Saint-Gobain PAM Italia Spa

1. CONCEZIONE E SVILUPPO
VALVOLA FUSO NGL
Criteri di dimensionamento e verifica idraulica

2. Definizione
Sviluppo
Prototipi
Tests
Analisi
certificazione
Produzione
CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL

3. Verificata fattibilità tecnica
- Disegni preliminari nuovo design
- Pre dimensionamento
- Valutazioni strutturali
- Valutazioni idrauliche
- Materiali
Valutazione economica
- Stima costi modellazione
- Valutazione processo di produzione
- Valutazione componenti
CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
Sviluppo
Definizione degli obbiettivi di sviluppo
- Esigenze di Mercato
- Esigenze del cliente
- Innovazione tecnica
- Miglioramento efficienza idraulica
- Miglioramento controllo e linearità
- Ottimizzazione particolari costruttivi
- Qualità
- Estensione gamma

4. Obbiettivi raggiunti dal nuovo design
La riduzione dei componenti interni e
l’ottimizzazione del design ha consentito di:
- Ridurre e ottimizzare o processi di lavorazione
- Ridurre e ottimizzare le fase di montaggio
- Facilitare la manutenzione
- Protezione completa: verniciatura totale del
corpo interno/esterno
- Riduzione peso valvola
CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
1 STEP: OTTIMIZZAZIONE COMPONENTI INTERNI E MODELLAZIONE Sviluppo

5. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
1 STEP: OTTIMIZZAZIONE COMPONENTI INTERNI E MODELLAZIONE
Componentistica
- Riduzione componentistica per
modellazione: da 17 pezzi a 12 pezzi.
Tenute e sede
- Predisposizione di una sola cava per
inserimento di o ring di tenuta e slide ring
tra otturatore e corpo
Lavorazione
- Miglioramento tempi di lavorazioni
Sviluppo

6. Verifiche meccaniche su componenti
Verifica sforzi albero:
- Sollecitazione di a flessione
- Sollecitazione a taglio
- Sollecitazione a flessione
- Sollecitazione Von mises
Verifica biella – forcella e glifo:
- Sollecitazione carichi assiali e di punta
- Sollecitazione tipo a) b) del glifo
- Sollecitazione momento flettente
- Taglio
CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
2 STEP: VERIFICA MECCANICA E COPPIE DI MANOVRA Sviluppo

7. Coppie di manovra – cosa determina le coppie di
manovra ?
Cosa determina la coppia (Nm):
Spinta idraulica 
- Coppie attrito boccole
 coeff di attrito – dimensioni
- Coppie attrito guarnizioni O rings
 coeff di attrito - dimensioni
- Coppia resistente otturatore in chiusura – meccanismo biella
glifo
 angoli biella/glifo
 Raggio Glifo
Il nuovo progetto ha permesso miglioramenti nelle coppie
di manovra, in alcuni casi vi è una riduzione del 50%
CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
2 STEP: VERIFICA MECCANICA E COPPIE DI MANOVRA
s
lg
lb
b
a
L
Ds
Biella
Glifo
Spinotto
Perno
Spinotto
Dp
Otturatore (Pistone)
Sviluppo

8. 3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Strumenti di sviluppo utilizzati
- Inventor per modellazione 3D
- Software Computational Fluid Dynamics
ANSYS CFX
- ANSYS Mechanical
- Prove in laboratorio PAM
- Prove presso laboratorio CETIM
Obbiettivi di sviluppo
- Miglioramento efficienza idraulica e
prestazioni
- Miglioramento controllo e linearità
Come
- Aumento diametro sezione di uscita
- Modifica design interno della valvola
.
CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
Sviluppo

9. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
- Determinazione coefficiente di efflusso
Kv
- Il coefficiente Kv definisce il flusso di
acqua espresso in m³/h, che attraversa
una valvola con una pressione
differenziale (caduta di pressione) di 1
bar.
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Determinazione delle perdite di carico
- Determinazione coefficiente (K) di
perdita di carico e curve di prestazione
.
1
10
100
1000
10000
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Headlosscoeff.[-]
Valve opening [%] STD
Needle…
Sviluppo

10. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
- Zeta value & Curve di prestazione con
dispositivi di anticavitazione
- Determinazione curve (K) configurazione
standard
- Determinazione curve (K) per tipologia di
cestelli anticavitazione
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
1,0
10,0
100,0
1.000,0
10.000,0
100.000,0
1.000.000,0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
STANDARD
SLOT
K20
K150
Esempio da fase sperimentale
Sviluppo

11. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
- Definizione del parametro di cavitazione σ
- l’introduzione del parametro σ permette di definire a livello
teorico una curva di cavitazione al di sotto della quale si
determina l’inizio dei fenomeni di cavitazione nella valvola.
- Tramite analisi sperimentale si è in grado di determinare
l’intensità dei vari stadi di cavitazione e definire entro quali
limiti la cavitazione porta ad un danneggiamento delle
apparecchiature in campo.
- le curve rilasciate dai costruttori di solito determinano l’inizio
del σ C
- Spetta al progettista Valvole consigliare e definire l’inizio dei
fenomeni distruttivi, ponendo rimendio attraverso
l’introduzione di appositi dispositivi anticavitazione
Definizione del parametro di cavitazione σ
Studio sperimentale definito da Laboratio Cetim
- Definizione indice critico di cavitazione Sigma curve
- Determinazione coefficiente di recupero FL
(chocked flow threshold)
- Misurazione rumore

12. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
SIMULAZIONE FLUIDODINAMICA
ANSYS CFX
Ansys CFX permette di modellare e simulare tutti i
processi fluidi ottenendo risultati accurati e affidabili in
breve tempo.
ANALISI
Simulazioni stazionarie/transitorie
Flussi comprimibili e incomprimibili
Flussi monofase e multifase (cavitazione)
Ottimizzazione delle performance di una valvola
Minimizzazione della perdita di pressione
Calcolo di perdite di carico, di forze e coppie agenti
sull'otturatore, zone di cavitazione, inneschi di
turbolenza, tempi di chiusura e posizioni di equilibrio

13. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
ANALISI FLUIDODINAMICHE VALVOLE A FUSO NGL DN300 PROT.
Calcolo con ANSYS
Apertura K
100,00% 1,81
80,00% 2,49
60,00% 4,49
40,00% 11,94
20,00% 55,34
10,00% 196,24
K coeff perdita di carico (prova con ANSYS)
1
10
100
1000
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Coefficiente di eflusso & di perdita di carico
Input:
Sez: DN300
Apertura: 100%
Salto di pressione: 1bar
Tubazione monte 2xDN: 600mm
Tubazione valle: 6xDN: 1800mm
ISA-75.01.01-2007

14. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
ANALISI FLUIDODINAMICHE VALVOLE A FUSO NGL DN300 PROT.
Pin =10 bar Gradodiapertura 100%
Fl 0,65 1,2429
Pin Pout Portatain Portataout Velocitàin deltaP Coeff.K Fatt.Kv sqrt(deltaP) Ind.Cavitaz. Volume vapore Frazione vapore
Iteraz [bar] [bar] [m3/s] [m3/s] [m/s] [bar] [-] [m3/h] [-] [m3] [-]
250 0
250 10 9 0,737 10,42 1 1,806 2652 1,00 6,43
250 9,99781 8,00054 1,041 14,73 1,99727 1,806 2652 1,41 2,90
250 10 6 1,473 20,85 4 1,806 2652 2,00 1,12
250 10 5 1,507 21,32 5 2,16 2426 2,24 0,82
250 9,99486 3,00147 1,507 21,33 6,99339 3,017 2052 2,64 0,43 0,00400025 0,96
250 10 1 1,507 21,33 9 3,88 1809 3,00 0,18
250 10 0 1,507 21,33 10 4,31 1716 3,16 0,08
daANSYSCFX daANSYSCFX
[bar]
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50
Valvola a fuso NGL DN300 - aperta 100%
Pin=10 [bar]
analisi fluido dinamiche KV; K & indice di cavitazione con variazione di ∆P

15. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
ANALISI FLUIDODINAMICHE VALVOLE A FUSO NGL DN300 PROT.
analisi fluido dinamiche KV; K & indice di cavitazione con variazione di ∆P
e percentuali di apertura
1
10
100
1000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50
Portata[m3/s]
Vari gradi di aperturaPin=10 [bar]
Coeff K al variare aperture

16. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
ANALISI FLUIDODINAMICHE VALVOLE A FUSO NGL DN300 PROT.
Esempi simulazione fluidodinamica Ansys: pressione & velocità

17. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
ANALISI FLUIDODINAMICHE VALVOLE A FUSO NGL DN300 PROT.
Esempi simulazione fluidodinamica Ansys: frazione vapore & cestello

18. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
ANALISI LABORATORIO VALVOLE A FUSO NGL DN300 PROT.
Test fuso prototipo laboratorio certificato Cetim, analisi dati e comparazione
Analisi sperimentale
- L’analisi sperimentale ha restituito valori di efflusso e
di perdite coerenti rispetto a quanto simulato con il
software di fluidodinamica
- Un’analisi più dettagliata ha riguardato soprattutto i
valori limite sigma attraverso lo studio della rumorosità
e dei coefficienti di recupero
- L’analisi sperimentale è essenziale per determinare le
reali prestazioni della valvola sia in termini di efficienza
idraulica che in termini di prevenzione degli effetti di
cavitazione

19. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
ANALISI LABORATORIO VALVOLE A FUSO NGL DN300 PROT.
Recovery factor
Il coefficiente Fl serve a determinare la capacità di
recupero pressione in una valvola.
- la capacità di recupero oltre a determinare il «choked
flow» (limite entro il quale all'aumentare del delta P
non si ha più un incremento di portata), ci da un
riscontro sulla capacità di prevenire la cavitazione
nella valvola.
- Valori alti di FL sono associati con valvole che hanno
un basso potenziale alla cavitazione
- Bassi valori di FL invece sono associati a valvole che
hanno un grande potenziale di cavitazione
- Fl valvole a farfalla at 100% opening  0.3
- FL globe valve at 100 % opening  0.9

20. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
3 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
ANALISI LABORATORIO VALVOLE A FUSO NGL DN300 PROT.
Analisi rumore
- Il coefficiente Fl da solo non può essere considerato
comunque un parametro di valutazione della
cavitazione, infatti l’analisi del rumore ci indica che la
cavitazione potrebbe iniziare molto prima del choked
flow.
- L’analisi sperimentale del livello di rumore dBA
permette di determinare con precisione l’inizio reale
dei fenomeni di cavitazione
- La soglia rumore limite è genericamente indicata entro
un range di 80- 90dBA, oltre questa soglia
- Tramite l’analisi rumore è possibile determinare quindi
i valori sigma della valvola 1
10
100
1000
1,00 10,00
dBA
dBA

21. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
4 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
Le dimensioni contano
- Al fine di garantire un soddisfacente ma non
eccessivo margine di sicurezza ed, un ottimale
funzionamento e posizionamento della valvola, il
range di lavoro dovrebbe essere compreso tra il 20 –
80% della corsa dell’otturatore.
- Una valvola troppo piccola ridurrebbe la portata
transitante rischiando di non soddisfare la richiesta
dell’impianto
- Al contrario una valvola troppo grande:
-  farebbe aumentare i costi della valvola stessa
- la valvola perderebbe di sensibilità in fase di
regolazione per cui piccole variazioni di corsa
comporterebbero grandi variazioni di pressione o
portata.
Quest‘ultimo punto farebbe diminuire di molto la
precisione di controllo dei parametri idraulici necessari
al buon funzionamento della rete.
VERIFICA E DIMENSIONAMENTO IN CONDOTTA

22. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
4 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
La valvola fa parte di un sistema
- il buon dimensionamento della valvola di regolazione
dovrebbe partire da una accurata analisi del sistema
dove la valvola verrà inserita.
- Basarsi semplicemente sui coefficienti di Δp o di
eflusso della valvola potrebbe comportare una cattiva
selezione del range ottimale di lavoro o addirittura non
raggiungere le prestazione prefissate.
- La valvola è l’unico elemento variabile del mio sistema
tutti gli altri elementi: tubazione, raccordi, valvole
on/off, filtri sono elementi idraulici fissi.
- Alle variazioni di apertura e di controllo della valvola gli
altri elementi fissi reagiranno di conseguenza
cambiando i valori in ingresso e uscita della valvola
stessa.
VERIFICA E DIMENSIONAMENTO IN CONDOTTA

23. Z1
H
Pin
Pout
g
V
YP
g
V
YPZ B
uBin
A
uAin




22
22
1
g
V
YP
g
V
YPZ B
dBout
A
dAout




22
22
2
 
 22
2
BA
inAinB
u
VV
PP
gY



 
 22
2
BA
ouBouA
d
VV
PP
gY



g
V
Yu


2
2
g
V
Yd


2
2
g
V


2
2

Z2
Needle valve Sizing
CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
4 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
VERIFICA E DIMENSIONAMENTO IN CONDOTTA
SCHEMA IMPIANTO

24. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
4 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
VERIFICA E DIMENSIONAMENTO IN CONDOTTA
SCHEMA IMPIANTO
Symbol Description
Z1 HEIGHT OF THE UPSTREAM LEVEL-VALVE AXIS
Z2 HEIGHT OF THE DOWNSTREAM LEVEL-VALVE AXIS
H SYSTEM HEAD
Q A
MAX. FLOW RATE (working condition A)
Q B
MIN. FLOW RATE (working condition B)
V A
FLOW VELOCITY AT Qmax
V B FLOW VELOCITY AT Qmin
Pin A INLET PRESSURE AT Qmax
Pout A
OUTLET PRESSURE AT Qmax
Pin B
INLET PRESSURE AT Qmin
Pout B OUTLET PRESSURE AT Qmin
Y U HEAD LOSS COEFFICIENT OF UPSTREAM PIPE SYSTEM
Y d HEAD LOSS COEFFICIENT OF DOWNSTREAM PIPE SYSTEM
 HEAD LOSS COEFFICIENT OF THE VALVE
NOTA:
Dati idraulici da
richiedere al cliente
per il corretto
dimensionamento
della valvola di
regolazione

25. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
4 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
Parametri idraulici
- Pressione statica a valvola chiusa
- Pressione in ingresso e in uscita dalla valvola alla
portata massima
- Pressione in ingresso e in uscita dalla valvola alla
portata minima
VERIFICA E DIMENSIONAMENTO IN CONDOTTA
Flow
Rate Q
Upstream Pressure
of the valve Pin
Downstream
Pressure
of the valve Pout
Unit
m3/h or
l/s
bar or
meters water head
bar or
meters water head
Maximum Flow Rate
Qmax
Minimum Flow Rate
Qmin
Closed Valve 0

26. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
4 STEP: CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
VERIFICA E DIMENSIONAMENTO IN CONDOTTA
Cavitazione
- Al fine di evitare danni alla valvola e alla condotta, durante il
dimensionamento è importante sempre tenere in considerazione i
pericoli derivanti dalla cavitazione.
- La cavitazione viene controllata tramite l’installazione all’interno della
valvola di specifici cestelli forati con fattori diversi di K, che evitano il
danneggiamento dovuto al fenomeno di cavitazione stessa.
- In realtà i cestelli hanno funzione di divedere il flusso principale entrante
in altri flussi più piccoli riducendo di conseguenza la dimensione e
l’energia delle bolle vapore.
- Il controllo della cavitazione e l’installazione degli opportuni dispositivi
influenza ovviamente il dimensionamento finale della valvola di
regolazione

27. CONCEZIONE E SVILUPPO VALVOLA FUSO NGL
CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E VERIFICA IDRAULICA
Sviluppo
Bibliografia
- Cavitation guide for control valves Nureg/CR-6031
- Standard ISA-75.01.01-2007
- Jon Monsen, Ph.D., P.E. Valin Corporation
- Control valve primer Hans D Baumann