La produzione additiva metallica sta trovando applicazioni sempre più concrete nel settore oil & gas, soprattutto nei casi in cui i limiti di spazio, peso e geometria rendono poco efficiente l’impiego di componenti progettati per la produzione convenzionale. Un esempio arriva da Valland S.p.A., produttore italiano di valvole con sede a Piantedo, in provincia di Sondrio, che attraverso la propria divisione Valland3D ha sviluppato una valvola ausiliaria Double Block and Bleed destinata al retrofit di impianti esistenti.
Il componente, indicato dall’azienda come PVT Valve, è già stato prodotto in oltre cento esemplari e utilizzato anche su un’installazione offshore di Vår Energi. L’aspetto più interessante del progetto non riguarda soltanto la riduzione del peso: attraverso la produzione additiva, Valland è riuscita a racchiudere in appena 35 millimetri di lunghezza una serie di condotti e funzioni che, utilizzando lavorazioni meccaniche tradizionali, avrebbero richiesto un corpo molto più voluminoso.
Rispetto alla più piccola configurazione producibile mediante lavorazione sottrattiva, Valland dichiara una riduzione del volume superiore al 70%.
Il problema delle valvole installate sugli impianti offshore
Negli impianti oil & gas le operazioni di isolamento e depressurizzazione delle cavità delle valvole sono essenziali sia durante la manutenzione sia durante determinate fasi operative. Una configurazione Double Block and Bleed, spesso abbreviata in DB&B, utilizza due barriere di isolamento separate da un sistema di spurgo o depressurizzazione.
Nel caso preso in esame da Valland, il problema riguardava in particolare valvole a saracinesca del tipo double expanding gate valve. All’interno della cavità può rimanere gas in pressione che deve essere evacuato in maniera controllata prima di determinate attività di intervento.
Utilizzare semplicemente un’apertura di drenaggio non risolve necessariamente il problema. In alcune condizioni operative, durante la depressurizzazione può verificarsi la formazione di idrati, composti solidi che possono ostruire il percorso del fluido e rallentare o impedire il corretto scarico della pressione.
Una soluzione DB&B convenzionale permetterebbe di gestire meglio il processo, ma sulle installazioni già esistenti emerge un problema meccanico: dimensioni e massa del gruppo possono risultare eccessive rispetto al punto di collegamento disponibile. Nel caso affrontato da Valland, l’interfaccia esistente era una connessione filettata NPT da mezzo pollice.
Installare un componente tradizionale sufficientemente grande da contenere tutti gli elementi necessari avrebbe aumentato il momento meccanico esercitato sulla filettatura. Questo avrebbe comportato sollecitazioni aggiuntive proprio nel punto in cui la valvola accessoria viene collegata al corpo principale.
Una valvola di appena 35 millimetri con quattro percorsi funzionali
La soluzione sviluppata da Valland3D sfrutta la libertà geometrica della produzione additiva per integrare nel corpo del componente quattro differenti elementi funzionali: una prima barriera, il canale di scarico, una seconda barriera e l’uscita.
La configurazione utilizza valvole a spillo per creare le barriere primaria e secondaria, con un elemento di bleed intermedio destinato alla depressurizzazione.
La caratteristica determinante è che questi percorsi non devono essere ottenuti assemblando tubazioni, raccordi e corpi separati. I canali possono essere costruiti direttamente all’interno della geometria metallica durante il processo di stampa.
Gianluca Acquistapace, AM Manager di Valland3D, ha spiegato che la produzione additiva ha permesso all’azienda di ridurre di oltre il 70% il volume del componente rispetto alla configurazione minima realizzabile mediante tecniche sottrattive.
La lunghezza complessiva di 35 millimetri consente inoltre di avvicinare il baricentro della valvola accessoria al corpo della valvola principale, diminuendo il carico esercitato sulla connessione filettata.
