گہرے-سمندر کے تیل میں-200 بار کے بیرونی دباؤ پر کام کرنے والے گیس سیپریٹرز، ٹائٹینیم گریڈ 5 ہیٹر ٹیوب کی دیوار کی موٹائی کو گرنے سے روکنے کے لیے کیا ضرورت ہے؟

تیل اور گیس کے الگ کرنے والے، جو سمندر کے فرش پر 1,500 اور 2,000 میٹر کے درمیان گہرائی میں رکھے گئے ہیں، 150 سے 200 بار (15 سے 20 MPa) کے بیرونی ہائیڈرو سٹیٹک دباؤ کا شکار ہوتے ہیں۔ ان الگ کرنے والوں میں الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبیں ہوتی ہیں جن کو عمل کے درجہ حرارت پر چلنا پڑتا ہے تاکہ ہائیڈریٹ بننے اور موم کے جمع ہونے سے بچا جا سکے۔ وہ بیرونی دباؤ کے خاتمے کے ایک خاص ناکامی کے موڈ کے لیے حساس ہوتے ہیں۔ اندرونی دباؤ کی ناکامی ڈکٹائل پھٹنے کا باعث بنتی ہے۔ بیرونی دباؤ کا خاتمہ ایک لچکدار عدم استحکام کا واقعہ ہے جو مواد کی پیداواری طاقت سے بہت کم شدید دباؤ پر اچانک واقع ہوتا ہے۔ اس کی بہترین طاقت-سے-وزن کے تناسب اور کھارے پانی میں سنکنرن کی مزاحمت کی وجہ سے، ٹائٹینیم گریڈ 5 (Ti-6Al-4V) گہرے سمندر کے ہیٹر ٹیوبوں کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ آرٹیکل گریڈ 5 ٹائٹینیم ٹیوبوں کی کم از کم دیوار کی موٹائی کی وضاحت کرتا ہے تاکہ بغیر کسی جھکائے 200 بار کے بیرونی دباؤ کا مقابلہ کیا جا سکے، جس میں بیضوی پن، دیوار کی موٹائی کی رواداری اور پریشر برتن کے معیارات کے لیے درکار حفاظتی عوامل کو مدنظر رکھا گیا ہے۔

بیلناکار ٹیوبوں کے دباؤ کی تھیوری کو ختم کریں۔
یکساں بیرونی دباؤ کے تابع ہونے والی لمبی بیلناکار ٹیوب کے لیے، اہم بیرونی دباؤ، $P_{c}$، لچکدار ٹوٹنے کے کلاسیکی فارمولے سے طے ہوتا ہے:

پی سی=2E 1-v2 t/Davg( )3

جہاں E ینگ ماڈیولس ہے (گریڈ 5 ٹائٹینیم کے لیے 20 ڈگری پر تقریباً 110 GPa)، ν پوسن کا تناسب ہے (تقریباً 0.34)، t ٹیوب کی دیوار کی موٹائی ہے اور D_avg اوسط قطر ہے (ختم قطر مائنس t)۔ فارمولہ کامل حلقوں اور دیوار کی مستقل موٹائی کے مفروضے پر مبنی ہے۔ اصلی ٹیوبوں کا گرنے کا دباؤ نظریاتی سے کم ہے کیونکہ ابتدائی بیضوی (-گول پن سے-باہر) اور دیوار کی موٹائی میں تبدیلیاں۔

معیاری مینوفیکچرنگ رواداری کے ساتھ ٹیوب کے لیے عملی ٹوٹنے کا دباؤ (قطر کے 0.5% کے اندر اوولٹی، دیوار کی موٹائی رواداری ±10%) نظریاتی لچکدار ٹوٹنے کے دباؤ کا تقریباً 60-70% ہے۔ اگر قطر اور موٹائی کا تناسب (D/t) کسی خاص قدر سے کم ہے تو کولپس موڈ لچکدار سے پلاسٹک میں بدل جاتا ہے اور حساب مختلف ہے اور ٹینجنٹ ماڈیولس تھیوری پر مبنی ہے۔

