В офшорни платформени хидравлични системи, нагряващи огнеупорни-течности (95/5 вода-гликол) при 80 градуса, каква дебелина на стената на титановата тръба предотвратява изтичане на дупки след 10 000 термични цикъла?

В офшорните платформи се използват-огнеустойчиви течности, за да се сведе до минимум рискът от пожар в хидравличните тръбопроводи с високо{1}}налягане. Тези течности обикновено се състоят от 95% вода и 5% гликол (етилен или пропилен). Тези течности се използват при 80 градуса и са подложени на редовни термични цикли, когато хидравличните помпи се включват и изключват и когато температурата на околната среда се променя между дневни и нощни операции. Титаниеви тръби клас 2 се използват за нагреватели на хидравлични течности поради тяхната устойчивост на корозия във вода-гликолови смеси и високо съотношение на якост към тегло. Въпреки това, по-специално един сценарий на повреда, напукване от термична умора, води до изтичане на точкови дупки след многократни топлинни цикли. Термичната умора, за разлика от спукване под налягане или равномерна корозия, причинява развитие на микроскопични пукнатини и нарастване през стената на тръбата без измеримо изтъняване на стената. Тази статия представя минималната дебелина на стената, необходима за титаниеви тръби от степен 2, за да издържат на 10 000 термични цикли между 20 градуса (околна среда) и 80 градуса (работа) без течове на дупки, въз основа на изпитване на умора и анализ на крайните елементи.

Хидро-механична умора на тръбите на хидравличен нагревател
Титанова нагревателна тръба в хидравлична флуидна система е подложена на циклични топлинни напрежения, причинени от диференциално разширение между тръбата и околната среда. Когато нагревателят е включен, стената на тръбата бързо се нагрява от 20 градуса до 80 градуса (ΔT=60 градуса). Вътрешната стена в контакт с нагревателния елемент се нагрява по-бързо от външната стена в контакт с хидравличната течност. Температурните градиенти през стената причиняват напрежения на натиск върху вътрешната повърхност на стената и напрежения на опън върху външната повърхност на стената. Този цикъл се обръща, когато нагревателят се изключи. Всеки температурен цикъл предизвиква амплитуда на деформация върху стената на тръбата.

За типична тръба от степен 2, външен диаметър 25 mm със стена 1,65 mm, термичното напрежение на цикъл на външната стена е между 0,08 до 0,12% (в зависимост от скоростта на нагряване и конвекцията на течността). Това е доста под границата на провлачване на титан (0,5-0,7%), така че деформацията е еластична. Но дори еластичното циклично напрежение води до натрупване на увреждане от умора. След достатъчно цикли се появяват малки пукнатини при повърхностни дефекти, включвания или области на остатъчно напрежение (тръбни завои, заварки, връзки на тръбни листове). Тези пукнатини се развиват трансгрануларно и накрая перфорират стената, за да образуват теч с дупка. Хидравличната течност изтича през дупки, което води до загуба на течност и налягане.

Дебелина на стената срещу умора
Изпитването на контролиран термичен цикъл на титаниеви тръби от степен 2 (25 mm OD, различни дебелини на стените) във вода-гликол (95/5) при 80 градуса е представено с данни за живот на умора. Тръбите се нагряват от 20 до 80 градуса със скорост 10 градуса/мин (подобно на електрическите нагреватели) и се охлаждат от 80 до 20 градуса със скорост 5 градуса/мин (естествена конвекция). Циклите бяха продължени до откриване на изтичане на дупка чрез намаляване на налягането.

За 1,0 mm дебелина на стената (BWG 18) животът на умора е в диапазона от 2000 до 4000 цикъла. Разрушаването беше при завоите на тръбата и заваръчните зони, в които остатъчните напрежения концентрираха цикличното напрежение. Появиха се течове без видимо изтъняване на стената.

За 1,2 mm стена (BWG 16) животът на умора беше увеличен до 4000-7, 000. 8, 000 цикъла без повреда, но разсейването беше голямо поради различията в полирането на повърхността и остатъчното напрежение.

Издръжливостта на умора беше 8 000 до 15 000 цикъла за 1,65 mm стена (BWG 14). Средният живот е 11 000 цикъла, по-добре от целта от 10 000 цикъла. Освободените от напрежението заварки и гладко полираните тръби го направиха над 15 000 цикъла.

За 2,0 mm стена издръжливостта на умора е по-голяма от 20 000 цикъла и не са открити повреди до 25 000 цикъла по време на тестване. По-дебелата стена се равнява на намалена амплитуда на циклична деформация, тъй като температурният градиент през по-дебела стена е по-нисък за същата скорост на нагряване (коефициентът на термична дифузия е фиксиран, по-голямата стена означава по-малък ΔT на единица дебелина).

