Development and Testing of Nemo Metal Sealing Seat for Subsea Ball Valves

Abstract

This report is the result of a master's thesis project for the Master of Science degree in engineering at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). The project was carried out in collaboration with Nemo Engineering AS which is company that provides EPC (Engineering Procurement Construction) solutions for subsea oil and gas systems. The master project is a continuation of a preface project carried out by the candidate during fall 2009 which again was a continuation of a development project regarding a subsea ball valve started by Nemo Engineering in 2002. The status of the development project when the project started was a 8 inch prototype valve purpose built for use with subsea oil and gas pipelines. The prototype valve is equipped with a floating ball and a particular titanium bellow design enhancing the sealing force towards the ball. Previous testing has revealed that the current metal seat design is inadequate leaking a low pressures. During the preface project it was found that the ball mounting had to be changed to trunnion mounted, meaning that the ball is fully supported by the valve housing.

This master's thesis is focusing on redesigning the sealing system for a trunnion mounted valve. The aim for the project is to optimize the geometry of the metal sealing seat to work with the existing bellow and verify finite element analysis(FEA) on the sealing system used for the redesign of the seat through pressure testing. The intention of the project is to gain more knowledge on metal to metal sealing in ball valves before a complete redesign of the sealing system is considered by Nemo Engineering.

The redesign was done by creating a new 2D finite element model(FEM) in ANSYS Classic of the complete sealing system. This model was used to optimize the geometry of the seat by doing small changes in the geometry and investigate it's affect on the level and distribution of the contact pressure between the sealing surfaces. With ANSYS Classic 12 it is possible to apply pressure penetrating loads on the sealing surfaces simulating a pressure trying to penetrate through and open the sealing surfaces. It was found that with the current bellow supports had to be added to achieve a even distribution of the contact pressure. Bronze support bearing rings were added to the design. Through further geometry optimization of the new model a design believed to achieve a suffcient and evenly distributed contact pressure was selected and manufactured.

A new test set-up had to be designed simulating a trunnion mounted valve. Originally this was not a part of the project scope since it was believed that a previously used test set-up could be used. The extra work load resulted in delays in the project schedule. At last a troublesome but successful pressure test was conducted. The pressure test showed considerable improvement in the sealing ability and the maximum test pressure of 414bar was obtained without noticeable leakage. Compared to the previous design this was approximately a 300bar improvement. Because of problems and time-constraints during testing it was not possible to wait for the pressure to stabilize for the test of the sealing ability. Because of this a precise measure of the sealing ability was not attainable. However, the indicated pressure drop fully or partially caused by the pressure stabilization was 0,6bar/min which is a very promising result for the sealing ability of the new design considering that the seat was lapped by the candidate, a job usually performed by skilled craftsmen.

Comparison of the reaction force in the ball from the bellow measured during testing was compared with comparable data from the FEM. The comparison validated the FEM with a average difference in the results of 7,25% at maximum test pressure. Taking errors introduced from sensitivity in the force transducer, the position sensors and interference from the test set-up in to consideration this is a strong validation of the FEM.

When this project started it was clear that the bellow has to be redesigned in another material and the valve housing changed to trunnion mounted if the development project shall continue. If Nemo Engineering decides to continue the development project it is recommended to use the method presented in this thesis while designing the seat and bellow together.

The bellow and seat act together as a system and should be designed to work together improving the sealing. Special care should be taken to remove the twisting motion in the bellow. A seat optimized for normal pressurisation with a bellow with the twisting motion will most likely fail a DPE test if the theory on the cause of the twisting presented presented in this thesis is true. During this project considerable knowledge on how to design a sealing system has been gained. Using this knowledge together with more knowledge acquired through more testing with the new design and test set-up will increase the likelihood of a ideal solution for the Nemo ball valve sealing system being designed some time in the future.

