrolifera e del gas si affida a infrastrutture critiche durevoli e affidabili. I componenti di questo settore devono resistere ad ambienti altamente corrosivi e a pressioni estreme, ma spesso i metodi di produzione tradizionali non sono all'altezza. Un fornitore di servizi di valvole leader a livello mondiale ha riconosciuto questa sfida e ha visto l'opportunità di trasformare le proprie operazioni. In collaborazione con la società di consulenza Additive Minds di EOS, ha intrapreso un progetto per ripensare la progettazione e la produzione di un componente critico della valvola, sfruttando la potenza della produzione additiva di polimeri (AM) per creare una soluzione più resiliente, economica e agile.
L'obiettivo della collaborazione non era semplicemente la sostituzione di un pezzo, ma la creazione di un nuovo paradigma per la logistica dei ricambi, le prestazioni e l'efficienza della catena di fornitura. Passando da un processo convenzionale, lento e costoso a un flusso di lavoro digitale on-demand guidato dalla simulazione, i partner hanno voluto stabilire un nuovo standard per un settore definito da rigorosi requisiti tecnici.
Sfida
I componenti in questione erano valvole di ritegno utilizzate in una conduttura di acqua prodotta, un ambiente che espone spesso i componenti all'acqua salata altamente corrosiva e ad altre sostanze chimiche. Per questa applicazione, i componenti prodotti tradizionalmente, realizzati con materiali costosi e specializzati come l'acciaio super duplex, dovevano essere sostituiti ogni sei mesi.
Questo ritmo ha creato un notevole onere di manutenzione. L'elevato volume di questi pezzi in uso significava che i team dovevano mantenere un inventario massiccio in ogni momento per evitare i tempi di inattività. Ad aggravare il problema c'era un tempo di consegna incredibilmente lungo per le parti metalliche convenzionali, che spesso superava le 52 settimane.
La combinazione di un'elevata frequenza di sostituzione, di un'enorme necessità di scorte e di una catena di fornitura precaria ha comportato costi esorbitanti.
Inoltre, la prima iterazione di una parte in polimero prodotta con AM, che imitava il progetto originale in metallo, si è guastata in modo catastrofico durante i test con gas ad alta pressione, esplodendo al raggiungimento di 325 psi. Questo fallimento ha evidenziato la necessità di un approccio progettuale fondamentalmente diverso e più sofisticato, che poteva essere raggiunto solo grazie a una simulazione avanzata e all'esperienza nella progettazione per la produzione additiva.
Soluzione
Il team congiunto ha intrapreso un processo di riprogettazione guidato dalla simulazione per risolvere le debolezze fondamentali del pezzo iniziale. La collaborazione si è concentrata su un approccio olistico, che comprende scienza dei materiali, progettazione avanzata e test rigorosi.
Il team ha scelto EOS PA 2200 (Nylon 12) per il suo profilo di proprietà equilibrato, caratterizzato da forza, rigidità ed eccellente resistenza chimica, che lo rende ideale per l'ambiente altamente corrosivo. Il team ha fabbricato i pezzi con un sistema ad alta produttività EOS P 396 ad alta produttività, note per la loro affidabilità e precisione.
I consulenti Additive Minds di EOS hanno guidato il percorso di progettazione attraverso l'ottimizzazione della topologia e l'analisi agli elementi finiti. Per analizzare le concentrazioni di stress e iterare il progetto, hanno lavorato in tandem con il team di ingegneri del fornitore di servizi di valvole. L'obiettivo era trovare un "punto di forza" che soddisfacesse tutti i requisiti - carichi, vincoli e limiti - riducendo al contempo il volume del pezzo per migliorare la costruibilità, abbassare i costi e aumentare la resistenza. La riprogettazione è riuscita a ridurre la sollecitazione massima da circa 58 MPa a meno di 27,5 MPa.
Una volta stampate, le parti sono state sottoposte a levigatura vaporizzata da DyeMansion. Questa fase di post-elaborazione è stata fondamentale per garantire che i componenti fossero completamente impermeabili e potessero ottenere la tenuta a bolla d'aria richiesta per il caso d'uso previsto. Il flusso di lavoro senza soluzione di continuità, dalla progettazione e simulazione alla stampa e alla post-elaborazione, ha dimostrato che l'AM può produrre parti che non solo soddisfano, ma superano le prestazioni dei loro predecessori convenzionali in metallo.
Risultati
La collaborazione ha avuto un impatto trasformativo sull'intera catena del valore. Il risultato più immediato e significativo è stata la drastica riduzione dei tempi di consegna: da oltre 52 settimane per il pezzo originale in super duplex a una sola settimana per il componente in polimero prodotto con AM. Questo cambiamento monumentale ha snellito la catena di fornitura e ha reso possibile un vero e proprio programma di ricambi digitali, eliminando la necessità di un vasto e costoso inventario fisico.
I componenti riprogettati hanno dimostrato prestazioni eccezionali sotto pressione. Hanno superato tutti i test idrostatici su guscio e sede, rispettivamente fino a 450 psi e 325 psi, con risultati impeccabili. Ma soprattutto, i nuovi componenti hanno ottenuto "prestazioni a tenuta di bolla" durante i test di durata prolungata con aria e azoto gassoso ad alta pressione, un risultato che il progetto iniziale non era in grado di raggiungere. L'integrità dei componenti è stata ulteriormente convalidata durante un test idrostatico di 60 minuti a carico massimo, che non ha mostrato segni di creep o deformazione plastica.
L'ingegnere principale del fornitore globale di servizi di valvole ha espresso la sua soddisfazione, affermando che i pezzi "hanno superato tutti i test di pressione senza problemi. I risultati sono migliori del previsto". In particolare, i risultati degli ultimi due test, uno sull'aria e l'altro sull'azoto ad alta pressione, hanno mostrato risultati eccellenti per quanto riguarda la tenuta delle bolle d'aria".
Oltre all'aumento delle prestazioni, il progetto ha permesso di ottenere un componente più leggero del 15% e una riduzione del costo totale di proprietà di almeno il 30%. I componenti sono stati inoltre conformi ai rigorosi standard industriali, tra cui API 598 e API 6D. Questi risultati dimostrano che l'AM può fornire una soluzione superiore, più resistente e più economica per le infrastrutture critiche del settore petrolifero e del gas e per i produttori in generale.
"Sono lieto di informarvi che i pezzi hanno superato tutti i test di pressione senza problemi. I risultati sono addirittura migliori del previsto".
Principal Engineer, Global Valve Services Provider
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