Yn Ddwfn-Olew'r Môr-Gwahanyddion Nwy yn Gweithredu ar 200 bar Pwysedd Allanol, Pa Drwch Wal Diwb Gwresogydd Gradd 5 Titaniwm Sydd Ei Angen i Wrthsefyll Llewyg?

Mae gwahanyddion olew a nwy, sydd wedi'u gosod yn ddwfn ar lawr y cefnfor ar ddyfnder rhwng 1,500 a 2,000 metr, yn dioddef pwysau hydrostatig allanol o 150 i 200 bar (15 i 20 MPa). Mae gan y gwahanyddion hyn diwbiau gwresogi trydan sy'n gorfod rhedeg ar dymheredd y broses er mwyn osgoi ffurfio hydradiad a dyddodiad cwyr. Maent yn agored i ddull methiant penodol o gwymp pwysau allanol. Methiant pwysau mewnol yn arwain at hydwyth bursting.External cwymp pwysau yn ddigwyddiad ansefydlogrwydd elastig sy'n digwydd yn sydyn ar bwysau critigol llawer is na chryfder cynnyrch y deunydd. Oherwydd ei gymhareb cryfder rhagorol i-bwysau a gwrthiant cyrydiad mewn dŵr halen, defnyddir titaniwm Gradd 5 (Ti-6Al-4V) ar gyfer tiwbiau gwresogydd môr dwfn. Mae'r erthygl yn diffinio isafswm trwch wal tiwbiau titaniwm Gradd 5 i wrthsefyll pwysau allanol 200 bar heb byclo, gan gymryd i ystyriaeth hirgrwn, goddefiannau trwch wal a ffactorau diogelwch sydd eu hangen yn ôl safonau llestr pwysedd.

Cwymp damcaniaeth pwysedd tiwbiau silindrog
Ar gyfer tiwb silindrog hir sy'n destun pwysau allanol unffurf, mae'r pwysau allanol critigol, $P_{c}$, yn cael ei bennu gan y fformiwla glasurol ar gyfer cwymp elastig:

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

lle E yw'r modwlws Young (tua 110 GPa ar 20 gradd ar gyfer titaniwm Gradd 5), ν yw cymhareb Poisson (tua 0.34), t yw trwch wal y tiwb a D_avg yw'r diamedr cyfartalog (diamedr allan llai t). Mae'r fformiwla yn seiliedig ar y rhagdybiaeth o gylchoedd perffaith a thrwch wal cyson. Mae gwasgedd cwymp tiwbiau go iawn yn is na'r un damcaniaethol oherwydd yr hirgrwn cychwynnol (allan o-grwnder) a newidiadau mewn trwch wal.

Mae'r pwysau cwympo ymarferol ar gyfer tiwb â goddefiannau gweithgynhyrchu safonol (ofredd o fewn 0.5% o ddiamedr, goddefgarwch trwch wal ±10%) tua 60-70% o'r pwysau cwympo elastig damcaniaethol. Os yw'r gymhareb diamedr i drwch (D/t) yn llai na gwerth penodol mae'r modd cwympo yn newid o elastig i blastig ac mae'r cyfrifiad yn wahanol ac yn seiliedig ar ddamcaniaeth modwlws tangiad.

Titaniwm Gradd 5 - Paramedrau Penodol
Mae gan ditaniwm Gradd 5 gryfder cynnyrch o 830-900 MPa (lleiafswm o 825 MPa ar gyfer cyflwr anelio) ar dymheredd ystafell, sy'n llawer uwch na'r 275 -345 MPa o Radd 2. Mae'r cryfder uchel hwn yn caniatáu waliau teneuach ar gyfer cymwysiadau pwysedd mewnol, ond nid yw'n darparu ymwrthedd cwymp allanol cynyddol yn gymesur. Proses a yrrir gan fodwlws elastig yw cwymp yn ei hanfod. Mae modwlws Young ar gyfer Gradd 5 (110 GPa) mewn gwirionedd ychydig yn is nag ar gyfer Gradd 2 (105-110 GPa-tebyg) fel bod y pwysau cwympo ar gyfer geometreg benodol fwy neu lai yr un peth waeth beth fo'r radd. Mae gan y radd 5 fantais o gryfder cynnyrch uwch ar gyfer ymddygiad ôl-gwymp a pherfformiad gwell o dan bwysau allanol cyfunol a straen thermol.

Trwch wal ar gyfer gwasanaeth 200 bar
Ar gyfer tiwb gwresogydd nodweddiadol gyda diamedr allanol o 25 mm (D=25 mm) a gwasgedd allanol o 200 bar (20 MPa) ar dymheredd gwely'r môr o 4-10 gradd, mae'r trwch wal angenrheidiol yn cael ei gyfrifo'n ailadroddol:

P_design=200 bar x ffactor diogelwch (pwysau cwymp dylunio a ddymunir). Mae codau llestr pwysedd (ASME BPVC Adran VIII, Is-adran 2) yn gofyn am ffactor diogelwch o 3 ar gyfer cwympo o dan bwysau allanol. P_design=600 bar (60 MPa).

