Table of Contents
עיצוב פירים עבור יישומים תת-ימיים ו- subsea הוא משמעת הנדסית קפדנית המוגדרת על ידי דרישות סביבתיות קיצוניות.מרכיבים מסתובבים אלה, שנמצאו בכלי רכב המופעלים מרחוק (ROVs), משאבות תת-ימיות, צריחים, ומעבדים ציוד, חייבים לפעול באופן אמין בסביבות מלח מים, שבו לחצים יכולים לעלות על 1,000 אטמוספרה והתקפות קורוזיות עמוקות הן ללא הרף.
קורוזיה מכניזם בסביבה תת-קרקעית
מלח מים הוא אלקטרוליטי אגרסיבי מאיץ את קורוזיה אלקטרוכימית.עבור פירים תת-ימיים, האתגר קורוזי אינו מוגבל לאובדן חומרי אחיד; צורות מקומיות כגון פיזור, קורוזיה, ועומס התמוטטות קורוזיה (SCC) לעתים קרובות יוזמים כישלון היטב לפני קורוזיה כללית הופכת קריטית.
קורוזיה אחידה ופיטינג
אחידות ממשיכה בהתמדה על פני פני פני השטח של הפיר, צמצום עובי הקיר וכושר הפחתת עומס הקיבולת.פיטינג, עם זאת, הוא יותר מסובסד - קטן, מקומי בצורת חללים ולהעמיק במהירות, מתנהג כמו העלאת מתח שיכול לגרום סדקים עייפות. Stainless פלדה מסתמכת על סרט סגסוגת כרום פסיבי להגנה; במי ים שרוף, זה יכול לשבור את המספר הכימי של 1FEN (Fact) מסגסוגת מקומית: 1.
(ב) ⁇ =%Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N)
עבור פירים תת-ימיים, A PREN של 40 ומעלה (כפי שנראה בפלדות על-טבעיות) הוא לעתים קרובות מוגדר להתנגד לבור בתנאי מים חמים, ממריצים.
קריקטור קורוזיה
המודולים נוצרים תחת חותמות, מתחת לציפויים, או בין מרכיבים מצופים שבהם מים סטרנטיאנטים יוצרים תא שליחה שונה.הגאומטריה המוגבלת הופכת לדה-אוקסגנטגנד, וכלור נודדים כדי לשמור על איזון המטען, חומציות הסביבה המקומית.תופעה זו יכולה לערער את ממשק החותם המעוצב הטוב ביותר.
מתח קורוזיה קרקר וקורוזי Fatigue
SCC מתרחשת כאשר מתח Tenile וסביבת קורוזיבי מסוים משלב לייצר שבר בעומס רחוק מתחת לחוזק התשואות של החומר.עבור פירים תחת עומסים רצופים, FLT:0corrosion עייפות FLT:1 - הפעולה בו זמנית של לחץ מחזורי ומים מלוחים - היא מצב הכישלון הדומיננטי.
מיקרוביולוגית השפיעה על קורוזיה (MIC)
biofilms ימיים המכילים חיידקים sulfate-reducing (SRB) ומיקרואורגניזמים אחרים יכולים להאיץ את קורוזיה על ידי הפקת metabolites אגרסיבי כגון מימן sulfide. MIC הוא בעייתי במיוחד בסביבות תת קרקעיות עשירות תזונתיות, יכול לגרום לנפיחות חמורה בפלדות אל-חלד וסגסוגת המבוססת ניקל.
אסטרטגיות הגנה על בקרת קורוזיה
אף שיטה אחת אינה מספקת חסינות מלאה.במקום זאת, גישה רב-צרה המשלבת ברירה חומרית, ציפויים והגנה קטוודית היא תרגול סטנדרטי בעיצוב פיר תת-ימי.כל מחסום נועד לגבות את האחרים, ומבטיחה המשך ההגנה גם אם שכבה אחת נפגעת.