گریڈ 5 ٹائٹینیم - مخصوص پیرامیٹرز
گریڈ 5 ٹائٹینیم کی پیداواری طاقت کمرے کے درجہ حرارت پر 830-900 MPa (کم از کم 825 MPa) ہے، جو کہ گریڈ 2 کے 275-345 MPa سے بہت زیادہ ہے۔ یہ اعلیٰ طاقت اندرونی دباؤ کی ایپلی کیشنز کے لیے پتلی دیواروں کی اجازت دیتی ہے، لیکن بیرونی دباؤ کو بڑھاتی ہے۔ گرنا بنیادی طور پر ایک لچکدار ماڈیولس سے چلنے والا عمل ہے۔ گریڈ 5 (110 GPa) کے لیے ینگ کا ماڈیولس درحقیقت گریڈ 2 (105-110 GPa-مماثل) کے مقابلے میں کچھ کم ہے تاکہ دی گئی جیومیٹری کے لیے گرنے کا دباؤ گریڈ سے قطع نظر تقریباً ایک جیسا ہو۔ گریڈ 5 میں گرنے کے بعد کے رویے اور مشترکہ بیرونی دباؤ اور تھرمل دباؤ کے تحت بہتر کارکردگی کے لیے زیادہ پیداوار کی طاقت کا فائدہ ہے۔

200 بار سروس کے لیے دیوار کی موٹائی
ایک عام ہیٹر ٹیوب کے لیے جس کا بیرونی قطر 25 ملی میٹر (D=25 ملی میٹر) اور 200 بار (20 MPa) کا بیرونی دباؤ سمندری فرش کے درجہ حرارت پر 4-10 ڈگری پر ہوتا ہے، دیوار کی ضرورت کی موٹائی کا بار بار حساب کیا جاتا ہے:

P_design=200 بار ایکس حفاظتی عنصر (مطلوبہ ڈیزائن کے خاتمے کا دباؤ)۔ پریشر ویسل کوڈز (ASME BPVC سیکشن VIII، ڈویژن 2) بیرونی دباؤ میں گرنے کے لیے 3 کے حفاظتی عنصر کی ضرورت ہوتی ہے۔ P_design=600 بار (60 MPa)۔

مفروضے D=25mm, t=2.5mm, Davg=22.5mm, D/t=10.0. نظریاتی لچکدار ٹوٹنا: P_c=[2 * 110 * 10^9 / (1 - 0.34^2)] * (2.5/22.5) * (2.5/22.5) [^1} ^ 12} ^{1}} 0.884] * 0.00137 پھر P_c=2.49×10¹¹ × 0.00137=3.41×10⁸ Pa=341 بار (34.1 MPa)۔ اوولٹی 65% گرنے کے بعد، P_c_actual=341 × 0.65=222 بار (22.2 MPa) < ضروری 600 بار۔ یہ D/t کافی نہیں ہے۔

ٹی کو 4.0 ملی میٹر تک بڑھائیں۔ ڈیوگ=25 - 4.0=21.0 ملی میٹر D/t= 6.25. (t/D اوسط)=4.0/21.0=0.1905. (0.1905)^3=0.00691. P_c=2.49x10^11 x 0.00691=1.72x10^9 Pa=1720 بار (172 MPa)۔ 65% تک گرنے سے 1,720 x 0.65=1,118 بار (112 MPa) ملتا ہے جو کہ 600 بار ڈیزائن کی ضرورت سے زیادہ ہے۔

ٹی کو 3.0 ملی میٹر تک بڑھائیں۔ D اوسط=22.0 ملی میٹر، D/t=8.33. t / D_avg=0.1364، کیوب=0.00254. P_c=2.49×10¹¹ × 0.00254=6.32×10⁸ Pa=632 بار (63.2 MPa)۔ 600 بار کی ضرورت کے تحت 65% 632 x .65=411 بار (41.1 MPa)-تک ناک ڈاؤن۔ کم سے کم ٹی 3.0 اور 4.0 ملی میٹر کے درمیان ہے۔

t=3.5 ملی میٹر کے لیے حل کریں۔ D_avg=25 - 3.5=21.5 ملی میٹر، D/t=7.14. t/D_avg=0.1628، مکعب=0.00431. P_c=2.49E11 * 0.00431=1.07E9 Pa=1,070 bar (107 MPa)۔ دستک: 1.070 x 0.65=695 بار (69.5 MPa) - 600 بار کی ضرورت سے زیادہ۔

اس طرح 25 ملی میٹر OD گریڈ 5 ٹائٹینیم ٹیوب کو 200 بار بیرونی دباؤ پر ASME حفاظتی عوامل کے ساتھ گرنے کا مقابلہ کرنے کے لیے کم از کم دیوار کی موٹائی 3.5 ملی میٹر کی ضرورت ہے

