200 bar の外部圧力で動作する深海石油-ガス分離器では、崩壊を防ぐためにグレード 5 のチタン ヒーター チューブの壁厚はどれくらい必要ですか?

水深 1,500 ～ 2,000 メートルの海底深くに設置された石油とガスの分離器は、150 ～ 200 バール (15 ～ 20 MPa) の外部静水圧にさらされます。これらのセパレータには電気加熱チューブが付いており、水和物の形成やワックスの堆積を避けるためにプロセス温度で稼働する必要があります。これらは、外圧崩壊という特定の故障モードの影響を受けやすくなります。内部圧力破壊は延性破裂につながります。外部圧力崩壊は、材料の降伏強度よりもはるかに低い臨界圧力で突然発生する弾性不安定事象です。優れた強度-対-比と海水中での耐食性により、チタン グレード 5 (Ti-6Al-4V) が深海ヒーターチューブに使用されます。この記事では、圧力容器の規格で必要とされる卵形、肉厚公差、安全率を考慮して、座屈することなく 200 bar の外圧に耐えられるグレード 5 チタン管の最小肉厚を定義しています。

円筒管の崩壊圧力理論
均一な外圧を受ける長い円筒管の場合、臨界外圧 $P_{c}$ は、弾性崩壊の古典的な公式によって決定されます。

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

ここで、E はヤング率 (グレード 5 チタンの場合、20 度で約 110 GPa)、ν はポアソン比 (約 0.34)、t はチューブの壁の厚さ、D_avg は平均直径 (外径から t を引いたもの) です。この式は、完全な円と一定の壁の厚さの仮定に基づいています。実際のチューブの崩壊圧力は、初期の楕円形（真円度から外れている）と壁厚の変化により、理論上の圧力よりも低くなります。--

標準的な製造公差 (直径の 0.5 % 以内の楕円率、壁厚の公差 ±10 %) を持つチューブの実際の崩壊圧力は、理論上の弾性崩壊圧力の約 60 ～ 70 % です。直径と厚さの比 (D/t) が特定の値より小さい場合、崩壊モードは弾性モードから塑性モードに変わり、計算は異なり、接線弾性率理論に基づいています。

グレード 5 チタン - 固有のパラメータ
グレード 5 チタンの降伏強さは室温で 830-900 MPa (焼きなまし状態では最低 825 MPa) で、グレード 2 の 275-345 MPa よりもはるかに大きくなります。この高い強度により、内圧用途での薄肉化が可能になりますが、それに比例して増加する外部崩壊耐性は得られません。崩壊は本質的に弾性率主導のプロセスです。実際、グレード 5 (110 GPa) のヤング率はグレード 2 (105 ～ 110 GPa と同様) よりも若干低いため、特定の形状の崩壊圧力はグレードに関係なくほぼ同じになります。グレード 5 には、崩壊後の挙動に対する降伏強度が高く、外部圧力と熱応力の組み合わせ下でのパフォーマンスが向上するという利点があります。

200 bar サービス用の壁厚
外径 25 mm (D=25 mm)、海底温度 4 ～ 10 度で外圧 200 bar (20 MPa) の一般的なヒーター チューブの場合、必要な壁の厚さは繰り返し計算されます。

P_design=200 bar x 安全係数 (望ましい設計崩壊圧力)。圧力容器コード (ASME BPVC セクション VIII、ディビジョン 2) では、外部圧力による崩壊に対する安全係数 3 が必要です。 P_design=600 bar (60 MPa)。

仮定 D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. 理論上の弾性崩壊: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2.5/22.5)^3=[2.2 * 10^11 / 0.884] * 0.00137 次に、P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Pa=341 bar (34.1 MPa)。楕円率が 65% 低下した後、P_c_actual=341 × 0.65=222 bar (22.2 MPa) < 必要な 600 bar。この D/t だけでは十分ではありません。

tを4.0mmに増やします。 Davg=25 - 4.0=21.0 mm D/t= 6.25. (t/D 平均)=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)。 65% までノックダウンすると、1,720 x 0.65=1,118 bar (112 MPa) となり、600 bar の設計要件を上回ります。

tを3.0mmに増やします。 D 平均=22.0 mm、D/t=8.33. t / D_avg=0.1364、立方体=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 bar (63.2 MPa)。 600 bar 要件未満で 65% 632 x .65=411 bar (41.1 MPa)- までノックダウン。最小の t は 3.0 ～ 4.0 mm の間にあります。

t=3.5 mm について解きます。 D_avg=25 - 3.5=21.5 mm、D/t=7.14. t/D_avg=0.1628、立方体=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa)。ノックダウン: 1.070 x 0.65=695 bar (69.5 MPa) - 600 bar 要件を超えます。

したがって、外径 25 mm のグレード 5 チタン チューブは、ASME の安全係数で 200 bar の外圧での潰れに耐えるには、最低 3.5 mm の壁厚が必要です. 4.0 mm は、楕円形、製造上のばらつき、取り付け時のへこみの可能性に対して余裕を持たせるために推奨されます。

深海ヒーターチューブの厚さの適用マトリックス
動作深さ (m) 外部圧力 (bar) D/t 比 (25 mm OD チューブ)推奨肉厚 (安全係数あり) 最小肉厚 (25 mm OD) 深さ (m) 圧力 (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 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
ディープサービス ヒーターに関するその他の考慮事項-
外圧崩壊のための壁の厚さは、温度ディレーティングを考慮して選択する必要があります。海底温度 4 度では、グレード 5 のヤング率は周囲温度よりも約 5% 大きくなり、崩壊耐性に役立ちます。しかし、ヒーターの作動中、チューブは内側から 100 ～ 150 度まで加熱されますが、外側の海水は 4 度です。温度勾配により圧縮応力が発生し、外部圧力が増加します。この結合荷重は、各設計の有限要素解析に含める必要があります。

チタン グレード 5 は、-0.7 V vs. Ag/AgCl 未満の陰極防食電位下で海水中で水素脆化する可能性があります。深海の構造物は、多くの場合、アルミニウム陽極で陰極的に保護されています。水素吸収（陰極保護構造またはコーティングで被覆された構造の遅延亀裂）は、ヒーターチューブを陰極保護構造またはコーティング保護から電気的に絶縁することによって防止する必要があります。グレード 5 はグレード 2 よりも水素に対する耐性が低くなります。

外圧 200 bar の深海油-ガス分離器の場合、外径 25 mm のチタン製グレード 5 加熱管の最小肉厚は 3.5 mm ですが、製造誤差や設置時の損傷を考慮して 4.0 mm が推奨されます。エンジニアは、厳密な楕円率制限 (直径の最大 . 0.3%) を備えた ASTM B861 グレード 5 チューブ、壁厚均一性の徹底的な X 線検査、および少なくとも 300 bar の外部圧力までの圧力試験を指定する必要があります。チューブ-と-のチューブシートの溶接接合部は、海水中での応力腐食割れを避けるために、完全な溶け込みと応力除去を考慮して設計されなければなりません。深さが 2,500 m を超える場合は、別のチューブ形状 (直径が小さく、内部補強リング) の使用を考慮する必要があります。