בחירה חומרית
קו ההגנה העיקרי הוא חומר הבסיס.עבור פירים תת-ימיים, משפחות ⁇ הבאות הן הנפוצות ביותר:
- (FLT:0) סופר דו-חמצני של סטילספל חסר-דופן:1 (למשל, UNS S32760, S32750): להציע איזון מצוין של כוח (yield > 550 MPa), התנגדות קורוזיה, ועלות.N ערכים של 40-45 להפוך אותם מתאימים עבור יישומים רדודים עד בינוניים ביותר.
- (FLT:0) Nickel-based AlloysFIRLT:1 (למשל, Inconel 625, Hastelloy C-276): בשימוש בשירות סוח אגרסיבי או במעמקים גדולים שבהם רמות כלור וטמפרטורות קיצוניות.הם מפגינים התנגדות יוצאת דופן לבור ו-SCC אבל הם יקרים יותר ויותר למכונה.
- (FLT:0) טיטניום אלוזיאונד 1 (למשל, Ti-6Al-4V, דרגה 23): באופן טבעי ליצור סרט פסיבי יציב אשר מתנגד לבור, קורוזיה, ועייפות קורוזיה טוב במיוחד. טיטניום הוא גם חצי צפיפות של פלדה, צמצום מסה רוטטת.
- (FLT:0)Copper-Nickel AlloysveFLT:1 (למשל, 90-10 CuNi, 70-30 CuNi): בעוד לא חזק כמו אלד או טיטניום, הם מציעים התנגדות ביו-פופולטיבית טובה והם משמשים לעתים קרובות עבור שרוולים פירים או פרצופים חותם בשירותים פחות תובעניים.
קידודים מוגנים
קואטינגס מספק מחסום פיזי בין המתכת לסביבה הקובנית.עבור פירים תת-ימיים, מערכת הציפוי חייבת גם לעמוד בסתירה מפני חותםים, השפעה במהלך ההתקנה, וחירות ארוכות טווח כוללים:
- (FLT:0) Thermal Spray Coatingsph:1; High-velocity oxy-דלק (HVOF) ריסס ציפויים של carbide tungsten או chromium carbide מוטבע ב cobalt או ניקל ממטריקס מציעים ללבוש מעולה והתנגדות קורוזיונית.
- (FLT:0)Epoxy ו- Polyurethane StickingsFLT (:1: מערכות תלת-סרטים (בדרך כלל 500-1000 μm) מוחלות על אזורים פירים שאינם שותים.הם חייבים לבדוק באופן קבוע ולתקן אם ניזוק; אפילו פיטורים קטנים יכולים להוביל לשחיקה.
- (FLT:0Ceramic CoatingsFLT:1: Alumina או zirconia ציפויים החל באמצעות תרסיס פלזמה לספק קשיחות גבוהה תכונות מחסום קורוזיה מעולה אבל הם רזים ולא יכולים להכיל flexing פיר.
- (ב) ,0) ניתן ליישם את ניקל פלאטינגפל (Norel PlatingFLT:1: 1): ציפוי ניקל-phosphorus ניקל-phosphorus אחיד למגרשים מורכבים ולהציע התנגדות קורוזיה טובה במי הים, אך הם רכים יחסית ועשויים ללבוש תחת מגע חותם.
הגנה קטוודית
הגנה קטוודית (CP) כמעט אוניברסלית מוחלת על פירים תת-ימיים ורכיבים קשורים.על ידי הפיכת הפיר הקטודה בתא אלקטרוכימי, קורוזיה עוברת לכדי התמוטטות הקרבית או למערכת נוכחית מרשימה.
- (FLT:0) Anode LocationFLT:1: שרידים הקרביים (אלומיניום רטייסי או סגסוגת אבץ) רכובים על המבנה התומך של הפיר או על מרכזי סמוכות, המבטיחים הפצה אחידה הנוכחית.
- (FLT:0Current צפיפות דרישות דרישות ההרחבה:1: ערך עיצוב טיפוסי עבור פלדה פחמן חשוף במי ים הוא 100-150 mA / m2, אבל פירים מצופים דורשים זרמים נמוכים יותר. Overprotection (יותר מדי פוטנציאל) יכול לגרום להתגלמות מימן בפלדות גבוהות ו טיטניום, כך פוטנציאל נשמר בטווח -0 - V.2 - V.
