Асаблівасці эксплуатацыі ў вакууме для двухфазных сталёвых труб вялікага дыяметра: таўшчыня сценкі і ціск звароту

Калі сістэма трубаправода праектуецца на ўнутраны ціск, яе разбурэнне мае драматычны характар — разрыв. Калі ж яна праектуецца на знешні ціск або поўны вакуум, разбурэнне часта бывае маўклівым і раптоўным — змяншэннем . Гэтая розніца мае вырашальнае значэнне пры вызначэнні двухфазных нержавеючых сталёвых труб вялікага дыяметра для вакуумнай эксплуатацыі, напрыклад, у вакуумна-ізалюваных трубаправодах для крыйягенічнага ВПГ, падводных прыкладаннях або кандэнсатарных сістэмах.

Наадварот праектаванню на ўнутраны ціск, якое заснавана на межы працягвальнасці, праектаванне на вакуум кіруецца пружнай устойлівасцю труба павінна супраціўляцца згінанню пад уздзеяннем атмасфернага ціску (прыкладна 14,7 psi або 0,1 МПа), які дзейнічае звонку. Для труб з дуплекснай сталі вялікага дыяметра і тонкай сценкі гэта нелінейная задача, якую шматлікія стандартныя коды ціску B31 вырашаюць кансерватыўна — але не заўсёды дакладна.

У гэтай артыкуле разглядаюцца ключавыя зменныя, якія забяспечваюць, каб ваша дуплексная труба вытрымлівала вакуумныя ўмовы без катастрафічнага згінання сценкі.

Фізіка калапсу: гэта не звычайны разлік ціску.

Пры ўнутраным ціску формула Барлоў (P = 2St/D) вызначае напружанне ў сценцы трубы. Пры знешнім ціску рэжым разбурэння іншы. Труба вядзе сябе як стужка пры сцісканні, але ў цыліндрычнай форме. Крытычны ціск калапсу (Pc) для доўгай, непадмацаванай цыліндрычнай трубы пры пругкім згінанні вызначаецца наступнай формулай:

$$P_c=\frac{2E}{(1-{\nu }^2)}{\left(\frac{t}{D_o}\right)}^3$$

Дзе:

• E = Модуль пругкасці (модуль Юнга)

• ν = Каэфіцыент Пуасона

• t = Таўшчыня сценкі

• D_o = Знешні дыяметр

Звярніце ўвагу на крытычную зменную: (t/D_o)³ . Гэта кубічная функцыя. Калі вы падвоіце дыяметр пры нязменнай таўшчыні сценкі, ціск разрушэння панізіцца ў восем разоў. Таму трубы вялікага дыяметра экспаненцыяльна больш падазроны да разрушэння пад вакуумам у параўнанні з трубамі малога дыяметра .

Асаблівасці дуплексных матэрыялаў

Для дуплексных (22 % Cr) і супердуплексных (25 % Cr) матэрыялаў модуль пругкасці (E) складае прыкладна 200 ГПа — гэта падобна да аўстэнітных нержавеючых сталёў, такіх як 316L. Аднак больш высокая межа плистикасці дуплексных матэрыялаў непасрэдна не спрыяе прадухіленню эластычны прабівання.

Вось нюанс:

• Пружнае падвыганне: Калі разліковы стрэс разрушэння ніжэй за межу працягласці, адбываецца чыста пружнае разрушэнне. Дуплекс не дае перавагі ў гэтым выпадку: модуль ёсць такі ж, як у сталі 316L.

• Няпружнае (пластычнае) падвыганне: Калі канфігурацыя элемента мае шчыльную форму (нізкі стасунак D/t), стрэс у момант разрушэння можа перавышаць межу працягласці. Тут вышэйшая межа працягласці дуплексу (65–70 ksi супраць 35 ksi у сталі 316L) забяспечвае відавочную перавагу, дазваляючы выкарыстоўваць тоншыя сценкі да пачатку пластычнай дэфармацыі. .

Таму дуплекс найбольш эфектыўны ў вакуумных умовах пры памяркоўных стасунках D/t (звычайна < 40), што дазваляе выкарыстоўваць яго міцнасць для супраціву пластычнаму разрушэнню.

Выклік двухсценнай трубы

У крыйегенных і LNG-сістэмах часта выкарыстоўваюцца двухсценныя вакуумна-ізаляваныя трубы. Яны складаюцца з унутранай трубы (па якой рухаецца крыйегенная вадкасць) і знешняй трубы (вакуумная абалонка). .

