Brezšivne in varjene cevi: obsežen vodnik za naftno in plinsko industrijo

Jeklene cevi so hrbtenica naftne in plinske industrije in se uporabljajo v vseh fazah, od pridobivanja do predelave in transporta.

Izbira pravilne vrste cevi je ključnega pomena za zagotavljanje varnega, učinkovitega in zanesljivega delovanja.

Thedve glavni kategoriji jeklenih cevi sta brezšivne in varjene, vsak z edinstvenimi lastnostmi in aplikacijami.

V tem članku bomo podali celovito primerjavo brezšivnih in varjenih cevi v okviru naftne in plinske industrije.

Pokrivali bomo proizvodne procese, bistvene lastnosti in prednosti vsake vrste ter najpogostejše uporabe.

Razpravljali bomo tudi o različnih možnostih materiala, vključno z ogljikovim jeklom, legiranim jeklom, nerjavnim jeklom in nikljevimi zlitinami, ter navodilih za izbiro pravilnega razreda za različna okolja.

Nazadnje se bomo poglobili v praktične vidike določanja in naročanja cevi, vključno z ustreznimi standardi, dimenzijami in končnimi zaključki.

Na koncu tega članka boste temeljito razumeli razlike med brezšivnimi in varjenimi cevmi ter se opremili za sprejemanje premišljenih odločitev za svoje naftne in plinske projekte.

Razložene vrste cevi

Naftna in plinska industrija uporablja tri glavne vrste jeklenih cevi: brezšivne, ERW (električno uporovno varjene) in LSAW (vzdolžne varjene pod praškom).
 

Brezšivne ceviso izdelani iz trdnih jeklenih gredic, ki se segrejejo in potisnejo ali potegnejo čez obliko, da se ustvari votla cev brez varjenih šivov.

Običajno se uporabljajo za visokotlačne-aplikacije v dejavnostih na zgornjem delu verige, kot so vrtanje in raziskovanje, prenos tekočine v srednjem toku, rafiniranje na koncu proizvodne verige in komunalne storitve.

ERW ceviso narejeni s hladnim{0}}oblikovanjem, pri čemer se jekleni zvitki oblikujejo v cilindrične oblike, šivi pa so zvarjeni skupaj z električnim tokom.

Varjeni šiv poteka po dolžini cevi. Cevi ERW so stroškovno-učinkovite za nizko{2}}do-srednje-tlačne aplikacije, kot je transport vode, nafte in plina.

LSAW ceviso izdelani z krivljenjem in varjenjem jeklenih plošč po dolžini, pri čemer šiv poteka naravnost (vzdolžni šiv) ali v spirali.

Uporabljajo se za cevi velikega-premera (16-60 palcev) v kritičnih aplikacijah, kot so naftovodi in plinovodi na dolge razdalje, ki potekajo skozi mesta ali pod vodo.

Spodnja tabela povzema ključne razlike med temi tipi cevi in ​​njihovo tipično uporabo v naftni in plinski industriji:
 

Proizvodni proces za brezšivne cevi, cevi ERW in LSAW

Proizvodnja brezšivnih cevi

Brezšivne cevi so izdelane s postopkom vroče obdelave brez varjenja. Glavni koraki so:
 

Trdna okrogla jeklena gredica se segreje v peči z rotacijskim ognjiščem na približno 1204C/2200F.

V-ogreto gredico nato preluknjamo skozi sredino s prebodno konico, da ustvarimo votlo cev.

Votla cev gre skozi mlin za čepe, kjer je vstavljen trn. Cev se nato valja, da se zmanjša debelina stene in poveča dolžina.

Cev se nato spusti skozi stojala za dimenzioniranje, da se dosežejo končne dimenzije.

Po ohlajanju se cev zravna, razreže na dolžino, testira in odpremi.

Brezšivne cevi je mogoče dodatno hladno vlečeti za izdelavo cevi z manjšimi premeri in tanjšimi stenami.

Proizvodnja cevi ERW

Cevi ERW so izdelane s hladnim{0}}oblikovanjem jeklenih zvitkov in varjenjem šiva:
 

Izbere se ustrezna širina in debelina jeklene tuljave, ki se naloži na odvijalnik.

Trak gre skozi valje in ga postopoma oblikuje v okroglo obliko.

Vzdolžni robovi se segrejejo s-visokofrekvenčnim tokom med njimi.

Zvitki stisnejo robove skupaj, da ustvarijo talilni zvar brez dodajanja polnilne kovine.

Zvarjena cev gre skozi stojala za dimenzioniranje, da doseže končni premer.

Cev je razrezana na določeno dolžino, konci so oblikovani (navadni, poševni, z navojem itd.) in cev je testirana pred odpremo.

