Ce que les livres ne vous disent pas sur les tuyaux en acier: Notes d’un ingénieur de terrain

Il t'est déjà arrivé de ramasser un morceau de pipe et de te demander d'où il venait? je ne parle pas du moulin. Je veux dire toute l'histoire. Le minerai dans le sol. Le haut fourneau. Le laminoir. Le soudeur qui a réalisé cette couture à 2 AM un mardi. L'inspecteur qui l'a réussi. Le chauffeur du camion qui l'a transporté. Le fossé dans lequel il repose maintenant.

Je suis dans le milieu de la pipe depuis trente-deux ans. A commencé comme ouvrier dans une équipe de pipeline dans l'ouest du Texas, jeter de la drogue sur les joints par une chaleur de cent degrés. J'ai gravi les échelons jusqu'au rang d'inspecteur, puis ingénieur, puis le gars qu'ils appellent quand les choses tournent mal. J'ai vu des pipes sous tous les angles. À l'intérieur, dehors, sous la terre, sous l'eau, et une fois, malheureusement, voler dans les airs après le lâcher d'une station de compression.

Ceci n'est pas un manuel. Les manuels vous disent ce qui devrait arriver. Je vais vous dire ce que fait réellement.

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Le problème du nom: DN, OD, ID, et pourquoi personne ne peut être d'accord

Premier emploi après l'école, Je me trouve dans un parc d'approvisionnement en Louisiane. Le contremaître me tend une liste et dit “va me chercher cinquante pieds de quatre pouces.” Assez simple, droite?

Je reviens avec cinquante pieds de tuyau qui mesure quatre pouces de diamètre intérieur. Il me regarde comme si j'étais un idiot. “Ce n'est pas un tuyau de quatre pouces,” il dit. “C'est un tuyau de six pouces avec des parois épaisses.”

Il m'a fallu une heure pour comprendre ce qu'il voulait dire. Un tuyau de quatre pouces ne mesure rien de quatre pouces. C'est une valeur nominale de quatre pouces. Ce qui signifie quelque chose de complètement différent selon qui l'a fait et quand.

Tableau 1: Quoi “Quatre pouces” Signifie en fait

Tu vois ce que je veux dire? Quatre pouces, c'est ce que dit le fabricant.

Voici la règle que j'ai apprise: Pour tube en acier, passez toujours par le diamètre extérieur et l'épaisseur de la paroi. Les tailles nominales ne sont qu'un raccourci, et la sténographie cause des ennuis aux gens.

Formule 1: Ce que vous devez réellement savoir

ID=OF−(2×t)ID=OF−(2×t)

Où:

• IDID = Diamètre intérieur (mm ou pouces)
• ODOD = Diamètre extérieur (mm ou pouces)
• tt = Épaisseur de paroi (mm ou pouces)

Simple, droite? Vous seriez surpris du nombre de personnes qui ont tout gâché.

Il y a quelques années, j'avais un jeune ingénieur qui travaillait en Pennsylvanie.. Il a commandé des vannes en fonction de leur taille nominale. Le tuyau mesurait 6 pouces 40. Les vannes sont apparues avec des brides de 6 pouces. Mais voici le problème : le calendrier 40 6-le tuyau en pouces a un diamètre extérieur de 6.625 pouces. Les vannes ont été percées pour un tuyau de 6 pouces, ce qui aurait dû être 6.625. Mais le fabricant a utilisé 6.000 comme le diamètre d'alésage. Les valves ne conviendraient pas. Vingt mille dollars de matériel, trois semaines de retard, et un client très mécontent.

Vérifiez toujours l'OD. Toujours.

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Les deux familles: Une histoire de deux tuyaux

Voici quelque chose qu'ils n'enseignent pas à l'école. Les tuyaux en acier se déclinent en deux familles, et ils ne jouent pas bien ensemble.

