Σε δοχεία βαθιάς αντίδρασης, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στην υδρομεταλλουργία, τη χημική σύνθεση ή την υδροθερμική επεξεργασία, ένας θερμαντικός σωλήνας τιτανίου μπορεί να βυθιστεί μερικώς σε υγρό ενώ το άνω τμήμα εκτίθεται σε πεπιεσμένο αέριο. Η εξωτερική πίεση που δρα στον σωλήνα προέρχεται από την υδροστατική κεφαλή του υγρού (κάτω από τη στάθμη του υγρού) συν οποιαδήποτε πίεση αερίου πάνω από την επιφάνεια του υγρού. Οι σωλήνες τιτανίου με λεπτά τοιχώματα-είναι επιρρεπείς σε κατάρρευση υπό εξωτερική πίεση-μια ξαφνική, καταστροφική αστοχία όπου η διατομή του σωλήνα-παραμορφώνεται από κυκλική σε οβάλ ή επιπεδώνεται. Η μέγιστη επιτρεπόμενη εξωτερική πίεση (ονομασία κατάρρευσης) εξαρτάται από τη διάμετρο του σωλήνα, το πάχος του τοιχώματος, τις ιδιότητες του υλικού και το μήκος μεταξύ των στηρίξεων. Για μερικώς βυθισμένους σωλήνες, η χειρότερη-συνθήκη εμφανίζεται συνήθως στο επίπεδο υγρού όπου η κλίση πίεσης είναι υψηλότερη.

Μηχανισμός Κατάρρευσης Υπό Εξωτερική Πίεση

Όταν η εξωτερική πίεση υπερβαίνει την εσωτερική πίεση, το τοίχωμα του σωλήνα υφίσταται θλιπτική πίεση στεφάνης. Για έναν τέλεια κυκλικό σωλήνα, η ελαστική κατάρρευση λαμβάνει χώρα όταν η εξωτερική πίεση φτάσει σε μια κρίσιμη τιμή (P_c) που περιγράφεται από τον κλασικό τύπο για σωλήνες με λεπτά τοιχώματα: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, όπου το E είναι το Gram's ν25 για το modulus Ο λόγος Poisson (0,34), το t είναι το πάχος του τοιχώματος και το D είναι η εξωτερική διάμετρος του σωλήνα. Αυτή η ελαστική κατάρρευση είναι αναστρέψιμη-η μείωση της πίεσης επαναφέρει το κυκλικό σχήμα-μέχρι να ξεπεραστεί η αντοχή διαρροής. Η πλαστική κατάρρευση συμβαίνει όταν η θλιπτική τάση υπερβαίνει την αντοχή διαρροής του υλικού (240–340 MPa για τον βαθμό 2). Στην πράξη, οι σωλήνες τιτανίου καταρρέουν με συνδυασμένο λυγισμό ελαστικού-πλαστικού. Οι ατέλειες (ωομορφία, διακύμανση πάχους τοιχώματος) μειώνουν την πραγματική πίεση κατάρρευσης στο 50–70% της θεωρητικής τιμής.

Ποσοτική πίεση κατάρρευσης για κοινά μεγέθη σωλήνων

Οι ακόλουθες πιέσεις κατάρρευσης (υποθέτοντας ότι το 60% της θεωρητικής αιτίας για ατέλειες) καθορίζονται για σωλήνες τιτανίου Βαθμού 2 με καπάκι και τα δύο άκρα (εσωτερική πίεση σε 1 atm):

Θέματα μερικώς βυθισμένου σωλήνα

Για ένα σωλήνα μερικώς βυθισμένο σε υγρό με πίεση αερίου πάνω από το υγρό, η εξωτερική πίεση ποικίλλει κατά μήκος του σωλήνα. Στην κορυφή (χώρος αερίου), η πίεση ισούται με P_gas. Σε επίπεδο υγρού, η πίεση ισούται με P_gas. Σε βάθος h κάτω από την επιφάνεια του υγρού, η πίεση ισούται με P_gas + (ρ × g × h). Η χειρότερη-συνθήκη συνήθως δεν είναι στο μέγιστο βάθος αλλά στο σημείο όπου η κλίση πίεσης αλληλεπιδρά με τις ατέλειες του σωλήνα. Για τα βαθιά δοχεία, το κατώτερο τμήμα μπορεί να καταρρεύσει πρώτα λόγω υψηλότερης πίεσης, αλλά η ζώνη μετάβασης κοντά στη στάθμη του υγρού υφίσταται μεταβαλλόμενη πίεση που μπορεί να προκαλέσει τάσεις κάμψης. Ο παρακάτω πίνακας παρέχει όρια σχεδιασμού για μερικώς βυθισμένους σωλήνες:

