Kaip titaninio šildymo vamzdžio skersmens-su

Pagrindinis{0}}titano šildytuvo dizaino nuolaida giluminio{1}}gręžinio paslaugoms

Giliųjų{0}}gręžinių panardinamieji šildytuvai naudojami geoterminiuose gręžiniuose, giluminio-vandens naftos/dujų separatoriuose ir gręžiniuose šiluminės energijos kaupimo sistemose, kuriose hidrostatinis slėgis siekia 50–200 barų 500–2 000 metrų gylyje. Titano šildymo vamzdis turi atlaikyti išorinį aplinkinio skysčio slėgį nesugriūti, tuo pat metu išlaikant tinkamą šilumos perdavimą proceso terpei. Skirtingai nuo slėginių indų, skirtų vidiniam slėgiui, kai sienelės storis kinta tiesiškai atsižvelgiant į skersmenį, išorinis griuvimo slėgis priklauso nuo skersmens -ir -sienos storio (D/t) santykio. Nedidelis vamzdžio skersmens padidėjimas arba nedidelis sienelės storio sumažėjimas drastiškai sumažina atsparumą griūtims. D/t santykis -o ne absoliutus sienelės storis-yra pagrindinis geometrinis parametras, valdantis konstrukcijos stabilumą esant išorinei hidrostatinei apkrovai. Ši analizė nustato titano šildymo vamzdžių susitraukimo slėgio ribas pagal D/t santykį, taikant klasikinę lenkimo teoriją, ir pateikia atrankos matricą, skirtą naudoti giliuose{16}}gręžiniuose, kur turi būti optimizuotas ir hidrostatinis vientisumas, ir šiluminis efektyvumas.

Poveikis mechaniniam vientisumui: elastinio sulenkimo režimas

Plonasienis vamzdis, esantis išoriniam slėgiui, sugenda dėl elastingo sulenkimo (ovaliavimo), kol medžiaga pasiekia takumo ribą. Ilgo vamzdžio kritinis susitraukimo slėgis (P_c) elastingame režime apskaičiuojamas pagal klasikinę Timošenko formulę: P_c=[2E / (1 - ν²)] × (t/D)³, kur E yra Youngo modulis (105 GPa 2 laipsnio titanui), ν yra D yra Puasono sienelės storis, 4 skersmens. Svarbus pastebėjimas yra tas, kad kolapso slėgio skalė yra (t/D)³. Sumažinus D/t santykį perpus (pvz., nuo 20 iki 10), griūties slėgis padidėja 8 kartus. Ir atvirkščiai, padvigubėjus D/t santykiui, atsparumas griūtims sumažėja 8 kartus. Pavyzdžiui, titano vamzdžio, kurio D=20 mm ir t=1.0 mm, D/t=20 apytikslis elastinis slėgis yra 4 barai, Tas pats 20 mm vamzdis, kurio t=1.5 mm, suteikia D/t=13.3 ir griūties slėgį maždaug 120 barų. Didesnio skersmens D=30 mm vamzdis, kurio t=1.5 mm, duoda D/t=20 ir tik 45 barų susitraukimo slėgį, nepaisant to, kad jo absoliutus sienelės storis yra toks pat kaip 20 mm × 1,5 mm vamzdžio. Taigi ne vien sienelės storis, o D/t santykis lemia atsparumą griūtims. Naudojant giluminį{36}}gręžinį esant 200 barų (2 000 metrų jūros vandens ekvivalento), reikalingas elastingo stabilumo D/t santykis yra maždaug 8 arba mažesnis. 2 laipsnio titanui, kurio E=105 GPa ir saugos koeficientas 2, kad nesulinktų, D/t turi būti mažesnis arba lygus 7, kad būtų pasiektas 200 barų susitraukimo slėgis.

Poveikis šiluminėms savybėms: šilumos perdavimo bauda esant žemam D/t santykiui

Mažas D/t santykis (storos sienelės, palyginti su skersmeniu) sukelia didelę šiluminę nuobaudą. Esant fiksuotam išoriniam skersmeniui, mažėjantis D/t reiškia didėjantį sienelės storį. Laidi šiluminė varža per vamzdžio sienelę didėja proporcingai ln(D/(D-2t)). 25 mm OD vamzdžio D/t sumažinus nuo 20 (t=1.25 mm) iki D/t=10 (t=2.5 mm), sienelės storis padidėja 100 %, o laidumo varža padidėja maždaug 85 %. Norint išlaikyti tą pačią apvalkalo paviršiaus temperatūrą (taigi ir atsparumą korozijai bei pleiskanojimui), vidinė laido temperatūra turi padidėti arba turi būti sumažintas galios tankis. Taikant gilius{20}}gręžinius, kai aplinkinis skystis gali būti klampus arba turi mažą šilumos laidumą (pvz., žalia nafta arba geoterminis sūrymas su daug ištirpusių kietųjų dalelių), dažnai dominuoja išorinė konvekcinė varža. Tačiau storesnė siena prideda fiksuotą baudą, kuri tampa reikšminga, kai išorinis plėvelės koeficientas yra didelis (pvz., Turbulentinis vandens srautas). Įprasto giluminio gręžinio geoterminio sūrymo, kurio srauto greitis yra 1 m/s (h ≈ 2 000 W/m²·K), D/t santykio sumažinimas nuo 20 iki 10 padidina bendrą šiluminę varžą maždaug 25 %, todėl norint tiekti tą patį šilumos srautą reikia 25 % aukštesnės vielos temperatūros. Ši padidinta vidinė temperatūra sumažina magnio oksido izoliacijos ir vidinės varžos laido tarnavimo laiką. Todėl projektuotojas turi pasirinkti didžiausią D/t santykį (ploniausią praktinę sieną), kuris vis tiek užtikrina pakankamą griūties slėgį įrengimo gyliui.