La grande famille (Ipsco)

C'est ce que la plupart des pays utilisent. Grand diamètre extérieur pour une taille nominale donnée. Un tuyau de 12 pouces dans cette famille a un diamètre extérieur de 323,8 mm. C'est 12.75 pouces pour vous, les résistants impériaux.

La petite famille (Métrique)

C’est ce qui arrive lorsque les Européens décident d’être logiques. Un tuyau de 12 pouces ici fait 300 mm de diamètre extérieur. C'est 11.8 pouces.

Assemblez-les et qu'obtenez-vous? Brides qui ne s'alignent pas. Joints qui ne ferment pas. Des raccords qui ne conviennent pas.

Tableau 2: Les deux familles – Tailles courantes

*Certaines tailles correspondent. La plupart ne le font pas. Vérifiez toujours.

J'ai appris ça à mes dépens en Thaïlande, 2005. Nous raccordions une nouvelle installation de traitement à un pipeline existant. La ligne existante était conforme aux spécifications européennes, petite famille. La nouvelle installation a été construite selon les normes américaines, grande famille. Personne ne l'a compris jusqu'à ce que nous essayions d'établir la connexion. Les brides étaient espacées de 6 mm au niveau des trous de boulons.

Nous avons dépensé deux semaines et un quart de million de dollars en adaptateurs personnalisés. Le client n'était pas content. Moi non plus.

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Le jeu de l’épaisseur des murs: Pourquoi l'horaire est important

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les tuyaux ont différentes épaisseurs pour le même diamètre ?? je te dirai. Pression.

Formule 2: La formule de Barlow (L'équation la plus importante en matière de tuyauterie)

P=2×S×tODP=OD2×S×t​

Où:

• PP = Pression d'éclatement (psi)
• SS = Limite d'élasticité du matériau (psi)
• tt = Épaisseur de paroi (pouces)
• ODOD = Diamètre extérieur (pouces)

C'est l'équation qui empêche un tuyau d'exploser. Doubler l'épaisseur de la paroi, doubler la pression nominale. Simple.

Mais c'est là que ça se complique. Numéros d'horaire.

Tableau 3: Programmes courants pour les tuyaux de 6 pouces (168.3mm DE)

Le numéro d'horaire lui-même? C'est environ 1000×P/S1000×P/S, où P est la pression de service et S la contrainte admissible. Mais honnêtement, personne ne l'utilise. Nous savons juste que le calendrier 40 est standard, Calendrier 80 est lourd, et calendrier 10 est léger.

J'ai travaillé dans le golfe du Mexique où quelqu'un a commandé un horaire 10 pour une conduite de gaz haute pression. Je pensais qu'ils gagnaient du poids. Poids économisé, d'accord. Jusqu'à ce que le tuyau se brise lors de l'hydrotest. Heureusement que personne ne se tenait à proximité.

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Le problème du poids: Pourquoi vous devez savoir combien pèse un tuyau

Vous avez déjà essayé de soulever un joint de 40 pieds de 24 pouces 60? J'ai. Il pèse environ 12,000 livres. Cela fait six tonnes. Votre grue doit le savoir. Vos élingues de levage doivent le savoir. Votre barre d'écartement doit le savoir.

Formule 3: Calcul du poids des tuyaux

W=0,02466×t×(OD−t)×LW=0,02466×t×(OD−t)×L

Où:

• WW = Poids (kg)
• tt = Épaisseur de paroi (mm)
• ODOD = Diamètre extérieur (mm)
• LL = Longueur (m)

Ou pour vous, les impériaux:
W=10,69×t×(OD−t)×LW=10,69×t×(OD−t)×L
Où t et OD sont en pouces, L en pieds, W en livres.

Tableau 4: Poids par pied pour les tailles courantes (Calendrier 40)

Voici une histoire. Dakota du Nord, 2014, hiver. Nous installons des tuyaux pour une conduite de gaz de 20 pouces. Le camion arrive avec un chargement de joints. Le contremaître regarde les papiers d'expédition, regarde le tuyau, regarde les journaux. “Cela ne semble pas bien,” il dit.