Celoten proces ERW je neprekinjen, pri čemer se cev premika s konstantno hitrostjo skozi oblikovalna in varilna stojala.

Proizvodnja cevi LSAW

LSAW cevi so izdelane iz jeklene plošče, ki je oblikovana in varjena:
 

Izberemo jeklene plošče, robove pa rezkamo, da jih pripravimo za varjenje.

Plošča je predhodno upognjena na stiskalnici, da se začne oblikovati v okroglo obliko.

AU-stiskalnica oblikuje ploščo v-obliko, O-stiskalnica pa zapre U v cev.

Vzdolžni šiv je najprej zavarjen na notranji strani, da drži robove skupaj.

Cev se nato napelje skozi avtomatske varilne postaje, ki izvedejo več prehodov obločnih zvarov znotraj in zunaj šiva.

Mehanski ekspander rahlo razširi varjeno cev, da doseže pravilno okroglo obliko.

Cev je razrezana na določeno dolžino, prirezana, hidrostatsko testirana in pregledana pred odpremo.

Cevi LSAW se običajno uporabljajo za večje premere (16" in več) in imajo debelejše stene kot cevi ERW.

Prednosti in slabosti brezšivnih cevi, cevi ERW in LSAW

Brezšivne cevi

prednosti:

Brez varjenega šiva odpravlja morebitne šibke točke in omogoča višje stopnje tlaka

Gladka notranja površina zmanjšuje trenje in turbulenco za boljše lastnosti pretoka

Vrhunska trdnost, vzdržljivost in odpornost na upogibne in udarne sile

Odlična odpornost proti koroziji zaradi pomanjkanja varjenih šivov

Dobro prenaša visoke temperature in pritiske, zaradi česar je idealen za kritično uporabo nafte in plina, kemikalij in energije

Slabosti:

Dražji od varjenih cevi zaradi zapletenega postopka izdelave

Omejen razpon velikosti z izzivi pri izdelavi zelo majhnih ali zelo velikih premerov

Večje dolžine so zapletene, zato so možnosti velikosti morda bolj omejene kot pri varjenih ceveh

Debelejše stene in večja teža od varjenih cevi

ERW cevi

prednosti:

Nižji stroški kot brezšivni zaradi enostavnejšega in bolj avtomatiziranega postopka varjenja

Na voljo v daljših dolžinah, saj ni omejitev glede velikosti, kot je brezšivna

Tanjše stene in manjša teža od brezšivnih, hkrati pa ohranja dobro trdnost

Gladke notranje in zunanje površine

Primerno za splošne aplikacije z nizkim do zmernim{0}}tlakom, kot so komunalne storitve in gradbeništvo

Slabosti:

Zvarni šiv je potencialna šibka točka v primerjavi z brezšivnim, ki znižuje tlačne vrednosti

Zvar je bolj dovzeten za korozijo kot brezšivno telo

Za zagotovitev celovitosti je potrebno obsežno testiranje zvara

Ni primeren za kritično visok-tlak, visoko-temperaturo ali težke servisne aplikacije

Cevi LSAW

prednosti:

Prenaša višje pritiske in mehanske obremenitve kot ERW zaradi težjih sten in večkratnih varjenih prehodov

Prilagodljivost dimenzioniranja-običajna izbira za cevi velikega premera nad 16"

Ozke tolerance in dober nadzor dimenzij

Primerno za kritične aplikacije, kot so daljnovodi-za prenos nafte in plina

Slabosti:

Zaradi težjih materialov in posebnega postopka varjenja je dražji od ERW

Možnost napak pri varjenju, če proces ni ustrezno nadzorovan, kar zahteva strog pregled in testiranje

Debele in težke stene povečujejo materialne stroške v primerjavi z ERW

Omejitve velikosti in dolžine v primerjavi z ERW

Če povzamemo, brezšivne cevi zagotavljajo najvišjo trdnost, tlačno zmogljivost in odpornost proti koroziji, zaradi česar so idealne za zahtevno uporabo v nafti in plinu, kemikalijah in elektrarnah.

Kompromisi so višji stroški in več možnosti velikosti.

ERW je stroškovno-učinkovita izbira za splošne uporabne in gradbene aplikacije, kjer zvarni šiv ni pomembna skrb za celovitost.

Ponuja široko paleto velikosti in dolgih dolžin.

LSAW je varjena možnost za-težke pogoje za visokotlačne cevovode velikega{1}}premera-, ki zahtevajo najvišjo kakovost varjenja in pregled.

Več{0}}varjeni zvari zagotavljajo trdnost, ki se približuje brezšivnim.

Ključno je izbrati pravi izdelek na podlagi temeljite ocene uporabe ter tlaka, temperature, korozivnosti in kritičnosti okolja.

