Чого не розповідають книги про сталеві труби: Нотатки інженера-польовика
Ви коли-небудь берете шматок труби і дивуєтеся, звідки він узявся? Я не маю на увазі млин. Я маю на увазі всю історію. Руда в землі. Доменна піч. Прокатний стан. Зварювальник, який провів цей шов 2 AM у вівторок. Інспектор, який його пройшов. Водій вантажівки, який його тягнув. Канава, в якій вона зараз лежить.
Я займаюся трубкою тридцять два роки. Починав чорноробом на трубопроводі в Західному Техасі, закидання дурману на суглоби в стоградусну спеку. Пройшов шлях до інспектора, потім інженер, потім хлопець, якому вони телефонують, коли щось йде не так. Я бачив трубу з усіх боків. Всередині, назовні, під брудом, під водою, і один раз, на жаль, летить по повітрю після відпущеної компресорної станції.
Це не підручник. Підручники розповідають, що має статися. Я розповім вам, що насправді робить.
Проблема найменування: DN, ОД, ID, і Чому ніхто не може погодитися
Перша позашкільна робота, Я стою на складах у Луїзіані. Бригадир простягає мені список і каже “принеси мені п'ятдесят футів чотири дюйми.” Досить просто, правильно?
Я повернувся з п’ятдесяти футами труби, внутрішній діаметр якої чотири дюйми. Він дивиться на мене, як на ідіота. “Це не чотиридюймова труба,” каже він. “Це шестидюймова труба з товстими стінками.”
Мені знадобилася година, щоб зрозуміти, що він мав на увазі. Чотиридюймова труба нічого не вимірює в чотири дюйми. Це чотири дюйми номінально. Що означає щось зовсім інше залежно від того, хто це зробив і коли.
Таблиця 1: Що “Чотири дюйми” Насправді означає
| Тип труби | Номінальний розмір | Фактичний OD | Фактичний ID (Sch 40) | Фактичний ID (Sch 80) |
|---|---|---|---|---|
| Сталева труба | 4″ NPS | 4.500″ | 4.026″ | 3.826″ |
| Мідна трубка | 4″ Тип L | 4.125″ | 4.000″ | N/A |
| ПВХ труба | 4″ розклад 40 | 4.500″ | 4.154″ | N/A |
| Чавун | 4″ Грунтова труба | 4.380″ | 4.000″ | N/A |
| Пластичне залізо | 4″ Клас 52 | 4.800″ | 4.154″ | N/A |
Бачите, що я маю на увазі? Чотири дюйми - це те, що говорить виробник.
Ось яке правило я вивчив: Для сталевих труб, завжди керуйтеся OD і товщиною стінки. Номінальні розміри є просто скороченням, а стенографія створює людям проблеми.
Формула 1: Що вам насправді потрібно знати
ID=OF−(2×t)
Де:
- ID = Внутрішній діаметр (мм або дюйми)
- ОД = Зовнішній діаметр (мм або дюйми)
- t = Товщина стінки (мм або дюйми)
просто, правильно? Ви здивуєтеся, скільки людей це псують.
Кілька років тому в Пенсільванії працював у мене молодий інженер. Він замовив клапани на основі номінального розміру. Труба була 6-дюймова Розклад 40. З’явилися клапани з 6-дюймовими фланцями. Але ось що — розклад 40 6-дюймова труба має OD 6.625 дюймів. Клапани були розточені під 6-дюймову трубу, який мав бути 6.625. Але виробник використовував 6.000 як діаметр отвору. Клапани не підходять. Матеріалів на двадцять тисяч доларів, із запізненням на три тижні, і дуже нещасний клієнт.
Завжди перевіряйте OD. Завжди.
Дві сім'ї: Казка про дві сопілки
Ось чого не вчать у школі. Сталева труба буває двох сімейств, і вони погано грають разом.
