Каково максимально допустимое внешнее давление (номинальное давление) для тонкостенной титановой нагревательной трубки-, частично погруженной в глубокий реакционный сосуд?
Оставить сообщение
В глубоких реакционных сосудах, например, используемых в гидрометаллургии, химическом синтезе или гидротермальной обработке, титановая нагревательная трубка может быть частично погружена в жидкость, в то время как верхняя часть подвергается воздействию газа под давлением. Внешнее давление, действующее на трубку, создается гидростатическим напором жидкости (ниже уровня жидкости) плюс любым давлением газа над поверхностью жидкости. Тонкостенные-титановые трубы подвержены разрушению под воздействием внешнего давления-внезапного катастрофического разрушения, при котором поперечное-сечение трубки деформируется от круглого до овального или сплющивается. Максимально допустимое внешнее давление (степень разрушения) зависит от диаметра трубы, толщины стенки, свойств материала и длины между опорами. Для частично погруженных трубок худшие условия-обычно возникают на уровне жидкости, где градиент давления самый высокий.
Механизм коллапса под внешним давлением
Когда внешнее давление превышает внутреннее, стенка трубы испытывает сжимающее кольцевое напряжение. Для идеально круглой трубы упругое разрушение происходит, когда внешнее давление достигает критического значения (P_c), описываемого классической формулой для тонкостенных-трубок: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, где E - модуль Юнга (105 ГПа для титана Grade 2), ν - коэффициент Пуассона (0,34), t - толщина стенки, D - трубка внешний диаметр. Это упругое разрушение обратимо-снижение давления восстанавливает круглую форму-до тех пор, пока предел текучести не будет превышен. Пластическое разрушение происходит, когда сжимающее напряжение превышает предел текучести материала (240–340 МПа для класса 2). На практике титановые трубы разрушаются в результате комбинированного упругопластического коробления. Несовершенства (овальность, изменение толщины стенок) снижают фактическое давление обрушения до 50–70 % от теоретического значения.
Количественное давление сжатия для труб распространенных размеров
Следующие давления разрушения (при условии, что дефекты составляют 60% от теоретического) установлены для трубок из титана класса 2 с заглушками на обоих концах (внутреннее давление при 1 атм):
| Внешний диаметр трубки × Стенка (мм) | Соотношение D/t | Теоретическое давление разрушения (бар) | Допустимое давление разрушения (бар, коэффициент 60 %) | Максимальная глубина погружения (метры воды) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Особенности частично погруженных трубок
Для трубки, частично погруженной в жидкость, где давление газа находится над жидкостью, внешнее давление меняется по длине трубки. Вверху (газовое пространство) давление равно P_gas. На уровне жидкости давление равно P_gas. На глубине h ниже поверхности жидкости давление равно P_gas + (ρ×g×h). Наихудший-случай обычно возникает не на максимальной глубине, а в точке, где градиент давления взаимодействует с дефектами трубы. В глубоких сосудах нижняя часть может разрушиться первой из-за более высокого давления, но переходная зона вблизи уровня жидкости испытывает различное давление, которое может вызвать изгибающие напряжения. В следующей таблице представлены расчетные ограничения для частично погруженных трубок:
| Состояние судна | Давление газа (бар) | Глубина жидкости (м) | Рекомендуемый наружный диаметр трубы × стенка (мм) | Запас прочности |
|---|---|---|---|---|
| Атмосферный сосуд, глубина жидкости 5 м | 1.0 | 5 | 20 × 1,0 или 25 × 1,2 | 3,0x (19 бар > 1,5 бар) |
| Сосуд под давлением, газ 5 бар, глубина жидкости 10 м. | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2,8x (57 бар > 6 бар) |
| Сосуд под давлением, газ 10 бар, глубина жидкости 20 м. | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1,9x (21 бар > 12 бар) |
| Автоклав высокого-давления, газ 20 бар, глубина жидкости 5 м. | 20.0 | 5 | 20 × 1,5 или 25 × 2,0 | 2,0x (21 бар > 20,5 бар) |
| Глубокий сосуд, глубина жидкости 50 м, атмосферный газ | 1.0 | 50 | Непрактично для тонкостенного-титанового титана; используйте 32 × 2,0 | 5 бар макс. |
Инженерное дело за пределами давления обрушения
Внутреннее давление (из-за газа, попавшего внутрь нагревателя, или из-за расширения нагревательного элемента) увеличивает сопротивление разрушению. Небольшое внутреннее давление 0,5–1,0 бар значительно повышает степень разрушения за счет противодействия внешнему давлению. Опоры для труб уменьшают неподдерживаемую длину, что влияет на режим потери устойчивости. Для длинных труб (длиной > 2 метров) промежуточные опоры каждые 500 мм увеличивают давление разрушения на 50–100 %, предотвращая длинноволновый режим выпучивания. Марка титана влияет на давление разрушения только через предел текучести; Марка 7 (предел текучести 270–350 МПа) обеспечивает на 10–15% большую стойкость к пластическому разрушению, чем марка 2 (240–310 МПа). Температура снижает давление разрушения: при 150 градусах E уменьшается на 15 %, снижая давление разрушения примерно на 15 % по сравнению со значениями комнатной-температуры.
Создание обоснованной спецификации
При выборе титановой нагревательной трубки для глубокого реакционного сосуда рассчитайте максимальное внешнее давление в самой нижней точке погружения, включая давление газа и гидростатический напор. Примените коэффициент безопасности 3 к теоретическому давлению разрушения (или 2 к допустимому давлению разрушения из таблицы выше). Для глубин, превышающих 30 метров водного эквивалента, рассмотрите возможность использования более толстых стенок (D/t < 15) или меньших диаметров. Укажите, что трубы соответствуют ограничениям овальности ASTM E273 (максимальная овальность 1 % для бесшовных труб), поскольку первоначальная овальность снижает давление сдавливания. Во время установки убедитесь, что трубы расположены прямо и равномерно поддерживаются; помятые или изогнутые трубы теряют 50–80% устойчивости к разрушению. Если частичное погружение создает градиент давления по длине трубки, установите небольшой внутренний регулятор давления (0,5 бар) для поддержания положительного внутреннего перепада давления. Правильно рассчитав степень разрушения и применив соответствующие запасы прочности, инженер предотвращает внезапное катастрофическое разрушение трубки в глубоких сосудах под давлением.
