در جداکننده‌های گاز عمیق-نفت دریا-که با فشار خارجی 200 بار کار می‌کنند، چه ضخامت دیواره لوله گرمکن درجه 5 تیتانیوم برای مقاومت در برابر ریزش لازم است؟

جداکننده‌های نفت و گاز که در عمق 1500 تا 2000 متری در اعماق کف اقیانوس قرار می‌گیرند، از فشار هیدرواستاتیک خارجی 150 تا 200 بار (15 تا 20 مگاپاسکال) رنج می‌برند. این جداکننده ها دارای لوله های گرمایش الکتریکی هستند که باید در دمای فرآیند کار کنند تا از تشکیل هیدرات و رسوب موم جلوگیری شود. آنها مستعد یک حالت شکست خاص فروپاشی فشار خارجی هستند. شکست فشار داخلی منجر به ترکیدن انعطاف پذیر می شود. فروپاشی فشار خارجی یک رویداد ناپایداری الاستیک است که به طور ناگهانی در فشار بحرانی بسیار کمتر از مقاومت تسلیم ماده رخ می دهد. تیتانیوم درجه 5 (Ti{18}}6Al-4V) به دلیل نسبت استحکام عالی به وزن و مقاومت در برابر خوردگی در آب شور برای لوله‌های بخاری در اعماق دریا استفاده می‌شود. این مقاله حداقل ضخامت دیواره لوله های تیتانیوم درجه 5 را برای مقاومت در برابر فشار خارجی 200 بار بدون کمانش با در نظر گرفتن بیضی بودن، تحمل ضخامت دیواره و فاکتورهای ایمنی مورد نیاز توسط استانداردهای مخازن تحت فشار تعریف می کند.

تئوری فشار فروپاشی لوله های استوانه ای
برای یک لوله استوانه ای بلند که تحت فشار خارجی یکنواخت قرار می گیرد، فشار خارجی بحرانی، $P_{c}$، توسط فرمول کلاسیک برای فروپاشی الاستیک تعیین می شود:

کامپیوتر=2E 1-v2 t/Davg( )3

که در آن E مدول یانگ است (حدود 110 گیگا پاسکال در 20 درجه برای تیتانیوم درجه 5)، ν نسبت پواسون (تقریبا 0.34)، t ضخامت دیواره لوله و D_avg قطر متوسط ​​(قطر منهای t) است. این فرمول بر اساس فرض دایره های کامل و ضخامت دیواره ثابت است. فشار فروپاشی لوله های واقعی به دلیل بیضی اولیه (خارج از- گردی) و تغییر ضخامت دیواره کمتر از فشار تئوری است.

فشار عملی فروپاشی برای یک لوله با تلورانس های تولید استاندارد (بیضی در 0.5٪ قطر، تحمل ضخامت دیوار 10 ±٪) حدود 60-70٪ از فشار ریزش الاستیک نظری است. اگر نسبت قطر به ضخامت (D/t) کمتر از یک مقدار خاص باشد، حالت فروپاشی از الاستیک به پلاستیک تغییر می کند و محاسبه متفاوت و بر اساس تئوری مدول مماس است.

پارامترهای خاص تیتانیوم درجه 5 -
تیتانیوم درجه 5 دارای استحکام تسلیم 830-900 مگاپاسکال (حداقل 825 مگاپاسکال برای شرایط آنیل) در دمای اتاق است، که بسیار بیشتر از 275{14}}345 مگاپاسکال درجه 2 است. این استحکام بالا به دیواره‌های خارجی نازک‌تر اجازه می‌دهد تا برای کاربردهای فشار داخلی مقاومت بیشتری ایجاد کند. فروپاشی اساساً یک فرآیند مبتنی بر مدول الاستیک است. مدول یانگ برای درجه 5 (110 گیگا پاسکال) در واقع تا حدودی کمتر از درجه 2 است (105-110 گیگا پاسکال مشابه) به طوری که فشار فروپاشی برای یک هندسه معین تقریباً بدون توجه به درجه یکسان است. درجه 5 دارای مزیت استحکام تسلیم بالاتر برای رفتار پس از فروپاشی و عملکرد بهتر تحت فشار خارجی و تنش های حرارتی ترکیبی است.

ضخامت دیوار برای سرویس 200 بار
برای یک لوله بخاری معمولی با قطر بیرونی 25 میلی‌متر (D=25 میلی‌متر) و فشار خارجی 200 بار (20 مگاپاسکال) در دمای بستر دریا 10-4 درجه، ضخامت دیواره مورد نیاز به‌طور تکراری محاسبه می‌شود:

P_design=200 bar x ضریب ایمنی (فشار فروپاشی طراحی مطلوب). کد مخازن تحت فشار (ASME BPVC بخش VIII، بخش 2) برای فروپاشی تحت فشار خارجی به ضریب ایمنی 3 نیاز دارد. P_design=600 نوار (60 مگاپاسکال).