Велика родина (Ipsco)
Це те, що використовує більша частина світу. Великий OD для даного номінального розміру. 12-дюймова труба в цьому сімействі має зовнішній діаметр 323,8 мм. Це 12.75 дюймів для вас, імперських прихильників.
Маленька сімейка (Метрика)
Ось що відбувається, коли європейці вирішують бути логічними. 12-дюймова труба має зовнішній діаметр 300 мм. Це 11.8 дюймів.
З’єднайте їх і що ви отримаєте? Фланці, які не збігаються. Прокладки, які не ущільнюють. Фурнітура, яка не підходить.
Таблиця 2: Дві сім'ї – Загальні розміри
| Номінальний розмір | Велика родина ОД | Little Family OD | Різниця |
|---|---|---|---|
| 2″ (DN50) | 60.3 мм | 57.0 мм | 3.3 мм |
| 4″ (DN100) | 114.3 мм | 108.0 мм | 6.3 мм |
| 6″ (DN150) | 168.3 мм | 159.0 мм | 9.3 мм |
| 8″ (DN200) | 219.1 мм | 219.1 мм | 0 мм * |
| 10″ (DN250) | 273.0 мм | 273.0 мм | 0 мм * |
| 12″ (DN300) | 323.8 мм | 323.9 мм | 0.1 мм |
*Деякі розміри збігаються. Більшість ні. Завжди перевіряйте.
Я навчився цьому на важкому шляху в Таїланді, 2005. Ми прив’язували нове переробне підприємство до існуючого трубопроводу. Існуюча лінія була європейського зразка, маленька сімейка. Новий заклад побудовано за американськими стандартами, велика родина. Ніхто не впіймав це, поки ми не спробували встановити зв’язок. Фланці були на відстані 6 мм один від одного в отворах для болтів.
Ми витратили два тижні і чверть мільйона доларів на спеціальні адаптери. Клієнт не був задоволений. Я теж не був.
Гра «Товщина стін».: Чому розклад має значення
Ви коли-небудь замислювалися, чому труби мають різну товщину для однакового діаметру? Я тобі скажу. тиск.
Формула 2: Формула Барлоу (Найважливіше рівняння в трубопроводах)
P=2×S×tOD
Де:
- П = Тиск розриву (psi)
- S = межа текучості матеріалу (psi)
- t = Товщина стінки (дюймів)
- ОД = Зовнішній діаметр (дюймів)
Це рівняння, яке утримує трубу від вибуху. Збільште товщину стінки вдвічі, подвоїти номінальний тиск. просто.
Але тут все ускладнюється. Номери розкладу.
Таблиця 3: Загальні розклади для 6-дюймових труб (168.3мм OD)
| розклад | Товщина стінки | ID | Вага (кг / м) | Номінальний тиск (API 5L X42) |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 3.40 мм | 161.5 мм | 13.8 | 980 psi |
| 20 | 4.78 мм | 158.7 мм | 19.3 | 1380 psi |
| 30 | 5.54 мм | 157.2 мм | 22.3 | 1600 psi |
| 40 | 7.11 мм | 154.1 мм | 28.3 | 2050 psi |
| 60 | 8.74 мм | 150.8 мм | 34.5 | 2520 psi |
| 80 | 10.97 мм | 146.4 мм | 42.6 | 3170 psi |
| 100 | 13.49 мм | 141.3 мм | 51.5 | 3890 psi |
| 120 | 15.88 мм | 136.5 мм | 59.8 | 4580 psi |
| 140 | 17.48 мм | 133.4 мм | 65.1 | 5040 psi |
| 160 | 19.05 мм | 130.2 мм | 70.2 | 5500 psi |
Сам номер розкладу? Це приблизно 1000×P/S, де P - робочий тиск, а S - допустима напруга. Але чесно, цим ніхто не користується. Ми просто знаємо цей розклад 40 є стандартним, розклад 80 важкий, і Розклад 10 світло.