- (FLT:0)MonitoringFLT:1: קווי אלקטרודות ו קופונים מאפשרים מדידה פוטנציאלית בזמן אמת כדי לאמת רמות הגנה. עבור פירים קריטיים, מערכות קבועות CP נוכחיות עם לולאות בקרה אוטומטיות משמשים.
התנגדות ללחץ: עיצוב מבני למים עמוקים
לחץ הידרוסטטי עולה על ידי בערך 0.1 MPa (1 בר) ל 10 מ' של עומק מים ים. at 3,000 מ', נפוץ עבור שדות החוף המודרניים, הלחץ הוא 30 MPa - 4,350 psi) שפטים אינם רק נתון ללחץ החיצוני הזה, אלא גם חייב לשדר לעומס אקסק ו axial תוך שמירה על היישור מדויק.
קיר תנוחות והתנגדות
(ה) משוואה יסודית לצמצום הלחץ של גליל עבה תחת לחץ חיצוני מבוססת על הפתרון של למא"ל (Lamé's Solution) עבור פיר עם קוטר חיצוני:0DigFLT:1evolveFLT:2ocioFLT 3:2FLT 3:FLT 3:DLT: 5DLT 7 (אם כן), הלחץ החיצוני של התמוטטות:
(ב) ויקרא י"ד): "[2]" (=2=2=2=2=2=2= ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
כאשר ⁇ tureFLT:0 ⁇ FLT:1 = כוח תשואות ו t = עובי קיר. גורם עיצוב של 1.5-2.0 הוא אופייני כדי להסביר סובלנות ייצור וריכוזים לא ידועים. עבור פירים מוצקים, קריסת היא לא דאגה, אבל פני השטח החיצוני הוא בדחיסה משולשת; התיאוריה הלחץ המרבי של הרזה (Tresca) משמש כדי להבטיח את הלחץ המדינה מתחת לתוספת מתקדמת ניתוח קיסרי (Flines), הוא בדרך כלל, כדי להעלות אפקטים מרכזיים).
עייפות תחת לחץ Cyclic
ציוד צוללות לעתים קרובות חווה תנודות לחץ עקב שינויים תפעוליים, מחזורי התחלה או מדינות ים גסות.שפטים חייבים להיות מיועדים עבור FLT:0pressure רכיבה על אופניים עייפותFLT:1 בנוסף לרכיבה מכנית עומס מכנית.הלחץ המשתנה מעצימה משינויים בלחץ יכול להיות קטן יחסית ללחץ הממוצע, אבל מעל מאות אלפי מחזורים זה יכול לנפח סדקים.
טכנולוגיות ל-High-Pressure Subsea Shafts
חותמות דינמיות המאפשרות סיבוב פיר תוך מניעת מי ים בתוקפנות הן בין הרכיבים הקריטיים והמאתגרים ביותר.כישלון של חותם פיר יכול להוביל להצפות מיידית של הציוד הפנימי (למשל, מנוע חשמלי או תיבת הילוכים).
- (FLT:0)Lip SealsFLT:1: Elastomeric Seals with a מעיינות כי מגעים עם הפיר.חומרים נפוצים הם nitrile גומי (NBR) או nitrile מימן (HNBR) לטמפרטורות בינוניות, ופלוורופחמן (FKM) או perfluorlastomer (FFK) לטמפרטורות גבוהות הם פועלים עד 20a מיוחד ללא תמיכה MP.
- (FLT:0) מול פנים מכניות חותםים 1FLT: שני פנים שטוחות, אחד מסתובב עם הפיר ותחנת אחד, חבר תחת עומס האביב והלחץ.עם חומרים קשים (carbide נגד גרף פחמן) הם יכולים להתמודד עם לחצים מעבר ל 50 MPa ומהירויות עד 10 מ"מ /s. הם יקרים יותר, אבל מציעים שיעורי דליפה נמוכים מאוד.
- (FLT:0) Pressure-Compensated SealsveFLT:1; נוזל מחסום בלחץ מעט מעל לחץ המים החיצוני מוצג אל תא החותם.זה מונע כל לחץ שונה ברשת על פני פני החתימות, צמצום ללבוש וחיסול הדליפה פנימה.
