A novel design, material, and fabrication method are presented to fabricate a passive micro-ball valve. Microvalves are critical components in microflow control devices used to control the fluid flows in microchannels. These microflow control devices can be integrated with microsensors to form micro analysis systems. Glass/silicon-based fabrication is complicated and expensive. Therefore, other materials and fabrication methods have been proposed. In this research, Melinex 453, a polyester film, and pressure sensitive adhesives were used to fabricate a micro-ball valve by a microlamination method. The valve was designed to have a 450 μm diameter glass ball floating inside a chamber size of 800 μm. The ball will permit flow in the forward direction and impede flow in the reverse direction. The fabrication method consists of three steps: patterning, registration and bonding. The patterning step was accomplished using laser micromachining. Registration and bonding were performed with the use of a pin-alignment fixture. Pressure sensitive adhesive was used in the bonding step using double-sided acrylic adhesive tape. The micro-ball valve has advantages over other microvalves in terms of little dead volume, simple design, disposability, low operating pressure in forward direction, and low leakage in reverse direction. The micro-bal1 valve was characterized by pressure drop testing at different flow rates from 1 to 7.5 ml/min. The experimental results tend to agree with a simple theoretical model of the pressure drop through an orifice. Moreover, an average pressure drop diodicity of at least 2980 has been achieved. / Graduation date: 2002

Motivada pelos inúmeros desafios relacionados à exploração de petróleo na região do pré-sal, onde o ambiente agressivo aliado com a grande profundidade são fatores sempre presentes, a busca por materiais alternativos para aplicações em válvulas ganhou destaque. As válvulas subsea, essenciais para projetos de exploração nestas áreas são consideradas um desafio ainda maior. Dessa maneira, estudos e ensaios de desempenho em revestimentos anticorrosivos orgânicos nesse ambiente tornam-se necessários. O objetivo deste trabalho é avaliar a resistência à corrosão e ao desgaste do revestimento anticorrosivo orgânico ECTFE (Halar®) para a aplicação em válvulas industriais do tipo esfera para operações subsea, através da realização de ensaios em corpos de prova e em protótipos, perante as condições simuladas do ambiente agressivo na qual deverão operar em conformidade com o programa de qualificação do revestimento D-SMA/ING/SPF/TCNA-14-00047. Para a realização dos ensaios, foram projetados sistemas de tubulações fechadas (loopings), nos quais os protótipos foram instalados. Os parâmetros de testes estabelecidos, assim como os dados monitorados pelos sensores instalados, foram coletados durante todo o período de teste. Os ensaios definidos para a avaliação do revestimento orgânico em protótipos foram: ciclos de pressão, circulação sob vazão, circulação com água arenosa e ensaios de corrosão com e sem defeito imposto no revestimento. Complementarmente, corpos de prova em escala reduzida foram submetidos a ensaio de adesão e de fadiga. Os resultados obtidos foram conclusivos e o revestimento mostrou-se resistente às condições impostas aos protótipos, uma vez que não foram detectadas descontinuidades consideradas relevantes segundo os critérios de aceitação pré-estabelecidos em procedimento. / The search for alternative materials for applications in valves has been highlighted motivated by the numerous challenges related to oil and gas in the pre-salt region, where the aggressive environment combined with great depth are always present factors. The subsea valves, essential for exploration projects in these areas, are considered an even bigger challenge, thus, studies and performance tests on organic anti-corrosion coatings in this environment become necessary. The purpose of this study is to evaluate resistance to corrosion and wear of organic anti-corrosion coating ECTFE (Halar®) for application of industrial ball valves for subsea operations, by conducting tests on specimens and prototypes, under simulated harsh environment conditions in which they should operate in accordance with the coating qualification program D-SMA / ING / SPF / TCNA-14-00047. Closed pipes systems are designed (loops) for the carrying out of the tests, in which the prototypes were installed. The set of test parameters as well as the monitored data by installed sensors were collected during the entire test period. The defined tests for the evaluation of the organic coating in prototypes were: pressure cycles, flow rate circulation, circulation in soapy water and corrosion tests with and without defects imposed in the coating. In addition, reduced specimens were submitted to adhesion and fatigue tests. The results were conclusive and the coating was resistant to the imposed conditions on prototypes, since relevant discontinuities were not detected according to pre-established acceptance criteria for the procedure.