Я працював у Мексиканській затоці, де хтось замовив Розклад 10 для газопроводу високого тиску. Думали, що вони економлять вагу. Збережена вага, добре. Поки труба не розкололася під час гідровипробувань. На щастя, поруч ніхто не стояв.
Проблема ваги: Чому вам потрібно знати, скільки важить труба
Ви коли-небудь намагалися підняти 40-футовий шарнір 24-дюймового розкладу 60? у мене є. Він важить приблизно 12,000 фунтів. Це шість тонн. Ваш кран повинен це знати. Ваші підйомні стропи повинні це знати. Ваша планка розкидання має це знати.
Формула 3: Розрахунок ваги труби
W=0,02466×t×(OD−t)×L
Де:
- W = Вага (кг)
- t = Товщина стінки (мм)
- ОД = Зовнішній діаметр (мм)
- L = Довжина (м)
Або для вас імперські люди:
W=10,69×t×(OD−t)×L
Де t і OD у дюймах, L в ногах, W у фунтах.
Таблиця 4: Вага на фут для стандартних розмірів (розклад 40)
| Номінальний розмір | ОД (в) | Стіна (в) | Вага (фунт/фут) | Вага (кг / м) |
|---|---|---|---|---|
| 1/2″ | 0.840 | 0.109 | 0.85 | 1.27 |
| 3/4″ | 1.050 | 0.113 | 1.13 | 1.68 |
| 1″ | 1.315 | 0.133 | 1.68 | 2.50 |
| 1-1/2″ | 1.900 | 0.145 | 2.72 | 4.05 |
| 2″ | 2.375 | 0.154 | 3.65 | 5.43 |
| 3″ | 3.500 | 0.216 | 7.58 | 11.28 |
| 4″ | 4.500 | 0.237 | 10.79 | 16.05 |
| 6″ | 6.625 | 0.280 | 18.97 | 28.22 |
| 8″ | 8.625 | 0.322 | 28.55 | 42.48 |
| 10″ | 10.750 | 0.365 | 40.48 | 60.21 |
| 12″ | 12.750 | 0.406 | 53.52 | 79.60 |
Ось така історія. Північна Дакота, 2014, зима. Натягуємо трубу для 20-дюймової газопроводи. Вантажівка з’являється з купою суглобів. Бригадир дивиться на транспортні документи, дивиться на трубу, озирається на папери. “Це не так,” каже він.
Я роблю математику в своїй голові. На папері написано Розклад 40, 20-дюйма. Це 62 фунтів на фут. Кожен суглоб є 80 ноги. Це 5,000 фунтів на суглоб.
Я хапаю рулетку. Виміряйте стіну. Це 0.375 дюймів. Це розклад 30. Вага є 53 фунтів на фут. Різниця від 9 фунтів на фут, 720 фунтів на суглоб.
Млин послав не ту трубу. Було б добре для тиску—Розклад 30 все ще відповідає спец. Але підрядник уже склав свій план підйому, виходячи з більшої ваги. Їхні крани були оцінені за 5,000 фунтів за вибір. З трубкою запальнички, вони могли вибрати два джойнти одночасно. Подвоїти продуктивність. Але вони не знали, поки я не перевірив.
Завжди перевіряйте. Ніколи не довіряйте паперам.
Таємниця маркування: Що насправді означають ці цифри
Дивишся на шматок труби і бачиш купу марок. Що вони означають? Дозвольте мені розшифрувати один для вас.
