Em separadores de gás-de petróleo-de águas profundas operando a 200 bar de pressão externa, qual espessura de parede do tubo aquecedor de titânio grau 5 é necessária para resistir ao colapso?

Os separadores de petróleo e gás, colocados no fundo do oceano, entre 1.500 e 2.000 metros, sofrem pressões hidrostáticas externas de 150 a 200 bar (15 a 20 MPa). Esses separadores possuem tubos de aquecimento elétrico que devem funcionar na temperatura do processo para evitar a formação de hidrato e deposição de cera. Eles são suscetíveis a um modo de falha específico de colapso por pressão externa. A falha de pressão interna leva ao rompimento dúctil. O colapso da pressão externa é um evento de instabilidade elástica que ocorre repentinamente a uma pressão crítica muito inferior à resistência ao escoamento do material. Devido à sua excelente relação resistência-por{14}}peso e à resistência à corrosão em água salgada, o titânio grau 5 (Ti-6Al-4V) é usado para tubos de aquecedores de águas profundas. O artigo define a espessura mínima da parede dos tubos de titânio Grau 5 para resistir a uma pressão externa de 200 bar sem flambagem, levando em consideração a ovalidade, as tolerâncias de espessura da parede e os fatores de segurança exigidos pelos padrões de vasos de pressão.

Teoria da pressão de colapso de tubos cilíndricos
Para um tubo cilíndrico longo sujeito a pressão externa uniforme, a pressão externa crítica, $P_{c}$, é determinada pela fórmula clássica para colapso elástico:

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

onde E é o módulo de Young (cerca de 110 GPa a 20 graus para titânio grau 5), ν é o índice de Poisson (aproximadamente 0,34), t é a espessura da parede do tubo e D_avg é o diâmetro médio (diâmetro externo menos t). A fórmula é baseada na suposição de círculos perfeitos e espessura de parede constante. A pressão de colapso dos tubos reais é menor que a teórica devido à ovalização inicial (fora-da-redondeza) e às mudanças na espessura da parede.

A pressão de colapso prática para um tubo com tolerâncias de fabricação padrão (ovalidade dentro de 0,5% do diâmetro, tolerância de espessura de parede ±10%) é cerca de 60-70% da pressão de colapso elástica teórica. Se a relação entre o diâmetro e a espessura (D/t) for inferior a um determinado valor, o modo de colapso muda de elástico para plástico e o cálculo é diferente e baseado na teoria do módulo tangente.

Parâmetros Específicos de Titânio Grau 5 -
O titânio grau 5 tem um limite de escoamento de 830-900 MPa (mínimo de 825 MPa para condição recozida) à temperatura ambiente, muito maior que os 275-345 MPa do grau 2. Essa alta resistência permite paredes mais finas para aplicações de pressão interna, mas não fornece resistência ao colapso externo proporcionalmente aumentada. O colapso é essencialmente um processo impulsionado pelo módulo elástico. O módulo de Young para o Grau 5 (110 GPa) é na verdade um pouco menor do que para o Grau 2 (semelhante a 105-110 GPa), de modo que a pressão de colapso para uma determinada geometria é aproximadamente a mesma, independentemente do grau. O grau 5 tem a vantagem de maior limite de escoamento para comportamento pós-colapso e melhor desempenho sob pressão externa combinada e tensões térmicas.

Espessura da parede para serviço de 200 bar
Para um tubo de aquecimento típico com um diâmetro externo de 25 mm (D=25 mm) e uma pressão externa de 200 bar (20 MPa) em temperaturas do fundo do mar de 4 a 10 graus, a espessura de parede necessária é calculada iterativamente:

P_design=200 bar x fator de segurança (pressão de colapso de projeto desejada). Os códigos de vasos de pressão (ASME BPVC Seção VIII, Divisão 2) exigem um fator de segurança de 3 para colapso sob pressão externa. P_design=600 barra (60 MPa).

Suposições D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. Colapso elástico teórico: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2,5/22,5)^3=[2,2 * 10^11 / 0,884] * 0,00137 Então P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Pa=341 barra (34,1 MPa). Após queda de 65% na ovalização, P_c_actual=341 × 0.65=222 bar (22,2 MPa) < 600 bar necessários. Este D/t não é suficiente.

