I dyb-havsolie-gasseparatorer, der arbejder ved 200 bar eksternt tryk, hvilken vægtykkelse af titanium grade 5-varmerør er påkrævet for at modstå kollaps?

Olie- og gasseparatorer, placeret dybt på havbunden i dybder på mellem 1.500 og 2.000 meter, lider under eksterne hydrostatiske tryk på 150 til 200 bar (15 til 20 MPa). Disse separatorer har elektriske varmerør, som skal køre ved procestemperaturen for at undgå hydratdannelse og voksaflejring. De er modtagelige for en bestemt fejltilstand for eksternt trykkollaps. Internt tryksvigt fører til duktilt sprængning. Eksternt trykkollaps er en elastisk ustabilitetsbegivenhed, som pludselig opstår ved et kritisk tryk, der er meget lavere end materialets flydespænding. På grund af dets fremragende styrke-til-vægtforhold og korrosionsbestandigheden i saltvand, bruges titanium Grade 5 (Ti-6Al-4V) til dybhavsvarmerør. Artiklen definerer minimumsvægtykkelsen af ​​Grade 5 titanium rør til at modstå et 200 bar ydre tryk uden at bukke, under hensyntagen til ovalitet, vægtykkelse tolerancer og sikkerhedsfaktorer, der kræves af trykbeholder standarder.

Sammenbrudstrykteori for cylindriske rør
For et langt cylindrisk rør udsat for ensartet ydre tryk, er det kritiske ydre tryk, $P_{c}$, bestemt af den klassiske formel for elastisk kollaps:

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

hvor E er Young-modulet (ca. 110 GPa ved 20 grader for grad 5 titanium), ν er Poisson-forholdet (ca. 0,34), t er rørets vægtykkelse og D_avg er den gennemsnitlige diameter (uddiameter minus t). Formlen er baseret på antagelsen om perfekte cirkler og konstant vægtykkelse. Sammenbrudstrykket af rigtige rør er lavere end det teoretiske på grund af den oprindelige ovale (uden-af-rundhed) og vægtykkelsesændringer.

Det praktiske kollapstryk for et rør med standard fremstillingstolerancer (ovalitet inden for 0,5 % af diameter, vægtykkelsestolerance ±10 %) er ca. 60-70 % af det teoretiske elastiske kollapstryk. Hvis forholdet mellem diameter og tykkelse (D/t) er mindre end en bestemt værdi, ændres kollapstilstanden fra elastisk til plastisk, og beregningen er anderledes og baseret på tangentmodulteori.

Grad 5 Titanium - specifikke parametre
Grade 5 titanium har en flydespænding på 830-900 MPa (minimum 825 MPa for udglødet tilstand) ved stuetemperatur, meget større end 275-345 MPa af Grade 2. Denne høje styrke tillader tyndere vægge til interne sammentrykningsanvendelser, men giver ikke proportionalt øget udvendig kollapsmodstand. Sammenbrud er i det væsentlige en elasticitetsmodul drevet proces. Youngs modul for Grade 5 (110 GPa) er faktisk noget lavere end for Grade 2 (105-110 GPa-lignende), således at kollapstrykket for en given geometri er nogenlunde det samme uanset grad. Graden 5 har fordelen af ​​højere flydespænding for post-kollaps adfærd og bedre ydeevne under kombineret eksternt tryk og termiske spændinger.

Vægtykkelse til 200 bar service
For et typisk varmerør med en ydre diameter på 25 mm (D=25 mm) og et eksternt tryk på 200 bar (20 MPa) ved havbundstemperaturer på 4-10 grader, beregnes den nødvendige vægtykkelse iterativt:

P_design=200 bar x sikkerhedsfaktor (ønsket designkollapstryk). Trykbeholderkoder (ASME BPVC Sektion VIII, Division 2) kræver en sikkerhedsfaktor på 3 for kollaps under eksternt tryk. P_design=600 bar (60 MPa).