приклад: API 5L X52 PSL2 12″ SCH 40 АКР 12345 12-21
- API 5L = Специфікація Американського інституту нафти для магістральних труб
- X52 = Мінімальна межа текучості 52,000 psi
- PSL2 = рівень специфікації продукту 2 (більш жорсткі допуски, більше тестування)
- 12″ = Номінальний розмір (але пам'ятайте, це 12,75″ ОД)
- SCH 40 = Товщина стінки (0.406″ для 12-дюймових)
- ERW = електричне зварювання (як це зроблено)
- 12345 = Число грі (для відстеження)
- 12-21 = грудень 2021 (дата виготовлення)
Таблиця 5: Загальні характеристики труб
| спекуляція | ПІБ | Типове використання | Мій досвід |
|---|---|---|---|
| API 5L | Лінійна труба | олія & транспортування газу | Найпоширеніший, надійний |
| ASTM A53 | Сталева труба, Чорний/гарячий | Низький тиск, структурний | Добре підходить для води, повітря |
| ASTM A106 | Безшовна вуглецева сталь | Високотемпературне обслуговування | Електростанції, нафтопереробні заводи |
| ASTM A312 | Нержавіюча сталь | Корозійна служба | Хімічні підприємства |
| ASTM A333 | Низькотемпературне обслуговування | Холодна погода | Арктичні трубопроводи |
| ASTM A335 | Легована сталь | Висока температура, високого тиску | Генерація електроенергії |
У мене була робота в Альберті, де клієнт вказав A106 для застосування при низьких температурах. Мінус сорок дизайн. A106 добре підходить при кімнатній температурі. При мінус сорок, він крихкий, як скло. Мав бути A333. Трубу ще не поставили — зачепили у дворі. Врятував їх катастрофічний провал.
Знайте свої характеристики. Знайте свою температуру. Знайте свій тиск.
Проблема підключення: Як з'єднується труба
Труба сама по собі - це просто довга труба. Марно, поки ви не підключите його до чогось. Ось як це відбувається.
Різьбові з'єднання
Маленька труба, низький тиск, не надто критично. 2-дюйм і менше, в основному. Ви обрізаєте нитки на кінці, прикрутіть фітинг, можливо, додати трохи наркотику або стрічки.
Формула 4: Залучення ниток
L2=0,8×D
Грубе правило: довжина заручин повинна бути приблизно 80% діаметра. Для 2-дюймової труби, це приблизно 1.6 дюйми зачеплення різьби.
Я бачив збій різьбового з’єднання у системі водопостачання у Флориді. Хтось не задіяв достатньо тем. Лише кілька поворотів. Коли тиснули, штуцер злетів. Зняв панель управління. Коштує п'ятдесят тисяч збитків.
Зварні з'єднання
Тут пройшла більша частина моєї кар’єри. Ви зварюєте труби разом. Звучить просто. Це не так.
Таблиця 6: Загальні типи зварних швів для труб
| Тип зварного шва | Товщина стінки | Позиція | Метод перевірки | Мої переваги |
|---|---|---|---|---|
| Зварювання встик | Будь-який | всі | RT, UT | Найкраще підходить для високого тиску |
| Зварний шов | < 2″ | всі | VT, MT | Добре підходить для малого отвору |
| Кутовий шов | Будь-який | всі | VT, MT, PT | арматура, вкладення |
| АКР | Тонка стінка | Фрезерний шов | UT, Вихровий струм | Лінійна труба |
Ключ зі зварюванням підгонка. Якщо кінці вашої труби не збігаються, ваш зварний шов не вийде. Мені байдуже, наскільки хороший зварювальник.
Формула 5: Допустимі зміщення
Mmax=0,1×t або 1/16″, який менший
Для стіни 0,5 дюйма, це 0.05 дюймів. Про товщину кредитної картки.
Я спостерігав, як зварювальник у Техасі намагався зварити 24-дюймову трубу з перекосом 3/16 дюйма. Його аргумент: “Я просто заповню його наплавленим металом.” Немає. Це джерело стресу. Це тріщина, яка чекає свого. Це провал за п’ять років замість п’ятдесяти.
Ми вирізали це і зробили знову. Він не був щасливий. Але труба не підвела.
Фланцеві з'єднання
Велика труба, Рукава високого тиску, або коли вам потрібно розібрати речі. Ви приварюєте фланець на кожному кінці, з’єднайте їх разом із прокладкою між ними.