Rhagdybiaethau D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. Cwymp elastig damcaniaethol: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2.5/22.5) ^{{14} * 0.5 0.00137 Yna P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Pa=341 bar (34.1 MPa). Ar ôl cwymp hirgrwn 65%, P_c_gwir=341 × 0.65=222 bar (22.2 MPa) < angenrheidiol 600 bar. Nid yw'r D/t hwn yn ddigonol.

Cynyddu t i 4.0 mm. Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (cyfartaledd 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). Wedi'i fwrw i lawr i 65% mae'n rhoi 1,720 x 0.65=1,118 bar (112 MPa) sy'n uwch na'r gofyniad dylunio 600 bar.

Cynyddu t i 3.0 mm. D cyfartaledd=22.0 mm, D/t=8.33. t / D_avg=0.1364, ciwb=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 bar (63.2 MPa). Disgyn i 65% 632 x .65=411 bar (41.1 MPa)-gofyniad o dan 600 bar. Mae'r lleiafswm t rhwng 3.0 a 4.0 mm.

Datrys am t=3.5 mm. D_avg=25 - 3.5=21.5 mm, D/t=7.14. t/D_avg=0.1628, ciwb=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa). Cnocio i lawr: 1.070 x 0.65=695 bar (69.5 MPa) - gofyniad dros 600 bar.

Felly mae angen isafswm trwch wal o 3.5 mm ar diwb titaniwm OD Gradd 5 25 mm i wrthsefyll cwymp ar bwysau allanol 200 bar gyda ffactorau diogelwch ASME. 4.0 mm yn cael ei ffafrio i roi ymyl ychwanegol ar gyfer hirgrwn, amrywiadau gweithgynhyrchu a denting posibl yn ystod gosod.

Matrics Cais Trwch Tiwb Gwresogydd Môr Dwfn
Dyfnder Gweithredu (m) Gwasgedd Allanol (bar) Cymhareb D/t (tiwb OD 25mm) Trwch Wal a Argymhellir (Gyda ffactor diogelwch) Isafswm Trwch Wal (25 mm OD) Dyfnder (m) Pwysedd (bar) 500 m 50 bar 10.5 2.2 mm 2.5 mm 1,000 m.910 mm {0} bar 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
Ystyriaethau Eraill ar gyfer{0}Gwresogyddion Gwasanaeth Dwfn
Rhaid dewis trwch y wal ar gyfer cwymp pwysedd allanol gan ystyried y graddau tymheredd. Ar dymheredd gwely'r môr o 4 gradd, mae modwlws Young o Radd 5 tua 5% yn fwy na'r tymheredd amgylchynol, sy'n ddefnyddiol ar gyfer ymwrthedd i gwymp. Ond yn ystod gweithrediad y gwresogydd mae'r tiwb yn cael ei gynhesu hyd at 100-150 gradd o'r tu mewn tra bod y dŵr halen allanol ar 4 gradd. Mae'r graddiant tymheredd yn cynhyrchu straen cywasgol sy'n ychwanegu at bwysau allanol. Mae angen cynnwys y llwyth cyfunol hwn wrth ddadansoddi elfennau cyfyngedig ar gyfer pob dyluniad.

Gall titaniwm gradd 5 fod yn destun embrittlement hydrogen mewn dŵr môr o dan botensial amddiffyn cathodig o dan - 0.7 V vs. Ag/AgCl. Mae strwythurau môr dwfn yn aml yn cael eu hamddiffyn yn cathodig ag anodau alwminiwm. Rhaid atal amsugno hydrogen (gohirio cracio strwythurau gwarchodedig neu wedi'u gorchuddio â chaenen) trwy ynysu trydanol y tiwb gwresogydd rhag strwythurau gwarchodedig cathodig neu amddiffyniad cotio. Mae gradd 5 yn llai goddefgar o hydrogen na gradd 2

Ar gyfer gwahanwyr nwy olew môr dwfn ar bwysedd allanol o 200 bar, isafswm trwch wal y tiwbiau gwresogi titaniwm Gradd 5 diamedr allanol 25 mm yw 3.5 mm, gyda ffafriaeth o 4.0 mm i ganiatáu ar gyfer gwallau gweithgynhyrchu a difrod yn ystod gosod. Rhaid i beirianwyr nodi tiwbiau ASTM B861 Gradd 5 gyda chyfyngiadau hirgrwn tynn (uchafswm. 0.3% o ddiamedr), archwiliad radiograffeg trylwyr ar gyfer homogenedd trwch wal a phrofi pwysedd hyd at o leiaf 300 bar o bwysau allanol. Rhaid dylunio cyffyrdd tiwb wedi'u weldio i-gyda threiddiad llawn a lleddfu straen er mwyn osgoi cracio cyrydiad straen mewn dŵr môr. Ar gyfer dyfnderoedd dros 2,500 m mae'n rhaid ystyried y defnydd o geometregau tiwb amgen (diamedrau is, cylchoedd anystwytho mewnol).