弾力性の再定義石油・ガス分野における添加バルブの革新

1週間

リードタイム

リードタイムは52週間以上から1週間に短縮された。

30 %

トータルコスト削減

総所有コストを少なくとも30％削減。

15 %

軽量化

15%軽量化するために最適化された部品設計

石油・ガス産業は、耐久性と信頼性の高い重要なインフラに依存しています。この分野の部品は、腐食性の高い環境や極度の圧力に耐えなければなりませんが、従来の製造方法では不十分なことがよくあります。世界有数のバルブサービスプロバイダーはこの課題を認識し、業務を変革する機会を見出しました。EOSのAdditive Mindsコンサルタントと提携することで、重要なバルブ部品の設計と製造を見直すプロジェクトに着手し、ポリマー積層造形（AM）の力を活用して、より弾力性があり、コスト効率が高く、俊敏なソリューションを生み出しました。

このコラボレーションが目指したのは、単に部品を交換することではなく、スペアパーツのロジスティクス、パフォーマンス、サプライチェーンの効率性に新たなパラダイムを生み出すことだった。従来の、時間がかかり、コストのかかるプロセスから、シミュレーション主導のオンデマンドのデジタルワークフローに移行することで、パートナーは、厳しい技術要件によって定義されるこの分野に新たな基準を設定することを目指した。

課題

問題の部品は、腐食性の高い海水やその他の化学薬品に部品が頻繁にさらされる環境である、随伴水パイプラインで使用される逆止弁であった。この用途では、スーパー二相鋼のような高価で特殊な材料で作られた従来製造の部品は、6カ月ごとに頻繁に交換する必要があった。

このリズムは、メンテナンスに大きな負担をかけていた。これらの部品が大量に使用されるため、チームは稼働停止時間を避けるために常に大量の在庫を維持しなければならなかった。この問題をさらに深刻にしたのは、従来の金属部品のリードタイムが非常に長く、52週間を超えることもしばしばあったことだ。

高い交換頻度、大量の在庫要求、不安定なサプライチェーンの組み合わせは、法外なコストをもたらした。

さらに、元の金属設計を模倣したAM製造ポリマー部品の最初の反復は、高圧ガス試験中に325psiに達して爆発するという大惨事を引き起こした。この失敗により、これまでとは根本的に異なる、より洗練された設計アプローチの必要性が浮き彫りになった。

ソリューション

共同チームは、当初の部品の根本的な弱点に対処するため、シミュレーション主導の再設計プロセスに着手しました。この共同研究では、材料科学、高度な設計、厳格なテストを包括する全体的なアプローチに焦点を当てました。

チームがEOS PA 2200（ナイロン12）を選択したのは、強度、剛性、優れた耐薬品性を特徴とするバランスの取れた特性プロファイルのためで、腐食性の高い環境に最適です。チームは、生産性の高い EOS P 396マシンで製造した。

EOSのAdditive Mindsコンサルタントは、トポロジーの最適化と有限要素解析を通じて設計の旅をガイドしました。応力集中を解析し、設計を反復するために、彼らはバルブサービスプロバイダのエンジニアリングチームと連携しました。その目標は、荷重、制約、境界などすべての要件を満たす「スイートスポット」を見つけると同時に、部品の体積を減らして製造性を向上させ、コストを削減し、強度を高めることでした。再設計の結果、最大応力を約58MPaから27.5MPa未満に低減することに成功しました。

印刷後、部品はDyeMansionによるベーパーヒューズ・スムージングを受けた。この後処理工程は、部品の完全な水密性を確保し、意図された使用ケースに必要な気泡密閉を達成するために重要であった。設計、シミュレーションから印刷、後処理までのシームレスなワークフローは、AMが従来の金属製部品の性能を満たすだけでなく、それを上回る部品を製造できることを証明した。

結果

このコラボレーションは、バリューチェーン全体に変革をもたらしました。最も直接的で重要な結果は、リードタイムが劇的に短縮されたことである。元のスーパー二相部品は52週間以上かかっていたが、AMで製造されたポリマー部品はわずか1週間であった。この画期的な転換により、サプライ・チェーンが合理化されるとともに、真のデジタル・スペア・パーツ・プログラムが実現し、膨大でコストのかかる物理的在庫が不要になりました。

再設計されたコンポーネントは、圧力下で卓越した性能を発揮しました。それらはそれぞれ450psiと325psiまでのすべての静水圧シェル試験とシート試験に、完璧な結果で合格しました。最も印象的だったのは、新しい部品が長時間にわたる空気および高圧窒素ガス試験で「気泡密閉性能」を達成したことです。部品の完全性はさらに、最大荷重で60分間の長時間静水圧試験でも検証され、クリープや塑性変形の兆候はまったく見られませんでした。

このグローバル・バルブ・サービス・プロバイダーの主任エンジニアは、この部品が「すべての圧力テストに完璧に合格しました。結果は予想以上です。彼は続けて、AM部品の耐久性とシール能力を強調した。"特に、最後の2つのテストの結果、1つは空気で、もう1つは高圧の窒素で、気泡密閉性能に関して素晴らしい結果を示しました。"

このプロジェクトでは、性能の向上に加え、コンポーネントを15％軽量化し、総所有コストを少なくとも30％削減することに成功した。このコンポーネントは、API 598やAPI 6Dなどの厳しい業界基準にも適合した。これらの成果は、AMが石油・ガス部門の重要なインフラストラクチャーや一般的な製造業者にとって、より優れた、より弾力性のある、より経済的なソリューションを提供できることを示している。