Kolikšen je največji dovoljeni zunanji tlak (ocena zrušitve) za tankostensko grelno cev iz titana, delno potopljeno v globoko reakcijsko posodo?
Pustite sporočilo
V globokih reakcijskih posodah, kot so tiste, ki se uporabljajo v hidrometalurgiji, kemični sintezi ali hidrotermalni obdelavi, je lahko titanova grelna cev delno potopljena v tekočino, medtem ko je zgornji del izpostavljen plinu pod pritiskom. Zunanji tlak, ki deluje na cev, izvira iz hidrostatične višine tekočine (pod nivojem tekočine) in morebitnega plinskega tlaka nad površino tekočine. Tanko{2}}titanove cevi so dovzetne za sesutje pod zunanjim pritiskom-nenadna, katastrofalna okvara, ko se prečni-prerez cevi deformira iz okroglega v ovalnega ali sploščenega. Največji dovoljeni zunanji tlak (ocena zrušitve) je odvisen od premera cevi, debeline stene, lastnosti materiala in dolžine med nosilci. Pri delno potopljenih ceveh se najslabši-pogoj običajno pojavi na nivoju tekočine, kjer je gradient tlaka največji.
Mehanizem kolapsa pod zunanjim pritiskom
Ko zunanji tlak preseže notranji tlak, stena cevi doživi tlačno obročasto obremenitev. Pri popolnoma okrogli cevi pride do elastičnega kolapsa, ko zunanji tlak doseže kritično vrednost (P_c), ki jo opisuje klasična formula za tank{2}}cevi: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, kjer je E Youngov modul (105 GPa za titan stopnje 2), ν je Poissonovo razmerje (0,34), t je debelina stene in D je zunanji premer cevi. Ta elastični kolaps je reverzibilen-zmanjšanje tlaka obnovi krožno obliko-dokler ni presežena meja tečenja. Plastični kolaps se pojavi, ko tlačna napetost preseže mejo tečenja materiala (240–340 MPa za stopnjo 2). V praksi se titanove cevi zrušijo s kombiniranim elastično-plastičnim upogibanjem. Nepopolnosti (ovalnost, variacija debeline stene) zmanjšajo dejanski tlak zrušitve na 50–70 % teoretične vrednosti.
Kvantitativni tlak kolapsa za običajne velikosti cevi
Naslednji tlaki zrušitve (ob predpostavki 60 % teoretičnega za upoštevanje nepopolnosti) so določeni za titanove cevi stopnje 2 z obema koncema zaprtima (notranji tlak pri 1 atm):
| OD × stena cevi (mm) | Razmerje D/t | Teoretični kolapsni tlak (bar) | Dovoljeni tlak zrušitve (bar, faktor 60 %) | Največja globina potopitve (v vodnih metrih) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Premisleki o delno potopljeni cevi
Za cev, ki je delno potopljena v tekočino s tlakom plina nad tekočino, se zunanji tlak spreminja po dolžini cevi. Na vrhu (plinski prostor) je tlak enak P_gas. Na nivoju tekočine je tlak enak P_gas. Na globini h pod površino tekočine je tlak enak P_gas + (ρ × g × h). Najslabši -pogoj običajno ni na največji globini, ampak na točki, kjer tlačni gradient vpliva na nepopolnosti cevi. Pri globokih posodah se lahko spodnji del najprej zruši zaradi višjega tlaka, vendar prehodno območje blizu nivoja tekočine doživlja spremenljiv pritisk, ki lahko povzroči upogibne napetosti. Naslednja tabela podaja konstrukcijske omejitve za delno potopljene cevi:
| Stanje plovila | Tlak plina (bar) | Globina tekočine (m) | Priporočeni OD × stena cevi (mm) | Varnostna meja |
|---|---|---|---|---|
| Atmosferska posoda, globina tekočine 5 m | 1.0 | 5 | 20 × 1,0 ali 25 × 1,2 | 3,0x (19 barov > 1,5 barov) |
| Posoda pod tlakom, plin 5 barov, globina tekočine 10 m | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2,8x (57 barov > 6 barov) |
| Posoda pod tlakom, plin 10 barov, globina tekočine 20 m | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1,9x (21 bar > 12 bar) |
| Visok{0}}avtoklav, plin 20 barov, globina tekočine 5 m | 20.0 | 5 | 20 × 1,5 ali 25 × 2,0 | 2,0x (21 bar > 20,5 bar) |
| Globoka posoda, globina tekočine 50 m, atmosferski plin | 1.0 | 50 | Ni praktično pri tank{0}}titanu; uporabite 32 × 2,0 | 5 barov maks |
Inženiring nad tlakom kolapsa
Notranji tlak (zaradi plina, ujetega v grelniku, ali zaradi raztezanja grelnega elementa) poveča odpornost proti zrušitvi. Majhen notranji tlak 0,5–1,0 bara znatno poveča stopnjo zrušitve z nasprotovanjem zunanjemu tlaku. Cevni nosilci zmanjšajo nepodprto dolžino, kar vpliva na način upogibanja. Pri dolgih ceveh (dolžina > 2 metra) vmesne podpore vsakih 500 mm povečajo tlak zrušitve za 50–100 % s preprečevanjem načina upogibanja dolgih-valovnih dolžin. Kvaliteta titana vpliva na tlak zrušitve samo preko meje tečenja; Razred 7 (meja tečenja 270–350 MPa) nudi 10–15 % višjo plastično odpornost proti zlomu kot razred 2 (240–310 MPa). Temperatura zmanjša tlak zrušitve: pri 150 stopinjah se E zmanjša za 15 %, s čimer se zmanjša tlak zrušitve za približno 15 % glede na vrednosti sobne-temperature.
Izdelava informirane specifikacije
Ko določate titanovo grelno cev za globoko reakcijsko posodo, izračunajte največji zunanji tlak na najnižji potopljeni točki, vključno s tlakom plina in hidrostatično višino. Uporabite varnostni faktor 3 proti teoretičnemu tlaku zrušitve (ali 2 proti dovoljenemu tlaku porušitve iz zgornje tabele). Za globine, ki presegajo 30 metrov vodnega ekvivalenta, razmislite o uporabi debelejših sten (D/t < 15) ali manjših premerov. Navedite, da cevi ustrezajo omejitvam ovalnosti ASTM E273 (največ 1 % ovalnosti za brezšivne cevi), ker začetna ovalnost zmanjša tlak zrušitve. Med namestitvijo zagotovite, da so cevi ravne in enakomerno podprte; udrte ali upognjene cevi izgubijo 50–80 % odpornosti proti zrušitvi. Če delna potopitev ustvari gradient tlaka vzdolž dolžine cevi, namestite majhen regulator notranjega tlaka (0,5 bara), da ohranite pozitivno razliko notranjega tlaka. S pravilnim izračunom stopnje zrušitve in uporabo ustreznih varnostnih rezerv inženir prepreči nenaden, katastrofalen zrušitev cevi v posodah pod globokim tlakom.
