Quello che i libri non ti dicono sui tubi d'acciaio: Appunti di un ingegnere sul campo

Ti capita mai di prendere un pezzo di tubo e chiederti da dove venga? Non intendo il mulino. Intendo tutta la storia. Il minerale nel terreno. L'altoforno. Il laminatoio. Il saldatore che ha eseguito quella cucitura 2 AM di martedì. L'ispettore che l'ha superato. L'autista del camion che lo trasportava. Il fossato in cui giace adesso.

Sono nel mondo della pipe da trentadue anni. Ha iniziato come operaio in una squadra di oleodotti nel Texas occidentale, gettare droga sulle canne a una temperatura di quaranta gradi. Sono riuscito a diventare ispettore, poi ingegnere, poi il ragazzo che chiamano quando le cose vanno storte. Ho visto la pipa da ogni angolazione. All'interno, al di fuori, sotto lo sporco, sott'acqua, e una volta, Purtroppo, volare in aria dopo che una stazione di compressione ha lasciato andare.

Questo non è un libro di testo. I libri di testo ti dicono cosa dovrebbe succedere. Ti dirò cosa fa realmente.

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Il problema dei nomi: DN, OD, ID, e perché nessuno può essere d'accordo

Primo lavoro fuori dalla scuola, Mi trovo in un deposito di rifornimenti in Louisiana. Il caposquadra mi porge una lista e dice “vai a prendermi cinquanta piedi di quattro pollici.” Abbastanza semplice, Giusto?

Torno con cinquanta piedi di tubo che misura quattro pollici di diametro interno. Mi guarda come se fossi un idiota. “Non è un tubo da quattro pollici,” dice. “È un tubo da sei pollici con pareti spesse.”

Mi ci è voluta un'ora per capire cosa intendesse. Un tubo da quattro pollici non misura quattro pollici in niente. È nominale di quattro pollici. Il che significa qualcosa di completamente diverso a seconda di chi lo ha realizzato e quando.

tavolo 1: Che cosa “Quattro pollici” In realtà significa

Capisci cosa intendo? Quattro pollici è quello che dice il produttore.

Ecco la regola che ho imparato: Per tubi in acciaio, andare sempre dal diametro esterno e dallo spessore della parete. Le dimensioni nominali sono solo una scorciatoia, e la stenografia mette le persone nei guai.

Formula 1: Quello che devi realmente sapere

ID=DI−(2×t)ID=DI−(2×t)

Dove:

• IDID = Diametro interno (mm o pollici)
• ODOD = Diametro esterno (mm o pollici)
• tt = Spessore della parete (mm o pollici)

Semplice, Giusto? Saresti sorpreso di quante persone rovinano tutto.

Qualche anno fa avevo un giovane ingegnere che lavorava in Pennsylvania. Ha ordinato le valvole in base alla dimensione nominale. Il tubo era da 6 pollici 40. Le valvole si presentavano con flange da 6 pollici. Ma ecco il punto: programma 40 6-il tubo in pollici ha un diametro esterno di 6.625 inches. Le valvole erano annoiate per un tubo da 6 pollici, che avrebbe dovuto essere 6.625. Ma il produttore ha utilizzato 6.000 come diametro del foro. Le valvole non andrebbero bene. Ventimila dollari di materiale, tre settimane di ritardo, e un cliente molto infelice.

Controllare sempre l'OD. Sempre.

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Le Due Famiglie: Una storia di due tubi

Ecco qualcosa che non insegnano a scuola. Il tubo d'acciaio è disponibile in due famiglie, e non giocano bene insieme.

La Grande Famiglia (Ipsco)

Questo è ciò che usa la maggior parte del mondo. Grande diametro esterno per una data dimensione nominale. Un tubo da 12 pollici di questa famiglia ha un diametro esterno di 323,8 mm. Questo è 12.75 pollici per le tue resistenze imperiali.

La piccola famiglia (Metrica)

Questo è ciò che accade quando gli europei decidono di essere logici. Un tubo da 12 pollici qui ha un diametro esterno di 300 mm. Questo è 11.8 inches.

Mettili insieme e cosa ottieni? Flange che non si allineano. Guarnizioni che non sigillano. Raccordi che non si adattano.

tavolo 2: Le Due Famiglie – Dimensioni comuni

*Alcune taglie corrispondono. La maggior parte no. Controlla sempre.

L'ho imparato nel modo più duro in Tailandia, 2005. Stavamo collegando un nuovo impianto di lavorazione a una pipeline esistente. La linea esistente era di tipo europeo, piccola famiglia. La nuova struttura è stata costruita secondo gli standard americani, grande famiglia. Nessuno l'ha notato finché non abbiamo provato a stabilire la connessione. Le flange erano distanti 6 mm in corrispondenza dei fori dei bulloni.

