Какая толщина стенок нагревательной трубки из титана класса 5 необходима в глубоководных-морских нефтяных-газовых сепараторах, работающих при внешнем давлении 200 бар, чтобы противостоять разрушению?

Сепараторы нефти и газа, расположенные глубоко на дне океана на глубине от 1500 до 2000 метров, подвергаются внешнему гидростатическому давлению от 150 до 200 бар (от 15 до 20 МПа). Эти сепараторы оснащены электрическими нагревательными трубками, которые должны работать при температуре процесса, чтобы избежать образования гидратов и отложения парафина. Они подвержены определенному типу отказа – обрушению внешнего давления. Разрушение внутреннего давления приводит к пластическому разрушению. Коллапс от внешнего давления — это явление упругой нестабильности, которое возникает внезапно при критическом давлении, намного ниже предела текучести материала. Благодаря превосходному соотношению прочности-к-весу и стойкости к коррозии в соленой воде титан класса 5 (Ti-6Al-4V) используется для изготовления трубок глубоководных нагревателей. В статье определяется минимальная толщина стенки трубок из титана класса 5, позволяющая выдерживать внешнее давление 200 бар без коробления, с учетом овальности, допусков на толщину стенок и факторов безопасности, требуемых стандартами сосудов под давлением.

Теория давления разрушения цилиндрических труб
Для длинной цилиндрической трубы, находящейся под действием однородного внешнего давления, критическое внешнее давление $P_{c}$ определяется классической формулой упругого коллапса:

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

где E — модуль Юнга (около 110 ГПа при 20 градусах для титана класса 5), ν — коэффициент Пуассона (примерно 0,34), t — толщина стенки трубки, а D_avg — средний диаметр (внешний диаметр минус t). Формула основана на предположении об идеальных кругах и постоянной толщине стенок. Давление схлопывания реальных трубок ниже теоретического из-за первоначальной овальности (-из-круглости) и изменения толщины стенок.

Практическое давление разрушения трубы со стандартными производственными допусками (овальность в пределах 0,5 % диаметра, допуск толщины стенки ±10 %) составляет около 60-70 % теоретического давления упругого разрушения. Если отношение диаметра к толщине (D/t) меньше определенного значения, режим сжатия меняется с упругого на пластический, и расчет другой и основан на теории касательного модуля.

Титан класса 5 - Особые параметры
Титан класса 5 имеет предел текучести 830-900 МПа (минимум 825 МПа для отожженного состояния) при комнатной температуре, что намного выше, чем 275-345 МПа класса 2. Эта высокая прочность позволяет использовать более тонкие стенки для применений под внутренним давлением, но не обеспечивает пропорционально увеличенного сопротивления внешнему разрушению. Коллапс — это, по сути, процесс, управляемый модулем упругости. Модуль Юнга для класса 5 (110 ГПа) на самом деле несколько ниже, чем для класса 2 (аналогично 105–110 ГПа), так что давление разрушения для данной геометрии примерно одинаковое независимо от класса. Класс 5 имеет преимущество более высокого предела текучести для поведения после разрушения и лучших характеристик при комбинированном внешнем давлении и термических напряжениях.

Толщина стенки для работы при давлении 200 бар
Для типичной трубки нагревателя с внешним диаметром 25 мм (D=25 мм) и внешним давлением 200 бар (20 МПа) при температуре морского дна 4–10 градусов необходимая толщина стенки вычисляется итеративно:

P_design=200 бар x коэффициент запаса прочности (желаемое расчетное давление разрушения). Коды сосудов под давлением (ASME BPVC, раздел VIII, раздел 2) требуют коэффициента безопасности 3 на случай разрушения под внешним давлением. P_design=600 бар (60 МПа).

Допущения D=25мм, t=2.5мм, Davg=22.5мм, D/t=10.0. Теоретический упругий коллапс: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2,5/22,5)^3=[2,2 * 10^11 / 0,884] * 0,00137 Тогда P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Па=341 бар (34,1 МПа). После падения овальности на 65 % P_c_actual=341 × 0.65=222 бар (22,2 МПа) < необходимых 600 бар. Этого D/t недостаточно.

Увеличьте t до 4,0 мм. Davg=25 - 4.0=21.0 мм D/t= 6.25. (среднее t/D)=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). При понижении давления до 65% получается 1720 x 0.65=1118 бар (112 МПа), что превышает проектные требования в 600 бар.

Увеличьте t до 3,0 мм. D среднее=22.0 мм, D/t=8.33. t / D_avg=0.1364, куб=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Па=632 бар (63,2 МПа). Разрушение до 65 % при 632 x .65=411 бар (41,1 МПа)-при требуемом давлении 600 бар. Минимальное значение t находится в пределах 3,0–4,0 мм.

Определите значение 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). Разрушение: 1,070 x 0.65=695 бар (69,5 МПа) - сверх требования 600 бар.

Таким образом, титановая трубка класса 5 с внешним диаметром 25 мм требует минимальной толщины стенки 3,5 мм, чтобы выдерживать разрушение при внешнем давлении 200 бар с коэффициентами безопасности ASME. . 4.0 Предпочтительно использовать мм, чтобы обеспечить дополнительный запас на овальность, производственные отклонения и возможные вмятины во время установки.

Таблица применения толщины трубки глубоководного нагревателя
Рабочая глубина (м) Внешнее давление (бар) Соотношение D/t (трубка с внешним диаметром 25 мм) Рекомендуемая толщина стенки (с запасом прочности) Минимальная толщина стенки (наружный диаметр 25 мм) Глубина (м) Давление (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
Другие соображения по поводу обогревателей для глубокого-обслуживания
Толщину стенки для разрушения под внешним давлением следует выбирать с учетом температурного снижения номинальных характеристик. При температуре морского дна 4 градуса модуль Юнга 5-го класса примерно на 5% больше, чем при температуре окружающей среды, что способствует сопротивлению разрушению. Но при работе нагревателя трубка нагревается изнутри до 100-150 градусов, а снаружи соленая вода - на 4 градуса. Градиент температуры создает сжимающие напряжения, которые в сумме создают внешнее давление. Эта комбинированная нагрузка должна быть включена в анализ методом конечных элементов для каждой конструкции.

Титан марки 5 может подвергаться водородному охрупчиванию в морской воде при потенциалах катодной защиты ниже -0,7 В по сравнению с Ag/AgCl. Глубоководные конструкции часто катодно защищают алюминиевыми анодами. Поглощение водорода (замедленное растрескивание катодно защищенных конструкций или покрытых покрытием) необходимо предотвращать путем электрической изоляции трубки нагревателя от катодно защищенных конструкций или защиты покрытия. Класс 5 менее толерантен к водороду, чем класс 2.

Для глубоководных-сепараторов нефти-газов при внешнем давлении 200 бар минимальная толщина стенки нагревательных трубок из титана Grade 5 с внешним диаметром 25 мм составляет 3,5 мм, предпочтительно 4,0 мм, чтобы исключить производственные ошибки и повреждения во время установки. Инженеры должны указать трубы ASTM B861 класса 5 с жесткими ограничениями по овальности (максимум. 0.3% диаметра), тщательным радиографическим контролем на однородность толщины стенок и испытаниями под внешним давлением не менее 300 бар. Сварные соединения труб-с-трубной решеткой должны быть спроектированы с учетом полного проплавления и снятия напряжений во избежание коррозионного растрескивания под напряжением в морской воде. Для глубин более 2500 м необходимо учитывать использование труб другой геометрии (меньшие диаметры, внутренние кольца жесткости).