Izbira idealnih vrst jekla za cevi za nafto in plin

Legirano jeklo

Legirana jekla poleg železa in ogljika vsebujejo legirne elemente za izboljšanje trdnosti, žilavosti, odpornosti proti koroziji ali visokih-temperaturnih zmogljivosti.

Nizko legirana jekla (manj kot 8 % vsebnost zlitin) se običajno uporabljajo v naftni in plinski industriji za:
 

Vrtalne cevi in ​​vrtalne obrobe

Ohišje in cevi

Ventili, vodnjaki in božična drevesca

Pritrdilni elementi, kot so matice, vijaki in čepi

Legirni elementi dajejo večjo trdnost, kar omogoča uporabo tanjših sten, kar zmanjša težo in stroške. Nekatere zlitine so odporne tudi proti razpokanju in koroziji zaradi vodikovega sulfida (H2S).

Ogljikovo jeklo

Ogljikova jekla vsebujejo predvsem železo in ogljik, le nekaj preostalih elementov.

Glede na vsebnost ogljika so razvrščeni kot nizko, srednje ali visoko ogljik. Ogljikova jekla se pogosto uporabljajo v nafti in plinu za:
 

Pretočni vodi in cevovodi

Rezervoarji za shranjevanje in tlačne posode

Strukturne komponente, kot so tramovi, plošče in cevi

Niz{0}}tlačni cevni sistemi

Ogljikova jekla so močna, žilava in razmeroma poceni.

Vendar imajo slabo odpornost proti koroziji in so dovzetni za razpoke H2S v kisli uporabi. Pogosto so potrebni zaviralci ali premazi.

Nerjaveče jeklo

Nerjavna jekla vsebujejo vsaj 10,5 % kroma, ki na površini tvori zaščitno oksidno plast, ki zagotavlja odlično odpornost proti koroziji.

Vrste, ki se uporabljajo v nafti in plinu, vključujejo:
 

Avstenitni (serija 300): 304, 316, 317, 321, 347

Feritno: 405, 430

martenzitno: 410, 420, 431

Duplex:2205, 2507 super duplex

Nerjavno jeklo se uporablja za kritične komponente, ki so izpostavljene morski vodi, proizvedeni vodi, CO2, kloridom in rahlo kislim okoljem:
 

Podvodna oprema

Del vodnjaka in božičnega drevesa

Toplotni izmenjevalniki in tlačne posode

Cevovodi, ventili in instrumenti

Visoka trdnost duplex vrst omogoča tanjše stene, medtem ko super avstenit in super duplex zagotavljata odpornost na agresivne pogoje.

Vendar ima nerjavno jeklo višje začetne stroške kot ogljikovo jeklo.
 

Nikljeve zlitine

Nikljeve zlitine vsebujejo visoko vsebnost niklja in drugih elementov, kot sta krom in molibden, za največjo odpornost proti koroziji, tudi v vročem, kislem in zelo kislem okolju. Pogoste ocene vključujejo:
 

Nikelj-baker:Monel 400, K-500

Nikelj-krom-železo: 825, 625, 718

Nikelj-krom-molibden: C-276, 2550, 686

Nikelj-železo-krom:800, 800H, 800HT

Nikljeve zlitine se uporabljajo za najzahtevnejše aplikacije, kjer so nerjavna jekla neustrezna:
 

Vrtine in pretočni vodi za kisli plin

Podvodni razdelilniki in mostički

Vrtinska orodja in varnostni ventili

Posode in cevovodi v rafinerijah in plinarnah

Odlična odpornost proti koroziji in stabilnost pri visokih temperaturah sta precej dražji od nerjavečega jekla.

Nikljeve zlitine so rezervirane za težka okolja, ki bi hitro razgradila druge zlitine.

Ogljikovo jeklo je ekonomična izbira za številne namene uporabe nafte in plina, medtem ko legirana jekla po potrebi zagotavljajo večjo trdnost in žilavost.

Nerjavna jekla so odporna proti koroziji v vodnih okoljih, medtem ko nikljeve zlitine povečajo učinkovitost v vročih, kislih in kislih pogojih.

Za izbiro optimalne zlitine za dolgoročno-zanesljivost in varnost je treba skrbno oceniti sestavo tekočine, temperaturo in tlak.

Razumevanje mer in velikosti brezšivnih in varjenih cevi

Nazivna velikost cevi (NPS)

Velikost cevi je običajno določena z nominalno velikostjo cevi (NPS), ki je brezdimenzijski označevalec. Za velikosti od 1/8 do 12 palcev NPS ustreza približnemu notranjemu premeru cevi (ID) v palcih z uporabo navadnih frakcij. Na primer, cev NPS 2 ima ID približno 2,1 palca.

