Aký je maximálny povolený vonkajší tlak (hodnota zrútenia) pre tenkú-titánovú vykurovaciu rúrku čiastočne ponorenú v hlbokej reakčnej nádobe?
Zanechajte správu
V hlbokých reakčných nádobách, ako sú tie, ktoré sa používajú v hydrometalurgii, chemickej syntéze alebo hydrotermálnom spracovaní, môže byť titánová vykurovacia rúrka čiastočne ponorená do kvapaliny, zatiaľ čo horná časť je vystavená stlačenému plynu. Vonkajší tlak pôsobiaci na trubicu pochádza z hydrostatickej hlavy kvapaliny (pod hladinou kvapaliny) plus akéhokoľvek tlaku plynu nad hladinou kvapaliny. Tenkostenné{2}}titánové rúrky sú náchylné na zrútenie pod vonkajším tlakom-náhle, katastrofické zlyhanie, pri ktorom sa prierez rúrky-deformuje z kruhového na oválny alebo sploštený. Maximálny povolený vonkajší tlak (hodnota zrútenia) závisí od priemeru rúrky, hrúbky steny, vlastností materiálu a dĺžky medzi podperami. V prípade čiastočne ponorených rúr sa najhorší-prípad zvyčajne vyskytuje na hladine kvapaliny, kde je tlakový gradient najvyšší.
Mechanizmus kolapsu pod vonkajším tlakom
Keď vonkajší tlak prevyšuje vnútorný tlak, stena rúrky je vystavená tlakovému namáhaniu. V prípade dokonale kruhovej rúrky dochádza k elastickému zrúteniu, keď vonkajší tlak dosiahne kritickú hodnotu (P_c) opísanú klasickým vzorcom pre tenkostenné rúrky: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, kde E je Youngov modul (105 GPa pre stupeň 2 a stupeň 2 hrúbky titánu, ν je pomer steny titánu 0, ν) je vonkajší priemer rúrky. Toto elastické zrútenie je reverzibilné{12}}zníženie tlaku obnovuje kruhový tvar{18}}kým sa neprekročí medza klzu. Plastický kolaps nastane, keď tlakové napätie presiahne medzu klzu materiálu (240–340 MPa pre stupeň 2). V praxi sa titánové rúry zrútia kombinovaným elasticko-plastovým vyboulením. Nedokonalosti (ovalita, variácie hrúbky steny) znižujú skutočný tlak kolapsu na 50–70 % teoretickej hodnoty.
Kvantitatívny tlak zrútenia pre bežné veľkosti rúrok
Nasledujúce tlaky zrútenia (za predpokladu, že 60 % teoretickej hodnoty na zohľadnenie nedokonalostí) sú stanovené pre titánové rúry 2. stupňa s oboma koncami uzavretými (vnútorný tlak 1 atm):
| Vonný priemer rúry × Stena (mm) | D/t pomer | Teoretický tlak zrútenia (bar) | Povolený tlak zrútenia (bar, faktor 60 %) | Maximálna hĺbka ponoru (metre vody) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Úvahy o čiastočne ponorenej rúre
Pre rúrku čiastočne ponorenú v kvapaline s tlakom plynu nad kvapalinou sa vonkajší tlak mení pozdĺž dĺžky rúrky. V hornej časti (plynový priestor) sa tlak rovná P_gas. Na úrovni kvapaliny sa tlak rovná P_gas. V hĺbke h pod povrchom kvapaliny sa tlak rovná P_gas + (ρ × g × h). Najhorší-prípad zvyčajne nie je v maximálnej hĺbke, ale v bode, kde tlakový gradient interaguje s nedokonalosťami trubice. V prípade hlbokých ciev sa spodná časť môže najskôr zrútiť v dôsledku vyššieho tlaku, ale prechodová zóna blízko hladiny kvapaliny je vystavená premenlivému tlaku, ktorý môže vyvolať ohybové napätie. Nasledujúca tabuľka poskytuje konštrukčné limity pre čiastočne ponorené rúry:
