Progettazione e Manutenzione di valvole per Compressori Alternativi Design and Maintenance of valves for Reciprocating Compressors

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1 Progettazione e Manutenzione di valvole per Compressori Alternativi Design and Maintenance of valves for Reciprocating Compressors

2 Progettazione e Manutenzione di valvole per Compressori Alternativi Design and Maintenance of Valves for Reciprocating Compressors Massimo Schiavone Head of Engineering Dott.Ing.Mario Cozzani S.r.l. Claudio Vaglini Customer Support Engineer Dott.Ing.Mario Cozzani S.r.l. Enzo Giacomelli Consultant Dott.Ing.Mario Cozzani S.r.l. 1. APPLICAZIONI 1. APPLICATIONS Molti impianti industriali usano macchine alternative per la compressione di gas in vari servizi. L esercizio dei compressori e la manutenzione delle valvole influenzano sicurezza ed affidabilità, richiedendo attenzione fin dal progetto iniziale. La simulazione delle prestazioni porta a soluzioni ottimali di efficienza e comportamento meccanico nelle condizioni operative. La selezione di tecnologie adeguate è importante per ridurre i costi di manutenzione, considerando anche le richieste degli utilizzatori. Le valvole (a disco e ad anelli metallici o plastici) (Fig.1) si comportano bene, a meno di effetti negativi dovuti a sporco o condizioni critiche. Quando i parametri operativi (pressione, temperatura e portata) deviano dai valori calcolati è necessaria un analisi per determinare le cause dei problemi. Quando è previsto un intervento sulle valvole, la manutenzione dovrebbe essere combinata con altre attività a meno di emergenze. Fig. 1 Fig.1. Valves with plastic plate and rings Fig.1. Valvole con disco ed anelli plastici Many industrial plants make use of reciprocating machines for gas compression in various services. Compressor operating and valve maintenance influence performance, safety and reliability, thus particular care is required beginning from the initial project. Performance simulation leads to optimized solutions as regards efficiency and mechanical behaviour in operating conditions. The selection of suitable technologies is significant in order to reduce maintenance costs, also considering the End User s requirements. The valves (with metallic or plastic plates or rings) (Fig.1) usually run smoothly, unless there are negative effects due to dirt and other critical conditions. When the operating parameters (pressure, temperature, capacity) deviate from the expected values, an investigation is necessary to determine the causes of the problems. Planned maintenance of the valves should be combined with other overhauling activi- 2

3 2.MANUTENZIONE Le strategie di manutenzione (Preventiva, Predittiva o Proattiva), devono essere determinate in funzione dell esigenze dell impianto, della criticità del servizio e della presenza di sistemi di monitoraggio e diagnostica. La manutenzione delle valvole tende a ripristinare la prestazione iniziale con l obiettivo di minimizzare i costi delle parti di ricambio e mantenere il MTTR (Mean Time To Repair) al minimo. Quest ultimo essendo collegato alle attività di smontaggio sul compressore e al ricondizionamento delle valvole influisce sulla disponibilità dell impianto. Il tempo di smontaggio dipende dalla dimensione delle valvole e dal sistema di controllo della portata. Il MTTR è breve, ma se la fermata è solo per le valvole, il fattore di disponibilità deve includere le procedure di avviamento, fermata e ritorno in produzione. Per minimizzare il MTTR e quindi l impatto sulla disponibilità è opportuno: Sostituire le valvole con un set di ricambio Combinare gli interventi con altri della macchina Programmare le attività con una fermata generale Avere un approccio per facile manutenzione, con adeguata preparazione all intervento Avere macchine sotto tettoia o in ambiente chiuso per superare i problemi ambientali Per le valvole gli utilizzatori hanno le seguenti opzioni: Sostituzione di valvole complete Ricondizionamento del set smontato Per ripristinare la prestazioni inities, unless an emergency shutdown is required. 2. MAINTENANCE Maintenance strategies (Preventive, Predictive or Proactive are determined according to the plant requirements, to the service criticality and to the availability of monitoring and diagnostic systems. Valve maintenance aims to restore the original performance, minimizing costs for spare parts and reducing the MTTR (Mean Time To Repair). Mean Time To Repair is related to the compressor disassembling activities and to the valve reconditioning and thus influences the installation availability. The time necessary to disassemble valves depends on the valve size and on the capacity control system. The MTTR is usually short, but if the shutdown is only for valves, the availability factor has to include the time necessary for start-up, shut-down and return to normal production procedures. In order to minimize MTTR and therefore the impact on plant availability it is necessary to: replace valves with spare sets combine interventions with other needs of the machine plan activities with a general shut-down have an easy maintenance approach and good preparation have the machines under roof or in closed ambient, to overcome the problem of bad weather conditions. The end users have following options for valves: 3