Superduplex F55 per lavorare in condizioni difficili
Per produrre la PVT Valve, Valland3D utilizza una lega Superduplex F55, materiale appartenente alla famiglia degli acciai inossidabili duplex ad alte prestazioni.
I materiali superduplex vengono impiegati nell’oil & gas e negli ambienti marini per la combinazione di resistenza meccanica e resistenza alla corrosione richiesta in presenza di fluidi aggressivi e atmosfere saline.
La possibilità di utilizzare questi materiali nella produzione additiva è importante perché consente di applicare la libertà geometrica della stampa 3D non soltanto a prototipi o componenti dimostrativi, ma a parti destinate a condizioni operative impegnative.
Valland3D lavora infatti con acciai inossidabili, duplex, superduplex e leghe di nichel e ha costruito internamente competenze specifiche nella produzione additiva metallica per componenti destinati alle valvole.
La produzione sulla EOS M 290
La PVT Valve viene realizzata attraverso un sistema EOS M 290 di EOS, utilizzando il processo Laser Powder Bed Fusion.
La tecnologia parte da uno strato sottile di polvere metallica distribuito sulla piattaforma di costruzione. Un laser fonde selettivamente le zone corrispondenti alla sezione del modello digitale. La piattaforma viene quindi abbassata, viene depositato un nuovo strato di polvere e la sequenza viene ripetuta fino alla costruzione dell’intero componente.
La differenza rispetto alla lavorazione sottrattiva è sostanziale. Con una macchina utensile tradizionale è necessario poter raggiungere con frese e utensili le superfici da lavorare. Condotti curvi, percorsi interni intrecciati o cavità non accessibili dall’esterno possono quindi risultare difficili o impossibili da produrre in un singolo pezzo.
Con il Laser Powder Bed Fusion la geometria viene invece costruita progressivamente. Questo permette ai progettisti di considerare i canali interni come parte integrante del componente fin dalle prime fasi di progettazione.
È proprio questa possibilità ad avere consentito a Valland di trasformare un insieme di funzioni normalmente distribuite su più elementi in un corpo compatto.
EOS, produttore tedesco di sistemi industriali per additive manufacturing, fornisce piattaforme utilizzate per componenti metallici destinati a numerosi settori industriali. La stessa tecnologia è impiegata anche per applicazioni energetiche nelle quali geometrie interne complesse costituiscono uno dei principali vantaggi della produzione additiva.
La stampa 3D non sostituisce la qualificazione del componente
La possibilità di costruire una geometria complessa non è sufficiente per introdurre un componente in un impianto oil & gas. Materiale, processo di stampa, trattamento termico, ripetibilità produttiva e controlli devono essere considerati come parti dello stesso processo industriale.
Per la PVT Valve, Valland ha sviluppato internamente i parametri di produzione e quelli relativi ai trattamenti termici.
Il processo è stato qualificato secondo DNV-ST-B203, standard utilizzato come riferimento per la produzione additiva di componenti metallici, raggiungendo l’Additive Manufacturing Component Level 2.
La norma DNV-ST-B203 definisce un quadro per la qualificazione e la produzione di componenti metallici mediante additive manufacturing e affronta aspetti quali qualità del materiale, controllo del processo, produzione, ispezioni e documentazione.
DNV ha sviluppato questo sistema proprio per facilitare l’impiego industriale della produzione additiva in settori nei quali affidabilità, tracciabilità e controllo della qualità sono indispensabili.
Oltre cento valvole prodotte e sottoposte a test
Secondo i dati comunicati da Valland, sono stati prodotti, controllati e utilizzati più di cento esemplari della PVT Valve.
Il programma di verifica ha incluso prove di pressione, test sulle emissioni e prove al fuoco. È un passaggio rilevante perché distingue il progetto da molte applicazioni additive limitate alla prototipazione: in questo caso la tecnologia viene impiegata per produrre una serie di componenti destinati all’utilizzo operativo.
