Resumen: La prueba de confirmación de diseño para dispositivos de boca de pozo y válvulas de árbol de Navidad es un método crucial para verificar la confiabilidad. Utilizando un sistema y procedimientos de prueba establecidos, Se prueba para determinar si cumple con los índices de confiabilidad requeridos.
Las pruebas de más de 40 válvulas han permitido mejoras continuas en el diseño, los materiales y los procesos de fabricación, lo que ha mejorado la fiabilidad del producto, garantizado el cumplimiento de las normas y ampliado el alcance del mercado. Como componente crítico, la válvula de boca de pozo debe soportar ciclos de presión dinámicos para mejorar la fiabilidad general. Para garantizar un funcionamiento correcto en condiciones específicas y durante un tiempo definido, la válvula debe someterse a pruebas de fiabilidad para identificar y corregir deficiencias en el diseño, los materiales y los procesos de fabricación, logrando así el nivel de fiabilidad requerido y cumpliendo con las normas de la industria.
El Apéndice E de la norma referenciada describe los procedimientos completos de prueba de verificación de diseño para válvulas de boca de pozo de acuerdo con los niveles de rendimiento PR1 y PR2. Es evidente que las válvulas que cumplen con los requisitos de prueba de verificación de diseño PR2 ofrecen mayor seguridad y confiabilidad que las que cumplen con las normas PR1. Por lo tanto, este artículo se centra únicamente en las pruebas de verificación de diseño relacionadas con PR2. La prueba, realizada con base en procedimientos detallados de verificación de diseño, elementos de prueba y criterios de aceptación alineados con las condiciones de operación simuladas de la válvula de boca de pozo, sirve como el método principal para evaluar la confiabilidad de la válvula. Por definición, una prueba de confiabilidad, la prueba de verificación de diseño descrita en la literatura referenciada califica como una prueba de confiabilidad. Los procedimientos de prueba, parámetros, métodos y requisitos (ver Tabla 1), estudiados y validados a través de proyectos científicos y tecnológicos de China National Petroleum Corporation, junto con el sistema de prueba correspondiente, han demostrado a través de pruebas de válvulas y otros productos que son factibles y cumplen completamente con los requisitos de la norma.
El sistema de pruebas desarrollado por China National Petroleum Corporation Jianghan Machinery Research Institute Co., Ltd. admite un rango de temperatura de -70 °C a 360 °C, una presión nominal de hasta 140 MPa y un rango de par de conmutación de la válvula de 1500 N·m. El sistema es capaz de realizar las pruebas de ciclos de presión, ciclos de temperatura y ciclos de conmutación requeridas para las válvulas, cumpliendo con todos los elementos de prueba y requisitos especificados en la Tabla 1. Las Figuras 1 a 3 presentan curvas registradas en tiempo real de una prueba de válvula de compuerta de expansión de 34,5 MPa realizada por una empresa específica. La curva de registro en tiempo real captura simultáneamente datos de presión, temperatura, estado del interruptor, par del interruptor y número de ciclos, lo que proporciona una representación objetiva de los indicadores de rendimiento de la prueba de confiabilidad de la válvula.
Figura 1: Curvas parciales de la prueba de presión dinámica de apertura/cierre de 160 ciclos a temperatura ambiente
Tabla 1: Elementos, métodos y requisitos de las pruebas de confiabilidad
No. | Elemento de prueba | Método de prueba y requisitos |
1 | Prueba de presión dinámica para ciclos de apertura y cierre a temperatura ambiente | El extremo aguas abajo de la válvula se llena con el fluido de prueba, mientras que el extremo aguas arriba se presuriza a la presión nominal de trabajo. A continuación, la válvula se abre con la presión diferencial máxima y se cierra completamente a una presión de prueba ≥50 %. |
2 | Prueba de asiento de válvula de baja presión a temperatura ambiente | Tras el cierre, el extremo aguas abajo se presuriza a ≤1 % de la presión de prueba y el ciclo se repite 160 veces. El par de apertura inicial y el par de rotación de la válvula no deben superar los especificados en la prueba de asiento a temperatura ambiente. Aplique entre el 5 % y el 10 % de la presión de trabajo nominal y manténgala durante 1 hora. El cambio de presión observado en el dispositivo de medición de presión debe ser inferior al 5 % de la presión de prueba o 3,45 MPa, aceptándose el valor inferior. |
3 | Prueba de presión dinámica para ciclos de apertura y cierre a la temperatura nominal más alta | A la temperatura máxima nominal, utilice gas como medio de prueba. Llene el extremo aguas abajo de la válvula con el medio de prueba, presurice el extremo aguas arriba a la presión de trabajo nominal y abra la válvula con la presión diferencial máxima. El ciclo dinámico de apertura/cierre de la válvula no debe superar el límite especificado. |