- (ב) [ה]ה': [ה], [ה], [ה], [ה], [ה], [ה]]]], [ה], [ה]]]ה'[ה']'], [ה'[דרוש] את ה'''''''''''''''''']'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
עיצוב חותם חייב לקחת בחשבון עבור (FLT:0) לחץ הפיכה לאחור ונזקי חותם פוטנציאליים.
בחירת חומרים ללחץ ושומן
מעבר להתנגדות קורוזיה, חומרים פירים תת-ימיים חייבים להפגין כוח גבוה, קשיחות טובה בטמפרטורות נמוכות, ותכונות עייפות מצוינות.השולחן הבא (הנוכח באופן קונספטואלי) משווה ⁇ מפתח:
- (FLT:0) Super Deutsch Stainless Steel (UNS S327IR60)FLT:1: Yield 550 MPa, UTS 800 MPa, אורך 25%, התנגדות טובה מאוד ל-SCC ועייפות קורוזיה.
- (ב) 625 (רזולוציה annealed) קיד 1:1: Yield 410 MPa, UTS 830 MPa, אורך 45%, התנגדות מצוינת לבורח ו-SCC אפילו בטמפרטורות גבוהות.
- (FLT:0)Ti-6Al-4V (ז'ד) אנדרל 1: Yield 830 MPa, UTS 900 MPa, אורך 14%, כוח עייפות קורוזי יוצא דופן במי הים, אך כפוף להתגלמות מימן אם מוגן יתר על המידה באופן קטווידי.
- (FLT:017-4 PH Stainless Steel (H900 Conditioneur)FLT:1: Yield 1,170 MPa, UTS 1,310 MPa, אורך 15%, כוח גבוה אך התנגדות קורוזיה מוגבלת לעומת סופרבול; בשימוש רק עם ציפוי חזק ו- CP.
עבור כל חומר מועמד, בדיקות סטנדרטיות כגון FLT:0ASTM GIR61FLT:1 (cyclic Poweriodynamicקוטization) ו-FLT:2ASTM E46603ureFLT 3: 3 (מבחן עייפות אקסקליאלי במי הים) נערכים כדי לאמת ביצועים בתנאים תת-ימיים מדומים.
ייצור ואיכות
פירים צוללות מיוצרים כדי לדקלם סובלנות, לעתים קרובות עם סובלנות סופית של ±0.025 מ"מ על קוטרים קריטיים.תהליך הייצור כולל בדרך כלל:
- (ב) ,0) , ⁇ : איכות גבוהה של קשת ואקום הדהד (VAR) או אלקטרוסלאג remelted (ESR) כדי למזער את ההכללות. חם לחדד את מבנה הדגנים ומיישר אותו עם הציר.
- (FLT:0) Heat TreatmentveFLT:1: פתרון annealing ו quenching עבור superplex וסגסוגת ניקל; ההזדקנות עבור ציונים מוחלשים משקעים. טיפול חום חייב להתבצע בטמפרטורות מבוקרות כדי למנוע זיהום פני השטח.
- (ב) ⁇ :0) ⁇ (מ"מ): תפנית קשה לאחר סיום שחיקה או תפנית קשה.סיומו של מעבר פני השטח הוא קריטי לחיי חותם; ערכיו של 0.2–0.4 מיקרומטר נפוצים על פני השטח של חותם.
- (הופנה מהדף NDT)IFLT:1:2 (Ultrasonic Testing) (ASTM E1004)FLT 3 עבור פגמים מורכבים, בדיקת חלקיקים מגנטית (ASTM E1444) עבור חומרים מפרטרומגנטיים, ו- PART (ASTM E1014 for Surfaces for Stresss, 100% הוא בדיקה.
- (FLT:0)Hydrostatic ו Burst TestingFreaLT:1; פיר מדגם או קופון נציג הוא לחץ על 1.5× לחץ עיצוב. Leak בדיקות של אסיפות חותם מבוצעת בלחץ המערכת במשך 24 שעות.