4 ziali, sono necessarie procedure rigorose, le più affidabili sono quelle emesse dal costruttore delle valvole stesse, che danno l opportunità agli operatori di avere valvole capaci di marciare correttamente, praticamente come nuove, ma ad un costo minore ed in tempi più brevi. 3.REVISIONE Dipende molto dalla durata in esercizio, ma le valvole sono normalmente in buone condizioni, quando le macchine trattano gas pulito e i fenomeni di corrosione sono limitati da una scelta appropriata dei materiali. In genere sono ricondizionate sostituendo anelli, molle ed altre parti di usura. Le attività di riparazione sono eseguite presso l officina dello stabilimento o da Service shop qualificati (o del costruttore), dotati di macchine ed utensili capaci di garantire la qualità necessaria. L obiettivo è di pulire, ispezionare, ricondizionare e verificare che la valvola sia in grado di funzionare perfettamente. Per valvole di qualità, si hanno tre livelli: Sostituzione degli interni (e se necessario ricondizionare i componenti principali) Sostituzione degli interni e di un componente principale (Sede, spingente, o contro-sede) Sostituzione della valvola completa Soluzioni combinate con parti ricondizionate di valvole diverse sono sempre sconsigliate. 4. SERVICE E MIGLIORAMENTI Valvole di alta Qualità ottengono buone prestazioni e maggiore complete replacement with new ones reconditioning the disassembled set In order to restore the original performance, stringent repair procedures are necessary and the most reliable are those issued by the valve producer, which give the operators the opportunity of having properly running valves practically like new ones, but at a lower cost and in less time. 3. OVERHAULING Much depends on wear, but valves are usually in good conditions, when the machines treat clean gas and corrosion effects are limited, due to a proper material selection.valve reconditioning usually consists of replacement of rings, springs and other wear parts. The repair activity is carried out in the installation workshop or in qualified service shops (or by the manufacturer), which are equipped with machines and tools that guarantee the required quality. The aim is cleaning, inspecting, reconditioning and verifying that the valve is able to properly perform again.typically for high quality valves, there are three different intervention levels: Replacement of internals (and, if necessary, recondition main components) Replacement of internals and of one of the main components (seat, plunger and guard) Replacement of the complete valve Combined solutions with reconditioned parts of different valves is never advisable. 4