Motivada pelos inúmeros desafios relacionados à exploração de petróleo na região do pré-sal, onde o ambiente agressivo aliado com a grande profundidade são fatores sempre presentes, a busca por materiais alternativos para aplicações em válvulas ganhou destaque. As válvulas subsea, essenciais para projetos de exploração nestas áreas são consideradas um desafio ainda maior. Dessa maneira, estudos e ensaios de desempenho em revestimentos anticorrosivos orgânicos nesse ambiente tornam-se necessários. O objetivo deste trabalho é avaliar a resistência à corrosão e ao desgaste do revestimento anticorrosivo orgânico ECTFE (Halar®) para a aplicação em válvulas industriais do tipo esfera para operações subsea, através da realização de ensaios em corpos de prova e em protótipos, perante as condições simuladas do ambiente agressivo na qual deverão operar em conformidade com o programa de qualificação do revestimento D-SMA/ING/SPF/TCNA-14-00047. Para a realização dos ensaios, foram projetados sistemas de tubulações fechadas (loopings), nos quais os protótipos foram instalados. Os parâmetros de testes estabelecidos, assim como os dados monitorados pelos sensores instalados, foram coletados durante todo o período de teste. Os ensaios definidos para a avaliação do revestimento orgânico em protótipos foram: ciclos de pressão, circulação sob vazão, circulação com água arenosa e ensaios de corrosão com e sem defeito imposto no revestimento. Complementarmente, corpos de prova em escala reduzida foram submetidos a ensaio de adesão e de fadiga. Os resultados obtidos foram conclusivos e o revestimento mostrou-se resistente às condições impostas aos protótipos, uma vez que não foram detectadas descontinuidades consideradas relevantes segundo os critérios de aceitação pré-estabelecidos em procedimento. / The search for alternative materials for applications in valves has been highlighted motivated by the numerous challenges related to oil and gas in the pre-salt region, where the aggressive environment combined with great depth are always present factors. The subsea valves, essential for exploration projects in these areas, are considered an even bigger challenge, thus, studies and performance tests on organic anti-corrosion coatings in this environment become necessary. The purpose of this study is to evaluate resistance to corrosion and wear of organic anti-corrosion coating ECTFE (Halar®) for application of industrial ball valves for subsea operations, by conducting tests on specimens and prototypes, under simulated harsh environment conditions in which they should operate in accordance with the coating qualification program D-SMA / ING / SPF / TCNA-14-00047. Closed pipes systems are designed (loops) for the carrying out of the tests, in which the prototypes were installed. The set of test parameters as well as the monitored data by installed sensors were collected during the entire test period. The defined tests for the evaluation of the organic coating in prototypes were: pressure cycles, flow rate circulation, circulation in soapy water and corrosion tests with and without defects imposed in the coating. In addition, reduced specimens were submitted to adhesion and fatigue tests. The results were conclusive and the coating was resistant to the imposed conditions on prototypes, since relevant discontinuities were not detected according to pre-established acceptance criteria for the procedure.