Abbiamo speso due settimane e un quarto di milione di dollari in adattatori personalizzati. Il cliente non era felice. Neppure io.

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Il gioco dello spessore del muro: Perché la pianificazione è importante

Ti sei mai chiesto perché i tubi hanno spessori diversi per lo stesso diametro? Te lo dirò. Pressione.

Formula 2: Formula di Barlow (L'equazione più importante nelle tubazioni)

P=2×S×tODP=OD2×S×t​

Dove:

• PP = Pressione di scoppio (psi)
• SS = Carico di snervamento del materiale (psi)
• tt = Spessore della parete (inches)
• ODOD = Diametro esterno (inches)

Questa è l'equazione che impedisce al tubo di esplodere. Raddoppiare lo spessore della parete, raddoppiare la pressione nominale. Semplice.

Ma è qui che le cose si complicano. Pianificare i numeri.

tavolo 3: Programmi comuni per tubi da 6 pollici (168.3diametro esterno mm)

Il numero di programma stesso? È circa 1000×P/S1000×P/S, dove P è la pressione di esercizio e S è la tensione ammissibile. Ma onestamente, nessuno lo usa. Sappiamo solo che il programma 40 è standard, Programma 80 è pesante, e Programmazione 10 è leggero.

Ho svolto un lavoro nel Golfo del Messico dove qualcuno ha ordinato il programma 10 per una linea di gas ad alta pressione. Pensavo che stessero risparmiando peso. Peso risparmiato, Va bene. Finché il tubo non si è rotto durante l'idrotest. Per fortuna non c'era nessuno nelle vicinanze.

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Il problema del peso: Perché è necessario sapere quanto pesa il tubo

Hai mai provato a sollevare un giunto di 40 piedi di 24 pollici 60? Io ho. Pesa circa 12,000 libbre. Sono sei tonnellate. La tua gru deve saperlo. Le tue imbracature di sollevamento devono saperlo. La tua barra di sollevamento deve saperlo.

Formula 3: Calcolo del peso del tubo

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

Dove:

• WW = Peso (kg)
• tt = Spessore della parete (mm)
• ODOD = Diametro esterno (mm)
• LL = Lunghezza (m)

O per voi, gente imperiale:
L=10,69×t×(OD−t)×LL=10,69×t×(OD−t)×L
Dove t e OD sono espressi in pollici, L in piedi, W in libbre.

tavolo 4: Peso per piede per dimensioni comuni (Programma 40)

Ecco una storia. Dakota del Nord, 2014, inverno. Stiamo tesando il tubo per una linea del gas da 20 pollici. Il camion si presenta con un carico di canne. Il caposquadra esamina i documenti di spedizione, guarda la pipa, riguarda i giornali. “Questo non mi sembra giusto,” dice.

Faccio i conti nella mia testa. Il giornale dice Programma 40, 20-pollici. Questo è 62 libbre per piede. Ogni giunto lo è 80 piedi. Questo è 5,000 libbre per canna.

Prendo un metro a nastro. Misura il muro. Suo 0.375 inches. Questo è il programma 30. Il peso è 53 libbre per piede. Differenza di 9 libbre per piede, 720 libbre per canna.

Il mulino ha inviato il tubo sbagliato. Sarebbe andato bene per la pressione: programma 30 soddisfaceva ancora le specifiche. Ma l'appaltatore aveva già impostato il piano di sollevamento in base al peso maggiore. Le loro gru sono state valutate per 5,000 sterline per prelievo. Con la pipa più leggera, avrebbero potuto scegliere due canne contemporaneamente. Raddoppia la produttività. Ma non lo sapevano finché non ho controllato.

Controlla sempre. Non fidarti mai delle pratiche burocratiche.

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Il mistero della marcatura: Cosa significano realmente quei numeri

Guardi un pezzo di tubo e vedi un mucchio di francobolli. Cosa significano?? Lascia che ne decodifichi uno per te.

Esempio: API5LX52PSL212″ SCH 40 ACRI 12345 12-21

• API 5L = specifica dell'American Petroleum Institute per tubi di linea
• X52 = Carico di snervamento minimo 52,000 psi
• PSL2 = Livello di specifica del prodotto 2 (tolleranze più strette, ulteriori test)
• 12″ = Dimensione nominale (ma ricorda, sono 12.75″ OD)
• SCH 40 = Spessore della parete (0.406″ per 12 pollici)
• ERW = Resistenza Elettrica Saldata (come è fatto)
• 12345 = Numero di batteria (per la tracciabilità)
• 12-21 = dicembre 2021 (data di produzione)

tavolo 5: Specifiche comuni dei tubi

Avevo un lavoro in Alberta dove il cliente specificava A106 per un'applicazione a bassa temperatura. Meno quaranta design. A106 va bene a temperatura ambiente. A meno quaranta, è fragile come il vetro. Dovrebbe essere l'A333. Il tubo non era ancora stato installato: è rimasto intrappolato nel cortile. Li ha salvati da un fallimento catastrofico.