Je fais le calcul dans ma tête. Le journal dit Calendrier 40, 20-pouces. C'est 62 livres par pied. Chaque articulation est 80 pieds. C'est 5,000 livres par joint.

Je prends un ruban à mesurer. Mesurer le mur. C'est 0.375 pouces. C'est le calendrier 30. Le poids est 53 livres par pied. Différence de 9 livres par pied, 720 livres par joint.

L'usine a envoyé le mauvais tuyau. Cela aurait été bien pour la pression – Horaire 30 toujours conforme aux spécifications. Mais l'entrepreneur avait déjà établi son plan de levage basé sur le poids le plus lourd.. Leurs grues étaient évaluées pour 5,000 livres par choix. Avec le tuyau plus léger, ils auraient pu choisir deux joints à la fois. Doublez la productivité. Mais ils ne le savaient pas jusqu'à ce que je vérifie.

Vérifiez toujours. Ne vous fiez jamais à la paperasse.

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Le mystère du marquage: Ce que signifient réellement ces chiffres

Vous regardez un morceau de pipe et voyez un tas de timbres. Que veulent-ils dire? Laisse-moi en décoder un pour toi.

Exemple: API 5L X52 PSL2 12″ SCH 40 ACRE 12345 12-21

• API 5L = spécification de l'American Petroleum Institute pour les tubes de canalisation
• X52 = Limite d'élasticité minimale 52,000 psi
• PSL2 = Niveau de spécification du produit 2 (tolérances plus strictes, plus de tests)
• 12″ = Taille nominale (mais souviens-toi, il est 12h75″ OD)
• SCH 40 = Épaisseur de paroi (0.406″ pour 12 pouces)
• ERW = Résistance électrique soudée (comment c'est fait)
• 12345 = Numéro de manche (pour la traçabilité)
• 12-21 = décembre 2021 (date de fabrication)

Tableau 5: Spécifications courantes des tuyaux

J'avais un emploi en Alberta où le client a spécifié A106 pour une application à basse température. Conception moins quarante. A106 est bien à température ambiante. A moins quarante, c'est cassant comme du verre. Cela aurait dû être un A333. Le tuyau n'avait pas encore été installé, il l'a attrapé dans la cour. Leur a sauvé un échec catastrophique.

Connaissez vos spécifications. Connaissez vos températures. Connaissez vos pressions.

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Le problème de connexion: Comment les tuyaux se joignent

Le tuyau en lui-même n'est qu'un long tube. Inutile jusqu'à ce que vous le connectiez à quelque chose. Voici comment cela se passe.

Connexions filetées

Petit tuyau, basse pression, pas trop critique. 2-pouces et moins, surtout. Tu coupes les fils au bout, visser un raccord, peut-être ajouter de la drogue ou du ruban adhésif.

Formule 4: Engagement dans le fil de discussion

L2=0,8×DL2=0,8×D

Règle approximative: la durée des fiançailles devrait être d'environ 80% de diamètre. Pour tuyau de 2 pouces, c'est à peu près 1.6 pouces d'engagement du filetage.

J'ai vu une connexion filetée échouer dans un système d'eau en Floride. Quelqu'un n'a pas participé à suffisamment de discussions. Juste quelques tours. Quand ils ont fait pression, le raccord a explosé. J'ai sorti un panneau de contrôle. Coûte cinquante mille dollars en dégâts.

Connexions soudées

C'est là que s'est déroulée l'essentiel de ma carrière. Vous soudez des tuyaux ensemble. Cela semble simple. Ce n'est pas.

Tableau 6: Types de soudure courants pour les tuyaux

La clé du soudage est l’aménagement. Si les extrémités de votre tuyau ne s'alignent pas, ta soudure va échouer. Je me fiche de la qualité du soudeur.