Животът на умора за 2,5 mm стена е по-голям от 30 000 цикъла, което значително надвишава изискванията на обикновените офшорни платформи.

Връзката следва степенен закон: цикли до повреда ~ (дебелина на стената)^1,8 до 2,2. Увеличаването на дебелината на стената от 1,0 mm на 2,0 mm води до 3,5-4,5-кратно увеличение на издръжливостта на умора.

Повърхностно покритие и влияние на остатъчното напрежение
Но издръжливостта на умора не зависи единствено от дебелината на стената; състоянието на повърхността и остатъчното напрежение също играят важна роля. Тестовете на тръби с дебелина на стената 1,65 mm с различна степен на полиране на повърхността показват:

Както-изтеглен (финиш на фрезоване, Ra 1,6-2,5 µm) 8 000-11 000 цикъла (медиана 9 500)

Маринован (Ra 0,8-1,2 µm): 9 000-13 000 цикъла (медиана 10 500)

Полиран (Ra.2-4 µm): 11 000-15 000 цикъла (средно 13 000)

Тръбите, обработени с облекчаване на напрежението след-заваряване (540 градуса за 1 час в аргон), имат живот на умора с 20-30% по-дълъг от заварените тръби. Облекчаването на напрежението намалява остатъчните напрежения на опън при заваръчните шевове от 150-200 MPa до по-малко от 50 MPa, премахвайки най-честите места за възникване на пукнатини от умора.

Матрица за приложение на офшорни хидравлични нагревателни тръби
Изискване за термичен цикъл Външен диаметър на тръбата Препоръчителна дебелина на стената Повърхностно покритие Облекчаване на напрежението Прогнозирани цикли до изтичане на дупка-
25 mm 1,2 mm Маринован 5000 цикъла (среден 5 години живот, 2-3 цикъла/ден) Не се изисква 5000 до 8000 цикъла
10 000 цикъла (10-годишен дизайн, 3 цикъла/ден) 25 mm 1,65 mm Полиран Препоръчва се за заварки 11 000-15 000 цикъла
10 000 цикъла (10-годишен дизайн) 25 mm 2,0 mm Мариновано Не е необходимо 15 000-20 000 цикъла
20 000 цикъла (20 години живот) 25 mm 2,0 mm Полиран Изисква се за всички заварки 20 000-25 000 цикъла
20 000 цикъла (живот 20 години) 25 mm 2,5 mm Както е начертано Не се изисква 25 000-30 000 цикъла
Платформа с висока вибрация (добавя механично циклично напрежение) Добавяне на 0,5 mm към горе Необходими полирани Намаляване на очакваните цикли с 20-30%
Препоръки за обслужване от 10 000 цикъла
Проектното изискване за нагряване на огнеустойчива течност 95/5 вода-гликол при 80oC за хидравлични системи на офшорни платформи е 10 000 термични цикъла (около 10 години при 3 цикъла на ден). За титаниева тръба от клас 2, полирана повърхност и заварки с облекчени напрежения, минималната дебелина на стената е 1,65 mm (BWG 14). Като алтернатива, 2,0 мм покритие на стената без облекчаване на напрежението дава еквивалентен или по-добър живот на умора. Препоръчителна спецификация:

Материал: безшевна тръба ASTM B338, титан клас 2

Дебелина на стената: min. 1,65 mm (BWG 14)

Външен диаметър: 25 mm (или колкото е необходимо за дизайна на нагревателя)

Повърхностно покритие: Полиран Ra 0,4 µm макс. (отвътре и отвън)

Заварки (ако има такива): GTAW с пълно проникване с отгряване за освобождаване на напрежението при 540 градуса за 1 час

Тръбни завои: Минимален радиус на огъване 3x OD, завои на дорника за предотвратяване на отслабване на стената

За нови инсталации, където теглото не е проблем, стената от 2,0 mm дава известна допълнителна граница и елиминира изискването за облекчаване на напрежението, което улеснява производството. Ако възникнат течове на точкови дупки на настоящите нагреватели след 5000-7000 цикъла, директна замяна на 1,2 mm или 1,65 mm като-изтеглени тръби са 1,65 mm полирани тръби със заварени шевове, облекчени от напрежението.

За хидравлични системи с повече от 3 цикъла/ден (напр. платформи с бърз цикъл на помпата за контрол на налягането) увеличете съответно дебелината на стената: за 5 цикъла/ден (18 000 цикъла за 10 години) посочете минимум 2,0 mm стена. Изисквайте документация за покритие на повърхността (измерване на Ra) при покупка. Изискване на сертифициране на отгряване за облекчаване на напрежението с времева{10}}температурна диаграма за заварени продукти. С правилната дебелина на стената и състояние на повърхността, титаниевата тръба от клас 2 ще издържи 10 000 термични цикъла без течове в офшорни платформи за хидравличен нагревател.