Il responsabile tecnico di Valland, Daniele Brambilla, ha sottolineato anche un altro elemento importante del progetto: l’interfaccia di ingresso della PVT Valve può essere adattata alla stessa connessione presente sulla valvola principale.
Questo significa che la soluzione può essere progettata specificamente per interventi di retrofit su apparecchiature già installate, senza dover ripensare necessariamente il corpo principale della valvola.
Il retrofit evita la sostituzione della valvola principale
Questo aspetto diventa particolarmente interessante nel settore offshore, dove sostituire un componente di grandi dimensioni non significa semplicemente acquistare un nuovo pezzo.
Una sostituzione può richiedere pianificazione dell’intervento, disponibilità della ricambistica, logistica offshore, personale specializzato, isolamento di una parte dell’impianto e finestre di manutenzione compatibili con le attività della piattaforma.
Se il problema può essere risolto attraverso un componente accessorio installato sull’apparecchiatura esistente, l’intervento può diventare molto meno invasivo.
Il vantaggio della PVT Valve sviluppata da Valland deve quindi essere letto soprattutto in termini di integrazione funzionale. La riduzione delle dimensioni non costituisce un obiettivo fine a se stesso, ma rende possibile installare un sistema DB&B dove una soluzione convenzionale sarebbe troppo ingombrante o pesante.
Dalla produzione dei pezzi al magazzino digitale
Il progetto si inserisce inoltre nella strategia più ampia di Valland3D per l’impiego della manifattura additiva nell’industria energetica.
Valland ha iniziato a sperimentare tecnologie additive nel 2016 e ha progressivamente trasformato queste attività in una divisione produttiva interna. Oltre al Laser Powder Bed Fusion, l’azienda dichiara esperienza con Binder Jetting, Directed Energy Deposition e Wire Arc Additive Manufacturing, insieme alla stampa di polimeri mediante processi FDM/FFF e fotopolimerizzazione.
Uno degli sviluppi sui quali Valland3D sta lavorando riguarda il concetto di digital warehouse. Invece di conservare fisicamente determinati ricambi per anni, il produttore può archiviare il modello digitale qualificato del componente e produrlo quando diventa necessario.
Per un settore caratterizzato da impianti con cicli di vita molto lunghi, questa impostazione può ridurre la dipendenza da scorte fisiche di componenti poco utilizzati e permettere di produrre parti specifiche quando servono, purché il sistema produttivo, il materiale e l’intero processo rimangano qualificati.
Un caso che mostra dove la produzione additiva ha più senso
La PVT Valve di Valland evidenzia un aspetto importante della stampa 3D industriale: il suo valore non consiste necessariamente nel sostituire una macchina utensile nella produzione di un componente già ottimizzato per la lavorazione tradizionale.
Il vantaggio emerge quando il progetto può essere modificato sfruttando caratteristiche specifiche del processo additivo.
Nel caso della valvola DB&B, la possibilità di integrare quattro percorsi funzionali all’interno di un corpo lungo soltanto 35 millimetri ha permesso di affrontare contemporaneamente diversi problemi: ingombro, massa, posizione del baricentro, carico sulla connessione filettata, gestione della depressurizzazione e compatibilità con apparecchiature già installate.
La presenza di oltre cento unità prodotte e l’impiego su un’installazione offshore di Vår Energi indicano inoltre il passaggio da una dimostrazione tecnologica a un’applicazione industriale concreta.
Per Valland, Valland3D, EOS e gli operatori energetici interessati alla produzione on demand, casi di questo tipo mostrano una possibile direzione per l’additive manufacturing nel settore oil & gas: non replicare semplicemente i componenti esistenti, ma riprogettarli quando la libertà geometrica della produzione strato su strato permette di risolvere problemi che con le tecnologie convenzionali richiederebbero apparecchiature più grandi, più complesse o una modifica sostanziale dell’impianto.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
