Kako dizajn završne kapice (ravni naspram kupole) zapečaćene titanijumske cijevi za grijanje utiče na njenu sposobnost da izdrži povećanje unutrašnjeg pritiska-od tragova razgradnje vlage na 200 stepeni?

Osnovni kompromis-u dizajnu krajnjeg poklopca grijača od titanijuma
Zapečaćene titanijumske cevi za grejanje izolovane su magnezijum oksidom (MgO) koji može da adsorbuje vlagu u tragovima tokom proizvodnje ili skladištenja. Kada se grijač aktivira na temperaturu od 200 stepeni na unutrašnjem zidu, ova vlaga isparava i može se razgraditi na vodonik i kisik. To može uzrokovati povećanje unutrašnjeg pritiska i može uzrokovati kvar krajnjeg poklopca. Dizajn završnog poklopca, bez obzira da li je ravna ili kupolasta, direktno utiče na to kako će cijev izdržati ovaj unutrašnji pritisak. Ravni poklopac ima deformacije savijanja s koncentracijom naprezanja na zavarenom spoju. Kupolasta kapica je u napetosti membrane. Debljina stijenke je funkcija oblika završne kapice. Deblji zid može podržati ravniju kapicu pri većim pritiscima. Poklopac s kupolom može podnijeti istu ocjenu tlaka s tanjim zidom. Ova analiza mjeri kapacitet pritiska ravnih i kupolastih završnih čepova na titanijumskim grejnim cevima i daje predloge za izbor za visokotemperaturnu uslugu gde je unutrašnji pritisak opasan.

Utjecaj na mehanički integritet: Raspodjela naprezanja u ravnim i kupolastim poklopcima
Utvrđujemo da je naprezanje uzrokovano pritiskom u središtu ravne završne kapice zavarene na titanijsku cijev unutrašnjeg radijusa r i debljine stijenke t dato sa $\\sigma_{flat}=0.31*P*r^2/t^2$, gdje P predstavlja unutrašnji pritisak. Za tipičnu cijev OD 20 mm (unutarnji radijus 8 mm za zid od 1,0 mm) pri unutrašnjem pritisku od 10 bara (1 MPa), sigma_flat=(0,31 * 1e6 * 0,008^2) / (0,001^2)=198 MPa. Ovo je samo nešto više od granice popuštanja titanijuma 2. razreda (275 MPa) i stoga postoji vrlo mala sigurnosna granica. Za kapu s kupolom (hemisferni), napon je σdome=P r 2 t pri čemu se pretpostavlja da je polumjer kupole isti kao i polumjer cijevi. Pod istim uslovima, σ_dome=(1e6 × 0,008) / (2 × 0,001)=4 MPa-50 niže od ravnog vrha. Kupolasta kapica podnosi opterećenje gotovo u potpunosti u napetosti membrane, a ne savijanju; daleko je otporniji na unutrašnji pritisak. Za ravne kapice, način kvara uključuje popuštanje i ispupčenje oko centra, a zatim zavarivanje. Kupolaste kapice obično propadaju zbog opšteg popuštanja pri pritiscima 10 do 20 puta većim od ravnih kapica sa istom debljinom zida.

Utjecaj na toplinske performanse: prijenos topline i proizvodna ograničenja
Dizajn krajnjeg poklopca ima samo indirektan uticaj na termičke performanse. Ravni poklopac ima veću površinu u kontaktu s procesnim medijem i to može poboljšati prijenos topline na vrhu grijača. Ali razlika je minimalna (obično<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.

Matrica za odabir krajnjih granica: Sinteza zamjene{0}}off
OD cijevi i debljina stijenke Maks. siguran unutarnji tlak (ravni poklopac, stupanj 2) Maksimalni siguran unutarnji tlak (završni poklopac) Preporuka za krajnju kapu (osnovno inženjersko obrazloženje)
12 mm × 0,8 mm 4 bara > 50 bara Kupolasto Tanki zid ne može podnijeti naprezanje savijanja ravnog poklopca.
16 mm × 1,0 mm 6 bara > 40 bara Kuglasti Ravni poklopac minimalan; kupola daje sigurnosnu marginu
20 mm x 1,2 mm 8 bara > 35 bara sa kupolom Idealno za pouzdanost. Smanjenje naprezanja nakon zavarivanja prihvatljivo je samo za ravnu kapicu.
20 mm × 1,6 mm 14 bara > 45 bar Za većinu namjena dovoljna je ili ravna kapa; kupola daje dodatnu marginu.
2,0 mm x 25 mm 18 bara > 50 bara Ravno (ušteda) Debeli zid pruža dovoljnu čvrstoću na savijanje. Preko{5}}specifikacija je kupolasta.
Inženjering izvan poklopca: kontrola vlage i ventilacija
Najbolji način za rješavanje povećanja unutrašnjeg pritiska-je potpuno izbjegavanje prodora vlage. Grejač se pročišćava azotom tokom punjenja MgO i vakuumskog zatvaranja kako bi se preostala vlaga svela na manje od 0,1% po težini, čime se sprečava povećanje pritiska-čak i na 300 stepeni. Za trenutne grijače ili jeftine dizajne, mali otvor za ventilaciju (0,2-0,5 mm promjera) u završnom poklopcu pruža izlaz za unutrašnje plinove bez žrtvovanja otpornosti na koroziju jer je rupa obično potopljena i slana otopina ne ulazi zbog blagog pozitivnog unutrašnjeg tlaka. Alternativno, burst disk od 10 bara može se integrirati u ravnu kapicu, nudeći regulirano otpuštanje pritiska.

Zaključak: Ravne kapice su u redu za debele zidove, kupolaste kapice su bolje za tanke zidove
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) ravna kapica je u redu jer izraz t² u nazivniku smanjuje napon savijanja na podnošljive nivoe. Ako se utvrdi da je unutrašnji pritisak opasan (npr. grijači koji su pohranjeni u vlažnim postavkama prije ugradnje), tada treba specificirati kapu s kupolom ili ventilirani dizajn bez obzira na debljinu zida. Omogućite proizvođaču najvišu predviđenu radnu temperaturu i vlažnost u skladištenju kako biste omogućili proizvođaču da napravi odgovarajuću završnu kapu za pouzdanu-dugotrajnu uslugu.