Koji je maksimalni dozvoljeni spoljni pritisak (ocena kolapsa) za tank-titanijumsku grejnu cijev sa tankim zidovima koja je delimično potopljena u posudu za duboku reakciju?
Ostavi poruku
U dubokim reakcionim posudama, kao što su one koje se koriste u hidrometalurgiji, hemijskoj sintezi ili hidrotermalnoj obradi, titanijumska grejna cijev može biti delimično potopljena u tečnost dok je gornji deo izložen gasu pod pritiskom. Vanjski pritisak koji djeluje na cijev dolazi od hidrostatičke glave tečnosti (ispod nivoa tečnosti) plus bilo koji pritisak gasa iznad površine tečnosti. Titanijumske cijevi-tankih zidova podložne su kolapsu pod vanjskim pritiskom-iznenadnom, katastrofalnom kvaru gdje se poprečni presjek cijevi-deformiše od kružnog do ovalnog ili spljoštenog. Maksimalni dozvoljeni spoljni pritisak (ocena kolapsa) zavisi od prečnika cevi, debljine zida, svojstava materijala i dužine između nosača. Za djelimično potopljene cijevi, najgori-uvjet se obično javlja na nivou tečnosti gdje je gradijent pritiska najveći.
Mehanizam kolapsa pod spoljnim pritiskom
Kada vanjski pritisak premaši unutrašnji tlak, zid cijevi doživljava pritisak na obruč. Za savršeno kružnu cijev, do elastičnog kolapsa dolazi kada vanjski pritisak dostigne kritičnu vrijednost (P_c) opisanu klasičnom formulom za cijevi sa tankim-cijevima: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, gdje je E Youngov modul pacova (105 GPaison's Potanium) (0,34), t je debljina stijenke, a D je vanjski promjer cijevi. Ovaj elastični kolaps je reverzibilan-smanjenje pritiska vraća kružni oblik-sve dok se ne prekorači granica popuštanja. Do plastičnog kolapsa dolazi kada tlačno naprezanje premašuje granicu tečenja materijala (240–340 MPa za Grade 2). U praksi se titanijumske cijevi srušavaju kombinovanim elastično-plastičnim izvijanjem. Nesavršenosti (ovalnost, varijacije debljine stijenke) smanjuju stvarni tlak kolapsa na 50-70% teorijske vrijednosti.
Kvantitativni pritisak kolapsa za uobičajene veličine cijevi
Sljedeći pritisci kolapsa (pod pretpostavkom 60% teoretskog da bi se u obzir uzeli nesavršenosti) su uspostavljeni za cijevi od titanijuma razreda 2 s oba kraja zatvorena (unutarnji tlak na 1 atm):
| OD cijevi × zid (mm) | D/t odnos | Teoretski pritisak kolapsa (bar) | Dozvoljeni pritisak kolapsa (bar, faktor 60%) | Maksimalna dubina uranjanja (metri vode) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Razmatranja o djelomično potopljenoj cijevi
Za cijev koja je djelimično uronjena u tečnost sa pritiskom gasa iznad tečnosti, spoljni pritisak varira duž dužine cevi. Na vrhu (gasni prostor), pritisak je jednak P_gas. Na nivou tečnosti, pritisak je jednak P_gas. Na dubini h ispod površine tečnosti, pritisak je jednak P_gas + (ρ × g × h). Najgori-uvjet obično nije na maksimalnoj dubini, već na tački gdje gradijent tlaka stupa u interakciju s nesavršenostima cijevi. Za duboke posude, donji dio se može prvo srušiti zbog višeg tlaka, ali prijelazna zona blizu nivoa tekućine doživljava promjenjiv pritisak koji može izazvati naprezanja savijanja. Sljedeća tabela daje ograničenja dizajna za djelomično potopljene cijevi:
| Vessel Condition | Pritisak plina (bar) | Dubina tečnosti (m) | Preporučeni OD cijevi × zid (mm) | Safety Margin |
|---|---|---|---|---|
| Atmosferska posuda, dubina tečnosti 5 m | 1.0 | 5 | 20 × 1,0 ili 25 × 1,2 | 3,0x (19 bara > 1,5 bara) |
| Posuda pod pritiskom, gas 5 bara, dubina tečnosti 10 m | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2,8x (57 bara > 6 bara) |
| Posuda pod pritiskom, gas 10 bara, dubina tečnosti 20 m | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1,9x (21 bar > 12 bar) |
| Autoklav visokog{0}}pritiska, gas od 20 bara, dubina tečnosti 5 m | 20.0 | 5 | 20 × 1,5 ili 25 × 2,0 | 2,0x (21 bar > 20,5 bar) |
| Duboka posuda, dubina tečnosti 50 m, atmosferski gas | 1.0 | 50 | Nije praktično sa tankim{0}}titanijumom; koristite 32 × 2.0 | 5 bara max |
Inženjering izvan pritiska kolapsa
Unutrašnji pritisak (od gasa zarobljenog unutar grejača ili od ekspanzije grejnog elementa) povećava otpornost na kolaps. Mali unutrašnji pritisak od 0,5-1,0 bara značajno podiže ocjenu kolapsa suprotstavljajući se vanjskom pritisku. Nosači cijevi smanjuju nepodržanu dužinu, što utječe na način izvijanja. Za duge cijevi (dužine > 2 metra), srednji oslonci na svakih 500 mm povećavaju pritisak kolapsa za 50–100% sprječavajući dugo{9}}modu izvijanja. Klasa titanijuma utiče na pritisak kolapsa samo kroz granicu tečenja; Grade 7 (granica tečenja 270–350 MPa) nudi 10–15% veću otpornost plastike na kolaps od Grade 2 (240–310 MPa). Temperatura smanjuje pritisak kolapsa: na 150 stepeni, E se smanjuje za 15%, smanjujući pritisak kolapsa za približno 15% od vrijednosti sobne{23}}temperature.
Izrada informirane specifikacije
Kada specificirate cijev za grijanje od titana za duboku reakcionu posudu, izračunajte maksimalni vanjski tlak na najnižoj potopljenoj tački, uključujući tlak plina i hidrostatičku glavu. Primijenite sigurnosni faktor 3 u odnosu na teoretski pritisak kolapsa (ili 2 u odnosu na dozvoljeni pritisak kolapsa iz gornje tabele). Za dubine veće od 30 metara vodenog ekvivalenta, razmislite o korišćenju debljih zidova (D/t < 15) ili manjih prečnika. Navedite da cijevi ispunjavaju ASTM E273 ograničenja ovalnosti (maksimalno 1% ovalnosti za bešavne cijevi) jer početna ovalnost smanjuje pritisak kolapsa. Tokom ugradnje, uverite se da su cevi ravne i ravnomerno oslonjene; udubljene ili savijene cijevi gube 50-80% otpornosti na kolaps. Ako djelomično uranjanje stvara gradijent tlaka duž dužine cijevi, instalirajte mali unutarnji regulator tlaka (0,5 bara) kako biste održali pozitivan unutrašnji pritisak. Ispravnim izračunavanjem stepena kolapsa i primjenom odgovarajućih sigurnosnih margina, inženjer sprječava iznenadno, katastrofalno urušavanje cijevi u posudama pod dubokim pritiskom.
