Kaip titaninio šildymo vamzdžio skersmens-su

Pagrindinis titano šildytuvo dizaino kompromisas, skirtas giliųjų{0}}šulinių panardinimui
Giliųjų{0}}šulinių panardinamieji šildytuvai naudojami geoterminiuose gręžiniuose, giluminio-vandens naftos/dujų separatoriuose ir gręžiniuose šiluminės energijos kaupimo sistemose, kuriose hidrostatinis slėgis yra 50–200 barų 500–2 000 m gylyje. Aplinkinio skysčio išorinis slėgis turi būti palaikomas titano kaitinimo vamzdžio nesugriuvant ir tuo pačiu metu turi būti leidžiamas pakankamas šilumos perdavimas proceso terpei. Išoriniam griuvimo slėgiui sienelės storis keičiamas kaip skersmens -ir -sienos storio (D/t) santykio kubas, priešingai nei slėginiai indai, sukurti vidiniam slėgiui, kai sienelės storis kinta ties skersmeniu. Bet koks nedidelis vamzdžio skersmens padidėjimas arba nedidelis sienelės storio sumažėjimas labai sumažins atsparumą griūtims. Ne absoliutus sienelės storis, o D/t santykis yra esminė geometrinė charakteristika, lemianti konstrukcijos stabilumą veikiant išoriniam hidrostatiniam slėgiui. Šiame darbe apskaičiuojami titano šildymo vamzdžių griovimo slėgio apribojimai, remiantis D/t santykiu, naudojant klasikinę lenkimo teoriją, ir pateikiama atrankos matrica, skirta naudoti giliuose{14}}gręžiniuose, kur reikia suderinti hidrostatinį vientisumą ir šilumines charakteristikas.

Mechaninio vientisumo elastinio sulenkimo režimo efektas
Plonasienis vamzdis, veikiamas išorinio spaudimo, sugenda dėl tamprios sulenkimo (ovaliacijos), kol medžiaga pasiekia takumo ribą. Įprasta Timošenko formulė, P_c=2E/(1-v^2) (t/D)^3, naudojama ilgo vamzdžio kritiniam griūties slėgiui (P_c) apskaičiuoti elastingumo srityje, kur E yra Youngo modulis (105 GPa 2 laipsnio titanui), v yra Puasono koeficientas, t yra sienelės storis, t D yra sienelės storis (0,3). Svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad griūties slėgio skalės yra (t/D)^3. Jei sumažinsite D/t santykį perpus (tarkime nuo 20 iki 10), slėgis sugriuvimu padidės 8. Kita vertus, padvigubinus D/t santykį, atsparumas griūtims sumažėja 8 kartus. Pavyzdžiui, titano vamzdžio, kurio D=20 mm ir t=1.0 mm, D/t ir šiurkštus slėgis {{19} t=1.0 mm. baras. Naudodami tą patį 20 mm vamzdelį su t=1.5 mm, gauname D/t=13.3 ir apie 120 barų susitraukimo slėgį. Didesnio skersmens D=30 mm vamzdis, kurio t=1.5 mm, lemia tik 45 barų D/t=20 ir susitraukimo slėgį, net jei absoliutus sienelės storis yra toks pat kaip ir 20 mm × 1,5 mm vamzdžio. Taigi atsparumą griūtims lemia D/t santykis, o ne tik sienelės storis. Giluminio gręžinio eksploatavimo atveju elastingo stabilumo D/t santykis yra maždaug 8 arba mažesnis esant 200 barų (2000 metrų jūros vandens ekvivalentas). 2 laipsnio titano (E=105 GPa) ir saugos koeficiento 2 nuo sulenkimo atveju D/t turi būti < 7, kai slėgis yra 200 barų.

