چگونه طراحی کلاهک انتهایی (مسطح در مقابل گنبدی) یک لوله گرمایش تیتانیوم مهر و موم شده بر توانایی آن برای مقاومت در برابر فشار داخلی تأثیر می‌گذارد-از تجزیه ردیابی رطوبت در 200 درجه؟

تجارت اولیه-در طراحی درپوش انتهایی بخاری تیتانیوم
لوله های گرمایش تیتانیوم مهر و موم شده با اکسید منیزیم (MgO) عایق شده اند که می تواند رطوبت کمی را در طول ساخت یا ذخیره سازی جذب کند. هنگامی که بخاری در دمای 200 درجه در دیواره داخلی فعال می شود، این رطوبت تبخیر می شود و ممکن است به هیدروژن و اکسیژن تجزیه شود. این می تواند باعث ایجاد فشار داخلی شود و ممکن است باعث از کار افتادن کلاهک انتهایی شود. طراحی درپوش انتهایی، چه مسطح یا گنبدی شکل، مستقیماً بر نحوه مقاومت لوله در برابر این فشار داخلی تأثیر می گذارد. یک کلاهک تخت دارای کرنش های خمشی با غلظت تنش در محل اتصال جوش است. یک کلاهک گنبدی در کشش غشایی است. ضخامت دیوار تابعی از شکل کلاهک انتهایی است. یک دیوار ضخیم تر می تواند یک کلاه صاف تر را در فشارهای بیشتر نگه دارد. یک کلاهک گنبدی می‌تواند همان فشار را با دیوار نازک‌تر تحمل کند. این تجزیه و تحلیل ظرفیت فشار درپوش‌های انتهایی تخت در مقابل گنبدی شکل را روی لوله‌های گرمایش تیتانیوم اندازه‌گیری می‌کند و پیشنهادات انتخابی را برای خدمات دمای بالا که در آن فشار داخلی یک خطر است، ارائه می‌دهد.

تأثیر بر یکپارچگی مکانیکی: توزیع تنش در کلاهک‌های مسطح و گنبدی
ما تعیین می کنیم که تنش ناشی از فشار در مرکز یک کلاهک انتهای صاف جوش داده شده به یک لوله تیتانیومی با شعاع داخلی r و ضخامت دیواره t توسط $\\sigma_{flat}=0.31*P*r^2/t^2$، که در آن P نشان دهنده فشار داخلی است، داده می شود. برای یک لوله معمولی OD 20 میلی‌متری (شعاع داخلی 8 میلی‌متر برای دیوار 1.0 میلی‌متری) با فشار داخلی 10 بار (1 مگاپاسکال)، sigma_flat=(0.31 * 1e6 * 0.008^2) / (0.001^2)=198 MPa. این فقط کمی بالاتر از استحکام تسلیم تیتانیوم درجه 2 (275 مگاپاسکال) است و از این رو حاشیه ایمنی بسیار کمی وجود دارد. برای یک کلاهک گنبدی (نیم کروی)، تنش σdome=Pr 2 t است که در آن شعاع گنبد با شعاع لوله یکسان در نظر گرفته می شود. در شرایط یکسان، σ_گنبد=(1e6 × 0.008) / (2 × 0.001)=4 مگاپاسکال- 50 پایین‌تر از سطح صاف است. کلاهک گنبدی تقریباً به طور کامل فشار را در کشش غشاء تحمل می کند و خم نمی شود. در برابر فشار داخلی بسیار مقاوم تر است. برای کلاهک های تخت، حالت شکست شامل تسلیم شدن و برآمدگی در اطراف مرکز و سپس پارگی جوش است. کلاهک های گنبدی معمولاً با تسلیم عمومی در فشارهای 10 تا 20 برابر بیشتر از کلاهک های مسطح با ضخامت دیواره یکسان از بین می روند.

تأثیر بر عملکرد حرارتی: انتقال حرارت و محدودیت‌های تولید
طراحی کلاهک انتهایی تنها تأثیر غیرمستقیم بر عملکرد حرارتی دارد. درپوش مسطح دارای سطح بزرگتری در تماس با محیط فرآیند است و این ممکن است انتقال گرما را در نوک بخاری بهبود بخشد. اما تفاوت حداقل است (معمولا<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.

ماتریس انتخاب سرپوش پایانی: سنتز تجارت-خاموش است
لوله OD و ضخامت دیوار حداکثر فشار داخلی ایمن (درپوش تخت، درجه 2) حداکثر فشار داخلی ایمن (درپوش گنبدی) توصیه درپوش انتهایی (توجه مهندسی اصلی)
12 میلی متر × 0.8 میلی متر 4 بار > 50 بار گنبدی دیوار نازک نمی تواند فشار خمشی کلاهک صاف را تحمل کند.
16 میلی متر × 1.0 میلی متر 6 بار > 40 بار درپوش تخت گنبدی حداقل. گنبدی حاشیه ایمنی می دهد
20 میلی متر x 1.2 میلی متر 8 بار > 35 بار گنبدی ایده آل برای قابلیت اطمینان. کاهش تنش پس از جوش فقط درپوش صاف قابل قبول است.
20 میلی‌متر × 1.6 میلی‌متر 14 بار > 45 بار هر یک از این درپوش‌ها برای بیشتر اهداف کافی است. گنبدی حاشیه اضافی می دهد.
2.0 میلی متر x 25 میلی متر 18 بار > 50 بار تخت (صرفه جویی در هزینه) دیوار ضخیم استحکام خمشی کافی را فراهم می کند. بیش از-مشخصات گنبدی است.
مهندسی فراتر از درپوش: کنترل رطوبت و تهویه
بهترین راه برای کنترل فشار داخلی{0}}پرهیز از نفوذ کامل رطوبت است. یک بخاری در حین پر کردن MgO و آب بندی با خلاء با نیتروژن پاک می شود تا رطوبت باقیمانده به کمتر از 0.1٪ وزنی به حداقل برسد، بنابراین از افزایش فشار حتی در 300 درجه جلوگیری می کند. برای بخاری‌های فعلی یا طراحی‌های کم هزینه، یک سوراخ کوچک دریچه (قطر 0.2 تا 0.5 میلی‌متر) در درپوش انتهایی، راه فراری برای گازهای داخلی بدون کاهش مقاومت در برابر خوردگی فراهم می‌کند، زیرا سوراخ معمولاً در زیر آب است و به دلیل فشار داخلی مثبت جزئی، آب نمک وارد نمی‌شود. از طرف دیگر، یک دیسک انفجاری با قدرت 10 بار می‌تواند در یک کلاهک صاف ادغام شود و فشار تنظیم‌شده را آزاد کند.

نتیجه گیری: کلاهک های مسطح برای دیوارهای ضخیم مناسب هستند، کلاهک های گنبدی برای دیوارهای نازک بهتر هستند.
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 میلی‌متر) یک کلاهک صاف خوب است زیرا عبارت t² در مخرج تنش خمشی را تا سطوح قابل تحمل کاهش می‌دهد. اگر مشخص شد که فشار داخلی یک خطر است (به عنوان مثال، بخاری‌هایی که قبل از نصب در محیط‌های مرطوب ذخیره می‌شوند)، باید بدون توجه به ضخامت دیوار، یک کلاهک گنبدی یا طرح هواکش مشخص شود. بالاترین دمای عملیاتی و رطوبت ذخیره سازی پیش بینی شده را به سازنده ارائه دهید تا به سازنده اجازه دهید تا درپوش انتهایی مناسب را برای خدمات طولانی مدت قابل اعتماد بسازد.