Kakšna debelina stene grelne cevi iz titana razreda 5 je potrebna, da se upre zrušitvi v globokomorskih-ločevalnikih-plina, ki delujejo pri 200 barih zunanjega tlaka?

Separatorji nafte in plina, postavljeni globoko na oceansko dno v globinah med 1500 in 2000 metri, trpijo zaradi zunanjega hidrostatičnega tlaka od 150 do 200 barov (15 do 20 MPa). Ti separatorji imajo električne grelne cevi, ki morajo delovati pri temperaturi postopka, da se prepreči nastajanje hidratov in odlaganje voskov. Dovzetni so za določen način okvare z zrušitvijo zunanjega tlaka. Okvara notranjega tlaka vodi do duktilnega poka. Zrušitev zunanjega tlaka je dogodek elastične nestabilnosti, ki se pojavi nenadoma pri kritičnem tlaku, ki je veliko nižji od meje tečenja materiala. Zaradi odličnega razmerja med trdnostjo-in-težo in odpornosti proti koroziji v slani vodi se titan stopnje 5 (Ti-6Al-4V) uporablja za globokomorske grelne cevi. Članek opredeljuje najmanjšo debelino stene titanovih cevi stopnje 5, ki vzdržijo zunanji tlak 200 barov brez upogibanja, ob upoštevanju ovalnosti, toleranc debeline stene in varnostnih faktorjev, ki jih zahtevajo standardi za tlačne posode.

Teorija tlaka kolapsa cilindričnih cevi
Za dolgo cilindrično cev, ki je izpostavljena enakomernemu zunanjemu tlaku, je kritični zunanji tlak, $P_{c}$, določen s klasično formulo za elastični kolaps:

Pc=2E 1-v2 t/Davg( )3

kjer je E Youngov modul (približno 110 GPa pri 20 stopinjah za titan stopnje 5), ν je Poissonovo razmerje (približno 0,34), t je debelina stene cevi in ​​D_avg je povprečni premer (zunanji premer minus t). Formula temelji na predpostavki popolnih krogov in konstantne debeline stene. Zrušitveni tlak realnih cevi je nižji od teoretičnega zaradi začetne ovalnosti (izven-o-okroglosti) in sprememb debeline stene.

Praktični tlak zrušitve za cev s standardnimi proizvodnimi tolerancami (ovalnost znotraj 0,5 % premera, toleranca debeline stene ±10 %) je približno 60-70 % teoretičnega elastičnega tlaka zrušitve. Če je razmerje med premerom in debelino (D/t) manjše od določene vrednosti, se način zrušitve spremeni iz elastičnega v plastičen, izračun pa je drugačen in temelji na teoriji tangentnega modula.

Titan stopnje 5 - Posebni parametri
Titan stopnje 5 ima mejo tečenja 830-900 MPa (najmanj 825 MPa v žarjenem stanju) pri sobni temperaturi, kar je veliko več kot 275-345 MPa stopnje 2. Ta visoka trdnost omogoča tanjše stene za aplikacije z notranjim tlakom, vendar ne zagotavlja sorazmerno povečane zunanje odpornosti proti zrušitvi. Zrušitev je v bistvu proces, ki ga poganja modul elastičnosti. Youngov modul za stopnjo 5 (110 GPa) je dejansko nekoliko nižji kot za stopnjo 2 (105-110 GPa podobno), tako da je tlak zrušitve za dano geometrijo približno enak ne glede na stopnjo. Prednost razreda 5 je višja meja tečenja za obnašanje po zrušitvi in ​​boljša učinkovitost pri kombiniranem zunanjem tlaku in toplotnih obremenitvah.

Debelina stene za 200 barov
Za tipično grelno cev z zunanjim premerom 25 mm (D=25 mm) in zunanjim tlakom 200 barov (20 MPa) pri temperaturah morskega dna 4-10 stopinj se zahtevana debelina stene izračuna iterativno:

P_design=200 bar x varnostni faktor (želen konstrukcijski tlak zrušitve). Kode tlačnih posod (ASME BPVC oddelek VIII, razdelek 2) zahtevajo faktor varnosti 3 za zrušitev pod zunanjim pritiskom. P_design=600 bar (60 MPa).

Predpostavke D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. Teoretični elastični kolaps: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2,5/22,5)^3=[2,2 * 10^11 / 0,884] * 0,00137 Potem P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Pa=341 bar (34,1 MPa). Po padcu ovalnosti za 65 %, P_c_actual=341 × 0.65=222 bar (22,2 MPa) < potrebnih 600 barov. Ta D/t ne zadostuje.

