Derin Bir Reaksiyon Kabına Kısmen Batırılmış İnce-Duvarlı Titanyum Isıtma Borusu İçin İzin Verilebilen Maksimum Dış Basınç (Çökme Derecesi) Nedir?
Mesaj bırakın
Hidrometalurji, kimyasal sentez veya hidrotermal işlemede kullanılanlar gibi derin reaksiyon kaplarında, titanyum ısıtma tüpü kısmen sıvıya batırılırken üst kısmı basınçlı gaza maruz bırakılabilir. Boruya etki eden dış basınç, sıvının hidrostatik yüksekliğinden (sıvı seviyesinin altında) artı sıvı yüzeyinin üzerindeki herhangi bir gaz basıncından gelir. İnce-duvarlı titanyum tüpler, dış basınç altında çökmeye yatkındır-tüp kesitinin daireselden oval veya düzleşmeye dönüştüğü ani, yıkıcı bir arıza-. İzin verilen maksimum dış basınç (çökme derecesi), boru çapına, duvar kalınlığına, malzeme özelliklerine ve destekler arasındaki uzunluğa bağlıdır. Kısmen suya daldırılmış tüpler için, en kötü-durum durumu genellikle basınç eğiminin en yüksek olduğu sıvı seviyesinde meydana gelir.
Dış Baskı Altında Çökme Mekanizması
Dış basınç iç basıncı aştığında tüp duvarı basınç çemberi gerilimine maruz kalır. Mükemmel dairesel bir tüp için, dış basınç, ince-duvarlı tüpler için klasik formülle tanımlanan kritik bir değere (P_c) ulaştığında elastik çökme meydana gelir: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, burada E, Young modülüdür (Sınıf 2 titanyum için 105 GPa), ν, Poisson oranıdır (0,34), t, duvar kalınlığıdır ve D, tüpün dış çapı. Bu elastik çökme tersine çevrilebilir-basıncın azaltılması, akma mukavemeti aşılana kadar-dairesel şekli geri kazandırır. Basınç gerilimi malzemenin akma dayanımını (Sınıf 2 için 240–340 MPa) aştığında plastik çökme meydana gelir. Pratikte titanyum tüpler elastik-plastik burkulmasının birleşimiyle çöker. Kusurlar (ovallik, duvar kalınlığı değişimi) gerçek çökme basıncını teorik değerin %50-70'ine düşürür.
Yaygın Tüp Boyutları için Kantitatif Çökme Basıncı
Aşağıdaki çökme basınçları (kusurları hesaba katacak teorik değerin %60'ı varsayılarak), her iki ucu da kapaklı olan 2. Sınıf titanyum tüpler için oluşturulmuştur (1 atm'de iç basınç):
| Boru Dış Çap × Duvar (mm) | D/t Oranı | Teorik Çökme Basıncı (bar) | İzin Verilen Çökme Basıncı (bar, %60 faktör) | Maksimum Daldırma Derinliği (metre su) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Kısmen Batırılmış Borularda Dikkat Edilecek Hususlar
Kısmen sıvıya daldırılmış ve gaz basıncı sıvının üzerinde olan bir tüp için dış basınç, tüpün uzunluğu boyunca değişir. Üstte (gaz alanı), basınç P_gas'a eşittir. Sıvı seviyesinde basınç P_gas'a eşittir. Sıvı yüzeyinin altındaki h derinliğinde basınç P_gas + (ρ × g × h)'ye eşittir. En kötü-durum genellikle maksimum derinlikte değil, basınç gradyanının tüp kusurlarıyla etkileşime girdiği noktadadır. Derin kaplar için, daha yüksek basınç nedeniyle ilk önce alt kısım çökebilir, ancak sıvı seviyesine yakın geçiş bölgesi, bükülme gerilimlerine neden olabilecek değişen basınçlara maruz kalır. Aşağıdaki tabloda kısmen suya daldırılmış tüpler için tasarım sınırları verilmektedir:
| Gemi Durumu | Gaz Basıncı (bar) | Sıvı Derinliği (m) | Önerilen Boru Dış Çapı × Duvar (mm) | Güvenlik Marjı |
|---|---|---|---|---|
| Atmosfer kabı, sıvı derinliği 5 m | 1.0 | 5 | 20 × 1,0 veya 25 × 1,2 | 3,0x (19 bar > 1,5 bar) |
| Basınçlı kap, 5 bar gaz, sıvı derinliği 10 m | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2,8x (57 bar > 6 bar) |
| Basınçlı kap, 10 bar gaz, sıvı derinliği 20 m | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1,9x (21 bar > 12 bar) |
| Yüksek-basınçlı otoklav, 20 bar gaz, sıvı derinliği 5 m | 20.0 | 5 | 20 × 1,5 veya 25 × 2,0 | 2,0x (21 bar > 20,5 bar) |
| Derin kap, sıvı derinliği 50 m, atmosferik gaz | 1.0 | 50 | İnce duvarlı-titanyumla pratik değildir; 32 × 2,0 kullanın | maksimum 5 bar |
Çökme Baskısının Ötesinde Mühendislik
İç basınç (ısıtıcının içinde sıkışan gazdan veya ısıtma elemanının genleşmesinden kaynaklanan) çökme direncini artırır. 0,5-1,0 bar'lık küçük bir iç basınç, dış basınca karşı koyarak çökme derecesini önemli ölçüde artırır. Boru destekleri, bükülme modunu etkileyen desteklenmeyen uzunluğu azaltır. Uzun tüpler için (uzunluk > 2 metre), her 500 mm'de bir ara destekler, uzun-dalga boyu bükülme modunu önleyerek çökme basıncını %50-100 artırır. Titanyum kalitesi çökme basıncını yalnızca akma dayanımı yoluyla etkiler; Derece 7 (akma dayanımı 270–350 MPa), Derece 2'ye (240–310 MPa) kıyasla %10–15 daha yüksek plastik çökme direnci sunar. Sıcaklık çökme basıncını azaltır: 150 derecede E %15 azalır, çökme basıncını oda sıcaklığı değerlerinden yaklaşık %15 azaltır.
Bilgiye Dayalı Bir Spesifikasyon Yapmak
Derin reaksiyon kabı için titanyum ısıtma borusu belirlerken, gaz basıncı ve hidrostatik yük de dahil olmak üzere en düşük su altındaki noktadaki maksimum dış basıncı hesaplayın. Teorik çökme basıncına karşı 3'lük bir güvenlik faktörü (veya yukarıdaki tablodan izin verilen çökme basıncına karşı 2) uygulayın. 30 metre su eşdeğerini aşan derinlikler için daha kalın duvarlar (D/t < 15) veya daha küçük çaplar kullanmayı düşünün. Boruların ASTM E273 ovallik sınırlarını (dikişsiz boru için maksimum %1 ovallik) karşıladığını belirtin çünkü başlangıçtaki ovallik çökme basıncını azaltır. Kurulum sırasında boruların düz ve eşit şekilde desteklendiğinden emin olun; çökmüş veya bükülmüş tüpler çökme direncinin %50-80'ini kaybeder. Kısmi suya batma, boru uzunluğu boyunca bir basınç gradyanı yaratıyorsa, pozitif iç basınç farkını korumak için küçük bir dahili basınç regülatörü (0,5 bar) takın. Mühendis, çökme derecesini doğru hesaplayarak ve uygun güvenlik marjlarını uygulayarak, derin basınçlı kaplarda ani, yıkıcı boru çökmesini önler.