תקני איכות כגון:0) ISO 13628-1FIRLT:1 עבור ציוד ייצור תת-ימי ו NORSOK M-001 לספק את המסגרת של חומרים וייצור.
פתרונות חדשניים ומגמות עתידיות
הכונן אל מים עמוקים יותר וחיי שדה ארוכים יותר (30+ שנים) דוחף חדשנות בטכנולוגיית פיר הים.כמה מגמות מתעוררות צוברות מתח:
אתר אינטרנט ו-Hyated Shafts
פירים פחמן-reinforced פולימרי (CFRP) מציעים חיסכון במשקל של 60% או יותר בהשוואה למתכת, יחד עם התנגדות קורוזיה טארגון טבורי (CFRP) הם כבר בשימוש בדחפורים ROV קלים.עיצובים היברידיים משתמשים בשחפת CFRP עם תכונות מתכת עבור חיבור להפיכה ונושאות. אתגרים כוללים הבטחת קשר אמין בין מתכת מורכבת, ומתנגדים למטרסטיקה תחת לחץ גבוה בתכונות של אפוקסגניות.
מערכות ניטור חכמות
חיישנים מאוישים - סיבים Bragg grating (FBG) אופטיים סיבים, חייטת אקוסטית ומדני זנים - יכולים לפקח באופן רציף על מצב פיר, נתונים בזמן אמת על torque, רטט, טמפרטורה, ופוטנציאל קורוזי מאפשר תחזוקה חיזוי, צמצום עומסים לא מתוכנן בזמן.
טיפול פנים מתקדם
ציפוי פחמן דמוי יהלום (DLC) , המופעל על ידי פיזור כימי (CVD) או נפילה פיזית (PVD), ליצור קשה מאוד (עד 40 GPa) ומשטח נמוך חיכוך. DLC-coated פירים הראו התנגדות יוצאת דופן ללבוש וקורוזיון בבדיקות מעבדה, אם כי קנה מידה גדול של קוטרים נשאר אתגר ייצור.
ייצור תוספת
ייצור תוסף Wire-arc (WAAM) ו-SLM (SLM) מאפשר ייצור של פירים דמויי רשת-שאפ עם ג'ממטים פנימיים מותאמים למטריות פנימיות - כגון ערוצי קירור אינטגראליים או ליבות לליטאז קל משקל - אשר להפחית את המשקל תוך שמירה על כוח. Post-printing amstatic לחיצה (HIP) מסמן את החומר כדי להשיג תכונות דומות לסגסוגת של סגסוגת, לדוגמה, לדוגמה, עבור ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
מסקנה
עיצוב פירים עבור יישומים תת-ימיים ו- subsea דורש גישה משולבת כי בו-זמנית מתייחס קורוזיה, לחץ גבוה, עייפות, חותם, ומורכבות הייצור.לא חומר או שיטה יחיד; מהנדסים חייבים לשלב סגסוגת עמידת קורוזיה, ציפויים חזקים, פירים מוכחים, הגנה קטוודית, חסימת לחץ-resistant הנדסה ומעצבים מתקדמים כדי להבטיח אמינות לאורך עשרות שנים של שירות מתקדם, חיישנים חכמים, ופעולות ייצור אפילו יותר, אך ורקמות חומרים מכניים, מסוגלים לספק את הסביבה החומרית גבוהה יותר, אך ורקמות מכנית-מתאים חזקים יותר, אך ורק לאחר מכן, אך ורק כדי לספק את השינויים בלחץ, אך ורק על ידי תכנון חומרים מכניים, אך ורק על ידי תכנון עמוק של תאים מכניים, אך ורקמות מכניים, אך ורק על ידי תכנון, ופעולות מכניים, אך ורקמות חומרים מכניים, אך ורקמות, פועלים, פועלים, פועלים, אך ורקמות חומרים מכניים, אך ורקמות חומרים מכניים, אך ורקמות מכניים, פועלים, כדי להבטיח אמינות גבוהה יותר, כדי להבטיח אמינות גבוהה יותר, אך ורקמות מכניים, אך ורקמות מכניים, פועלים, אך ורק על ידי תכנון, כדי להבטיח אמינות גבוהה יותר, אך ורקמות חומרים