Jaká tloušťka stěny ohřívací trubice titanové třídy 5 je zapotřebí, aby odolala zřícení, v hlubinných{0}}seaparátorech{1}}plynu pracujících při vnějším tlaku 200 barů?

Separátory ropy a plynu, umístěné hluboko na dně oceánu v hloubkách mezi 1500 a 2000 metry, trpí vnějšími hydrostatickými tlaky 150 až 200 barů (15 až 20 MPa). Tyto separátory mají elektrické topné trubky, které musí běžet při procesní teplotě, aby se zabránilo tvorbě hydrátu a usazování vosku. Jsou náchylné k určitému poruchovému způsobu zhroucení vnějšího tlaku. Porucha vnitřního tlaku vede k tažnému prasknutí. Zhroucení vnějšího tlaku je událost elastické nestability, která nastává náhle při kritickém tlaku mnohem nižším, než je mez kluzu materiálu. Díky svému vynikajícímu poměru pevnosti-k-hmotnosti a odolnosti vůči korozi ve slané vodě se titan třídy 5 (Ti-6Al-4V) používá pro hlubinné ohřívací trubice. Článek definuje minimální tloušťku stěny titanových trubek Grade 5, aby odolávaly vnějšímu tlaku 200 barů bez vybočení, přičemž se bere v úvahu oválnost, tolerance tloušťky stěny a bezpečnostní faktory vyžadované normami tlakových nádob.

Teorie kolapsového tlaku válcových trubek
Pro dlouhou válcovou trubku vystavenou rovnoměrnému vnějšímu tlaku je kritický vnější tlak $P_{c}$ určen klasickým vzorcem pro elastický kolaps:

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

kde E je Youngův modul (asi 110 GPa při 20 stupních pro titan Grade 5), ν je Poissonův poměr (zhruba 0,34), t je tloušťka stěny trubky a D_avg je střední průměr (vnější průměr mínus t). Vzorec je založen na předpokladu dokonalých kružnic a konstantní tloušťky stěny. Tlak zhroucení skutečných trubek je nižší než teoretický kvůli počáteční oválnosti (mimo -z-kulatosti) a změnám tloušťky stěny.

Praktický tlak kolapsu pro trubku se standardními výrobními tolerancemi (ovalita do 0,5 % průměru, tolerance tloušťky stěny ±10 %) je asi 60-70 % teoretického tlaku elastického kolapsu. Pokud je poměr průměru k tloušťce (D/t) menší než určitá hodnota, změní se mód kolapsu z elastického na plastický a výpočet je odlišný a je založen na teorii tečného modulu.

Specifické parametry titanu 5. třídy -
Titan třídy 5 má mez kluzu 830-900 MPa (minimálně 825 MPa pro žíhaný stav) při pokojové teplotě, mnohem větší než 275-345 MPa třídy 2. Tato vysoká pevnost umožňuje tenčí stěny pro aplikace s vnitřním tlakem, ale neposkytuje proporcionálně zvýšenou odolnost proti vnějšímu zborcení. Kolaps je v podstatě proces řízený modulem pružnosti. Youngův modul pro stupeň 5 (110 GPa) je ve skutečnosti poněkud nižší než pro stupeň 2 (105-110 GPa-podobný), takže tlak zhroucení pro danou geometrii je zhruba stejný bez ohledu na stupeň. Třída 5 má výhodu vyšší meze kluzu pro chování po kolapsu a lepší výkon při kombinovaném vnějším tlaku a tepelném namáhání.

Tloušťka stěny pro provoz 200 bar
Pro typickou trubku ohřívače s vnějším průměrem 25 mm (D=25 mm) a vnějším tlakem 200 barů (20 MPa) při teplotách mořského dna 4-10 stupňů se potřebná tloušťka stěny vypočítá iterativně:

P_design=200 bar x bezpečnostní faktor (požadovaný návrhový tlak kolapsu). Kódy tlakových nádob (ASME BPVC sekce VIII, divize 2) vyžadují faktor bezpečnosti 3 pro kolaps pod vnějším tlakem. P_design=600 lišta (60 MPa).

