Kelebek vana tasarımında yapısal optimizasyon ve alternatif malzeme kullanımının değerlendirilmesi
Structural optimization and evaluation of alternative material usage in butterfly valve design
Yazar: METİN KARAASLAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüz dünyası ve endüstriyel koşullarında, enerji ve hammadde fiyatlarında tasarrufa gidebilmek ciddi önem arz etmekte ve makine-imalat sanayisindeki üreticileri bu konuda araştırma yapmaya teşvik etmektedir. Talaşlı imalat sonucu ortaya çıkan hurda talaşlar ve diğer prosesler sonucu ortaya çıkan malzemeler, ciddi bir malzeme kaybı ve bertaraf problemi oluşturmaktadır. Bunun için, özellikle dökme demir ve çelik talaşlarının yeniden kullanılabilmesini sağlayacak metotlar geliştirilmesi önem arz etmektedir. Bu çalışmada, kelebek vana üretiminde sıklıkla kullanılan SDD talaşları ve araldit malzeme kullanılarak, alternatif malzeme üretimleri yapılmış, ayrıca var olan tasarım optimize edilerek, malzeme kullanımı azaltılmak istenmiştir.
Kelebek vanalar, basınç ve çap sınıflarına göre tanımlanırlar, bu sınıfların belirlenmesi ise, vananın kullanılacağı sektör ve çalışma koşullarına bağlı olarak değişebilmektedir. Standart bir kelebek vananın çalışma sıcaklık aralığı -10°C ile 110°C arasındadır. Basınç ve çap sınıfları ise, kullanılacak olan alana ve akışkan basınç değerine göre çok sayıda alternatif içermektedir. Kelebek vanaların geniş kullanım alanından dolayı, özellikle sıvı dağıtım sistemleri, gemicilik, petrol endüstrisi ve diğer çok sayıda alanda akışkan kontrol maliyetleri ciddi oranda artırmaktadır. Bu sebepten, mümkün ise kelebek vana üretim maliyetlerini azaltmak, yapısal tasarım optimizasyonu sağlamak ve alternatif malzemeleri değerlendirmek bu sektörler için ciddi önem arz etmektedir, ancak kelebek vananın yapısal bütünlüğü bozulmamalıdır.
Standart bir kelebek vana temel olarak gövde, klape, ayna-kol takımları, sızdırmazlık elemanları, üst ve alt mil bölümlerinden oluşmaktadır. Özellikle, malzeme kullanım miktarının fazla olduğu gövde, klape ve üst-alt mil bölümlerinde optimizasyon sağlamak önemli bir adım olacaktır.
Bu çalışmada, özellikle su arıtma sistemleri ve kâğıt endüstrisinde geniş bir kullanım alanı olan, maksimum 16 bar basınçta çalışabilen ve 65 mm anma çapına sahip olan, DN65 vulkanize kelebek vana incelenecektir. Sızdırmazlık elemanı olarak, vulkanizasyon ile elde edilmiş polimer contalar kullanıldığından, kelebek vana bu şekilde adlandırılmaktadır.
Çalışma sistematiği belirlenirken, iki farklı tip çalışma yürütülmüştür. İlk çalışmada, hali hazırda var olan kelebek vana tasarımı incelenmiş ve bu tasarıma sonlu elemanlar analizi metodları uygulanarak, yapı üzerine gelen yükler ve gerilme değerleri belirlenmiştir. Sınır koşulları ve yapısal bütünlüğü bozmamak amacı ile değişiklik yapılmayacak bölgeler tanımlanmış, topoloji optimizasyonu ile kalınlık azaltılacak alanlar tespit edilmiştir. Temel olarak, kelebek vana gövdesi, klape ve üst-alt mil bölümlerinde çalışmalar yürütülebileceği belirlenmiş, inceltilmiş tasarıma tekrar sonlu elemanlar yöntemleri uygulanarak, sonuçların doğruluğu teyit edilmiştir. Literatürde yapılan benzer çalışmalardan farklı olarak, inceltilmiş vana numunesinin üretimi gerçekleştirilmiş, üretim koşullarında maruz kalınan kuvvetler ile vana test edilmiş, gövdede ortaya çıkan deformasyon değerleri ve yapısal bütünlük konusu teyit edilmiştir. Yapılan bu ilk çalışmada ortaya çıkan temel bir konu ise, özellikle üst-alt mil ve klape kısmında yapılabilecek optimizasyon çalışmalarının, üretim yöntemi ve tasarım kısıtları sebebi ile deneysel olarak gerçekleştirilememiş olmasıdır. Bu bölüm, ileride üzerine çalışılabilecek bir konu olarak belirlenmiştir.