Унутраная труба спраектаваны для ўнутранага ціску (разрыву) і тэрмічнага змяншэння. Аднак падчас адкачвання або пры пратоку ўнутранай трубкі кальцавая прастора эвакуіруецца. У гэтым выпадку ўнутраная трубка павінна вытрымліваць зусім унутраны ціск атмасферы, адначасова знаходзячыся пры крыягенных тэмпературах.

Знешняя трубка пастаянна падвяргаецца ўздзеянню знешняга ціску (атмасфернага) і павінна супраціўляцца спадзенне без парушэння вакууму.

У даследаванні 2024 года па аналізе напружанняў у вакуумна-ізаляваных двухстэнных трубах для транспартавання ВПГ была прааналізавана ўзаемадзеянне паміж дыяметрамі і таўшчынямі сценак унутранай і знешняй трубак. У даследаванні было зроблена выснова, што аптымальнае спалучэнне дыяметраў і таўшчынь не з’яўляецца простай функцыяй адмысловай міцнасці кожнай з трубак, а залежыць ад узаемадзеяння двух трубак пры сумесным нагрузкаванні — у тым ліку ад падпор (або іх адсутнасці) з боку раздзяляльных кольцаў і тэрмічных градыентаў .

Нарматыўныя дакументы і іх абмежаванні

Большасць вакуумных трубаправодаў уваходзіць у межы дзеяння ASME B31.3 (Тэхналагічныя трубаправоды) або B31.5 (Халадзільныя трубаправоды) .

• ASME B31.3, падраздзел 304.1.3 устанаўлівае правілы для прамых труб пры знешнім ціску. У ім згадваецца раздзел VIII Кодэкса котлаў і ёмістасцей пад ціскам (UG-28) для вызначэння таўшчыні сценкі.

• Метад UG-28 выкарыстоўвае дыяграмы для вызначэння дазволенага знешняга ціску на аснове суадносін D/t і даўжыні. Аднак гэтыя дыяграмы заснаваны на ўласцівасцях вугляродзістай сталі і патрабуюць карэкціроўкі ўліку ніжшага модуля ўстойлівасці нержавеючай сталі пры высокіх тэмпературах.

Для дуплекснай сталі пры крыягенных тэмпературах модуль у рэчаіснасці збяльшае лёгка павялічваецца. Гэта спрыяльная ўмова, але стандартныя дыяграмы UG-28 магуць не адлюстроўваць яе з дастатковай дакладнасцю. Для крытычных трубаправодаў вялікага дыяметра часта патрабуецца правесці канцавы элементны аналіз (FEA), каб пазбегнуць надмернай консерватыўнасці, якая прывяла б да неабходнасці ў выкарыстанні занадта вялікай таўшчыні сценкі.

Таўшчыня сценкі: Вызначальны фактар

Пры вызначэнні таўшчыні сценкі для двухфазных труб вялікага дыяметра пры вакууме стандартныя шэматы труб (Sch 10S, Sch 40S) часта непрыдатныя для дыяметраў больш за 12" NPS.

Разгледзім двухфазную трубу дыяметрам 24" (DN 600):

• Sch 10s (прыблізна 6,35 мм таўшчыні сценкі) мае адносіну D/t прыблізна 96. Такая труба зруйнуецца пры поўным вакууме амаль адразу без устаноўкі кальцавых падмацаванняў.

• Sch 40S (прыблізна 15,09 мм таўшчыні сценкі) мае адносіну D/t прыблізна 40. Гэта маргінальнае значэнне. Дапушчальны зовнешні ціск па стандарту ASME можа быць крыху вышэй або ніжэй 15 psi у залежнасці ад даўжыні труб і ступені адхілення ад кругласці.

• Індывідуальны варыянт з павялічанай таўшчынёй сценкі (20–25 мм) часта патрабуецца для забеспячэння каэфіцыента бяспекі супраць падзення.

Рашэнне часта заключаецца не ў павелічэнні таўшчыні сценкі, а ў кальцавых падмацаваннях (падмацаваннях). Змяншаючы непадтрыманую даўжыню (L) трубы, можна выкарыстоўваць двухфазную трубу з тонкай сценкай і ўсё ж забяспечваць яе стойкасць да зрушвання. Гэта ключавы эканамічны факт, бо двухфазныя трубы вялікага дыяметра з павялічанай таўшчынёй сценкі коштавыя і маюць доўгі тэрмін выканання замовы. .