Poveikis šiluminėms savybėms: šilumos perdavimo bauda esant žemam D/t santykiui
Nuobauda karštyje yra didelė, jei siena stora, palyginti su skersmeniu (mažas D/t santykis). Esant tam tikram išoriniam skersmeniui, D/t yra mažesnis, o siena storesnė. Laidi šiluminė varža per vamzdžio sienelę auga ln(D/(D-2t)). 25 mm OD vamzdžio D/t sumažinimas nuo 20 (t=1.25 mm) iki D/t=10 (t=2.5 mm) du kartus padidina sienelės storį ir padidina elektrinę varžą maždaug 85 %. Norint išlaikyti vienodą apvalkalo paviršiaus temperatūrą (taigi ir atsparumą korozijai bei mastelį), reikia pakelti vidinę laido temperatūrą arba sumažinti galios tankį. Naudojant gilius{19}}gręžinius, kai aplink šulinį esantis skystis gali būti klampus ir (arba) turi mažą šilumos laidumą (pvz., žalia nafta arba geoterminis sūrymas su daug ištirpusių dalelių), išorinė konvekcinė varža dažnai yra dominuojanti. Tačiau storesnė siena reiškia fiksuotą baudą, kuri yra svarbi, kai išorinės plėvelės koeficientas yra didelis (pvz., turbulentinis vandens srautas). Tipiško giluminio gręžinio geoterminio sūrymo, kurio srauto greitis yra 1 m/s (h=2,000 W/m 2 K), D/t santykio sumažėjimas nuo 20 iki 10 padidina bendrą šiluminę varžą maždaug 25 proc., todėl norint užtikrinti tą patį šilumos srautą, reikia 25 proc. aukštesnės vielos temperatūros. Ši aukštesnė vidinė temperatūra sumažina magnio oksido izoliacijos ir vidinės varžos laido tarnavimo laiką. Taigi projektuotojas turi pasirinkti maksimalų D/t santykį (ploniausia praktinė siena), kuris duoda minimalų griūties slėgį montavimo gyliui.

Kompetencijos-sintezė: D/t santykio pasirinkimo matrica, skirta giliųjų-šulinių šildytuvams
Toliau pateiktoje matricoje pateikiamas minimalus reikalingas D/t 2 laipsnio titano šildymo vamzdžiams, skirtiems giliai{1}}šuliniams panardinti, remiantis elastingo lenkimo teorija, kai saugos koeficientas yra 2,0 nuo griūties. Išorinis skersmuo nustatomas pagal šildytuvo galios poreikį ir šulinio korpuso tarpą.

Didžiausias montavimo gylis (m) Hidrostatinis slėgis (baras, panašus gėlo vandens) Minimalus D/t santykis 2 laipsnio Ti (2 saugos faktorius) Pavyzdiniai vamzdžio matmenys (OD x sienelė) D/t susitikimo numatomas griūties slėgisPoveikis šiluminėms savybėms
0–300 m (negilus šulinys, atmosferinis karteris) 0–30 barų Mažesnis arba lygus 28 20 mm × 0,7 mm (D/t=28.6); 25 mm × 0,9 mm (D/t=27.8) 35–40 barų Puikus; plona sienelė sumažina atsparumą karščiui.
300–800 m (vidutinio gylio vandens tiekimo šulinys) 30–80 barų Mažesnis arba lygus 18 20 mm × 1,1 mm (D/t=18.2); 25 mm × 1,4 mm (D/t=17.9) 85–95 barai Geras; vidutinio storio sienelės. Tinka daugeliui geoterminių įrenginių.
800–1500 m (gilus geoterminis arba naftos gręžinys) 80–150 barų 12 20 mm × 1,7 mm (D/t=11.8); 25 mm × 2,1 mm (D/t=11.9) 160 – 180 bar Vidutinis; storesnė sienelė sumažina šilumos perdavimą 15–20 %, palyginti su D/t=20 konstrukcija. Gali prireikti{17}}galios sumažinimo.
1 500–2 500 m (ypač gilus gręžinys) 150–250 barų Mažesnis arba lygus 8 20 mm × 2,5 mm (D/t=8.0); 25 mm × 3,1 mm (D/t=8.1) > 250 barų Prastas; stora siena labai slopina šilumos perdavimą (30-40 % bauda). Pagalvokite apie alternatyvų šildytuvo išdėstymą (pvz., slėgio -subalansuotame korpuse). 2,500 m (ekstremalus gylis, netinka tiesioginiam nardymui) > 250 barų 2 laipsnio Ti negalima Nepraktiškas D/t santykis; net 20 mm × 3,5 mm (D/t=5.7) - Titano šildytuvo vamzdis negali būti tiesiogiai panardinamas. - griūva žemiau 300 barų dėl perėjimo nuo leistinos ribos Perjunkite į kitą šildymo būdą arba naudokite subalansuotą slėgį korpusą.
Inžinerija iš vamzdžio: palaikykite tarpų ir ovalumo toleranciją
Numatomas griūties slėgis, apskaičiuotas pagal D/t santykį, yra visiškai apskritas vamzdis be išorinių atramų ir vienodo sienelės storio. Praktiškai žlugimo slėgį labai sumažina pradinis ovalumas (nukrypimas nuo visiško apskritimo). Titano vamzdžio, kurio ovalumas yra 0,5 % (ty . 0.1 mm nuokrypis nuo 20 mm skersmens), suspaudimo slėgis sumažėja maždaug 30 %, palyginti su tobulu vamzdžiu. Turėtų būti reikalaujama, kad gamintojai patvirtintų, kad ovalumas yra mažesnis nei 0,3 % atliekant giluminio-gręžinio priežiūrą. Atraminių žiedų arba tarpiklių įdėjimas reguliariais intervalais per visą vamzdžio ilgį pakeičia gedimo režimą iš ilgo{11}}vamzdžio įlinkimo į trumpo Esant konkrečiam D/t santykiui, efektyvusis susitraukimo slėgis padidėja iki ribinės vertės -uždedant atraminius žiedus kas 10 kartų OD: P_yžield=2 × σ_yield × (t/D), kur σ_yžiedas=275 MPa, kai laipsnis yra 2}}}} (vamzdžiui {{{2) esant 20 mm OD) taką ribojantis griūties slėgis yra 27,5 baro, o nepalaikomas lenkimo slėgis yra 45 bar -išlinkimas yra kriterijus. lenkimas yra kontroliuojamas atramų 5xOD atstumu, o griūties slėgis padidėja iki 27,5 baro takumo ribos, o tai yra mažesnis nei nepalaikomas lenkimo slėgis. Todėl atramos yra naudingos tik tada, kai išeigos riba yra didesnė už lenkimo ribą. Giliojo-gręžinio aukšto slėgio (D/t < 12) takumo riba (2σ išeiga xt/D) yra didesnė nei lenkimo riba; todėl parama nepadeda. Tai tik mažesnis D/t santykis (storesnė sienelė arba mažesnis skersmuo), kuris užtikrina saugumą.

