VELO3D hace equipo con IMI Critical Engineering para ofrecer a un importante operador de Oil & Gas componentes por manufactura aditiva

Las dos válvulas impresas 3D después del acabado

Mantener el buen funcionamiento de las instalaciones de producción de petróleo y gas es uno de los retos más difíciles de cualquier industria. Los componentes críticos de control de procesos fallan inevitablemente bajo condiciones de esfuerzos de alta presión y las severas condiciones en el medioambiente durante el servicio de plantas de petróleo y gas. Históricamente estas plantas tienen que implementar programas de inventario de partes debido a que los tiempos promedio de producción, no son compatibles con las necesidades operativas para evitar el riesgo de un paro prolongado.

Las piezas del inventario suelen ser las mismas que se eligieron cuando se diseñó la instalación y es posible que el fabricante ya no disponga de repuestos. Las oportunidades de actualizar el diseño o los materiales de un componente son limitadas, a medida que cambian los requisitos de funcionamiento. Como resultado, los problemas de confiabilidad continúan y, en algunos casos, pueden empeorar con el tiempo.

Para agravar estos problemas, muchas instalaciones están situadas en lugares remotos o de difícil acceso, como en alta mar o en el Ártico, lo que hace que el servicio y la asistencia sean un problema. ¿Cómo se podría suministrar de forma confiable y rápida piezas clave a instalaciones remotas, a menos que disponga de reservas de inventario en cada lugar?

El potencial y los obstáculos de la manufactura aditiva

Las plantas de Oil & Gas cada vez están más dispuestos a considerar la manufactura aditiva o impresión 3D de metales como una respuesta a estos retos del inventario. No es de extrañar que los fabricantes de equipos originales (OEM) del sector también se fijen en la manufactura aditiva a medida que evolucionan junto con sus clientes para tener soluciones más eficientes que resuelvan los continuos problemas de inventario y zonas geográficas. Sin embargo, siguen existiendo algunos obstáculos importantes para la adopción generalizada de la manufactura aditiva en esta industria.

La mayoría de las tecnologías de impresión 3D metálica existentes requieren conocimientos sobre los parámetros de impresión, lo que a veces puede ser un proceso intensivo y da lugar a desafíos en adaptarse de manera eficiente y rápida a las geometrías y características. En ciertos sistemas también se requiere un rediseño de la pieza para que sea imprimible, en lugar de permitir que una pieza se imprima cómo se diseñó originalmente. A menudo no se dispone de los datos de todo el proceso de impresión, algo fundamental en evaluar la calidad de la pieza.

Además, un archivo de impresión 3D configurado en una máquina no puede utilizarse en otra -a veces incluso si son de la misma marca y modelo- sin la intervención del usuario; el resultado puede ser un archivo siempre cambiante basado en la calibración individual de cada máquina. Esto crea un reto de tener un inventario digital similar al físico al que ya se enfrentan las plantas.

Hasta la fecha no se han publicado directrices del Instituto Americano del Petróleo (API) de especificaciones de materiales de manufactura aditiva. "Esto ha supuesto un reto a los usuarios interesados en aplicar esta tecnología industrial a aplicaciones en las que la velocidad y la calidad que ofrece serían beneficiosas", comenta Steve Freitas, director de I+D de IMI Critical Engineering. Una empresa que diseña, fabrica e instala soluciones e ingeniería de control de flujo en construcción de plantas de proceso, y ofrecen un servicio integral de mantenimiento del ciclo de vida de la planta.

Directrices del Instituto Americano del Petróleo en manufactura aditiva

Sin embargo, ya está en marcha una guía API20S, la primera especificación aprobada por la industria de petróleo para impresión 3D metálica. Esta especificación, que se encuentra en fase de votación, definirá los procesos, pruebas, documentación y la trazabilidad, entre otros requisitos, para los fabricantes de componentes metálicos por impresión 3D que se utilicen en instalaciones de todo tipo.