İkinci çalışmada ise, kelebek vana üretim süreçlerinde kullanılan veya atık olarak ortaya çıkan malzemeler kullanılarak, deney numuneleri hazırlanmış, bu numunelere çekme ve basma testleri uygulanarak mekanik özellikleri tespit edilmeye çalışılmıştır. Burada ilk olarak, döküm ile üretilen kelebek vana gövdesi için, döküm modeli yapmakta kullanılan ve termoset bir malzeme olan araldit kullanılmıştır. Döküm yöntemi ile araldit malzemeden basma testi numuneleri oluşturulmuş ve mekanik özellikleri deneyler ile belirlenerek, gövde üretiminde kullanılabilirliği tartışılmıştır. Daha sonrasında ise, talaşlı imalat süreçleri sonucunda ortaya çıkan sfero dökme demir talaşları ve araldit malzeme karıştırılarak, polimer matrisli bir kompozit malzeme üretimi denemesi yapılmış ve basma testi numuneleri üretilmiş, deneyler sonucunda mekanik özellikler elde edilerek, vana gövdesinde kullanılabilirliği tartışılmıştır. Buna ek olarak, araldit-sfero dökme demir talaşı ve dolgu kumu karışımından basma testi numuneleri üretilerek deneyleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu üç malzeme üretim denemesinde, test standardı olarak DD695-15 kullanılmıştır. Üretilen malzemelerin yapısında gözenek bulunması, homojen olmaması ve numunelerinin silindirik olmasından kaynaklı olarak, basma testi tercih edilmiştir.
Bu çalışmanın bir kapsamı olarak, üretim aşamaları sonucunda ortaya çıkan ve pik dökme demir talaşları, herhangi bir yüzey temizleme ve ayrıştırma işlemine tabi tutulmadan, bağlayıcı kullanımı olmaksızın farklı kuvvetlerdeki soğuk/ılık presleme sonucunda briket numuneleri haline getirilmiştir. Son olarak, sfero dökme demir ve bağlayıcı malzeme kullanımı ile, soğuk/ılık presleme metodları kullanılarak, kübik numuneler elde edilmiştir. Tüm testler için, ASTM D3039 standardı kullanılarak basma testi gerçekleştirilmiştir. Basma testinin tercih edilme sebebi ise, elde edilen numunelerin homojen olmayan ve gözenekli yapısıdır.
İkinci çalışmada ortaya çıkan temel sorunlar, genel olarak üretilen malzeme ve numunelerin çoğunun ilk defa deneniyor olması ve literatürde örneğinin olmamasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca hurda talaşların malzeme içindeki yönlenmesinin farklı olması ve yöne bağlı olarak numune dayanımının etkilenebilmesi, standart bir ölçüm yapmayı zorlaştırmaktadır. İlk aşamada, alternatif malzeme denemelerinin seri üretime uygun bir şekilde üretilememesi de ayrı olarak araştırılması gereken bir konudur. Elde edilen bulgularda, özellikle soğuk/ılık presleme ile elde edilen numunelerin, bazı proses iyileştirmeleri ile vana gövdesi olarak kullanılabileceği görülmüştür. Diğer yöntemler sonucu üretilen malzemeler ise, vana gövdesi olarak kullanılamasa da kuvvete maruz kalmayan vana elemanlarının üretiminde kullanılabilir.
Yapılan iki farklı tip çalışma sonucunda, vulkanize kelebek vana yapısal tasarım optimizasyonu ve alternatif malzeme geliştirilmesine yönelik bir metodoloji elde edilmiş, bunun sonucu olarak da gerek var olan tasarımın iyileştirilmesi, gerekse tasarım malzemelerinin değiştirilmesi hususunda belirli bir birikim oluşturulmuştur. Yapılan incelemelerin, endüstrideki seri üretime uygunluğu, elde edilen malzemelerin ekonomik olarak üretilip üretilemeyeceği, farklı sektörlerdeki uygulamaları
konusunda pratik oluşturulması, ileride incelenebilecek konular olarak tespit edilmiştir.
Buna istinaden, akışkan kontrolü sağlayan vanalar üzerinde yapılacak optimizasyon ve alternatif malzeme belirleme çalışmalarına yönelik bir sistematik oluşturma amacı güdülmüştür. DN65 vana için uygulanan çalışmalar, diğer vana tipleri için de benzer koşullarda sürdülebilir.

Abstract:
In today's world and industrial conditions, energy saving and raw material prices are very important and encourage manufacturers in the machinery-manufacturing industry to do research on this subject. Scrap chips resulting from machining and materials resulting from other processes constitute a serious material loss and disposal problem. For this, it is important to develop methods that will enable the reuse of cast iron and steel chips. In this study, alternative materials were produced by using SDD chips and araldite material, which are frequently used in butterfly valve production, and it was aimed to reduce material usage by optimizing the existing design.
Butterfly valves are elements that allow or prevent the passage of fluids and determine the direction, quantity, pressure and temperature properties of fluids. Because of this, butterfly valves are used in many sectors where fluid flow and pressures need to be controlled. Heating and cooling systems, oil drilling and production facilities, water distribution facilities and food production plants can be given as examples of the main areas where butterfly valves are used. In previous years, while there was the use of slide gate valves in these areas, the simple and light design of butterfly valves, the ability to adjust the fluid flow rate precisely and the better sealing properties, increased their usage areas.