ڈیپ سی ہیٹر ٹیوب کی موٹائی ایپلی کیشن میٹرکس
آپریٹنگ گہرائی (m) بیرونی دباؤ (بار) D/t تناسب (25mm OD ٹیوب) تجویز کردہ دیوار کی موٹائی (حفاظتی عنصر کے ساتھ) کم از کم دیوار کی موٹائی (25 ملی میٹر OD) گہرائی (m) پریشر (بار) 500 میٹر 50 بار 10.5 2.2 ملی میٹر 2,00} بار 10.5 2.2 ملی میٹر {10} بار{10} ملی میٹر 3.0 ملی میٹر 1,500 میٹر 150 بار 7.5 3.2 ملی میٹر 3.5 ملی میٹر 2,000 میٹر 200 بار 7.0 3.5 ملی میٹر 4.0 ملی میٹر 2,500 میٹر 250 بار 6.3 4.0 ملی میٹر 4.5 ملی میٹر 3,000 ملی میٹر {300} بار 7.0 3.5
ڈیپ-سروس ہیٹر کے لیے دیگر تحفظات
بیرونی دباؤ کے خاتمے کے لیے دیوار کی موٹائی کا انتخاب درجہ حرارت کو کم کرنے پر غور کرنا ہوگا۔ 4 ڈگری کے سمندری فرش کے درجہ حرارت پر، گریڈ 5 کا ینگز ماڈیولس محیطی درجہ حرارت کے مقابلے میں تقریباً 5% زیادہ ہوتا ہے، جو گرنے کی مزاحمت کے لیے مددگار ہے۔ لیکن ہیٹر کے آپریشن کے دوران ٹیوب کو اندر سے 100-150 ڈگری تک گرم کیا جاتا ہے جبکہ باہر کا کھارا پانی 4 ڈگری پر ہوتا ہے۔ درجہ حرارت کا میلان کمپریسیو دباؤ پیدا کرتا ہے جو بیرونی دباؤ میں اضافہ کرتا ہے۔ اس مشترکہ لوڈنگ کو ہر ڈیزائن کے لیے محدود عنصر کے تجزیہ میں شامل کرنے کی ضرورت ہے۔

ٹائٹینیم گریڈ 5 کیتھوڈک تحفظ پوٹینشل کے تحت سمندری پانی میں ہائیڈروجن کی خرابی کا شکار ہو سکتا ہے -0.7 V بمقابلہ Ag/AgCl۔ گہرے سمندر کے ڈھانچے کو اکثر ایلومینیم اینوڈس کے ساتھ کیتھوڈک طریقے سے محفوظ کیا جاتا ہے۔ ہائیڈروجن جذب (کیتھوڈک طور پر محفوظ ڈھانچے کی تاخیر سے کریکنگ یا کوٹنگ کے ساتھ لیپت) کو ہیٹر ٹیوب کو کیتھوڈیکل طور پر محفوظ ڈھانچے یا کوٹنگ کے تحفظ سے برقی تنہائی کے ذریعے روکنا چاہئے۔ گریڈ 5 گریڈ 2 کے مقابلے میں ہائیڈروجن کو کم برداشت کرتا ہے۔

200 بار کے بیرونی دباؤ پر گہرے-سمندر کے تیل-گیس سیپریٹرز کے لیے، 25 ملی میٹر بیرونی قطر کے ٹائٹینیم گریڈ 5 ہیٹنگ ٹیوبوں کی کم از کم دیوار کی موٹائی 3.5 ملی میٹر ہے، جس میں 4.0 ملی میٹر کو ترجیح دی جاتی ہے تاکہ تنصیب کے دوران مینوفیکچرنگ کی غلطیوں اور نقصان کو ممکن بنایا جا سکے۔ انجینئرز کو سخت بیضوی حدود (زیادہ سے زیادہ. 0.3% قطر) کے ساتھ ASTM B861 گریڈ 5 کی نلیاں، دیوار کی موٹائی کی یکسانیت کے لیے مکمل ریڈیوگرافک معائنہ اور کم از کم 300 بار کے بیرونی دباؤ پر دباؤ کی جانچ کرنا ہوگی۔ ویلڈڈ ٹیوب-سے-ٹیوب شیٹ کے جنکشن کو مکمل دخول اور تناؤ سے نجات کے ساتھ ڈیزائن کیا جائے گا تاکہ سمندری پانی میں تناؤ کے سنکنرن کے ٹوٹنے سے بچا جا سکے۔ 2,500 میٹر سے زیادہ گہرائی کے لیے متبادل ٹیوب جیومیٹریز (کم قطر، اندرونی سختی والے حلقے) کے استعمال کو مدنظر رکھنا ہوگا۔