Povečajte t na 4,0 mm. Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (t/D povprečje)=4.0/21.0=0.1905. (0,1905)^3=0.00691. P_c=2.49x10^11 x 0.00691=1.72x10^9 Pa=1720 bar (172 MPa). Znižano na 65 % daje 1.720 x 0.65=1,118 barov (112 MPa), kar je nad projektno zahtevo 600 barov.

Povečajte t na 3,0 mm. D povprečje=22.0 mm, D/t=8.33. t / D_avg=0.1364, kubik=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 bar (63,2 MPa). Podrtje na 65 % 632 x .65=411 bar (41,1 MPa)-pod zahtevami 600 barov. Najmanjši t je med 3,0 in 4,0 mm.

Rešite za t=3.5 mm. D_avg=25 - 3.5=21.5 mm, D/t=7.14. t/D_avg=0.1628, kocka=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa). Zrušitev: 1.070 x 0.65=695 bar (69,5 MPa) - nad zahtevami 600 barov.

Tako cev iz titana 25 mm OD razreda 5 potrebuje najmanjšo debelino stene 3,5 mm, da prenese zrušitev pri zunanjem tlaku 200 barov z varnostnimi faktorji ASME. 4.0 mm je prednostna, da se zagotovi dodatna rezerva za ovalnost, proizvodne variacije in morebitne udrtine med namestitvijo.

Matrika za nanašanje debeline cevi globokomorskega grelnika
Delovna globina (m) Zunanji tlak (bar) Razmerje D/t (25 mm OD cev) Priporočena debelina stene (z varnostnim faktorjem) Najmanjša debelina stene (25 mm OD) Globina (m) Tlak (bar) 500 m 50 bar 10.5 2.2 mm 2,5 mm 1000 m 100 bar 8.5 2.8 mm 3,0 mm 1500 m 150 bar 7.5 3.2 mm 3,5 mm 2000 m 200 bar 7.0 3.5 mm 4,0 mm 2500 m 250 bar 6.3 4.0 mm 4,5 mm 3000 m 300 bar 5.8 4.5 mm 5,0 mm
Drugi vidiki za globinske-grelnike
Debelino stene za zrušitev zunanjega tlaka je treba izbrati ob upoštevanju znižanja temperature. Pri temperaturah morskega dna 4 stopinje je Youngov modul stopnje 5 približno 5 % večji kot pri temperaturi okolja, kar je koristno za odpornost proti zrušitvi. Toda med delovanjem grelnika se cev segreje na 100-150 stopinj od znotraj, medtem ko je zunanja slana voda na 4 stopinje. Temperaturni gradient povzroča tlačne napetosti, ki prispevajo k zunanjemu tlaku. To kombinirano obremenitev je treba vključiti v analizo končnih elementov za vsako zasnovo.

Titan razreda 5 je lahko izpostavljen vodikovi krhkosti v morski vodi pod potenciali katodne zaščite pod -0,7 V v primerjavi z Ag/AgCl. Globokomorske strukture so pogosto katodno zaščitene z aluminijevimi anodami. Absorpcijo vodika (zakasnjeno pokanje katodno zaščitenih struktur ali prevlečenih s prevleko) moramo preprečiti z električno izolacijo grelne cevi od katodno zaščitenih struktur ali zaščito prevleke. Stopnja 5 je manj tolerantna na vodik kot stopnja 2

Pri globokomorskih separatorjih-olja-plina pri zunanjem tlaku 200 barov je najmanjša debelina stene grelnih cevi iz titana razreda 5 z zunanjim premerom 25 mm 3,5 mm, s prednostjo 4,0 mm, da se upoštevajo napake pri izdelavi in ​​poškodbe med namestitvijo. Inženirji določijo cevje ASTM B861 stopnje 5 s tesnimi omejitvami ovalnosti (največ. 0.3% premera), temeljitim radiografskim pregledom homogenosti debeline stene in tlačnim preskusom do najmanj 300 barov zunanjega tlaka. Varjeni spoji cevi-in-cevne plošče morajo biti zasnovani s popolno penetracijo in razbremenitvijo napetosti, da se prepreči razpokanje zaradi napetostne korozije v morski vodi. Pri globinah nad 2500 m je treba upoštevati uporabo alternativnih geometrij cevi (nižji premeri, notranji ojačitveni obroči).