| Stav plavidla | Tlak plynu (bar) | Hĺbka kvapaliny (m) | Odporúčaný vonkajší priemer rúry × stena (mm) | Bezpečnostná rezerva |
|---|---|---|---|---|
| Atmosférická nádoba, hĺbka kvapaliny 5 m | 1.0 | 5 | 20 × 1,0 alebo 25 × 1,2 | 3,0x (19 bar > 1,5 bar) |
| Tlaková nádoba, plyn 5 bar, hĺbka kvapaliny 10 m | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2,8x (57 barov > 6 barov) |
| Tlaková nádoba, plyn 10 bar, hĺbka kvapaliny 20 m | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1,9x (21 bar > 12 bar) |
| Vysokotlakový-autokláv, plyn 20 bar, hĺbka kvapaliny 5 m | 20.0 | 5 | 20 × 1,5 alebo 25 × 2,0 | 2,0x (21 bar > 20,5 bar) |
| Hlboká nádoba, hĺbka kvapaliny 50 m, atmosférický plyn | 1.0 | 50 | Nie je to praktické s tenkostenným-titánom; použite 32 × 2,0 | 5 bar max |
Engineering Beyond Collapse Pressure
Vnútorný tlak (z plynu zachyteného vo vnútri ohrievača alebo z expanzie vykurovacieho telesa) zvyšuje odolnosť proti zrúteniu. Malý vnútorný tlak 0,5–1,0 bar výrazne zvyšuje hodnotenie kolapsu tým, že pôsobí proti vonkajšiemu tlaku. Podpery rúr zmenšujú nepodporovanú dĺžku, ktorá ovplyvňuje režim vybočenia. Pri dlhých rúrach (dĺžka > 2 metre) medziľahlé podpery každých 500 mm zvyšujú tlak zrútenia o 50 – 100 % tým, že bránia režimu vybočenia na-dlhej vlnovej dĺžke. Typ titánu ovplyvňuje tlak zrútenia iba prostredníctvom medze klzu; Stupeň 7 (medza klzu 270–350 MPa) ponúka o 10–15 % vyššiu odolnosť proti zrúteniu plastu ako stupeň 2 (240–310 MPa). Teplota znižuje tlak pri kolapse: pri 150 stupňoch sa E zníži o 15 %, čím sa tlak pri kolapse zníži približne o 15 % v porovnaní s hodnotami izbovej teploty.
Vypracovanie informovanej špecifikácie
Pri špecifikácii titánovej vykurovacej trubice pre hlbokú reakčnú nádobu vypočítajte maximálny vonkajší tlak v najnižšom ponorenom bode, vrátane tlaku plynu a hydrostatickej výšky. Použite bezpečnostný faktor 3 proti teoretickému tlaku zrútenia (alebo 2 proti prípustnému tlaku zrútenia z tabuľky vyššie). Pre hĺbky presahujúce 30 metrov vodného ekvivalentu zvážte použitie hrubších stien (D/t < 15) alebo menších priemerov. Uveďte, že rúrky spĺňajú limity ovality ASTM E273 (maximálne 1% ovalita pre bezšvíkové rúrky), pretože počiatočná oválnosť znižuje tlak zrútenia. Počas inštalácie sa uistite, že rúrky sú rovné a rovnomerne podopreté; prehnuté alebo ohnuté rúrky strácajú 50–80 % odolnosti proti zrúteniu. Ak čiastočné ponorenie vytvára tlakový gradient pozdĺž dĺžky trubice, nainštalujte malý vnútorný regulátor tlaku (0,5 bar), aby ste udržali kladný vnútorný tlakový rozdiel. Správnym výpočtom hodnotenia kolapsu a použitím vhodných bezpečnostných rezerv technik zabráni náhlemu, katastrofickému kolapsu trubice v hlbokých tlakových nádobách.