Prekybos-išjungimo sintezė: D/t santykio pasirinkimo matrica giliųjų-gręžinių šildytuvams

Toliau pateiktoje matricoje pateikiamas minimalus reikalaujamas D/t santykis 2 laipsnio titano šildymo vamzdžiams, naudojamiems giliai{1}}šuliniuose, remiantis elastingo lenkimo teorija, kai saugos koeficientas yra 2,0 nuo griūties. Išorinis skersmuo parenkamas atsižvelgiant į šildytuvo galios reikalavimus ir šulinio korpuso tarpą.

Inžinerija be vamzdžio: palaikykite tarpų ir ovalumo toleranciją

Teorinis griūties slėgis, apskaičiuotas pagal D/t santykį, daro prielaidą, kad vamzdis yra visiškai apvalus, vienodo sienelės storio ir be išorinių atramų. Praktiškai pradinis ovalumas (nukrypimas nuo tobulo apskritimo) žymiai sumažina kolapso spaudimą. Titano vamzdžio, kurio ovalumas yra 0,5 % (pvz., 0,1 mm nuokrypis, kai skersmuo 20 mm), slėgis griūva sumažėja maždaug 30 %, palyginti su tobulu vamzdžiu. Gamintojai turėtų patvirtinti, kad ovalumas yra mažesnis nei 0,3 %, kad galėtų aptarnauti giluminį{10}. Be to, reguliariais intervalais išilgai vamzdžio įdėjus atraminius žiedus arba tarpiklius, gedimo režimas pakeičiamas iš ilgo{12}}vamzdžio įlinkio į trumpą{13}}vamzdelį, o tai gali padidinti susitraukimo slėgį 2–5 kartus. Esant tam tikram D/t santykiui, atraminių žiedų montavimas kas 10 × OD padidina efektyvų žlugimo slėgį iki ribinės vertės: P_yield=2 × σ_yield × (t/D), kur σ_yield=275 MPa 2 laipsnio atveju. 20 mm OD), ribinis suspaudimo slėgis yra 27,5 baro, o nepalaikomas lenkimo slėgis yra 45 bar{31}}. Naudojant atramas, kurių atstumas yra 5 × OD, lenkimo režimas yra slopinamas, o griūties slėgis pakyla iki 27,5 baro takumo ribos, o tai iš tikrųjų yra mažesnis nei nepalaikomas lenkimo slėgis. Taigi atramos naudingos tik tada, kai išeiga viršija išlinkimo ribą. Naudojant gilaus-šulinio aukšto-slėgio paslaugą (D/t < 12), našumo riba (2σ_yield × t/D) yra didesnė už lenkimo ribą, todėl atramos nepadeda; tik mažesnis D/t santykis (storesnė sienelė arba mažesnis skersmuo) užtikrina saugumą.

Išvada: D/t santykis kaip pagrindinis atsparumo žlugimui kintamasis

Titano šildymo vamzdžio, įmontuoto į giliai{0}}šulinį panardinamą šildytuvą, skersmens -ir -sienos storio santykis (D/t) lemia griūties slėgį pagal kubinį santykį: P_c ∝ (t/D)³. 25 mm OD vamzdis su 2,0 mm sienele (D/t=12.5) atsparus griuvimui iki maždaug 150 barų, o 20 mm OD vamzdis su tokia pačia 2,0 mm sienele (D/t=10) atsparus maždaug 290 barų,-mažesnis absoliutus sienelės storis užtikrina beveik dvigubai didesnį atsparumą griūtims. Sienelės storio nurodymas nenurodant vamzdžio skersmens griūties skaičiavimams yra beprasmis. Naudojant giluminį{16}}gręžinį esant 150 barų (1 500 metrų), reikalingas 2 laipsnio titano D/t santykis yra mažesnis arba lygus 12, o tai atitinka 20 mm × 1,7 mm arba 25 mm × 2,1 mm. Plonesnės sienos arba didesnio skersmens, esant tokiam pačiam absoliučiam sienelės storiui, elastinga sulinkimas nepasireikš. Projektuodamas panardinamąjį titano šildytuvą, inžinierius pirmiausia turi nustatyti maksimalų hidrostatinį slėgį įrengimo gylyje, o po to pagal tamprumo lenkimo formulę su 2,0 saugos koeficientu apskaičiuoti reikiamą D/t santykį. Tik tada reikia pasirinkti absoliučius matmenis, atsižvelgiant į galios reikalavimus ir šulinio korpuso tarpą. Jei gylis viršija 2 500 metrų, titano šildymo vamzdžio tiesioginis panardinimas nerekomenduojamas, neatsižvelgiant į sienelės storį, todėl reikėtų ieškoti alternatyvių sprendimų, pvz., subalansuotų korpusų arba paviršiuje montuojamų šilumokaičių.