5 MTBF (Mean Time Between Failures), con riduzione degli interventi di Manutenzione in applicazioni heavy duty. La cooperazione tra tecnici della manutenzione e costruttori di valvole porta a progressi tecnologici che vengono considerati sia nei nuovi progetti dalle società d ingegneria che durante l esercizio delle macchine proponendo modifiche alle valvole per ottenere una maggiore affidabilità e minori: Rischi di fermate non previste Costi di manutenzione (lavoro, parti) Perdite di produzione con aumento di disponibilità Con gas sporchi o macchine a secco l usura tra contro-sedi e molle può essere motivo di fermate anticipate con danni alle molle e conseguentemente ai dischi con rischi per le parti interne dei cilindri. Uno speciale inserto plastico può proteggere le molle evitando il movimento relativo tra parti metalliche (Fig.2), aumentando la vita delle valvole. Quando il danneggiamento è dovuto ad un contratto tra le spire della molla durante la compressione della stessa, il problema è superabile grazie ad una soluzione brevettata dalla Dott.Ing.Mario Cozzani S.r.l. che prevede molle di forma speciale che sono in grado di comprimersi uniformemente senza portare a contatto le spire tra loro (Fig.3). 5.PROGETTO Fig. 2 Fig. 3 Fig.2. Caps enclosure for springs Fig.2.Cappuccio di protezione per molle Fig.3. Special spring with no contact coils Fig.3. Molla speciale senza contatto tra spire 4. SERVICE AND UP-GRADES High Quality valves reach good performance and longer MTBF (Mean Time Between Failures) with the reduction of maintenance interventions in heavy duty applications. The cooperation of maintenance technicians and valve producers generates technological progress, that is taken into consideration by the engineering companies for new projects and also during the operating life of the machines with proposals for changes to the valves in order to obtain more reliability and less risks of unexpected compressor shut-downs maintenance costs (labour, parts) production losses, thus increasing the availability With dirty gas or dry lube high speed compressors, wear between guards and springs can be reason of anticipated shutdown due to spring damages and subsequently plate damages with risks for inner cylinder parts.a special plastic cup avoids relative movement between metallic parts (Fig.2) and increases the life of the valves. When damage is due to a contact between the lowest coils during the spring compression, the problem can be overcome using a special profiled spring, patented by Dott. Ing. Mario Cozzani Srl, that is evenly compressed, thus avoiding that occurrence (Fig.3). 5.1.Simulazione Le valvole sono sistemi complessi sottoposti a fatica, corrosione e influenzati dal gas compresso. Gli otturatori sono soggetti alle forze delle molle, del trascinamento del 5. DESIGN 5.1. Simulation Valves are complex systems 5

6 Fig. 4 Fig.4 Suction and discharge Valve simulation Fig.4 Simulazione di valvola di aspirazione e mandata gas e allo smorzamento. Molti parametri sono coinvolti come le caratteristiche del compressore, cilindri, valvole e proprietà del gas nelle varie condizioni operative. Con software avanzati di simulazione si ottengono: movimento otturatore, perdite di carico e potenza, ciclo di compressione e pulsazioni di pressione a monte e a valle delle valvole (Fig.4). Il progetto è dedicato alla simulazione delle prestazioni e del comportamento meccanico come soluzione ottimizzata. Un eccessivo fluttering porta ad una riduzione della vita delle molle con problemi conseguenti ai dischi. Una bassa alzata ha il vantaggio di ridurre l impatto dell otturatore riducendo le sovrasolundergoing fatigue and corrosion and which are affected by the compressed gas. Shutters are usually subjected to spring forces, fluid drag, inertia and damping. Many parameters like compressor characteristics, cylinders, valves and gas properties in the various process operating conditions are involved. Advanced simulation softwares allow calculating shutter movement, pressure and power losses, compression cycle and pressure pulsations upstream and downstream of the valves (Fig.4). The project is dedicated to the simulation of shutter performance and mechanical behaviour, as an optimized solution. Excessive fluttering causes a 6