Aumente t para 4,0 mm. Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (média 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). Reduzido para 65% resulta em 1.720 x 0.65=1.118 bar (112 MPa), que está acima do requisito de projeto de 600 bar.

Aumente t para 3,0 mm. D média=22.0 mm, D/t=8.33. t / D_avg=0.1364, cubo=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 bar (63,2 MPa). Redução para 65% 632 x .65=411 bar (41,1 MPa)-sob o requisito de 600 bar. O t mínimo está entre 3,0 e 4,0 mm.

Resolva para t=3.5 mm. D_méd=25 - 3.5=21.5 mm, D/t=7.14. t/D_avg=0.1628, cubo=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa). Derrubar: 1,070 x 0.65=695 bar (69,5 MPa) - acima do requisito de 600 bar.

Assim, um tubo de titânio de grau 5 com diâmetro externo de 25 mm precisa de uma espessura de parede mínima de 3,5 mm para resistir ao colapso a uma pressão externa de 200 bar com fatores de segurança ASME. . 4.0 mm é preferível para dar margem extra para ovalização, variações de fabricação e possíveis amassados ​​durante a instalação.

Matriz de aplicação de espessura do tubo do aquecedor de mar profundo
Profundidade de operação (m) Pressão externa (bar) Relação D/t (tubo de 25 mm de diâmetro externo) Espessura de parede recomendada (com fator de segurança) Espessura de parede mínima (25 mm de diâmetro externo) Profundidade (m) Pressão (bar) 500 m 50 bar 10.5 2.2 mm 2,5 mm 1.000 m 100 bar 8.5 2.8 mm 3,0 mm 1.500 m 150 bar 7.5 3.2 mm 3,5 mm 2.000 m 200 barras 7.0 3.5 mm 4,0 mm 2.500 m 250 barras 6.3 4.0 mm 4,5 mm 3.000 m 300 barras 5.8 4.5 mm 5,0 mm
Outras considerações para aquecedores de serviço-profundos
A espessura da parede para colapso por pressão externa deve ser escolhida considerando a redução da temperatura. A temperaturas do fundo do mar de 4 graus, o módulo de Young de Grau 5 é aproximadamente 5% maior do que à temperatura ambiente, o que é útil para a resistência ao colapso. Mas durante a operação do aquecedor, o tubo é aquecido até 100-150 graus por dentro, enquanto a água salgada externa está a 4 graus. O gradiente de temperatura produz tensões de compressão que se somam a uma pressão externa. Este carregamento combinado precisa ser incluído na análise de elementos finitos para cada projeto.

O titânio grau 5 pode estar sujeito à fragilização por hidrogênio na água do mar sob potenciais de proteção catódica abaixo de -0,7 V vs. Ag/AgCl. Estruturas em águas profundas são frequentemente protegidas catodicamente com ânodos de alumínio. A absorção de hidrogénio (fissuração retardada de estruturas protegidas catodicamente ou revestidas com um revestimento) deve ser evitada através do isolamento eléctrico do tubo do aquecedor das estruturas protegidas catodicamente ou da protecção do revestimento. O grau 5 é menos tolerante ao hidrogênio do que o grau 2

Para separadores de gás-de petróleo-de águas profundas com pressão externa de 200 bar, a espessura mínima da parede dos tubos de aquecimento de titânio Grau 5 com diâmetro externo de 25 mm é de 3,5 mm, com preferência para 4,0 mm para permitir erros de fabricação e danos durante a instalação. Os engenheiros devem especificar tubos ASTM B861 Grau 5 com limitações de ovalidade rígidas (máximo. 0.3% do diâmetro), inspeção radiográfica completa para homogeneidade da espessura da parede e testes de pressão para pelo menos 300 bar de pressão externa. As junções soldadas do tubo-ao{14}}tubo devem ser projetadas com penetração total e alívio de tensão para evitar rachaduras por corrosão sob tensão na água do mar. Para profundidades superiores a 2.500 m, deve ser considerada a utilização de geometrias alternativas de tubos (diâmetros mais baixos, anéis de reforço internos).