El draft de la API20S se está elaborando con la contribución de empresas, desde operadores, fabricantes de equipos originales y proveedores de máquinas de manufactura aditiva, y se encuentra en su fase final, aunque todavía puede sufrir cambios. Aunque no detalla los criterios completos (es decir, los criterios de aceptación de las pruebas mecánicas o no destructivas requeridas), la API20S sí describe los tipos de pruebas y validación que se requerirán en función de los distintos niveles de riesgo de una operación de petróleo y gas.

IMI Critical adoptará las directrices con entusiasmo, ya que empezaron a estudiar diferentes equipos de impresión 3D para válvulas ya de hace tiempo. "Recientemente identificamos la tecnología avanzada que realmente cumple con nuestro propósito, " dice Freitas.

Una alianza en producción

VELO3D es el fabricante de sistemas de manufactura aditiva que ofrece el nivel necesario de tecnología a IMI Critical. En colaboración con un importante operador de Oil & Gas que también es miembro del comité API, IMI Critical ha entregado componentes críticos como primer artículo (nivel de especificación de manufactura aditiva 3 (AMSL 3)) destinados a servicio en campo. Las piezas, que también cumplen los requisitos del draft API20S, se imprimieron en una maquina VELO3D Sapphire operado por el proveedor contratado Knust-Godwin.

VELO3D es conocido por sus soluciones de manufactura aditiva, que incluye la calibración automatizada del sistema antes de la corrida, supervisión y reportes de calidad de la construcción de inicio a fin, características que dan exactamente el tipo de datos en los que se basan muchos de los objetivos de API20S. El objetivo a largo plazo del proyecto conjunto es crear un compendio de datos de campo medidos que sirva de apoyo para la certificación de piezas de producción por impresión 3D, así como para el futuro establecimiento de especificaciones más exactas para las propiedades de los materiales y los métodos de prueba.
Los beneficios inmediatos del trabajo de IMI Critical con VELO3D se hicieron evidentes a medida que el proyecto pasaba de las ideas a las piezas de trabajo.

¿Cómo lo hicieron?


Para el proyecto del equipo, el operador de la planta Oil & Gas seleccionó una carcasa de válvula de estrangulamiento común. La pieza se había fabricado con simples orificios ranurados para los puertos, que pueden presentar problemas de vibración y daños debidos al corte por erosión en las operaciones de caída de alta presión.

La industria de control de flujo ha evolucionado desde el momento en que se creó esta pieza hasta la actualidad. Una de las innovaciones es la mejora tecnológica que tiene IMI Critical con DRAG, que consiste en una serie de vías de flujo discretas y de varias etapas que controlan mejor la velocidad del fluido y evitan los problemas de vibración y erosión de los recortes. IMI Critical, que lleva años produciendo componentes metálicos por impresión 3D, vio una oportunidad de negocio no sólo para sustituir una pieza a la medida sino también para mejorar su desempeño con DRAG.

El siguiente paso fue evaluar el nuevo diseño para su impresión en 3D (Imagen 1) usando el material Inconel 718. "La revisión inicial de VELO3D de nuestro diseño del housing produjo recomendaciones sobre cómo mejorar la calidad tanto de la pieza aditiva como de la pieza final mecanizada después del proceso", señala Freitas.

Imagen 1. Dos válvulas de estrangulamiento optimizadas con la tecnología DRAG de IMI, representadas en un archivo del software VELO3D Flow.


Preparando la impresión


Una vez completado el diseño CAD de la pieza, era el momento de pasar a manufactura aditiva. A diferencia de otros sistemas de impresión 3D de metal, el software de preparación Flow de VELO3D, responde automáticamente a la geometría de la pieza sin necesidad de preparar parámetros específicos. Flow lo hace aplicando un conjunto de pasos basados en la geometría CAD nativa del diseño, y en las entradas definidas por el usuario relacionadas con las superficies importantes. Esto permite a los ingenieros de diseño centrarse en la funcionalidad deseada de la pieza final por encima de todo, sin necesidad de una manipulación de los parámetros previos a la impresión.