Formule 5: Désalignement autorisé

Mmax=0,1×tMmax​=0,1×t ou 1/16″1/16″, celui qui est le plus petit

Pour mur de 0,5 pouce, c'est 0.05 pouces. À propos de l'épaisseur d'une carte de crédit.

J'ai vu un soudeur au Texas essayer de souder des tuyaux de 24 pouces avec un désalignement de 3/16 de pouce.. Son argument: “Je vais juste le remplir de métal soudé.” Non. C'est un facteur de stress. C'est une fissure qui attend d'arriver. C'est un échec en cinq ans au lieu de cinquante.

Nous l'avons découpé et refait. Il n'était pas content. Mais le tuyau n'est pas tombé en panne.

Connexions à brides

Gros tuyau, haute pression, ou quand tu as besoin de démonter des choses. Vous soudez une bride à chaque extrémité, boulonnez-les ensemble avec un joint entre les deux.

Tableau 7: Pressions nominales des brides

Voici le problème des brides: le joint compte plus que tout. Mauvais matériau de joint? Fuir. Mauvais couple de boulon? Fuir. Saleté sur la surface d'étanchéité? Fuir.

J'ai passé trois jours sur une plateforme offshore en mer du Nord à la recherche d'une fuite de bride. J'ai remplacé le joint deux fois. J'ai vérifié les boulons. J'ai vérifié l'alignement. Encore une fuite.

Enfin, J'ai passé mon doigt le long de la face de la bride. J'ai ressenti une petite égratignure. Peut être 0.002 pouces de profondeur. Mais sur toute la surface d'étanchéité, c'était suffisant. Nous avons rodé la bride, nouveau joint, serré selon les spécifications. Aucune fuite.

Le diable est dans les détails.

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Les modes de défaillance: Comment meurt le tuyau

La pipe ne dure pas éternellement. Voici comment ça se passe.

Corrosion

C'est le grand. Rouiller. Mange la pipe de l'intérieur vers l'extérieur, dehors dans, ou les deux.

Formule 6: Allocation de corrosion

trequired=tpression+tcorrosionrequis​=tpression​+tcorrosion​

Pratique standard: ajouter 1/16 pouces (1.6mm) pour la corrosion. Plus si le liquide est méchant.

J'ai inspecté une conduite de gaz dans l'ouest du Texas qui était en service depuis quarante ans. Le mur d'origine était 0.250 pouces. Nous l'avons mesuré à 0.185. Perdu 65 millièmes à la corrosion. C'est 0.0016 pouces par an. Exactement dans les délais.

Mais voici celui qui fait peur. Une ligne dans le golfe du Mexique, service aigre, 5% H2S. La perte du mur était 0.010 pouces par an. Cinq fois plus rapide que prévu. Pourquoi? Bactéries. Les bactéries sulfato-réductrices présentes dans l’eau ont aggravé la corrosion. Personne n'a modélisé ça.

Fatigue

Coudes de tuyaux, cycles de stress, les fissures se développent. Finalement, ça échoue.

Formule 7: Vie en fatigue (Simplifié)

N=C×(Ds)−mN=C×(Ds)−m

Où N est un cycle jusqu'à l'échec, Δσ est la plage de contraintes, C et m sont des constantes matérielles.

Pour tube en acier, m c'est à peu près 3. Doublez la plage de stress, et la durée de vie en fatigue diminue d'un facteur 8.

J'ai vu ça sur une station de compression en Pennsylvanie. Le tuyau vibrait. Petites vibrations, peut être 0.1 amplitude en pouces. Mais 60 fois par seconde. C'est 5 millions de cycles par jour. Après six mois, des fissures sont apparues. Après huit mois, une fuite.

Nous l'avons corrigé en ajoutant des supports. Modification de la fréquence naturelle. Arrêté la vibration. Mais la fissure était déjà là.