Motivada pelos inúmeros desafios relacionados à exploração de petróleo na região do pré-sal, onde o ambiente agressivo aliado com a grande profundidade são fatores sempre presentes, a busca por materiais alternativos para aplicações em válvulas ganhou destaque. As válvulas subsea, essenciais para projetos de exploração nestas áreas são consideradas um desafio ainda maior. Dessa maneira, estudos e ensaios de desempenho em revestimentos anticorrosivos orgânicos nesse ambiente tornam-se necessários. O objetivo deste trabalho é avaliar a resistência à corrosão e ao desgaste do revestimento anticorrosivo orgânico ECTFE (Halar®) para a aplicação em válvulas industriais do tipo esfera para operações subsea, através da realização de ensaios em corpos de prova e em protótipos, perante as condições simuladas do ambiente agressivo na qual deverão operar em conformidade com o programa de qualificação do revestimento D-SMA/ING/SPF/TCNA-14-00047. Para a realização dos ensaios, foram projetados sistemas de tubulações fechadas (loopings), nos quais os protótipos foram instalados. Os parâmetros de testes estabelecidos, assim como os dados monitorados pelos sensores instalados, foram coletados durante todo o período de teste. Os ensaios definidos para a avaliação do revestimento orgânico em protótipos foram: ciclos de pressão, circulação sob vazão, circulação com água arenosa e ensaios de corrosão com e sem defeito imposto no revestimento. Complementarmente, corpos de prova em escala reduzida foram submetidos a ensaio de adesão e de fadiga. Os resultados obtidos foram conclusivos e o revestimento mostrou-se resistente às condições impostas aos protótipos, uma vez que não foram detectadas descontinuidades consideradas relevantes segundo os critérios de aceitação pré-estabelecidos em procedimento. / The search for alternative materials for applications in valves has been highlighted motivated by the numerous challenges related to oil and gas in the pre-salt region, where the aggressive environment combined with great depth are always present factors. The subsea valves, essential for exploration projects in these areas, are considered an even bigger challenge, thus, studies and performance tests on organic anti-corrosion coatings in this environment become necessary. The purpose of this study is to evaluate resistance to corrosion and wear of organic anti-corrosion coating ECTFE (Halar®) for application of industrial ball valves for subsea operations, by conducting tests on specimens and prototypes, under simulated harsh environment conditions in which they should operate in accordance with the coating qualification program D-SMA / ING / SPF / TCNA-14-00047. Closed pipes systems are designed (loops) for the carrying out of the tests, in which the prototypes were installed. The set of test parameters as well as the monitored data by installed sensors were collected during the entire test period. The defined tests for the evaluation of the organic coating in prototypes were: pressure cycles, flow rate circulation, circulation in soapy water and corrosion tests with and without defects imposed in the coating. In addition, reduced specimens were submitted to adhesion and fatigue tests. The results were conclusive and the coating was resistant to the imposed conditions on prototypes, since relevant discontinuities were not detected according to pre-established acceptance criteria for the procedure.

O objetivo principal deste trabalho é a análise e possível otimização de um projeto de válvulas de esfera. É apresentado um estudo para determinação do torque de acionamento de válvulas de esfera industriais, bem como um estudo de vida útil das válvulas. Os estudos foram realizados utilizando projeto de experimentos e permitiram a construção de modelos de previsão de torque e de previsão de vida útil. A previsão de torque é fundamental para possibilitar a otimização do projeto das válvulas, na fase de desenvolvimento do produto. O uso dos modelos permitiu a determinação do ajuste ótimo, levando em conta pressão, temperatura, esmagamento das sedes, torque de aperto na porca da haste e torque de acionamento desejado. Já os estudos de vida útil são importantes para informar à empresa o número de ciclos até o vazamento. Os resultados do estudo, realizado através de ensaios acelerados, permitiram a construção de modelos de confiabilidade associada ao número de ciclos de operação, permitindo assim a avaliação e possível melhoria do projeto das válvulas. / The main objective of this dissertation is the analysis and optimization of a ball valve project. A study for determining the operational torque of industrial ball valves as well as a life study of valves are presented. The studies were performed using design of experiments and allowed the construction of torque and life prevision models. The prevision of torque is fundamental to enable project optimization on the phase of product development. Results allowed the definition of an optimal setting regarding pressure, temperature, seats tightening, stem nut tightening torque and the desired operational torque. Further, the life studies are helpful to inform the company the number of cycles until leakage. Results, obtained through accelerated tests, allowed the construction of reliability models associated to the number of operational cycles, conducting to valve design evaluation and optimization.

O objetivo principal deste trabalho é a análise e possível otimização de um projeto de válvulas de esfera. É apresentado um estudo para determinação do torque de acionamento de válvulas de esfera industriais, bem como um estudo de vida útil das válvulas. Os estudos foram realizados utilizando projeto de experimentos e permitiram a construção de modelos de previsão de torque e de previsão de vida útil. A previsão de torque é fundamental para possibilitar a otimização do projeto das válvulas, na fase de desenvolvimento do produto. O uso dos modelos permitiu a determinação do ajuste ótimo, levando em conta pressão, temperatura, esmagamento das sedes, torque de aperto na porca da haste e torque de acionamento desejado. Já os estudos de vida útil são importantes para informar à empresa o número de ciclos até o vazamento. Os resultados do estudo, realizado através de ensaios acelerados, permitiram a construção de modelos de confiabilidade associada ao número de ciclos de operação, permitindo assim a avaliação e possível melhoria do projeto das válvulas. / The main objective of this dissertation is the analysis and optimization of a ball valve project. A study for determining the operational torque of industrial ball valves as well as a life study of valves are presented. The studies were performed using design of experiments and allowed the construction of torque and life prevision models. The prevision of torque is fundamental to enable project optimization on the phase of product development. Results allowed the definition of an optimal setting regarding pressure, temperature, seats tightening, stem nut tightening torque and the desired operational torque. Further, the life studies are helpful to inform the company the number of cycles until leakage. Results, obtained through accelerated tests, allowed the construction of reliability models associated to the number of operational cycles, conducting to valve design evaluation and optimization.

