У глибоководних{0}}нафтових-газових сепараторах, що працюють при зовнішньому тиску 200 бар, яка товщина стінки нагрівальної трубки з титану класу 5 потрібна, щоб протистояти згортанню?

Нафтогазові сепаратори, розташовані глибоко на дні океану на глибині від 1500 до 2000 метрів, зазнають зовнішнього гідростатичного тиску від 150 до 200 бар (15-20 МПа). Ці сепаратори мають електричні нагрівальні труби, які повинні працювати при температурі процесу, щоб уникнути утворення гідратів і відкладення воску. Вони чутливі до особливого режиму руйнування зовнішнього тиску. Порушення внутрішнього тиску призводить до пластичного розриву. Знищення зовнішнього тиску — це подія пружної нестабільності, яка раптово виникає при критичному тиску, значно нижчому межі текучості матеріалу. Завдяки відмінному співвідношенню міцності-до-ваги та стійкості до корозії в солоній воді титан класу 5 (Ti-6Al-4V) використовується для глибоководних нагрівачів. Стаття визначає мінімальну товщину стінки титанових труб класу 5, щоб витримувати зовнішній тиск 200 бар без вигину, враховуючи овальність, допуски на товщину стінки та коефіцієнти безпеки, необхідні стандартам для посудин під тиском.

Теорія колапсного тиску циліндричних труб
Для довгої циліндричної труби, що піддається рівномірному зовнішньому тиску, критичний зовнішній тиск, $P_{c}$, визначається за класичною формулою для пружного колапсу:

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

де E — модуль Юнга (приблизно 110 ГПа при 20 градусах для титану класу 5), ν — коефіцієнт Пуассона (приблизно 0,34), t — товщина стінки труби, а D_avg — середній діаметр (зовнішній діаметр мінус t). Формула заснована на припущенні ідеальних кіл і незмінної товщини стінок. Тиск згортання реальних труб нижчий за теоретичний через початкову овальність (поза--округлість) і зміни товщини стінки.

Практичний тиск згортання для труби зі стандартними виробничими допусками (овальність в межах 0,5 % діаметра, допуск на товщину стінки ±10 %) становить близько 60-70 % від теоретичного пружного тиску згортання. Якщо відношення діаметра до товщини (D/t) менше певного значення, режим колапсу змінюється з пружного на пластичний, а розрахунок інший і базується на теорії дотичного модуля.

Титан 5 класу - Специфічні параметри
Титан класу 5 має межу текучості 830-900 МПа (мінімум 825 МПа для відпаленого стану) при кімнатній температурі, що набагато більше, ніж 275-345 МПа класу 2. Ця висока міцність дозволяє тоншими стінками для застосування внутрішнього тиску, але не забезпечує пропорційно підвищеного зовнішнього опору руйнуванню. Колапс — це, по суті, процес, керований модулем пружності. Модуль Юнга для класу 5 (110 ГПа) фактично є дещо нижчим, ніж для класу 2 (105-110 ГПа, аналогічний), так що тиск руйнування для даної геометрії приблизно однаковий незалежно від класу. Клас 5 має перевагу вищої межі текучості для поведінки після згортання та кращої продуктивності під зовнішнім тиском і температурними навантаженнями.

Товщина стінки для експлуатації 200 бар
Для типової труби нагрівача із зовнішнім діаметром 25 мм (D=25 мм) і зовнішнім тиском 200 бар (20 МПа) при температурі морського дна 4-10 градусів необхідна товщина стінки обчислюється ітераційно:

P_design=200 бар x коефіцієнт міцності (бажаний розрахунковий тиск згортання). Коди посудин високого тиску (ASME BPVC Розділ VIII, Розділ 2) вимагають коефіцієнт міцності 3 для руйнування під зовнішнім тиском. P_design=600 бар (60 МПа).

Припущення D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. Теоретичний пружний колапс: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2,5/22,5)^3=[2,2 * 10^11 / 0,884] * 0,00137 Тоді P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Па=341 бар (34,1 МПа). Після падіння овальності на 65%, P_c_actual=341 × 0.65=222 бар (22,2 МПа) < необхідних 600 бар. Цього D/t недостатньо.

