En separadors de gasos-de mar profund-que funcionen a una pressió externa de 200 bar, quin gruix de paret del tub d'escalfador de titani de grau 5 és necessari per resistir el col·lapse?

Els separadors de petroli i gas, situats en profunditat al fons oceànic a profunditats d'entre 1.500 i 2.000 metres, pateixen pressions hidrostàtiques externes de 150 a 200 bar (15 a 20 MPa). Aquests separadors tenen tubs de calefacció elèctrics que han de funcionar a la temperatura del procés per evitar la formació d'hidrats i la deposició de cera. Són susceptibles a un mode de fallada particular de col·lapse de pressió externa. La fallada de pressió interna condueix a l'explosió dúctil. El col·lapse de la pressió externa és un esdeveniment d'inestabilitat elàstica que es produeix de sobte a una pressió crítica molt inferior a la resistència elàstica del material. A causa de la seva excel·lent relació resistència-a-pes, i la resistència a la corrosió a l'aigua salada, el titani de grau 5 (Ti{-6Al-4V) s'utilitza per als tubs d'escalfament d'aigües profundes. L'article defineix el gruix mínim de paret dels tubs de titani de grau 5 per resistir una pressió externa de 200 bar sense pandeig, tenint en compte l'ovalitat, les toleràncies de gruix de la paret i els factors de seguretat necessaris per les normes dels recipients a pressió.

Teoria de la pressió de col·lapse de tubs cilíndrics
Per a un tub cilíndric llarg sotmès a una pressió externa uniforme, la pressió externa crítica, $P_{c}$, ve determinada per la fórmula clàssica per al col·lapse elàstic:

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

on E és el mòdul de Young (uns 110 GPa a 20 graus per al titani de grau 5), ν és la relació de Poisson (aproximadament 0,34), t és el gruix de la paret del tub i D_avg és el diàmetre mitjà (diàmetre exterior menys t). La fórmula es basa en el supòsit de cercles perfectes i gruix de paret constant. La pressió de col·lapse dels tubs reals és inferior a la teòrica a causa de l'ovalitat inicial (-de-rodonitat) i dels canvis de gruix de la paret.

La pressió de col·lapse pràctica per a un tub amb toleràncies de fabricació estàndard (ovalitat dins del 0,5% del diàmetre, tolerància al gruix de la paret ±10%) és d'aproximadament el 60-70% de la pressió de col·lapse elàstica teòrica. Si la relació entre el diàmetre i el gruix (D/t) és inferior a un valor particular, el mode de col·lapse canvia d'elàstic a plàstic i el càlcul és diferent i es basa en la teoria del mòdul tangent.

Paràmetres específics de titani de grau 5 -
El titani de grau 5 té un límit elàstic de 830-900 MPa (mínim 825 MPa per a condicions de recuit) a temperatura ambient, molt més gran que els 275-345 MPa de grau 2. Aquesta alta resistència permet parets més primes per a aplicacions de pressió interna, però no proporciona una resistència al col·lapse externa proporcionalment augmentada. El col·lapse és essencialment un procés impulsat pel mòdul elàstic. El mòdul de Young per al grau 5 (110 GPa) és en realitat una mica més baix que el grau 2 (semblant entre 105 i 110 GPa), de manera que la pressió de col·lapse per a una geometria determinada és aproximadament la mateixa independentment del grau. El grau 5 té l'avantatge d'una major força de fluència per al comportament després del col·lapse i un millor rendiment sota pressió externa combinada i tensions tèrmiques.

Gruix de paret per servei de 200 bar
Per a un tub d'escalfador típic amb un diàmetre exterior de 25 mm (D=25 mm) i una pressió externa de 200 bar (20 MPa) a temperatures del fons marí de 4-10 graus, el gruix de paret necessari es calcula de manera iterativa:

P_disseny=200 bar x factor de seguretat (pressió de col·lapse del disseny desitjada). Els codis dels recipients a pressió (ASME BPVC Secció VIII, Divisió 2) requereixen un factor de seguretat de 3 per col·lapse sota pressió externa. P_design=600 bar (60 MPa).