4 | Pruebas de presión de aire del cuerpo de la válvula y del asiento de la válvula, y prueba de baja presión del asiento de la válvula a la temperatura nominal máxima | A la temperatura nominal máxima, aplique la presión de prueba correspondiente al cuerpo de la válvula y manténgala durante 1 hora. De igual forma, realice la prueba de presión de aire del asiento de la válvula y la prueba de baja presión del asiento de la válvula, manteniendo la presión durante 1 hora en cada caso. Si la variación de presión observada en el medidor de presión es inferior al 5 % de la presión de prueba o a 3,45 MPa, se aceptará el valor menor. |
5 | Prueba dinámica de presión de aire para ciclo abierto/cerrado a temperatura nominal mínima | A la temperatura nominal más baja, utilice gas como medio de ensayo. Llenar el extremo aguas abajo de la válvula con el medio de ensayo, presurizar el extremo aguas arriba a la presión de trabajo nominal y hacer ciclo dinámicamente de la válvula bajo el diferencial de presión completo. Cierre completamente la válvula a ≥50% de la presión de prueba. Después de cerrar, despresurizar el extremo aguas abajo hasta ≤1% de la presión de ensayo, y repetir el ciclo 20 veces. El primer y último par de apertura, así como el par de rotación, no deben exceder los límites especificados de la válvula. |
6 | Pruebas de presión de aire del cuerpo de la válvula y del asiento de la válvula, y prueba de baja presión del asiento de la válvula a la temperatura nominal mínima | A la temperatura nominal más baja, aplique la presión de prueba correspondiente tanto al cuerpo de la válvula como al asiento de la válvula, manteniendo la presión durante 1 hora, respectivamente. Si el cambio de presión observado en el dispositivo de medición de presión es inferior al 5% de la presión de ensayo o 3,45 MPa, se aceptará el valor menor. |
7 | Prueba de ciclo de presión y temperatura del cuerpo de la válvula | La válvula se abre parcialmente a temperatura ambiente, y la presión se aumenta a la temperatura nominal más alta con 50% a 100% de la presión de prueba. La presión se mantiene entonces a la presión de ensayo durante 1 hora. Posteriormente, cuando la presión de ensayo alcanza el 50% a 100% del ciclo presión/temperatura del cuerpo de válvula, la presión se reduce a la temperatura más baja y se mantiene durante 1 hora a la presión de ensayo. Una vez que se ha mantenido la presión, se libera y la temperatura se eleva a temperatura ambiente. A continuación, la presión se aumenta nuevamente a la temperatura más alta, aplicando la presión de prueba y manteniéndola durante 1 hora, después de lo cual se libera la presión. Finalmente, la presión se reduce a la temperatura más baja, se aplica la presión de prueba, y la presión se mantiene durante 1 hora antes de ser liberada y elevada a temperatura ambiente. Si el cambio de presión durante el período de mantenimiento de la presión es inferior al 5% de la presión de prueba o 3,45 MPa, lo que sea menor, el resultado será aceptado. |
8 | Pruebas de presión del cuerpo de válvula y del asiento de válvula, y pruebas de baja presión del cuerpo de válvula y del asiento de válvula a temperatura ambiente | A temperatura ambiente, aplique la presión de prueba correspondiente para el cuerpo de la válvula, el asiento de la válvula y la prueba de baja presión, y mantenga la presión durante 1 hora, 15 minutos, 1 hora y 1 hora, respectivamente. Si el cambio de presión observado en el dispositivo de medición de presión es inferior al 5% de la presión de ensayo o 3,45 MPa, se aceptará el valor menor. |
9 | Prueba de par de apertura de válvula a temperatura ambiente | Aplicar la presión nominal al extremo aguas arriba de la válvula y abrirla bajo el diferencial de presión completo para medir el par de apertura. El par no debe exceder el límite especificado para la válvula. |
10 | Pruebas de presión de aire del cuerpo de la válvula y del asiento de la válvula, y prueba de baja presión del asiento de la válvula a la temperatura nominal máxima | El prototipo probado se desmonta e inspecciona, y los artículos relevantes se fotografian. Se proporciona una descripción escrita de cualquier defecto, incluyendo su grado. Los productos y componentes deben estar libres de defectos de diseño y deben cumplir con todos los requisitos de rendimiento. La inspección incluye: una inspección visual del cuerpo de soporte de presión y una prueba de penetración de la superficie de contacto de presión entre la placa de válvula y el asiento de válvula, sin defectos o problemas permitidos. |
Figura 2: Curva de prueba de presión de aire dinámica durante 20 ciclos de apertura/cierre a la temperatura nominal más baja
Desde el establecimiento del sistema de prueba de confiabilidad en 2008, se han realizado más de 40 pruebas de confiabilidad de válvulas prototipo, con diámetros de válvula que varían de 52 mm a 180mm, presiones que varían de 34,5 MPa a 138,0 MPa, y temperaturas que abarcan de-46 ° C a 180 ° C. Una amplia gama de modelos de válvulas ha sido rigurosamente probada. Durante la fase de prueba inicial, surgieron problemas con frecuencia en la prueba de ciclo dinámico o la prueba de sellado de retención de presión.
