حداکثر فشار خارجی مجاز (رده بندی فروپاشی) برای یک لوله حرارتی نازک-دیواره ای تیتانیومی که تا حدی در یک ظرف واکنش عمیق غوطه ور شده است چیست؟
پیام بگذارید
در مخازن واکنش عمیق، مانند آنهایی که در هیدرومتالورژی، سنتز شیمیایی، یا پردازش هیدروترمال استفاده میشوند، یک لوله حرارتی تیتانیوم ممکن است تا حدی در مایع غوطهور شود در حالی که قسمت بالایی در معرض گاز تحت فشار قرار دارد. فشار خارجی وارد بر لوله از سر هیدرواستاتیک مایع (زیر سطح مایع) به اضافه هر فشار گاز بالای سطح مایع می آید. لولههای تیتانیومی با دیواره نازک-در معرض فشار خارجی فرو میروند{3}}یک شکست ناگهانی و فاجعهبار که در آن مقطع لوله از حالت دایرهای به بیضی شکل یا صاف میشود. حداکثر فشار خارجی مجاز (میزان فروپاشی) به قطر لوله، ضخامت دیواره، خواص مواد و طول بین تکیه گاه ها بستگی دارد. برای لولههای نیمه غوطهور، بدترین حالت-معمولاً در سطح مایعی رخ میدهد که گرادیان فشار بالاترین است.
مکانیسم فروپاشی تحت فشار خارجی
هنگامی که فشار خارجی از فشار داخلی بیشتر شود، دیواره لوله تنش حلقه فشاری را تجربه می کند. برای یک لوله کاملاً دایرهای، فروپاشی الاستیک زمانی رخ میدهد که فشار خارجی به مقدار بحرانی (P_c) برسد که با فرمول کلاسیک برای لولههای دیواره نازک توصیف شده است: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³، که در آن E مدول تانیم یانگ است (G10 ν2 برای مدول Tium) نسبت پواسون (0.34)، t ضخامت دیواره و D قطر بیرونی لوله است. این فروپاشی الاستیک برگشتپذیر است-کاهش فشار شکل دایرهای را بازیابی میکند{18}}تا زمانی که از قدرت تسلیم فراتر رود. فروپاشی پلاستیک زمانی رخ می دهد که تنش فشاری از مقاومت تسلیم ماده (240 تا 340 مگاپاسکال برای درجه 2) بیشتر شود. در عمل، لوله های تیتانیومی با کمانش ترکیبی الاستیک-پلاستیک فرو می ریزند. عیوب (بیضی، تغییر ضخامت دیواره) فشار واقعی فروپاشی را به 50 تا 70 درصد از مقدار نظری کاهش می دهد.
فشار فروپاشی کمی برای اندازه های معمول لوله
فشارهای فروپاشی زیر (با فرض اینکه 60٪ از نظر تئوری به عنوان نقص در نظر گرفته شود) برای لوله های تیتانیوم درجه 2 با هر دو سر درپوش (فشار داخلی در 1 اتمسفر) ایجاد شده است:
| لوله OD × دیوار (میلی متر) | نسبت D/t | فشار فروپاشی نظری (بار) | فشار فروپاشی مجاز (نوار، ضریب 60%) | حداکثر عمق غوطه وری (متر آب) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
ملاحظات لوله نیمه غوطه ور
برای لوله ای که تا حدی در مایع غوطه ور است با فشار گاز بالاتر از مایع، فشار خارجی در طول لوله تغییر می کند. در قسمت بالا (فضای گاز)، فشار برابر با P_gas است. در سطح مایع، فشار برابر با P_gas است. در عمق h زیر سطح مایع، فشار برابر است P_gas + (ρ × g × h). بدترین حالت-معمولاً در حداکثر عمق نیست، بلکه در نقطهای است که گرادیان فشار با عیوب لوله در تعامل است. برای مخازن عمیق، قسمت پایین ممکن است ابتدا به دلیل فشار بیشتر فرو بریزد، اما منطقه انتقال نزدیک به سطح مایع، فشار متغیری را تجربه می کند که می تواند باعث ایجاد تنش خمشی شود. جدول زیر محدودیت های طراحی برای لوله های نیمه غوطه ور را ارائه می دهد:
| وضعیت کشتی | فشار گاز (بار) | عمق مایع (متر) | لوله توصیه شده OD × دیوار (میلی متر) | حاشیه ایمنی |
|---|---|---|---|---|
| ظرف اتمسفر، عمق مایع 5 متر | 1.0 | 5 | 20 × 1.0 یا 25 × 1.2 | 3.0x (19 بار > 1.5 بار) |
| مخزن تحت فشار، گاز 5 بار، عمق مایع 10 متر | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2.8x (57 بار > 6 بار) |
| مخزن تحت فشار، گاز 10 بار، عمق مایع 20 متر | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1.9x (21 بار > 12 بار) |
| اتوکلاو فشار قوی، گاز 20 بار، عمق مایع 5 متر | 20.0 | 5 | 20 × 1.5 یا 25 × 2.0 | 2.0x (21 بار > 20.5 بار) |
| ظرف عمیق، عمق مایع 50 متر، گاز اتمسفر | 1.0 | 50 | با دیوار نازک-تیتانیوم عملی نیست. از 32 × 2.0 استفاده کنید | حداکثر 5 بار |
مهندسی فراتر از فشار فروپاشی
فشار داخلی (از گاز محبوس شده در داخل بخاری یا از انبساط المنت گرمایشی) مقاومت در برابر فروپاشی را افزایش می دهد. فشار داخلی کوچک 0.5-1.0 بار به طور قابل توجهی رتبه فروپاشی را با مقابله با فشار خارجی افزایش می دهد. ساپورت های لوله طول بدون پشتیبانی را کاهش می دهد که بر حالت کمانش تأثیر می گذارد. برای لولههای بلند (طول بیش از 2 متر)، ساپورتهای میانی هر 500 میلیمتر فشار فروپاشی را 50 تا 100 درصد با جلوگیری از حالت کمانش با طول موج طولانی افزایش میدهند. درجه تیتانیوم تنها از طریق استحکام تسلیم بر فشار فروپاشی تأثیر می گذارد. درجه 7 (قدرت تسلیم 270 تا 350 مگاپاسکال) 10 تا 15 درصد مقاومت در برابر فروپاشی پلاستیک بالاتر از درجه 2 (240 تا 310 مگاپاسکال) ارائه می دهد. دما فشار فروپاشی را کاهش میدهد: در 150 درجه، E تا 15 درصد کاهش مییابد و فشار فروپاشی را تقریباً 15 درصد از مقادیر دمای اتاق کاهش میدهد.
ساخت مشخصات آگاهانه
هنگام تعیین یک لوله حرارتی تیتانیومی برای یک مخزن واکنش عمیق، حداکثر فشار خارجی را در پایین ترین نقطه غوطه ور محاسبه کنید، از جمله فشار گاز و سر هیدرواستاتیک. ضریب ایمنی 3 را در برابر فشار فروپاشی نظری (یا 2 در برابر فشار فروپاشی مجاز جدول بالا) اعمال کنید. برای اعماق بیش از 30 متر معادل آب، از دیوارهای ضخیم تر (D/t < 15) یا قطرهای کوچکتر استفاده کنید. مشخص کنید که لوله ها با محدودیت های بیضی ASTM E273 (حداکثر 1% بیضی برای لوله بدون درز) مطابقت دارند زیرا بیضی اولیه فشار فروپاشی را کاهش می دهد. در حین نصب، اطمینان حاصل کنید که لوله ها صاف و یکنواخت هستند. لوله های فرورفته یا خم شده 50 تا 80 درصد مقاومت در برابر فروپاشی را از دست می دهند. اگر غوطه ور شدن جزئی یک گرادیان فشار در طول لوله ایجاد می کند، یک تنظیم کننده فشار داخلی کوچک (0.5 بار) برای حفظ اختلاف فشار داخلی مثبت نصب کنید. مهندس با محاسبه صحیح رتبه فروپاشی و اعمال حاشیه های ایمنی مناسب، از فروپاشی ناگهانی و فاجعه بار لوله در مخازن تحت فشار عمیق جلوگیری می کند.