Μηχανική πέρα ​​από την πίεση κατάρρευσης

Η εσωτερική πίεση (από το αέριο που έχει παγιδευτεί στο εσωτερικό του θερμαντήρα ή από τη διαστολή του θερμαντικού στοιχείου) αυξάνει την αντίσταση κατάρρευσης. Μια μικρή εσωτερική πίεση 0,5–1,0 bar αυξάνει σημαντικά τον βαθμό κατάρρευσης εξουδετερώνοντας την εξωτερική πίεση. Τα στηρίγματα σωλήνων μειώνουν το μη υποστηριζόμενο μήκος, γεγονός που επηρεάζει τη λειτουργία λυγισμού. Για μεγάλους σωλήνες (μήκος > 2 μέτρα), τα ενδιάμεσα στηρίγματα κάθε 500 mm αυξάνουν την πίεση κατάρρευσης κατά 50–100% αποτρέποντας τη λειτουργία λυγισμού μεγάλου-μήκους κύματος. Ο βαθμός τιτανίου επηρεάζει την πίεση κατάρρευσης μόνο μέσω της αντοχής διαρροής. Ο βαθμός 7 (αντοχή διαρροής 270–350 MPa) προσφέρει 10–15% υψηλότερη αντίσταση στην κατάρρευση του πλαστικού από τον βαθμό 2 (240–310 MPa). Η θερμοκρασία μειώνει την πίεση κατάρρευσης: στους 150 βαθμούς , η E μειώνεται κατά 15%, μειώνοντας την πίεση κατάρρευσης κατά περίπου 15% από τις τιμές θερμοκρασίας δωματίου-.

Κάνοντας μια ενημερωμένη προδιαγραφή

Κατά τον καθορισμό ενός σωλήνα θέρμανσης τιτανίου για ένα δοχείο βαθιάς αντίδρασης, υπολογίστε τη μέγιστη εξωτερική πίεση στο χαμηλότερο σημείο βύθισης, συμπεριλαμβανομένης της πίεσης αερίου και της υδροστατικής κεφαλής. Εφαρμόστε συντελεστή ασφαλείας 3 έναντι της θεωρητικής πίεσης κατάρρευσης (ή 2 έναντι της επιτρεπόμενης πίεσης κατάρρευσης από τον παραπάνω πίνακα). Για βάθη που υπερβαίνουν τα 30 μέτρα ισοδύναμου νερού, σκεφτείτε να χρησιμοποιήσετε παχύτερους τοίχους (D/t < 15) ή μικρότερες διαμέτρους. Προσδιορίστε ότι οι σωλήνες πληρούν τα όρια ωοειδοποίησης ASTM E273 (μέγιστο 1% ωοειδές για σωλήνα χωρίς ραφή), επειδή η αρχική ωομορφία μειώνει την πίεση κατάρρευσης. Κατά την εγκατάσταση, βεβαιωθείτε ότι οι σωλήνες είναι ίσιοι και ομοιόμορφα στηριζόμενοι. οι βαθουλωμένοι ή λυγισμένοι σωλήνες χάνουν το 50-80% της αντίστασης κατάρρευσης. Εάν η μερική βύθιση δημιουργεί μια κλίση πίεσης κατά μήκος του μήκους του σωλήνα, εγκαταστήστε έναν μικρό εσωτερικό ρυθμιστή πίεσης (0,5 bar) για να διατηρήσετε θετική διαφορά εσωτερικής πίεσης. Υπολογίζοντας σωστά τον βαθμό κατάρρευσης και εφαρμόζοντας κατάλληλα περιθώρια ασφαλείας, ο μηχανικός αποτρέπει την ξαφνική, καταστροφική κατάρρευση σωλήνα σε δοχεία βαθιάς πίεσης.