Conosci le tue specifiche. Conosci le tue temperature. Conosci le tue pressioni.

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Il problema della connessione: Come si unisce il tubo

Il tubo di per sé è solo un lungo tubo. Inutile finché non lo colleghi a qualcosa. Ecco come succede.

Connessioni filettate

Pipa piccola, bassa pressione, non troppo critico. 2-pollici e meno, soprattutto. Taglia i fili all'estremità, avvitare un raccordo, magari aggiungi un po' di droga o nastro adesivo.

Formula 4: Coinvolgimento del thread

L2=0,8×DL2=0,8×D

Regola approssimativa: la durata del fidanzamento dovrebbe essere di circa 80% di diametro. Per tubi da 2 pollici, questo è tutto 1.6 pollici di impegno del filo.

Ho riscontrato un guasto di una connessione filettata in un sistema idrico in Florida. Qualcuno non ha coinvolto abbastanza thread. Solo pochi giri. Quando hanno fatto pressione, il raccordo è saltato. Ho tirato fuori un pannello di controllo. È costato cinquantamila dollari in danni.

Connessioni saldate

È qui che si è svolta gran parte della mia carriera. Saldi insieme i tubi. Sembra semplice. Non lo è.

tavolo 6: Tipi di saldatura comuni per tubi

La chiave con la saldatura è l'installazione. Se le estremità del tubo non sono allineate, la tua saldatura fallirà. Non mi interessa quanto sia bravo il saldatore.

Formula 5: Disallineamento consentito

Mmax=0,1×tMmax​=0,1×t o 1/16″1/16″, qualunque sia il più piccolo

Per pareti da 0,5 pollici, questo è 0.05 inches. Circa lo spessore di una carta di credito.

Ho visto un saldatore in Texas provare a saldare un tubo da 24 pollici con un disallineamento di 3/16 pollici. La sua argomentazione: “Lo riempirò semplicemente con il metallo saldato.” No. Questo è un fattore di stress. Questa è una crepa in attesa di accadere. È un fallimento in cinque anni invece che in cinquanta.

L'abbiamo tagliato e rifatto. Non era felice. Ma il tubo non ha ceduto.

Connessioni flangiate

Grande pipa, ad alta pressione, o quando hai bisogno di smontare le cose. Saldi una flangia su ciascuna estremità, imbullonarli insieme con una guarnizione in mezzo.

tavolo 7: Valori nominali di pressione della flangia

Ecco il problema delle flange: la guarnizione conta più di ogni altra cosa. Materiale della guarnizione sbagliato? Perdere. Coppia di bulloni errata? Perdere. Sporco sulla superficie di tenuta? Perdere.

Ho trascorso tre giorni su una piattaforma offshore nel Mare del Nord alla ricerca di una perdita dalla flangia. Sostituita la guarnizione due volte. Controllato i bulloni. Controllato l'allineamento. Ancora trapelato.

Finalmente, Ho fatto scorrere il dito lungo la faccia della flangia. Ho sentito un piccolo graffio. Forse 0.002 pollici di profondità. Ma su tutta la superficie di tenuta, era abbastanza. Abbiamo lambito la flangia, nuova guarnizione, serrato alle specifiche. Nessuna perdita.

Il diavolo è nei dettagli.

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Le modalità di fallimento: Come muore il tubo

La pipa non dura per sempre. Ecco come va.

Corrosione

Questa è la cosa più importante. Ruggine. Mangia la pipa dall'interno, fuori dentro, o entrambi.

Formula 6: Indennità di corrosione

trequired=tpressione+tcorrosionerichiesta​=tpressione​+tcorrosione​

Pratica standard: aggiungere 1/16 pollici (1.6mm) per corrosione. Di più se il fluido è cattivo.

Ho ispezionato una tubazione del gas nel Texas occidentale che era in servizio da quarant'anni. Il muro originale era 0.250 inches. L'abbiamo misurato 0.185. Perduto 65 millesimi alla corrosione. Questo è 0.0016 pollici all'anno. Proprio nei tempi previsti.

Ma ecco la cosa spaventosa. Una linea nel Golfo del Messico, servizio aspro, 5% H2S. La perdita del muro era 0.010 pollici all'anno. Cinque volte più veloce del previsto. Perché? Batteri. I batteri solfato-riduttori presenti nell’acqua hanno peggiorato la corrosione. Nessuno lo ha modellato.