Předpoklady D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. Teoretické elastické zhroucení: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2,5/22,5)^{{14} 10] *0,^2 *84} [2.^ 0,00137 Potom P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Pa=341 bar (34,1 MPa). Po poklesu ovality o 65 %, P_c_actual=341 × 0.65=222 bar (22,2 MPa) < nezbytných 600 barů. Toto D/t není dostatečné.

Zvyšte t na 4,0 mm. Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (t/D průměr)=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). Snížení na 65 % dává 1 720 x 0.65=1 118 barů (112 MPa), což je nad konstrukčním požadavkem 600 barů.

Zvyšte t na 3,0 mm. D průměr=22.0 mm, D/t=8.33. t / D_avg=0.1364, krychle=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 bar (63,2 MPa). Snížení na 65 % 632 x .65=411 bar (41,1 MPa)-pod požadovaným tlakem 600 barů. Minimální t leží mezi 3,0 a 4,0 mm.

Řešení pro t=3.5 mm. D_avg=25 - 3.5=21.5 mm, D/t=7.14. t/D_avg=0.1628, krychle=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa). Snížení: 1,070 x 0.65=695 bar (69,5 MPa) - nad 600 bar požadovaný.

Titanová trubice třídy 5 o vnějším průměru 25 mm tedy potřebuje minimální tloušťku stěny 3,5 mm, aby vydržela zborcení při vnějším tlaku 200 barů s bezpečnostními faktory ASME. 4.0 mm, aby byla poskytnuta větší rezerva pro oválnost, výrobní odchylky a možné promáčknutí během instalace.

Aplikační matrice tloušťky trubice hlubinného ohřívače
Provozní hloubka (m) Vnější tlak (bar) Poměr D/t (25 mm vnější průměr trubky)Doporučená tloušťka stěny (s bezpečnostním faktorem) Minimální tloušťka stěny (25 mm vnější průměr) Hloubka (m) Tlak (bar) 500 m 50 bar 10.5 2.2 mm 2,5 mm 1 000 mm 1 000 mm 5,00 m 10 bar 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
Další úvahy o ohřívačích hloubkových{0}}servisů
Tloušťka stěny pro kolaps z vnějšího tlaku musí být zvolena s ohledem na snížení teploty. Při teplotách mořského dna 4 stupně je Youngův modul stupně 5 zhruba o 5 % vyšší než při teplotě okolí, což je užitečné pro odolnost proti zhroucení. Ale během provozu ohřívače se trubice zevnitř zahřívá na 100-150 stupňů, zatímco vnější slaná voda má 4 stupně. Teplotní gradient vytváří tlaková napětí, která se sčítají s vnějším tlakem. Toto kombinované zatížení musí být zahrnuto do analýzy konečných prvků pro každý návrh.

Titan třídy 5 může podléhat vodíkovému křehnutí v mořské vodě při potenciálu katodové ochrany pod -0,7 V vs. Ag/AgCl. Hlubinné stavby jsou často chráněny katodicky hliníkovými anodami. Absorpci vodíku (zpožděné praskání katodicky chráněných konstrukcí nebo potažených povlakem) je třeba zabránit pomocí elektrické izolace trubky ohřívače od katodicky chráněných konstrukcí nebo ochrany povlakem. Stupeň 5 je méně odolný vůči vodíku než stupeň 2

U hlubinných -separátorů ropných{1}}plynů při vnějším tlaku 200 barů je minimální tloušťka stěny titanových topných trubek Grade 5 o vnějším průměru 25 mm 3,5 mm, s upřednostněním 4,0 mm, aby se umožnilo výrobní chyby a poškození během instalace. Inženýři specifikují potrubí ASTM B861 třídy 5 s těsným omezením ovality (max. 0.3 % průměru), důkladnou radiografickou kontrolu homogenity tloušťky stěny a tlakové zkoušky na vnější tlak alespoň 300 barů. Svařované spoje-k{14}}trubkové desce musí být navrženy tak, aby plně pronikly a uvolnily napětí, aby se zabránilo praskání korozí pod napětím v mořské vodě. Pro hloubky nad 2 500 m je třeba vzít v úvahu použití alternativních geometrií trubek (spodní průměry, vnitřní výztužné kroužky).