Авалісць: схаваная зменная

Ёсць адзін фактар, які тэарэтычныя разлікі часта прапускаюць, але які практычны вопыт паказвае, што ён крытычны: Авалісць труб (адхіленне ад кругласці)  .

ASME Раздзел VIII UG-80 абмяжоўвае авалісць, але ў трубах з дуплекснай сталі вялікага дыяметра і тонкай сценкі толеранцыі вытворчасці і аперацыі з імі могуць прывесці да значнай авалісці. Авалічная труба пад уздзеяннем знешняга ціску мае рэзка зніжаны ціск калапсу ў параўнанні з ідэальным цыліндрам.

Труба працуе як арка; як толькі пачынаецца дэфармацыя, яна хутка губляе жорсткасць. Для эксплуатацыі ў вакууме тэхнічныя ўмовы закупкі павінны ўключаць строгую талерантнасць па авалісці, якая часта больш сціплая, чым дазваляе стандарт ASTM A790. .

Практычныя рэкамендацыі

Для інжынераў, якія вызначаюць параметры дуплексных труб вялікага дыяметра для поўнага вакууму або эксплуатацыі пад уздзеяннем знешняга ціску:

1. Разлічвайце, не здогадвайцеся: Не лічыце, што труба стандартнага графіка будзе ўстойлівай у вакууме. Выконвайце разлікі на ўстойлівасць да знешняга ціску ў адпаведнасці з ASME Раздзел VIII, частка 1 (UG-28) або праводзьце лінейны FEA-разлік устойлівасці.

2. Улічвайце ўмацавальнікі: Для дыяметраў больш за 16" (DN 400) умацоўваючыя кальцы часта з'яўляюцца больш эканамічным рашэннем, чым пераход да вельмі таўстай сценкі.

3. Прызначце межы авалісці: У вашым заказе на закупку двухфазных труб на завод уключыце заўвагу: «Трубы прызначаны для эксплуатацыі ў вакуумных умовах. Авалісць павінна быць падтрымана ў межах максімум 1% пасля вырабу і эксплуатацыі».

4. Уплыў маркі матэрыялу: Пры памяркоўных суадносінах D/t двухфазная сталь (2205) або супердваухфазная сталь (2507) дазваляюць выкарыстоўваць больш тонкія сценкі, чым сталь 316L, дзякуючы яе здольнасці супраціўляцца непружнаму (пластычнаму) падзення. Пры вельмі высокіх суадносінах D/t (выключна пружнае падзення) двухфазная сталь не мае перавагі над сталямі 304/316. .

5. Каэфіцыент зваркі: Для прадоўжных зварных труб (ASTM A928) эфектыўнасць зварнога злучэння і ўзмацненне зварнага шва могуць выконваць функцыю ўмацавання. Аднак зона, уплыву цяпла (HAZ), можа мець іншыя механічныя ўласцівасці. Пераканайцеся, што ў вашых разліках калапсу выкарыстоўваецца мінімальная указаная мяжа пластычнасці, або ўлічваецца каэфіцыент зніжэння міцнасці зварнога злучэння, калі труба будзе падлягаць адпалу або падвяргнецца ўздзеянню высокіх тэмператур .

Вывад

Служба вакууму — гэта патрабавальнае прымяненне, якое правяркае геаметрычную стабільнасць дуплексных труб вялікага дыяметра. Хоць дуплексныя матэрыялы маюць выдатную міцнасць і каразійную стойкасць, ціск звароту вызначаецца жорсткасцю цыліндрычнай абалонкі (мадуль і геаметрыя), а не толькі міцнасцю матэрыялу.

Для паспяховага праектавання звярніце ўвагу на Адносіну D/t , строга кантралюйце оваласць і ўлічвайце ўвесь сістэмны падыход — у тым ліку тое, ці больш выгадна ўжываць умацоўваючыя кальцы ці перайсці да канфігурацыі з падвойнымі сценкамі з пагляду эканамічнасці праекта. Дотрымліваючы закон куба адносіны дыяметра да таўшчыні сценкі, вы забяспечыце тое, што ваша дуплексная труба застанецца круглай і працаздольнай пры непасрэдным ціску атмасферы.