Figura 3: Curva de prueba de ciclo de presión/temperatura del cuerpo de la válvula bajo presión
Después de un análisis exhaustivo, el cuerpo de la válvula y el capó del prototipo mantuvieron la integridad estructural y el rendimiento de soporte de presión en todas las pruebas, cumpliendo con los requisitos de confiabilidad. Sin embargo, el vástago de la válvula, el sello del vástago, la tapa del vástago, el pasador del vástago, el tornillo de bola, la placa de la válvula, el asiento de la válvula y los componentes de sellado mostraron diversos grados de problemas en múltiples pruebas.
Los problemas específicos observados incluyen: (1) En 160 pruebas dinámicas a temperatura ambiente y 20 pruebas dinámicas a alta temperatura, el par de apertura de la válvula excedió el límite especificado. Además, el vástago de la válvula se fracturó, el pasador del vástago se rompió y se atascó, el tornillo de bola se dañó, la placa de la válvula experimentó exaltación y adherencia, y tanto el manguito del vástago de la válvula como el capó mostraron signos de desgaste y exaltación. (2) En la prueba dinámica a baja temperatura, se observó una fuga significativa en el embalaje. (3) En las pruebas de sellado en diversas condiciones de temperatura, se produjeron fugas en el sello de empaque del vástago de la válvula, la junta de la tapa de la válvula y el sello de la placa de la válvula, lo que provocó una caída de presión que excedía el límite especificado.
Actualmente, después de más de 40 pruebas de confiabilidad en válvulas, para mejorar la confiabilidad de la válvula, es esencial fortalecer el control sobre las dimensiones de mecanizado y adaptación, los procesos de ensamblaje, el tratamiento térmico de los vástagos y tapas de las válvulas, la soldadura por pulverización superficial de las placas de la válvula y las superficies de sellado del asiento de la válvula, y la selección de sellos no metálicos. Para abordar los problemas existentes y verificar a través de pruebas de confiabilidad que se cumplen los requisitos, se implementan las siguientes medidas específicas:
(1) La precisión dimensional de la cavidad interna del cuerpo de la válvula, la placa de la válvula y el asiento de la válvula, así como la holgura correspondiente y la alineación entre el manguito del vástago de la válvula y la tapa de la válvula, deben cumplir con los requisitos especificados. Además, el radio de chaflán en los cuatro bordes longitudinales de la placa de la válvula debe mejorarse para evitar la interferencia con la pared del cuerpo de la válvula durante el ciclo operativo.
(2) Los materiales para el vástago de la válvula y el pasador del vástago de la válvula deben seleccionarse cuidadosamente, y el proceso de tratamiento térmico debe controlarse estrictamente para mejorar sus propiedades mecánicas y garantizar que no se deformen ni se rompan durante el funcionamiento normal.
(3) El vástago de la válvula y los sellos del asiento de la válvula están hechos de conjuntos de material de sellado de teflón para garantizar el rendimiento de sellado en ciclos de alta y baja temperatura.
(4) Para válvulas con una presión nominal de 69MPa o superior, la placa de la válvula y las superficies de sellado del asiento de la válvula deben recubrirse con carburo de tungsteno, logrando una dureza superficial de HV1050 o superior para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste.
(5) Al seleccionar un tornillo de bola para la válvula, debe cumplir con los requisitos de par y pasar las pruebas de ciclo de fatiga a alta y baja temperatura.
(6) Durante el montaje de la válvula, se debe mantener la limpieza y solo se debe aplicar una cantidad mínima de grasa de sellado, ya que la grasa excesiva puede interferir con las pruebas de fugas. La válvula también debe cumplir con los requisitos de alta y baja temperatura. La tuerca debe apretarse estrictamente de acuerdo con los procedimientos operativos, y la tapa del vástago de la válvula no debe apretarse demasiado.
(7) Después de 160 pruebas de presión dinámica de ciclo de apertura/cierre a temperatura ambiente, los pernos del bonete de la válvula y los pernos de la brida de prueba en ambos extremos se aprietan, inspeccionan y refuerzan de acuerdo con el manual de operación y mantenimiento de la válvula.