Forudsætninger D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. Teoretisk elastisk kollaps: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2,5/22,5)} [{^14 *}^ [{^14 *} 0,884] * 0,00137 Derefter P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Pa=341 bar (34,1 MPa). Efter ovalitetsfald på 65 %, P_c_actual=341 × 0.65=222 bar (22,2 MPa) < nødvendigt 600 bar. Denne D/t er ikke tilstrækkelig.

Forøg t til 4,0 mm. Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (t/D gennemsnit)=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). Slået ned til 65 % giver det 1.720 x 0.65=1,118 bar (112 MPa), hvilket er over designkravet på 600 bar.

Forøg t til 3,0 mm. D gennemsnit=22.0 mm, D/t=8.33. t / D_gennemsnit=0.1364, terning=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 bar (63,2 MPa). Knockdown til 65 % 632 x .65=411 bar (41,1 MPa)-under 600 bar krav. Den minimale t ligger mellem 3,0 og 4,0 mm.

Løs for t=3.5 mm. D_avg=25 - 3.5=21.5 mm, D/t=7.14. t/D_avg=0.1628, terning=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa). Slå ned: 1.070 x 0.65=695 bar (69.5 MPa) - over 600 bar krav.

Et 25 mm OD Grade 5 titaniumrør har derfor brug for en minimumsvægtykkelse på 3,5 mm for at modstå kollaps ved 200 bar eksternt tryk med ASME sikkerhedsfaktorer . 4.0 mm foretrækkes for at give ekstra margen for ovalitet, fremstillingsvariationer og mulige buler under installationen.

Deep Sea Heater Tube Thickness Application Matrix
Driftsdybde (m) Eksternt tryk (bar) D/t-forhold (25 mm OD-rør) Anbefalet vægtykkelse (med sikkerhedsfaktor) Minimum vægtykkelse (25 mm OD) Dybde (m) Tryk (bar) 500 m 50 bar 10.5 2.2 mm 2,5 mm 1.000 mm {0} mm 1.000 mm {0} 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 3.000 m 300 bar 5.8 4.5 mm 5,0 mm
Andre overvejelser for dybe-servicevarmere
Vægtykkelsen for ekstern trykkollaps skal vælges under hensyntagen til temperaturreduktion. Ved havbundstemperaturer på 4 grader er Youngs modul af grad 5 ca. 5 % større end ved omgivelsestemperatur, hvilket er nyttigt for sammenbrudsmodstand. Men under drift af varmelegeme varmes røret op til 100-150 grader indefra, mens det udvendige saltvand er på 4 grader. Temperaturgradienten frembringer trykspændinger, som lægger op til et eksternt tryk. Denne kombinerede belastning skal inkluderes i finite element-analyse for hvert design.

Titanium grade 5 kan udsættes for brintskørhed i havvand under katodisk beskyttelsespotentialer under -0,7 V vs. Ag/AgCl. Dybhavsstrukturer er ofte beskyttet katodisk med aluminiumanoder. Brintabsorption (forsinket revnedannelse af katodisk beskyttede strukturer eller belagt med en belægning) skal forhindres ved hjælp af elektrisk isolering af varmerøret fra katodisk beskyttede strukturer eller belægningsbeskyttelse. Grad 5 er mindre tolerant over for brint end grad 2

For dyb-havolie-gasseparatorer ved et ydre tryk på 200 bar er minimumsvægtykkelsen af ​​de 25 mm ydre diameter af titanium Grad 5 varmerør 3,5 mm, med en præference for 4,0 mm for at tillade fremstillingsfejl og skader under installationen. Ingeniører skal specificere ASTM B861 klasse 5-rør med stramme ovalitetsbegrænsninger (maks. . 0.3% af diameter), grundig røntgeninspektion for vægtykkelseshomogenitet og trykprøvning til mindst 300 bar eksternt tryk. Svejste rør-til-rørpladeforbindelser skal være designet med fuld gennemtrængning og spændingsaflastning for at undgå spændingskorrosion i havvand. For dybder over 2.500 m skal der tages højde for brugen af ​​alternative rørgeometrier (lavere diametre, indvendige afstivningsringe).