Dommages mécaniques

Quelqu'un heurte le tuyau avec une excavatrice. Un rocher tombe dessus. Un camion passe dessus. Bosses, gouges, éraflures.

Formule 8: Gravité des bosses

Dent%=ProfondeurDiamètre×100Dent%=DiamètreProfondeur​×100

Si profondeur de bosse > 2% de diamètre, tu as un problème. Pour tuyau de 30 pouces, c'est 0.6 pouces. Quelque chose de plus profond que ça, tu dois enquêter.

J'ai enquêté sur une bosse dans une conduite de gaz de 36 pouces dans l'Ohio. Quelqu'un avait laissé tomber un arbre dessus pendant les travaux. La bosse était 1.2 pouces de profondeur. 3.3% de diamètre. L'analyse a indiqué qu'il était sans danger à la pression de fonctionnement. Mais cinq ans plus tard, une fissure a commencé au bord de la bosse. Nous l'avons détecté lors d'une analyse ILI avant qu'il échoue.

Parfois “sûr” n'est pas en sécurité pour toujours.

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Les nouveautés: Où nous allons

Aciers à haute résistance

X70, X80, même X100 maintenant. Un acier plus résistant signifie des parois plus minces, tuyau plus léger, installation moins chère.

Tableau 8: Comparaison des nuances d'acier

Mais voici le piège: un acier plus résistant est plus difficile à souder. Plus de préchauffage. Plus de traitement thermique après soudage. Des procédures plus minutieuses.

J'ai vu un entrepreneur essayer de souder le X80 avec les procédures X52. Des fissures froides partout. J'ai dû découper une douzaine de joints. Leur a coûté un million de dollars.

Revêtements

Vieux jours: émail au goudron de houille. Désordonné, toxique, mais ça a marché.

À présent: polyéthylène à trois couches, époxy lié par fusion, polyuréthane.

Tableau 9: Types de revêtement

J'ai inspecté une ligne dans le désert où le revêtement FBE s'est rompu après cinq ans. Exposition aux UV. Le soleil l'a cuit. Spec a dit que c'était bon pour vingt. Ce n'était pas.

Inspection

Des cochons intelligents. ACHETER. Ultrasonique. Fuite de flux magnétique. Nous pouvons voir l'intérieur des tuyaux mieux que jamais.

Mais voici le problème: l'inspection révèle des problèmes. Cela ne les répare pas. Et chaque problème que vous trouvez coûte de l'argent à résoudre. Certains opérateurs arrêtent de chercher car ils ne veulent rien trouver.

C'est comme ça que les échecs se produisent.

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Ce que j'ai appris

Après trente ans, voici ce que je sais sur la pipe:

C'est juste un tube. Mais c'est un tube sous pression, plein de trucs qui peuvent te tuer, enterré dans le sol où tu ne peux pas le voir.

Respectez les chiffres. Vérifiez tout. Faites confiance mais vérifiez.

Le tuyau ne se soucie pas de votre emploi du temps ni de votre budget. Il se soucie du stress, de la corrosion et de la fatigue. Il se soucie de la physique.

Et la physique gagne toujours.

J'ai vu des tuyaux tomber en panne à cause d'une égratignure que tu pouvais à peine voir. J'ai vu des tuyaux durer cent ans dans les pires conditions. J'ai vu de bonnes et de mauvaises décisions. j'ai fait les deux.

La différence entre un bon et un mauvais ingénieur, c’est de ne pas connaître les formules. C’est savoir quand leur faire confiance et quand les remettre en question.

Cette ligne dans l'ouest du Texas dont j'ai parlé? Celui avec 65 millièmes de corrosion? Il tourne toujours. Nous avons fait le calcul, ajouté un facteur de sécurité, et j'ai décidé qu'il lui restait encore dix ans.

Peut-être que c'est le cas. Peut-être que ce n'est pas le cas. Nous découvrirons.

C'est le problème avec les tuyaux. Cela vous laisse deviner.