El diseñador también puede utilizar el software para aplicar refinamiento de superficies para elegir la mejor opción (Imagen 2). Esto no sólo dio lugar a una rápida transición a la sección de la primera pieza del proyecto, sino que también creó un marco para facilitar la configuración de futuras corridas y satisfacer los requisitos específicos de acabado superficial y de flujo en IMI Critical.


Imagen 2. Tres condiciones de pruebas de acabado superficial con el software Flow de VELO3D

"Flow reduce el tiempo de preparación inicial desde el CAD hasta el archivo de impresión 3D", afirma Zach Walton, director de Soluciones de Energía de VELO3D, que ha trabajado en el proyecto con IMI Critical desde un inicio. "Esto abre la posibilidad de que los ingenieros de diseño y manufactura implementen la impresión 3D metálica de forma eficiente. La capacidad de nuestro sistema puede imprimir el mismo archivo en cualquier máquina Velo Sapphire, esto fue muy atractiva para la visión del operador de plantas de Oil & Gas en cuanto a inventarios digitales y sustitución directa de piezas."

 

Control de calidad en todo el proceso de impresión 3D para reproducir en cualquier lugar

Con los requisitos de la especificación API20S siempre en mente durante el proyecto, la automatización del software Assure de control de calidad interno de VELO3D, fue muy útil. "Tras la calibración con un solo clic antes de una corrida, Assure recopila esos datos junto con una cantidad de información capturada a lo largo de la impresión, capa por capa, y luego genera automáticamente un reporte de corrida que con información importante", comenta Walton.

"Los datos y las imágenes del software Height Mapper (Imagen 3) fueron útiles para evaluar y valorar las áreas críticas de la pieza para las siguientes producciones". En conjunto con el software Flow, se permite que este mismo archivo de impresión se imprima en cualquier sistema VELO3D, con la misma calidad de la pieza final. Estas capacidades hacen posible el almacenamiento digital y reemplazo de piezas bajo demanda".


Imagen 3a, b, c, d. (Arriba) Fotografías reales de la construcción capa a capa dentro de un sistema aditivo metálico VELO3D Sapphire: (a. izquierda) cama de polvo tras el recubrimiento y (b. derecha) lecho de polvo tras el láser. (Abajo) Las imágenes del software Height Mapper de capa individual muestran (c. izquierda) la cama de polvo tras el recubrimiento, asegurando una superficie uniforme para el láser, y (d. derecha) el lecho de polvo tras el láser, donde se ve el desempeño de la pieza y un entorno seguro para la siguiente capa.

Saber que el archivo de impresión 3D creado durante el proyecto puede volver a imprimirse en cualquier sistema VELO3D en cualquier lugar, da un apoyo tangible para el desarrollo de cadenas de suministro más sólidas, a medida que las operaciones de petróleo y gas comienzan a aprovechar la impresión 3D metálica en sustituir o mejorar las piezas obsoletas.

"Podemos ayudar a nuestros clientes a reducir los requerimientos de inventario y ofrecemos oportunidades en optimizar tanto las características funcionales como los materiales de los componentes críticos de control de procesos", afirma Freitas. "Esto permite a los operadores de plantas de petróleo desviar su atención de los problemas de reparación y de la cadena de suministro de piezas y concentrarse en mejorar la planta y controlar los costos."

Los dos primeros artículos de componentes de la válvula de estrangulación se imprimieron con éxito en las instalaciones de Knust Godwin (imagen 4 izquierda). A partir de ahí, las válvulas se retiraron de la placa de fabricación junto con las muestras de ensayo API20S. A continuación, las válvulas se mecanizaron hasta su acabado final (imagen 4 Derecha), mientras que las muestras se sometieron a pruebas de acuerdo con la norma API20S, que demostraron el cumplimiento de la especificación de materiales de IMI Critical.