7 lecitazioni, dovute a contatti localizzati tra sede e contro-sede. Una velocità più alta del gas attraverso le valvole aiuta a pulire la superficie di tenuta e riduce l effetto di incollamento (ritardo in apertura e chiusura dei dischi), dovuto alla presenza di sporco, liquidi o oli con viscosità eccessiva, come accade in compressori ad alto numero di giri.al contrario la presenza di lubrificante è una protezione contro la corrosione e aumenta lo smorzamento, riducendo fluttering e attrito tra molle e contro-sedi. 5.2.Manutenibilità Nelle applicazioni critiche dei compressori, la varietà di soluzioni (anelli, dischi, poppet) è sfruttata in base alle condizioni operative e alle tecnologie provate positivamente. I dati raccolti dalle esperienze dagli operatori della manutenzione faranno parte delle specifiche al momento dell acquisto di nuove macchine. Molti sforzi sono fatti per migliorare la Manutenibilità, con operazioni manutentive facili, dando adeguate istruzioni e check list per evitare errori durante il montaggio (in officina) e l installazione (sul compressore). Ciò aumenterà la Sicurezza e l efficacia del lavoro. Altre caratteristiche di progetto di valvole di qualità, che offrono maggiori possibilità di ricondizionamenti, sono Dadi anti-grippaggio Trattamenti speciali sulle filettature dei prigionieri Sistemi anti-allentamento dei dadi Attrezzi speciali sono suggeriti per montaggi e smontaggi valvole con criteri ergonomici, considerando la precisione dei componenti e la necessità di essere trattati con cura. reduction of spring life, with consequent problems on the plates. The advantage of a small lift is the reduction of the impact speed of the shutter, thus reducing the risk of over-strain, due to contacts with seat and guards. Higher gas velocity through the valve helps keeping the sealing areas clean and reduces the sticking effects (delay in opening/closure of plates), due to dirt, liquids or highly sticky lube oil, as usually happens in high speed compressors. On the contrary the presence of oil is a protection against corrosion and it increases the damping effect, reducing fluttering and friction between guards and springs Maintainability In critical compressor applications, the choice from the range of solutions (rings, plates, poppet), is in function of the operating conditions and of the positively proven technologies. Data collected by maintenance technicians experienced in plants will be part of the specifications in case of purchase of new machines. Many efforts have been made to increase the maintainability, with easy maintenance operations and giving proper instructions and check lists to avoid errors during assembly (in the workshop) and installation (on site) procedures. This will increase safety and effectiveness of work. Other design features for quality valves that offer more repair opportunities, are: anti-seizure nuts special treatments on the bolt threads anti-loosening systems for nuts Taking into consideration the 7

8 Nei servizi heavy duty l uso di otturatori in plastica è stato esteso quando non sono presenti limitazioni dovute alle alte temperature. In caso di rottura del disco plastico, il rischio di danni alle parti interne del cilindro è minimizzato. Tale materiale inoltre è in grado di sopportare maggiormente condizioni di lavoro con presenza di liquido e di sporco Affidabilità La possibilità di migliorare questo fattore è connessa a molti contributi. Parte dallo scambio di esperienze tra costruttori ed utilizzatori, proseguendo con R&D del costruttore per elevare il livello tecnologico di valvole ed altri componenti. Inoltre per ottimizzare la durata in esercizio dell impianto sono necessari sistemi di diagnostica per definire il MTBF e le operazioni manutentive sulle valvole. 6. CONCLUSIONI Le valvole dei cilindri dei compressori alternativi sono importanti per le prestazioni e l affidabilità. Per condizioni critiche si richiede una selezione per servizi gravosi. Un progetto iniziale accurato richiede la simulazione in varie condizioni operative, includendo quelle di regolazione della portata. Tecnologie avanzate aumentano la durata del funzionamento e riducono gli interventi di manutenzione che necessitano di procedure di ricondizionamento da parte del costruttore. MASSIMO SCHIAVONE 1987,Laurea in Ingegneria meccanica, Università di Genova 1988 Approda all ufficio tecnico della Cozzani in La Spezia, Italy Sviluppa i software per la simulazione dinamica delle valvole Incaricato alla modernizzazione dei sistemi interni Hardware e Software relativi alla progettazione, CAD 2D e 3D, CFE, CAE Progettista di nuove tipologie di valvole per compressori alternativi, incluso le serie con anelli termoplastici 1994,Responsabile dell ufficio tecnico Responsabile del nuovo dipartimento di R&D Inventore di nuove valvole e sistemi di regolazione University of Genoa, graduated in Mechanical Engineer Begins the job in Cozzani La Spezia, Italy Develops the first software for valve dynamic simulation Begins a modernization of Hardware e Software internal system dedicated to the designer, CAD 2D e 3D, CFE, CAE Designer of new series valves for reciprocating compressors, including the series with plastic shutters Head of technical manager Head of R&D Inventor of new compressor valves and regulation systems. precision of components and the need of being handled with care, for valve assembly and disassembly with ergonomic criteria, specific tools are suggested. In heavy duty services plastic shutters are increasingly used, when there are no restrictions due to temperature. In case of plastic plate failure there is minimum risk for cylinder, seals and piston damages. Moreover this material is suitable to better stand working conditions in presence of liquid and dirt Availability The possibility of improving the availability factor starts from the experience exchange of users and manufacturers, going on with manufacturer R&D so as to improve the technology level of valves and other components. Moreover, in order to optimize the plant life, adequate diagnostic systems are used to define the MTBF and consequently to determine the maintenance operations on the valves. 6. CONCLUSIONS Reciprocating compressors valves are important for performance and reliability and for critical conditions a heavy duty service selection is required. An accurate initial design requires simulation under various operating conditions, including those of capacity control and at start up. Advanced technologies increase operating life and reduce the Maintenance interventions, which need reconditioning procedures prepared by the manufacturer. 8