Denne rapporten er et resultat av en masteroppgave for Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU) skrevet for instituttet for produktutvikling og produksjon. Prosjektet er gjennomført hos Nemo Engineering AS som er en leverandør av subsea løsninger til olje og gass industrien. Oppgaven er en fortsettelse på et utviklingsprosjekt av en skreddersydd kuleventil for subsea bruk startet av Nemo Engineering i 2002. Oppgaven er en naturlig naturlig fortsettelse av en tidligere utført prosjektoppgave(2009) der det ble funnet ut at ventilen måtte endres fra flytende kule, til fast opplagret kule. Fokuset for utviklingsprosjektet er nå rettet mot den metalliske setetettningen mot kulen og en spesiell belgkonstruksjon som øker kontakttrykket mot kulen ved økende trykk. Det er kjent at denne belgen må redesignes men på grunn av tidsbegrensinger på prosjekt har det i første omgang blitt valgt å fokusere på setet for å lære mest mulig om metalliske setetettninger før en eventuell senere redesign av hele systemet. Oppgavens hovedmål var å optimalisere geometrien til setet og verifisere gjennomførte analyser. Oppgaven besto av å optimalisere geometrien til setet ved å utføre ytterligere elementanalyser av setet og verisere disse gjennom trykktesting av ventilen med nytt sete.

Designet av setet ble gjort ved å lage en 2D elementmodel av tettningssystemet med kule og belg i ANSYS Classic. Selve optimaliseringen ble gjort ved å gjøre endringer i geometrien til setet og se effekten av endringen på kontakttrykket mot kulen. Ytterligere optimalisering ble gjort ved å påføre en trykk satt penetrerende væske på kontakt flatene i tettningen (pressure penetrating load) i elementmodellen. Dette gjør det mulig å simulere hvorda en veske trenger seg gjennom og åpner tettningen. Optimaliseringen resulterte i en løsning med et kontakttrykk som var på et tilstrekkelig nivå og jevnt fordelt over kontakt flaten. Dette setet ble maskinert og testet i en trykktest av ventilen.

For å kunne gjennomføre testen måtte en test-jigg som simulerte at kulen i ventilen er fast opplagret designes. Dette var originalt ikke en del av prosjektbeskrivelsen da man trodde at en tidligere brukt test-jigg var tilstrekkelig. Dette ekstra arbeidet medførte forsinkelser i tidsplanen men til slutt ble en problematisk men dog vellykket trykktest gjennomført. Testen viste at ventilen holdt tett til maksimalt testtrykk på 414bar, noe som var en forbedring på ca 300bar fra tidligere testing av setet. På grunn av uforutsette problemer og begrenset tid ved den endelige testen var det ikke mulig å vente på at trykket skulle stabilisere seg. Ved trykktesting er det vanlig at trykket faller en stund etter opptrykking av større volum for så å stabilisere seg. På grunn av dette var det ikke mulig å få et eksakt mål på hvor tett setet er men det ble målt et trykkfall på 0,6bar/min mot slutten av den korte holdetiden. Dette trykkfallet skyldes delvis eller fullstendig trykkstabilisering, men dette er fortsatt ukjent. Dette er meget lovende resultater for designet tatt i betraktning at setet var lappet av studenten, noe som vanligvis gjøres av profesjonelle.

Under trykktesten ble reaksjonskraften fra belgen logget for å sammenlignes med element modellen for verifisering. Sammenligningen viste at elementmodellen stemte meget godt med målte verdier med en gjennomsnittlig differanseverdi på 7,25% ved maksimalt test trykk. Dette er en meget bra bekreftelse av elementmodellen tatt i betraktning unøyaktigheten til veiecelle, posisjons-sensorer og påvirkning fra test-jiggen.

For det videre arbeidet med utviklingsprosjektet er det anbefalt å benytte samme metode og fremgangsmåte som i dette prosjektet ved en eventuell redesign av tettnings-systemet. Når dette gjøres bør det legges stor vekt på å fjerne vridningsmomentet påført tettningen fra belgen under høyere trykk. Dersom et sete optimaliseres for en belg med et slikt vridningsmoment vil det mest sannsynlig feile en DPE(double piston effect) test dersom teorien bak vridningsmomentet presentert i denne rapporten stemmer.

Dersom Nemo Engineering velger å fortsette utviklingsprosjektet ved å redesigne tettnings-systemet så er det anbefalt å bruke lærdommen fra dette prosjektet ved å bruke samme metode med en lignende elementmodell som i dette prosjektet da den ser ut til å være nært opp mot virkeligheten.