O objetivo principal deste trabalho é a análise e possível otimização de um projeto de válvulas de esfera. É apresentado um estudo para determinação do torque de acionamento de válvulas de esfera industriais, bem como um estudo de vida útil das válvulas. Os estudos foram realizados utilizando projeto de experimentos e permitiram a construção de modelos de previsão de torque e de previsão de vida útil. A previsão de torque é fundamental para possibilitar a otimização do projeto das válvulas, na fase de desenvolvimento do produto. O uso dos modelos permitiu a determinação do ajuste ótimo, levando em conta pressão, temperatura, esmagamento das sedes, torque de aperto na porca da haste e torque de acionamento desejado. Já os estudos de vida útil são importantes para informar à empresa o número de ciclos até o vazamento. Os resultados do estudo, realizado através de ensaios acelerados, permitiram a construção de modelos de confiabilidade associada ao número de ciclos de operação, permitindo assim a avaliação e possível melhoria do projeto das válvulas. / The main objective of this dissertation is the analysis and optimization of a ball valve project. A study for determining the operational torque of industrial ball valves as well as a life study of valves are presented. The studies were performed using design of experiments and allowed the construction of torque and life prevision models. The prevision of torque is fundamental to enable project optimization on the phase of product development. Results allowed the definition of an optimal setting regarding pressure, temperature, seats tightening, stem nut tightening torque and the desired operational torque. Further, the life studies are helpful to inform the company the number of cycles until leakage. Results, obtained through accelerated tests, allowed the construction of reliability models associated to the number of operational cycles, conducting to valve design evaluation and optimization.

<p>The objectives of this thesis are to characterise the performance of variably angled V-shaped opening ball valves in terms of pressure drop and cavitation. Both numerical and experimental techniques are utilised here to study the effects of apex angle of the V-opening on pressure drop and cavitation characteristics. Three different ball sizes are used to investigate scalability of the V-ball valves in terms of cavitation inception and pressure coefficient. The results of the pressure drop experiments show that as the size of the ball and the apex angle of the valve increases, the pressure coefficient tends towards a constant value. This means that larger V-opening ball valves can be scaled using pressure coefficient within 15%.</p> <p>It has been well established that cavitation causes high frequency noise. Therefore dynamic pressure transducers were used to detect acoustic cavitation noise by considering the high energy content in the 2 kHz to 45 kHz frequency band. To measure the energy levels, spectral analysis was performed and the power spectrum density was acquired using fast Fourier transform algorithm and the area under the curve was integrated in three different frequency intervals of 2 to 5 kHz, 5 to 10 kHz and 10 to 45 kHz to capture the frequency band at which cavitation onset occurs. This energy was compared to the reference energy levels in the same frequency intervals when no valve was installed. Two criteria were chosen to represent a cavitating flow, the first criteria was the start of a steep exponential increase in the energy from the reference energy in at least one of the frequency ranges defined and the second criteria is an increase in the coherence function in any of the three frequency ranges. This procedure was performed for all valves tested at 10% opening increments starting at fully open position and the inception cavitation number was recorded to define the onset of cavitation. It was observed that as the apex angle decreases, cavitation number also decreases where the size of the valve did not affect cavitation number. The conclusion was that as the opening decreases, cavitation inception occurs at higher pressure drops. However some deviations from this general trend were observed. These deviations are perhaps due to the turbulent structures such as flow separation and vortices, suggested by the pressure fluctuations in the static pressure.</p> <p>Finally numerical modelling of 1 inch 60V valves were performed using ANSYS Fluent computational fluid dynamics (CFD) software for three openings using two different turbulence models, standard k-ε and SST k-ω. The results were contrasted against the experimental data to evaluate which model performs the best for this application. From the results obtained, standard k-ε predicts the pressure drop within 15% of the experimental data. Also flow separation is a major cause of high local pressure drops and therefore cavitation and SST k-ω predicts cavitation better than standard k-ε. This is due to better performance of SST k-ω at predicting turbulence characteristics of flow separation region.</p> / Master of Applied Science (MASc)