9 CLAUDIO VAGLINI Customer Support Engineer Dott.Ing.Mario Cozzani Srl Nel 2003 si è laureato in Ingegneria Aerospaziale presso l Università degli Studi di Pisa. Successivamente si è occupato di progettazione e realizzazione di apparecchiature meccaniche per il settore militare. Dal 2007 ad oggi è impiegato presso la Dott. Ing. Mario Cozzani Srl dove riveste il ruolo di Customer Support Engineer. Si occupa principalmente di problematiche di tipo Tecnico-Commerciale per i clienti OEM, costruttori di compressori alternativi, partendo dalla vendita del prodotto fino all after sales. Negli ultimi anni ha iniziato ad occuparsi della promozione dei prodotti Cozzani presso le società d ingegneria italiane ed estere. He attended the University of Pisa and graduated in Aerospace Engineering in Then he worked in designing and manufacturing of mechanical devices for military use. Since 2007 he has been working for Dott. Ing. Mario Cozzani Srl. as Customer Support Engineer. He is mainly involved in the Technical-Sales issues for compressors manufacturers OEM clients, from the sales of products to the after-sales. Recently he is also dealing with the promotion of Cozzani s products at Italian and foreign Engineering Companies. ENZO GIACOMELLI Consulente Oil & Gas Reciprocating Compressors Florence, Italy. 1969, Università di Pisa,laurea in Ingegneria Meccanica assunto al Nuovo Pignone di Firenze, Italia Progettazione e R&D dei Compressori Alternativi Manager. Progettazione, R&D e assistenza Clienti Responsabile Application Engineering General Manager Divisione. Compressori Alternativi Product Leader dei Compressori Alternativi di General Electric Power Systems Oil & Gas per Nuovo Pignone, Gemini and Thermodyn Advanced Technology Manager Compr. Alternativi Global Services. Giugno 2006 Consulente per Oil & Gas e Compr. Alternativi Membro ASME API Task Force per compr. Alternativi Presidente Ord. Ingegneri Prov.di Firenze Enzo attended the University of Pisa and graduated in Mechanical Engineering in Then he entered Nuovo Pignone in Florence, Italy. He worked in Design and R&D of Reciprocating Compressors becoming Manager of this group from 1972 to In 1982 he took the responsibility of Application Engineering. In 1992 he became General Manager of Reciprocating Compressors Division API Task Force for Recip. Compressors - ASME Member since President of Council of Engineers of Province of Florence. In 2000 he became Product Leader of Reciprocating Compressors worldwide of General Electric Power Systems Oil & Gas for Nuovo Pignone, Gemini and Thermodyn. In 2001 became Advanced Technology Manager for RC in Global Services Sr Advisor for Recips, China initiatives (BD, Marketing& Sales, JV for Service) Since June 2006 is independent Consultant for Oil & Gas. Consultant for Dott.Ing.Mario Cozzani S.r.l.,Italian Manufacturer of Cylinder Valves for Reciprocatine Compressors 9

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