Dos válvulas de estrangulamiento, optimizadas con la tecnología DRAG de IMI, mostradas en la placa de construcción después de ser impresas en 3D con el sistema Sapphire de VELO3D

 

Imagen 4a y b. (a. arriba) Dos válvulas de estrangulamiento, optimizadas con la tecnología DRAG de IMI, mostradas en la placa de construcción después de ser impresas en 3D con el sistema Sapphire de VELO3D, y (b. abajo) las dos válvulas después del acabado.

 

las dos válvulas después del acabado

 

A continuación, las válvulas fueron sometidas a pruebas de flujo en IMI Critical (Imagen 5) antes de ser entregadas al operador de Oil &Gas para su uso en las próximas pruebas en campo. Freitas añade: "Esta fue la primera válvula de producción hecha con la tecnología Velo3D y los resultados de las pruebas de flujo fueron una demostración de la consistencia de los procesos del software Flow."


Imagen 5. Válvulas de estrangulamiento completadas y probadas en las instalaciones de IMI Critical

 

Como ya se ha dicho, las pruebas en campo son inminentes y el objetivo de llevar a la industria casos de éxitos similares con impresión 3D siguen ampliándose. "IMI Critical tiene la visión de ofrecer a sus operadores de plantas mucho más que el reemplazo de piezas usadas", dice Walton. "Realmente queremos avanzar en reemplazar piezas obsoletas por una tecnología actualizada de desempeño óptimo".

 

IMI Critical muestra que las plantas con piezas obsoletas ya no pueden reemplazar esos diseños anticuados, pero con las tecnologías como DRAG y manufactura aditiva si se podrá hacer. "Aquí es donde la impresión 3D puede cambiar radicalmente el panorama", dice Walton. "Al utilizarla para suministrar piezas optimizadas por DRAG en menos tiempo que los métodos de fabricación tradicionales, IMI Critical puede ofrecer a sus clientes ciclos más cortos y una cadena de suministro mucho más sencilla.

 

" Las pruebas y los análisis iniciales ya se han considerado satisfactorios, por lo que estas versiones están en camino para que el operador de plantas de petróleo las utilice en campo. En la actualidad, se hacen producciones, aprovechando el plan del primer artículo. También se realizarán pruebas de campo adicionales para recoger más datos operativos. El resultado serán unos componentes listos para la producción, que se ajustarán a los objetivos actuales del proyecto API20S, y que se someterán a pruebas de campo en el mundo real en una de las plantas del operador.

Próximos pasos

Tras la instalación y las pruebas de las nuevas housings de válvulas de estrangulamiento en campo, se publicarán y presentarán los resultados. En el futuro, IMI Critical tiene la intención de seguir implementando la tecnología de VELO3D para la fabricación de otras válvulas de estrangulamiento y otros tipos de componentes. "La capacidad de impresión 3D metálica de suministrar piezas personalizadas a partir de aleaciones metálicas robustas, en mucho menos tiempo que la cadena de suministro tradicional, es una ventaja que llevamos ofreciendo a nuestros clientes desde hace tiempo. Las capacidades únicas de las tecnologías de Velo3D nos permitirán minimizar el rediseño de nuestros productos, reducir las barreras de los sistemas tradicionales aditivos de metales, mantenimiento y escalabilidad de la cadena de suministro", afirma Freitas.

El uso de manufactura aditiva avanzada aportará más ventajas al propio trabajo de exploración de diseños de IMI Critical, gracias a la capacidad de VELO3D de fabricar canales internos y conformales con ángulos muy inferiores a 45 grados (incluso hasta cero en el caso de la tecnología DRAG de IMI Critical). Esto mejorará la aplicación de DRAG para optimizar los diseños heredados y simplificar los flujos de trabajo.

IMI Critical también tiene previsto aprovechar la plataforma de mayor tamaño con el sistema XC AM de VELO3D y fabricar elementos de control de flujo de mayor tamaño, o mayores volúmenes de los más pequeños. "Continuaremos nuestro trabajo en equipo con VELO3D y producir piezas para petróleo y aplicar su gran capacidad de fabricación en válvulas grandes tanto para el mercado del petróleo y el gas como el de la energía fósil", afirma Freitas.

 

Fuente: Velo 3D