Fatica

Curve di tubo, cicli di stress, crescono le crepe. Infine, fallisce.

Formula 7: Vita affaticata (Semplificato)

N=C×(Ds)-mN=C×(Ds)-m

Dove N sono i cicli fino al fallimento, Δσ è l'intervallo di sollecitazione, C e m sono costanti materiali.

Per tubi in acciaio, m riguarda 3. Raddoppia il range di stress, e la durata a fatica diminuisce di un fattore pari a 8.

L'ho visto su una stazione di compressione in Pennsylvania. Il tubo vibrava. Piccole vibrazioni, Forse 0.1 ampiezza pollici. Ma 60 volte al secondo. Questo è 5 milioni di cicli al giorno. Dopo sei mesi, apparvero delle crepe. Dopo otto mesi, una perdita.

Lo abbiamo risolto aggiungendo supporti. Modificata la frequenza naturale. Arrestato la vibrazione. Ma la crepa c’era già.

Danno meccanico

Qualcuno colpisce il tubo con un escavatore. Una roccia gli cade sopra. Un camion ci passa sopra. Ammaccature, sgorbie, graffi.

Formula 8: Gravità dell'ammaccatura

Ammaccatura%=ProfonditàDiametro×100Ammaccatura%=DiametroProfondità×100

Se la profondità dell'ammaccatura > 2% di diametro, hai un problema. Per tubi da 30 pollici, questo è 0.6 inches. Qualcosa di più profondo di quello, devi indagare.

Ho indagato su un'ammaccatura in una tubazione del gas da 36 pollici in Ohio. Qualcuno ci aveva fatto cadere sopra un albero durante i lavori. Dent lo era 1.2 pollici di profondità. 3.3% di diametro. L'analisi diceva che era sicuro alla pressione operativa. Ma cinque anni dopo, una crepa è iniziata sul bordo dell'ammaccatura. L'abbiamo rilevato durante un'esecuzione ILI prima che fallisse.

A volte “sicuro” non è sicuro per sempre.

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Le novità: Dove siamo diretti

Acciai ad alta resistenza

X70, X80, anche X100 ora. Un acciaio più resistente significa pareti più sottili, tubo più leggero, installazione più economica.

tavolo 8: Confronto dei gradi di acciaio

Ma ecco il problema: l'acciaio più forte è più difficile da saldare. Più preriscaldamento. Maggiore trattamento termico post-saldatura. Procedure più attente.

Ho visto un appaltatore provare a saldare X80 con le procedure X52. Crepe fredde ovunque. Ho dovuto tagliare una dozzina di canne. Gli è costato un milione di dollari.

Rivestimenti

Vecchi tempi: smalto al catrame di carbone. Disordinato, tossico, ma ha funzionato.

Adesso: polietilene a tre strati, epossidico legato per fusione, poliuretano.

tavolo 9: Tipi di rivestimento

Ho ispezionato una linea nel deserto dove il rivestimento FBE ha ceduto dopo cinque anni. Esposizione ai raggi UV. Il sole l'ha cucinato. Spec ha detto che andava bene per venti. Non lo era.

Ispezione

Maiali intelligenti. ACQUISTARE. Ultrasonico. Dispersione del flusso magnetico. Possiamo vedere meglio che mai l'interno del tubo.

Ma ecco il punto: l'ispezione rileva problemi. Non li risolve. E ogni problema che trovi costa denaro da risolvere. Alcuni operatori smettono di cercare perché non vogliono trovare nulla.

È così che accadono i fallimenti.

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Quello che ho imparato

Dopo trent'anni, ecco cosa so sulla pipa:

È solo un tubo. Ma è un tubo sotto pressione, pieno di cose che possono ucciderti, sepolto nel terreno dove non puoi vederlo.

Rispetta i numeri. Controlla tutto. Fidati ma verifica.

Alla pipa non interessa il tuo programma o il tuo budget. Si preoccupa dello stress, della corrosione e della fatica. Si preoccupa della fisica.

E la fisica vince sempre.

Ho visto un tubo rompersi da un graffio che a malapena riuscivi a vedere. Ho visto tubi durare cento anni nelle peggiori condizioni. Ho visto decisioni buone e cattive. Li ho fatti entrambi.

La differenza tra un buon ingegnere e uno cattivo non è conoscere le formule. Significa sapere quando fidarsi di loro e quando metterli in discussione.

Quella linea nel Texas occidentale di cui ho parlato? Quello con 65 millesimi di corrosione? È ancora in funzione. Abbiamo fatto i conti, aggiunto un fattore di sicurezza, e decise che ci sarebbero voluti altri dieci anni.

Forse è così. Forse no. Lo scopriremo.

Questo è il problema della pipa. Ti fa indovinare.