Збільшити t до 4,0 мм. Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (t/D середнє)=4.0/21.0=0.1905. (0,1905)^3=0.00691. P_c=2.49x10^11 x 0.00691=1.72x10^9 Па=1720 бар (172 МПа). Збитий до 65% дає 1720 x 0.65=1,118 бар (112 МПа), що перевищує розрахункову вимогу до 600 бар.

Збільшити t до 3,0 мм. D середнє=22.0 мм, D/t=8.33. t / D_середнє=0.1364, куб=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Па=632 бар (63,2 МПа). Розбивка до 65% 632 x .65=411 бар (41,1 МПа)-під вимогою 600 бар. Мінімальний t лежить між 3,0 і 4,0 мм.

Розв’язати для t=3.5 мм. D_avg=25 - 3.5=21.5 мм, D/t=7.14. t/D_avg=0.1628, куб=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Па=1,070 бар (107 МПа). Збивання: 1,070 x 0.65=695 бар (69,5 МПа) - понад 600 бар.

Таким чином, для титанової труби з зовнішнім діаметром 25 мм класу 5 потрібна мінімальна товщина стінки 3,5 мм, щоб витримати згортання при зовнішньому тиску 200 бар із коефіцієнтами надійності ASME. 4.0 мм є кращим, щоб забезпечити додатковий запас на овальність, варіації у виробництві та можливі вм’ятини під час встановлення.

Матриця застосування товщини труб глибоководного нагрівача
Робоча глибина (м) Зовнішній тиск (бар) Співвідношення D/t (трубка з зовнішнім діаметром 25 мм) Рекомендована товщина стінки (з фактором безпеки) Мінімальна товщина стінки (з зовнішнім діаметром 25 мм) Глибина (м) Тиск (бар) 500 м 50 бар 10.5 2.2 мм 2,5 мм 1000 м 100 бар 8.5 2.8 мм 3,0 мм 1500 м 150 бар 7.5 3.2 мм 3,5 мм 2000 м 200 бар 7.0 3.5 мм 4,0 мм 2500 м 250 бар 6.3 4.0 мм 4,5 мм 3000 м 300 бар 5.8 4.5 мм 5,0 мм
Інші міркування щодо обігрівачів для глибокого-обігріву
Товщина стінки для руйнування зовнішнього тиску повинна бути обрана з урахуванням зниження температури. При температурі морського дна 4 градуси модуль Юнга 5-го ступеня приблизно на 5% більший, ніж при температурі навколишнього середовища, що сприяє опору руйнуванню. Але під час роботи нагрівача трубка зсередини нагрівається до 100-150 градусів, а зовні солона вода - до 4 градусів. Температурний градієнт створює напруги стиску, які додають до зовнішнього тиску. Це комбіноване навантаження необхідно включити в аналіз кінцевих елементів для кожної конструкції.

Титан класу 5 може піддаватися водневому окрихченню в морській воді за потенціалів катодного захисту нижче -0,7 В порівняно з Ag/AgCl. Глибоководні споруди часто захищені катодно алюмінієвими анодами. Поглинання водню (уповільнене розтріскування катодно захищених конструкцій або покритих покриттям) необхідно запобігати шляхом електричної ізоляції трубки нагрівача від катодно захищених конструкцій або захисту покриття. Клас 5 менш стійкий до водню, ніж клас 2

Для глибоководних сепараторів-нафто-газу при зовнішньому тиску 200 бар мінімальна товщина стінки титанових нагрівальних труб із зовнішнім діаметром 25 мм класу 5 становить 3,5 мм, з перевагою 4,0 мм, щоб урахувати виробничі помилки та пошкодження під час встановлення. Інженери повинні вказати труби ASTM B861 класу 5 із суворими обмеженнями овальності (макс. . 0.3% діаметра), ретельний радіографічний контроль на однорідність товщини стінки та випробування тиском при зовнішньому тиску щонайменше 300 бар. Зварні з’єднання труб--з трубною решеткою мають бути розроблені з повним проваром і зняттям напруги, щоб уникнути корозійного розтріскування під напругою в морській воді. Для глибин понад 2500 м слід враховувати використання альтернативної геометрії труб (менші діаметри, внутрішні кільця жорсткості).