Какво е максимално допустимото външно налягане (оценка на свиване) за тънкостенна-титаниева нагревателна тръба, частично потопена в дълбок реакционен съд?
Остави съобщение
В дълбоки реакционни съдове, като тези, използвани в хидрометалургията, химическия синтез или хидротермалната обработка, титанова нагревателна тръба може да бъде частично потопена в течност, докато горната част е изложена на газ под налягане. Външното налягане, действащо върху тръбата, идва от хидростатичния напор на течността (под нивото на течността) плюс всяко газово налягане над повърхността на течността. Тънкостенните-титаниеви тръби са податливи на срутване под външно налягане-внезапна, катастрофална повреда, при която напречното-сечение на тръбата се деформира от кръгло в овално или сплескано. Максималното допустимо външно налягане (степен на свиване) зависи от диаметъра на тръбата, дебелината на стената, свойствата на материала и дължината между опорите. За частично потопени тръби най-лошият-случай обикновено възниква при нивото на течността, където градиентът на налягането е най-висок.
Механизъм на колапс под външен натиск
Когато външното налягане превишава вътрешното налягане, стената на тръбата изпитва напрежение на натиск. За идеално кръгла тръба еластичното свиване възниква, когато външното налягане достигне критична стойност (P_c), описана с класическата формула за тънко-стенни тръби: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, където E е модулът на Йънг (105 GPa за титан от клас 2), ν е коефициентът на Поасон (0,34), t е дебелината на стената и D е външният диаметър на тръбата. Това еластично свиване е обратимо-намаляването на налягането възстановява кръглата форма-докато границата на провлачване бъде превишена. Пластмасов колапс възниква, когато напрежението на натиск надвиши границата на провлачване на материала (240–340 MPa за клас 2). На практика титановите тръби се деформират чрез комбинирано еластично-пластично изкълчване. Несъвършенствата (овалност, промяна на дебелината на стената) намаляват действителното налягане на срутване до 50–70% от теоретичната стойност.
Количествено налягане на свиване за обичайните размери на тръбите
Следните налягания на свиване (приемайки 60% от теоретичните за отчитане на несъвършенствата) са установени за титаниеви тръби от степен 2 с капачки от двата края (вътрешно налягане при 1 atm):
| Тръба OD × стена (mm) | Съотношение D/t | Теоретично налягане на колапс (бар) | Допустимо налягане на срутване (бар, фактор 60%) | Максимална дълбочина на потапяне (метри вода) |
|---|---|---|---|---|
| 20 × 1.5 | 13.3 | 95 | 57 | 570 |
| 20 × 1.2 | 16.7 | 52 | 31 | 310 |
| 20 × 1.0 | 20.0 | 32 | 19 | 190 |
| 20 × 0.8 | 25.0 | 17 | 10 | 100 |
| 25 × 1.5 | 16.7 | 35 | 21 | 210 |
| 25 × 1.2 | 20.8 | 20 | 12 | 120 |
| 25 × 1.0 | 25.0 | 12 | 7 | 70 |
| 32 × 1.5 | 21.3 | 14 | 8 | 80 |
| 32 × 1.2 | 26.7 | 8 | 5 | 50 |
| 40 × 1.5 | 26.7 | 7 | 4 | 40 |
Съображения за частично потопена тръба
За тръба, частично потопена в течност с налягане на газа над течността, външното налягане варира по дължината на тръбата. В горната част (газово пространство) налягането е равно на P_gas. На ниво течност налягането е равно на P_gas. На дълбочина h под повърхността на течността налягането е равно на P_gas + (ρ × g × h). Най-лошият-случай обикновено не е на максималната дълбочина, а в точката, където градиентът на налягането взаимодейства с несъвършенствата на тръбата. За дълбоките съдове долната част може първо да се срути поради по-високо налягане, но преходната зона близо до нивото на течността изпитва различно налягане, което може да предизвика напрежение на огъване. Следната таблица предоставя проектни ограничения за частично потопени тръби:
| Състояние на съда | Налягане на газ (бар) | Дълбочина на течността (m) | Препоръчителен външен диаметър на тръбата × стена (mm) | Марж на безопасност |
|---|---|---|---|---|
| Атмосферен съд, дълбочина на течността 5 m | 1.0 | 5 | 20 × 1,0 или 25 × 1,2 | 3,0x (19 бара > 1,5 бара) |
| Съд под налягане, газ 5 bar, дълбочина на течността 10 m | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2,8x (57 бара > 6 бара) |
| Съд под налягане, газ 10 bar, дълбочина на течността 20 m | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1,9x (21 бара > 12 бара) |
| Автоклав с високо{0}}налягане, 20 бара газ, дълбочина на течността 5 m | 20.0 | 5 | 20 × 1,5 или 25 × 2,0 | 2,0x (21 бара > 20,5 бара) |
| Дълбок съд, дълбочина на течността 50 м, атмосферен газ | 1.0 | 50 | Не е практично с тънкостенен-титан; използвайте 32 × 2,0 | 5 бара макс |
Инженеринг отвъд налягането на срутване
Вътрешното налягане (от газ, уловен вътре в нагревателя или от разширяване на нагревателния елемент) увеличава устойчивостта на срутване. Малко вътрешно налягане от 0,5–1,0 bar значително повишава степента на срутване чрез противодействие на външното налягане. Тръбните опори намаляват неподдържаната дължина, което влияе върху режима на изкълчване. За дълги тръби (дължина > 2 метра), междинните опори на всеки 500 mm увеличават налягането на срутване с 50–100%, като предотвратяват режима на изкривяване при дълга-дължина на вълната. Степента на титан влияе върху налягането на срутване само чрез границата на провлачване; Клас 7 (граница на провлачване 270–350 MPa) предлага 10–15% по-висока пластична устойчивост на срутване от клас 2 (240–310 MPa). Температурата намалява налягането на свиване: при 150 градуса E намалява с 15%, намалявайки налягането на свиване с приблизително 15% от стойностите на стайната-температура.
Създаване на информирана спецификация
Когато определяте титаниева нагревателна тръба за дълбок реакционен съд, изчислете максималното външно налягане в най-ниската потопена точка, включително налягането на газа и хидростатичния напор. Приложете коефициент на безопасност 3 спрямо теоретичното налягане на срутване (или 2 спрямо допустимото налягане на срутване от таблицата по-горе). За дълбочини над 30 метра воден еквивалент, обмислете използването на по-дебели стени (D/t < 15) или по-малки диаметри. Посочете, че тръбите отговарят на ограниченията за овалност на ASTM E273 (максимум 1% овалност за безшевна тръба), тъй като първоначалната овалност намалява налягането на свиване. По време на монтажа се уверете, че тръбите са прави и равномерно поддържани; вдлъбнати или огънати тръби губят 50–80% устойчивост на срутване. Ако частичното потапяне създава градиент на налягането по дължината на тръбата, монтирайте малък вътрешен регулатор на налягането (0,5 бара), за да поддържате положителна вътрешна разлика в налягането. Чрез правилно изчисляване на степента на свиване и прилагане на подходящи граници на безопасност, инженерът предотвратява внезапно, катастрофално срутване на тръбата в дълбоки съдове под налягане.
