Как конструкцията на крайната капачка (плоска срещу куполообразна) на запечатана титаниева нагревателна тръба влияе върху способността й да издържа на натрупване на вътрешно налягане-нагоре от следи от разлагане на влага при 200 градуса?

Основният компромис-в дизайна на капачката на титаниевия нагревател
Запечатаните титаниеви нагревателни тръби са изолирани с магнезиев оксид (MgO), който може да абсорбира следи от влага по време на производство или съхранение. Когато нагревателят се активира до температури от 200 градуса на вътрешната стена, тази влага се изпарява и може да се разпадне на водород и кислород. Това може да причини натрупване на вътрешно налягане и да доведе до повреда на крайната капачка. Дизайнът на крайната капачка, независимо дали е плоска или куполообразна, пряко влияе върху това как тръбата издържа на това вътрешно налягане. Плоската капачка има деформации на огъване с концентрация на напрежение в заваръчната става. Куполообразната капачка е в напрежение на мембраната. Дебелината на стената е функция от формата на крайната капачка. По-дебелата стена може да поддържа по-плоска капачка при по-голямо налягане. Куполообразната капачка може да се справи със същото налягане с по-тънка стена. Този анализ измерва капацитета на налягането на плоските спрямо куполообразните крайни капачки на титаниеви нагревателни тръби и дава предложения за избор за обслужване при висока температура, където вътрешното херметизиране е опасно.

Ефект върху механичната цялост: Разпределение на напрежението в плоски и куполовидни капачки
Ние определяме, че напрежението, причинено от натиск в центъра на плоска крайна капачка, заварена към титаниева тръба с вътрешен радиус r и дебелина на стената t, се дава от $\\sigma_{flat}=0.31*P*r^2/t^2$, където P представлява вътрешно налягане. За типична тръба с OD 20 mm (вътрешен радиус 8 mm за 1,0 mm стена) при вътрешно налягане от 10 bar (1 MPa), sigma_flat=(0,31 * 1e6 * 0,008^2) / (0,001^2)=198 MPa. Това е само малко по-високо от границата на провлачване на титан от клас 2 (275 MPa) и следователно има много малка граница на безопасност. За куполообразна капачка (полусферична) напрежението е σкупол=P r 2 t, където се приема, че радиусът на купола е същият като радиуса на тръбата. При същите условия σ_купол=(1e6 × 0,008) / (2 × 0,001)=4 MPa-50 по-нисък от плоския връх. Куполообразната капачка поема напрежението почти изцяло при опъване на мембраната, а не при огъване; той е далеч по-устойчив на вътрешно налягане. За плоски капачки, режимът на повреда включва поддаване и издуване около центъра, след което разкъсване на заварката. Куполообразните капачки обикновено се провалят поради общото протягане при налягания 10 до 20 пъти по-високи от плоските капачки със същата дебелина на стената.

Въздействие върху топлинните характеристики: пренос на топлина и производствени ограничения
Дизайнът на крайната капачка има само индиректен ефект върху топлинните характеристики. Плоската капачка има по-голяма повърхност в контакт с технологичната среда и това може да подобри предаването на топлина на върха на нагревателя. Но разликата е минимална (обикновено<5% of total heating area). More importantly, there is the question of manufacturability. The dome caps are made by pressing or spinning, which is an additional manufacturing process and adds 10–20% to the cost over flat caps. Thin walls (≤1.0 mm) Dome caps Dome caps are easier to successfully weld, since the dome absorbs thermal expansion during welding, thus minimizing the residual stress. Flat caps can be welded with sufficient strength for thick walls (≥1.5 mm) if the tube diameter is small (<16 mm OD). The heat gradient across the end cap in operation is similar for both types, as the cap thickness is normally matched to the tube wall.

Матрица за избор на крайна капачка: Синтезът на компромиса-
OD и дебелина на стената на тръбата Максимално безопасно вътрешно налягане (плоска капачка, клас 2) Максимално безопасно вътрешно налягане (куполна капачка) Препоръка за крайна капачка (основна инженерна обосновка)
12 mm × 0,8 mm 4 бара > 50 бара Куполообразна Тънката стена не може да издържи напрежението при огъване на плоска капачка.
16 mm × 1,0 mm 6 bar > 40 bar Куполообразна плоска капачка минимум; куполообразната дава граница на безопасност
20 мм x 1,2 мм 8 бара > 35 бара купол Идеален за надеждност. Допуска се намаляване на напрежението след заваряване само с плоска капачка.
20 mm × 1,6 mm 14 бара > 45 бара Плоската капачка е достатъчна за повечето цели; куполовиден дава допълнителен марж.
2,0 mm x 25 mm 18 bar > 50 bar Плосък (спестяване на разходи) Дебелата стена осигурява достатъчна якост на огъване. Над-спецификацията е куполна.
Инженерство отвъд капачката: контрол на влагата и вентилация
Най-добрият начин да се справите с натрупването на вътрешно налягане-е да избегнете напълно проникването на влага. Нагревателят се продухва с азот по време на пълнене с MgO и вакуумно запечатване, за да се сведе до минимум остатъчната влага до по-малко от 0,1% от теглото, като по този начин се предотвратява повишаването на налягането-дори при 300 градуса. За настоящите нагреватели или евтини конструкции, малък вентилационен отвор (диаметър 0,2–0,5 mm) в крайната капачка осигурява изходен път за вътрешните газове, без да се жертва устойчивостта на корозия, тъй като отворът обикновено е потопен и солевият разтвор не влиза поради лекото положително вътрешно налягане. Като алтернатива в плоска капачка може да се интегрира разрушаващ се диск, оценен на 10 бара, предлагащ регулирано освобождаване на налягането.

Заключение: плоските капачки са подходящи за дебели стени, куполообразните капачки са по-добри за тънки стени
The heating tube is titanium sealed and it runs at 200C and even trace moisture decomposes and the end cap design is essential to how much pressure it can take. A flat cap experiences bending strains proportional to P x r(squared) / t(squared) whereas a domed cap experiences membrane stresses proportional to P x r / t - a factor of r/t lower. For thin wall (≤1.2mm) on standard 20mm OD tube a domed cap is necessary to safely bear pressures above 5 bar. For thick walls (>=1.6 mm) плоска капачка е подходяща, тъй като членът t² в знаменателя намалява напрежението на огъване до допустими нива. Ако се установи, че вътрешното херметизиране представлява опасност (напр. нагреватели, съхранявани във влажни условия преди монтажа), тогава трябва да се посочи куполна капачка или вентилиран дизайн, независимо от дебелината на стената. Осигурете на производителя най-високата прогнозирана работна температура и влажност на съхранение, за да позволите на производителя да конструира правилната крайна капачка за надеждна дългосрочна-работа.