Butterfly valves are defined according to their pressure and diameter classes, and the determination of these classes may vary depending on the sector and working conditions in which the valve will be used. The operating temperature range of a standard butterfly valve is between -10°C and 110°C. Pressure and diameter classes, on the other hand, include many alternatives according to the area to be used and the fluid pressure value. Due to the wide range of uses of butterfly valves, fluid control costs increase significantly, especially in fluid distribution systems, shipping, the oil industry and many other areas. For this reason, reducing butterfly valve production costs, optimizing structural design and evaluating alternative materials, if possible, have great importance for these sectors, but the structural integrity of the butterfly valve should be compromised.
A standard butterfly valve basically consists of body, plug, chuck-arm assemblies, sealing elements, upper and lower shaft parts. It will be an important step to optimize especially in the body, flap and upper-lower shaft sections where the amount of material usage is high.
In this study, the DN65 vulcanized butterfly valve, which has a wide usage area especially in water treatment systems and paper industry, can operate at a maximum pressure of 16 bar and has a nominal diameter of 65 mm, will be examined. Since polymer seals obtained by vulcanization are used as the sealing element, the butterfly valve is called this way. While determining the study systematic, two different types of studies were carried out. In the first study, the existing butterfly valve design was examined and the loads and stress values on the structure were determined by applying FEA methods to this design. In order to sustain the boundary conditions and structural integrity, the regions that will not be changed were defined, and the regions to be reduced in thickness with TO were determined. Basically, it was proved that, studies can be carried out on the butterfly valve body, plug and upper-lower shaft sections, and the accuracy of the results was confirmed by applying the refined design again FEM methods. Unlike similar studies in the literature, the thinned valve sample was produced, the valve was tested with the forces exposed under production conditions, the deformation values in the body and the fact that the structural integrity was not deteriorated were confirmed. One of the main issues that emerged in this first study is that optimization studies can be made especially in the upper-lower shaft and plug section could not be carried out experimentally due to the production method and design constraints. This section has been determined as a subject that can be studied in the future.
In the second study, test samples were prepared by using materials used in butterfly valve production processes or produced as waste, and their mechanical properties were tried to be determined by applying tensile and compression tests to these samples. Here, araldite, a thermoset material used to make casting models, was first used for the butterfly valve body produced by casting. With the casting method, compression test specimens from araldite material were produced and their mechanical properties were determined by experiments, and their usability in body production was discussed. Afterwards, a polymer matrix composite material production trial was carried out by mixing spheroidal cast iron chips and araldite material that emerged because of machining processes and compression test samples were produced, mechanical properties were determined as a result of the experiments and its usability in the valve body was discussed. In addition, compression test specimens were produced from the mixture of araldite-spheroidal cast iron composite and filler sand, the tests were carried out. In these three material production trials, DD695-15 was used as the test standard. The compression test was preferred due to the presence of pores in the structure of the produced materials, their inhomogeneity, and the cylindrical nature of the samples.
As the final scope of this study, spheroidal and cast iron chips that emerged because of the production stages were turned into briquette samples as a result of cold/warm pressing at different strengths without the use of binders, without any surface cleaning and separation processes. Using the ASTM D3039 standard, the compression test carried out due to test specimen's mechanical properties. The reason why the compression test is preferred in this experiment is that the sample structure obtained is non homogenous and porrous.
The main problems that emerged in the second study stem from the fact that most of the materials and samples produced in general are being tried for the first time and there are no examples in the literature. In addition, the fact that the orientation of scrap chips in the material is different and the strength of the sample can be affected depending on the direction makes it difficult to make a standard measurement. In the first stage, the inability to produce alternative material trials in accordance with mass production is an issue that needs to be investigated separately. In the findings, it was seen that the samples obtained by cold/warm pressing can be used as valve body with some process improvements. The materials produced as a result of other methods, on the other hand, can be used in the production of valve elements that are not exposed to force, although they cannot be used as a valve body.
As a result of two different types of studies, a methodology for vulcanized butterfly valve structural design optimization and alternative material development has been obtained, and as a result, a certain knowledge has been created in terms of both improving the existing design and changing the design materials.
The suitability of the examinations for mass production in the industry, whether they obtained materials can be produced economically, and the practical creation of their applications in different sectors have been identified as topics that can be examined in future studies. The aim of this thesis is to develop design optimization of lug type butterfly valves and also examine the basic understanding of producing composite materials from cast iron chips and production wastes. In future, this work may help to figuring out the importance of waste material usage in mechanical engineering industry, decreasing the carbon footprint and reducing the manufacturing costs thanks to waste management systems on production line. Design and material optimization methodology which was explained for DN65 lug vulcanized butterfly valve on this thesis, can be used for any other valve types or machine elements due to procedure similarity.