Hipòtesis D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. Col·lapse elàstic teòric: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2,5/22,5 *) ^{14}} * [^{14}} 1 [2. 0,00137 Aleshores P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Pa=341 bar (34,1 MPa). Després de la caiguda d'ovalitat del 65%, P_c_actual=341 × 0.65=222 bar (22,2 MPa) < necessaris 600 bar. Aquest D/t no és suficient.

Augmenteu t a 4,0 mm. Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (mitjana t/D)=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). Reduït al 65%, s'obté 1.720 x 0.65=1,118 bar (112 MPa), que està per sobre del requisit de disseny de 600 bar.

Augmenteu t a 3,0 mm. D mitjana=22.0 mm, D/t=8.33. t / D_mitja=0.1364, cub=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 bar (63,2 MPa). Reducció del 65% 632 x .65=411 bar (41,1 MPa)-per sota del requisit de 600 bar. La t mínima es troba entre 3,0 i 4,0 mm.

Resol per a t=3.5 mm. D_mitja=25 - 3.5=21.5 mm, D/t=7.14. t/D_mitja=0.1628, cub=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa). Reducció: 1,070 x 0.65=695 bar (69,5 MPa) - més de 600 bar requisit.

Per tant, un tub de titani de grau 5 de 25 mm d'OD necessita un gruix de paret mínim de 3,5 mm per suportar el col·lapse a una pressió externa de 200 bar amb factors de seguretat ASME. 4.0 mm és preferible per donar un marge addicional per a l'ovalitat, les variacions de fabricació i possibles abollaments durant la instal·lació.

Matriu d'aplicació del gruix del tub de l'escalfador de mar profund
Profunditat de funcionament (m) Pressió externa (bar) Relació D/t (tub de 25 mm OD) Gruix de paret recomanat (amb factor de seguretat) Gruix de paret mínim (25 mm OD) Profunditat (m) Pressió (bar) 500 m 50 bar 10.5 2.2 mm 2,5 mm 1.000 m,{90} 1000 mm {90} mm 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
Altres consideracions per als escalfadors de servei profund-
El gruix de la paret per al col·lapse de pressió externa s'ha de triar tenint en compte la reducció de la temperatura. A temperatures del fons marí de 4 graus, el mòdul de Young de grau 5 és aproximadament un 5% més gran que a temperatura ambient, cosa que és útil per a la resistència al col·lapse. Però durant el funcionament de l'escalfador, el tub s'escalfa fins a 100-150 graus des de l'interior mentre que l'aigua salada exterior està a 4 graus. El gradient de temperatura produeix esforços de compressió que s'afegeixen a una pressió externa. Aquesta càrrega combinada s'ha d'incloure en l'anàlisi d'elements finits per a cada disseny.

El titani grau 5 pot estar subjecte a la fragilitat de l'hidrogen a l'aigua de mar amb potencials de protecció catòdica inferiors a -0,7 V en comparació amb Ag/AgCl. Les estructures d'aigües profundes sovint estan protegides catòdicament amb ànodes d'alumini. L'absorció d'hidrogen (esquerdament retardat d'estructures protegides catòdicament o recobertes amb un recobriment) s'ha d'evitar mitjançant l'aïllament elèctric del tub de l'escalfador d'estructures protegides catòdicament o la protecció del recobriment. El grau 5 és menys tolerant a l'hidrogen que el grau 2

Per als separadors de gasos de-oli-de mar profund a 200 bar de pressió externa, el gruix de paret mínim dels tubs d'escalfament de titani de grau 5 de 25 mm de diàmetre exterior és de 3,5 mm, amb una preferència de 4,0 mm per permetre errors de fabricació i danys durant la instal·lació. Els enginyers han d'especificar tubs ASTM B861 grau 5 amb limitacions d'ovalitat estrictes (. 0.3% màxim del diàmetre), inspecció radiogràfica exhaustiva per a l'homogeneïtat del gruix de la paret i proves de pressió fins a almenys 300 bar de pressió externa. Les unions de tub soldat-a-la placa de tub s'han de dissenyar amb una penetració total i un alleujament de tensions per evitar l'esquerda per corrosió per tensió a l'aigua de mar. Per a profunditats superiors a 2.500 m, s'ha de tenir en compte l'ús de geometries alternatives de tubs (diàmetres més baixos, anells de reforç intern).