Išvada: D/t santykis kaip pagrindinis atsparumo žlugimui kintamasis
Titano šildymo vamzdžio, esančio giliai{0}}šulinio panardinamojo šildytuvo sąrankoje, griūties slėgis yra susijęs su skersmens -ir -sienos storio santykiu (D/t) kaip kubinė funkcija: P_c ∝ (t/D)³. 25 mm OD vamzdis su 2,0 mm sienele (D/t=12.5) atsparus griūtims iki maždaug 150 barų, o 20 mm OD vamzdis su tokia pačia 2,0 mm sienele (D/t=10) atsparus maždaug 290 barų -mažesnio skersmens atsparumas griūtims yra beveik dvigubai didesnis. Vamzdžio skersmuo turi būti nurodytas griūties skaičiavimams. Sienelės storis be nurodyto vamzdžio skersmens yra beprasmis. Norint atlikti giluminio{17}}gręžinio aptarnavimą esant 150 barų (1 500 metrų), reikalingas 2 laipsnio titanas, kurio D/t santykis yra mažesnis arba lygus 12, arba 20 mm × 1,7 mm arba 25 mm × 2,1 mm. Gedimo mechanizmas su tokiu pat absoliučiu sienelės storiu, bet plonesnėmis sienelėmis arba didesniu skersmeniu yra elastingas sulinkimas. Panardinamajam titano šildytuvui inžinierius pirmiausia turi apskaičiuoti didžiausią hidrostatinį slėgį įrengimo gylyje, o tada apskaičiuoti reikiamą D/t santykį, naudodamas elastingo lenkimo formulę, kurios saugos koeficientas yra 2,0. Absoliutūs matmenys turėtų būti nustatomi tik atsižvelgiant į galios poreikį ir šulinio korpuso prošvaisą. Jei > 2500 m, nerekomenduojama tiesiogiai panardinti titano šildymo vamzdžio, neatsižvelgiant į sienelės storį. Reikėtų ieškoti alternatyvių variantų, tokių kaip subalansuoto slėgio korpusai arba paviršiuje montuojami šilumokaičiai.