Таблиця 7: Номінальний тиск фланця
| Клас | Номінальний тиск при 100°F | при 500°F | при 800°F | Загальне використання |
|---|---|---|---|---|
| 150 | 285 psi | 230 psi | 140 psi | Низький тиск |
| 300 | 740 psi | 665 psi | 410 psi | Середній тиск |
| 600 | 1480 psi | 1330 psi | 820 psi | Високий тиск |
| 900 | 2220 psi | 1995 psi | 1230 psi | Дуже високий |
| 1500 | 3705 psi | 3330 psi | 2050 psi | Екстрім |
| 2500 | 6170 psi | 5550 psi | 3415 psi | Не торкайтеся |
Ось що стосується фланців: прокладка важливіша за все. Неправильний матеріал прокладки? витік. Неправильний момент затягування болта? витік. Бруд на ущільнювальній поверхні? витік.
Я провів три дні на морській платформі в Північному морі, шукаючи витік фланця. Два рази міняв прокладку. Перевірив болти. Перевірив вирівнювання. Все ще просочується.
Нарешті, Я провів пальцем по поверхні фланця. Відчув маленьку подряпину. можливо 0.002 дюймів глибиною. Але по всій ущільнювальній поверхні, цього було достатньо. Ми притерли фланець, нова прокладка, закручений до спец. Немає витоку.
Диявол криється в деталях.
Режими відмови: Як помирає труба
Труба не триває вічно. Ось як це відбувається.
Корозія
Це великий. Іржа. Їсть трубу зсередини, назовні в, або обидва.
Формула 6: Надбавка на корозію
необхідний=tтиск+tкорозія
Стандартна практика: додати 1/16 дюйма (1.6мм) для корозії. Більше, якщо рідина неприємна.
Я оглянув газопровід у Західному Техасі, який експлуатувався сорок років. Оригінальна стіна була 0.250 дюймів. Ми виміряли його на 0.185. Загублений 65 тисячних до корозії. Це 0.0016 дюймів на рік. Точно за розкладом.
Але ось страшний. Лінія в Мексиканській затоці, кислий сервіз, 5% H2S. Втрата стіни була 0.010 дюймів на рік. У п'ять разів швидше, ніж прогнозувалося. чому? Бактерії. Сульфатвідновлювальні бактерії у воді посилили корозію. Ніхто це не моделював.
Втома
Вигини труб, цикли стресу, розростаються тріщини. Зрештою, це не вдається.
Формула 7: Втома життя (Спрощено)
N=C×(Ds)−м
Де N – цикли до відмови, Δσ – діапазон напружень, C і m — константи матеріалу.
Для сталевих труб, м приблизно 3. Подвоїти діапазон напруги, і довговічність у втомі падає в рази 8.
Я бачив це на компресорній станції в Пенсільванії. Труба вібрувала. Невеликі вібрації, можливо 0.1 дюймова амплітуда. але 60 разів на секунду. Це 5 мільйонів циклів на день. Через півроку, з'явилися тріщини. Через вісім місяців, витік.
Ми виправили це, додавши опори. Змінено власну частоту. Зупинив вібрацію. Але тріщина вже була.
Механічні пошкодження
Хтось б’є по трубі екскаватором. На нього падає камінь. По ньому проїжджає вантажівка. Вм'ятини, виїмки, подряпини.
Формула 8: Серйозність вм'ятин
Вм'ятина%=ГлибинаДіаметр×100
Якщо глибина вм'ятини > 2% діаметра, у вас проблема. Для 30-дюймової труби, це 0.6 дюймів. Все, що глибше цього, вам потрібно дослідити.
Я досліджував вм’ятину на 36-дюймовій газовій лінії в Огайо. Хтось впустив на нього дерево під час будівництва. Дент був 1.2 дюймів глибиною. 3.3% діаметра. Аналіз показав, що це безпечно за робочого тиску. Але через п'ять років, на краю вм'ятини почалася тріщина. Ми впіймали його під час тестування на ГПЗ, перш ніж він вийшов з ладу.