Za velikosti 14 palcev in več je NPS približen zunanji premer (OD) v palcih. Torej ima cev NPS 20 OD približno 20 palcev.

Pomembno je upoštevati, da se natančna OD in ID razlikujeta glede na podano debelino stene.

Debelina stene

Debelina stene določa nazivni tlak in težo cevi. Običajno je določena s številko razporeda (Sch) ali dejansko debelino v palcih ali milimetrih.

Standardne številke razporeda so 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 in 160. Višje kot je število, debelejša je stena. Na primer, cev NPS 6 Sch 40 ima debelino stene 0,280", medtem ko ima NPS 6 Sch 80 debelino stene 0,432".

Za dani NPS bodo imele cevi z različnimi urniki enako OD, vendar različne ID-je. OD ostaja konstantna, ID pa se zmanjšuje, ko se stena debeli.

Ustrezni standardi ASME

ASME (American Society of Mechanical Engineers) objavlja več standardov, ki pokrivajo dimenzije cevi iz različnih materialov:
 

ASME B36.10:Varjeno in brezšivno ogljikovo jeklo in legirano jeklo

ASME B36.19:Nerjaveče jeklo

ASME B36.20:Kovinski material za splošno uporabo

ASME B36.21:Nekovinski material za splošno uporabo

Ti standardi zagotavljajo tabele dimenzij za NPS 1/8 do 80, ki določajo OD, ID, debelino stene, težo na čevelj in druge kritične parametre za vsako kombinacijo NPS in razporeda ali debeline stene.

Standardi zagotavljajo dosledne dimenzije pri proizvajalcih, čeprav so dovoljene nekatere razlike znotraj določenih toleranc.

Sklicevanje na ustrezen standard pri določanju ali naročanju cevi je ključnega pomena za zagotovitev, da dimenzije ustrezajo zahtevam uporabe, kodi za cevovode in predpisom.

Brezšivne in varjene dolžine cevi in ​​končni zaključki

Dolžine cevi

Jeklene cevi so običajno na voljo v treh različicah dolžine:
 

Enotne naključne dolžine (SRL)so najpogostejša in ekonomična možnost. Natančne dolžine se razlikujejo, vendar so običajno dolge od 16 do 24 čevljev. Mlin optimizira dolžine za zmanjšanje ostankov med proizvodnjo.

Dvojne naključne dolžine (DRL):Te so dvakrat daljše od enojnih naključnih in segajo od 32 do 48 čevljev. So manj pogosti in imajo lahko omejeno razpoložljivost, vendar lahko zmanjšajo povezave, potrebne v dolgem cevovodu.

Posebne dolžine reza:Cevi je možno naročiti na določene dolžine glede na zahteve kupca. To je dražje, saj lahko ustvari več odpadkov za mlin in zahteva dodatno nastavitev in rokovanje. Dolžine reza so običajno določene le, kadar je natančna dolžina kritična, na primer pri izdelavi tuljav ali namestitvah na morju, kjer se morajo spoji natančno prilegati.

Razpoložljive dolžine se lahko razlikujejo tudi glede na velikost in debelino stene cevi. Večje premere in težje stene je težje rokovati in transportirati, zato so lahko omejeni na krajše dolžine.

Končni zaključki

Konce cevi je mogoče zaključiti na več načinov, odvisno od tega, kako bo spojena:
 

Navaden konec (PE):Konci so pravokotno odrezani in nedokončani. To je najbolj osnovna možnost, primerna za varjenje ali mehanske spojke.

Prirezan konec (BE):Konci so odrezani pod kotom, običajno 30 stopinj ali 37,5 stopinj, da se ustvari V-utor za varjenje. Poševnina omogoča popolno penetracijo zvara v spoj. Poševni konci so najpogostejša izbira za varjene konstrukcije.

Konec z navojem (TE):Konci so z zunanjim navojem (moški) ali notranjim (ženski), kar omogoča privijanje cevi skupaj. Navojne povezave se običajno uporabljajo za nizko{1}}tlačne aplikacije, kot so vodne ali zračne cevi ter začasne ali prenosne instalacije. Navoji so lahko stožčasti (NPT) ali ravni (BSPP ali BSPT).

Navojni in spojeni (T&C):En konec ima zunanji navoj, nanj pa je privita spojka (puša). Drugi konec spojke ima notranji navoj za sprejem naslednje cevi. To omogoča hitro montažo in demontažo na terenu.

Žlebast konec:Po obodu cevi blizu konca je izrezan utor za sprejem mehanske spojke. Spojke z utori omogočajo hitro namestitev in nekaj prožnosti v spoju, da se prilagodi toplotnemu raztezanju ali krčenju.