مفروضات D=25mm، t=2.5mm، Davg=22.5mm، D/t=10.0. فروپاشی الاستیک نظری: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2.5/22.5 *1 *1)^{0}^. 0.884] * 0.00137 سپس P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×108 Pa=341 بار (34.1 مگاپاسکال). پس از کاهش بیضی 65%، P_c_actual=341 × 0.65=222 بار (22.2 مگاپاسکال) < 600 بار ضروری است. این D/t کافی نیست.

t را به 4.0 میلی متر افزایش دهید. Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (t/D میانگین)=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). کاهش به 65٪، 1720 x 0.65=1،118 بار (112 مگاپاسکال) را می دهد که بالاتر از نیاز طراحی 600 بار است.

t را به 3.0 میلی متر افزایش دهید. D میانگین=22.0 میلی‌متر، D/t=8.33. t / D_avg=0.1364، مکعب=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 نوار (63.2 مگاپاسکال). کاهش تا 65% 632 x .65=411 بار (41.1 مگاپاسکال)-زیر 600 بار مورد نیاز. حداقل t بین 3.0 تا 4.0 میلی متر است.

برای t=3.5 میلی متر حل کنید. D_avg=25 - 3.5=21.5 mm, D/t=7.14. t/D_avg=0.1628, Cube=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa). ناک داون: 1.070 x 0.65=695 بار (69.5 مگاپاسکال) - بیش از 600 بار مورد نیاز.

بنابراین، یک لوله تیتانیوم درجه 5 OD 25 میلی‌متری به حداقل ضخامت دیواره 3.5 میلی‌متر برای مقاومت در برابر فروپاشی در فشار خارجی 200 بار با فاکتورهای ایمنی ASME{6}} میلی‌متر ترجیح داده می‌شود تا حاشیه اضافی برای بیضی‌شدن، تغییرات تولید و فرورفتگی احتمالی در حین نصب ایجاد شود.

ماتریس کاربرد ضخامت لوله بخاری دریای عمیق
عمق عملیاتی (متر) فشار خارجی (نوار) نسبت D/t (لوله OD 25 میلی‌متر) ضخامت دیوار توصیه‌شده (با ضریب ایمنی) حداقل ضخامت دیوار (25 میلی‌متر OD) عمق (متر) فشار (میله) 500 متر 50 بار 10.5 2.2 میلی‌متر 2.5 میلی‌متر {0 میلی‌متر {0} میلی‌متر {10} 1,500 m 150 bar 7.5 3.2 mm 3.5 mm 2,000 m 200 bar 7.0 3.5 mm 4.0 mm 2,500 m 250 bar 6.3 4.0 mm 4.5 mm 3000 m 300 bar 5.8 4.5 mm 5.0 mm
ملاحظات دیگر برای گرمکن‌های خدماتی عمیق{{0}
ضخامت دیواره برای فروپاشی فشار خارجی باید با توجه به کاهش دما انتخاب شود. در دمای 4 درجه بستر دریا، مدول یانگ درجه 5 تقریباً 5 درصد بیشتر از دمای محیط است که برای مقاومت در برابر فروپاشی مفید است. اما در حین کار بخاری لوله تا 100-150 درجه از داخل گرم می شود در حالی که آب شور بیرونی 4 درجه است. گرادیان دما تنش های فشاری ایجاد می کند که به یک فشار خارجی اضافه می شود. این بارگذاری ترکیبی باید در تحلیل اجزای محدود برای هر طرح گنجانده شود.

تیتانیوم درجه 5 می تواند در معرض شکنندگی هیدروژنی در آب دریا تحت پتانسیل حفاظت کاتدی زیر - 0.7 V در مقابل Ag/AgCl باشد. سازه های اعماق دریا اغلب به صورت کاتدی با آندهای آلومینیومی محافظت می شوند. از جذب هیدروژن (ترک تأخیری سازه های محافظت شده کاتدی یا پوشش داده شده با پوشش) باید با جداسازی الکتریکی لوله بخاری از سازه های محافظت شده کاتدی یا محافظ پوشش جلوگیری کرد. درجه 5 نسبت به درجه 2 مقاومت کمتری نسبت به هیدروژن دارد

برای جداکننده‌های گاز عمیق-روغن دریا- با فشار خارجی 200 بار، حداقل ضخامت دیواره لوله‌های گرمایش تیتانیوم درجه 5 با قطر بیرونی 25 میلی‌متر، 3.5 میلی‌متر است و ترجیحاً 4.0 میلی‌متر است تا خطاهای ساخت و آسیب‌دیدگی در حین نصب ایجاد شود. مهندسان باید لوله ASTM B861 درجه 5 را با محدودیت‌های بیضی محکم (حداکثر. 0.3٪ قطر)، بازرسی کامل رادیوگرافی برای همگنی ضخامت دیوار و آزمایش فشار تا فشار خارجی حداقل 300 بار مشخص کنند. اتصالات لوله‌های جوشی{13}}به{14}}لوله‌ها باید با نفوذ کامل و کاهش تنش طراحی شوند تا از ترک خوردگی ناشی از تنش در آب دریا جلوگیری شود. برای اعماق بیش از 2500 متر، استفاده از هندسه لوله های جایگزین (قطرهای کمتر، حلقه های سفت کننده داخلی) باید در نظر گرفته شود.