іноді “безпечний” не є безпечним назавжди.
Нове: Куди ми прямуємо
Високоміцні сталі
X70, X80, навіть X100 тепер. Міцніша сталь означає тонші стінки, легша труба, дешевший монтаж.
Таблиця 8: Порівняння марок сталі
| Оцінка | Межа текучості (хв) | Міцність на розрив | Загальне використання | Зварюваність |
|---|---|---|---|---|
| X42 | 42,000 psi | 60,000 psi | Старі трубопроводи | Легкий |
| X52 | 52,000 psi | 66,000 psi | стандарт | добре |
| X60 | 60,000 psi | 75,000 psi | Більш високий тиск | добре |
| X65 | 65,000 psi | 77,000 psi | Офшори | Обережно |
| X70 | 70,000 psi | 82,000 psi | Далека відстань | Необхідний попередній нагрів |
| X80 | 80,000 psi | 90,000 psi | Арктика | Важкий |
Але тут є заковика: міцнішу сталь важче зварювати. Більше попереднього нагріву. Додаткова термічна обробка після зварювання. Більш дбайливі процедури.
Я спостерігав, як підрядник намагався зварити X80 за процедурою X52. Скрізь холодні тріщини. Довелося вирізати з десяток стиків. Обійшовся їм у мільйон доларів.
Покриття
Старі часи: кам'яновугільна емаль. Безладний, токсичний, але це спрацювало.
Зараз: тришаровий поліетилен, епоксидна смола, поліуретан.
Таблиця 9: Види покриття
| Покриття | Макс. темп | Застосування | Мій досвід |
|---|---|---|---|
| FBE | 80° С | Рослинно-прикладний | добре, але крихкий |
| 3LPE | 60° С | Рослинно-прикладний | Жорсткий, перевірено в полі |
| Кам'яновугільна смола | 50° С | Польове застосування | Стара школа, безладний |
| Бетону | N/A | Вагове покриття | Тільки офшори |
| Стрічка | 40° С | Польовий ремонт | Тільки тимчасово |
Я оглянув лінію в пустелі, де покриття FBE вийшло з ладу через п’ять років. УФ-опромінення. Наготувала сонце. Спец сказав, що це добре для двадцяти. Це не було.
Огляд
Розумні свині. КУПИТИ. Ультразвуковий. Витік магнітного потоку. Ми можемо бачити всередині труби краще, ніж будь-коли.
Але ось що: перевірка виявила проблеми. Це не виправляє їх. І кожна проблема, яку ви знайдете, коштує грошей. Деякі оператори перестають шукати, тому що не хочуть нічого знайти.
Ось як трапляються невдачі.
Що я навчився
Через тридцять років, ось що я знаю про сопілку:
Це просто трубка. Але це трубка під тиском, повний речей, які можуть вас убити, закопаний у землю, де його не видно.
Поважайте цифри. Перевірте все. Довіряй, але перевіряй.
Труба не дбає про ваш графік чи бюджет. Він дбає про стрес, корозію та втому. Він піклується про фізику.
І фізика завжди перемагає.
Я бачив, як труба руйнується з нуля, яку ви ледве бачите. Я бачив, як труба служить сто років у найгірших умовах. Я бачив хороші та погані рішення. Я зробив обидва.
Різниця між хорошим інженером і поганим полягає в тому, що він не знає формул. Це знання, коли їм довіряти, а коли ставити під сумнів.
Ця лінія в Західному Техасі, про яку я згадував? Той, з 65 тисячні частки корозії? Він все ще працює. Ми порахували, додав фактор безпеки, і вирішив, що це ще десять років.
Можливо, так і є. Можливо, це не так. Ми дізнаємось.
Це те, що стосується труби. Це змушує вас здогадуватися.
Ви повинні бути увійти в систему щоб залишити коментар.