În vasele de reacție adânci, cum ar fi cele utilizate în hidrometalurgie, sinteza chimică sau prelucrarea hidrotermală, un tub de încălzire din titan poate fi scufundat parțial în lichid în timp ce porțiunea superioară este expusă la gaz sub presiune. Presiunea externă care acționează asupra tubului provine din capul hidrostatic al lichidului (sub nivelul lichidului) plus orice presiune a gazului deasupra suprafeței lichidului. Tuburile de titan cu pereți subțiri-sunt susceptibile să se prăbușească sub presiune externă-o defecțiune bruscă, catastrofală, în care secțiunea transversală-tubului se deformează de la circular la oval sau aplatizat. Presiunea externă maximă admisă (clasament de colaps) depinde de diametrul tubului, grosimea peretelui, proprietățile materialului și lungimea dintre suporturi. Pentru tuburile parțial scufundate, cea mai gravă stare-cazului apare de obicei la nivelul lichidului unde gradientul de presiune este cel mai mare.

Mecanism de colaps sub presiune externă

Când presiunea exterioară depășește presiunea internă, peretele tubului suferă stresul compresiv al cercului. Pentru un tub perfect circular, colapsul elastic are loc atunci când presiunea exterioară atinge o valoare critică (P_c) descrisă de formula clasică pentru tuburile cu pereți subțiri: P_c=(2E / (1{-ν²)) × (t/D)³, unde E este modulul lui Young (105 GPa), (105 GPa pentru gradul de titan), raportul 4ν Poisson, '3 ν. este grosimea peretelui, iar D este diametrul exterior al tubului. Această prăbușire elastică este reversibilă-reducerea presiunii restabilește forma circulară-până când limita de curgere este depășită. Colapsul plastic are loc atunci când efortul de compresiune depășește limita de curgere a materialului (240–340 MPa pentru gradul 2). În practică, tuburile de titan se prăbușesc prin flambaj combinat elastic-plastic. Imperfecțiunile (ovalitatea, variația grosimii peretelui) reduc presiunea efectivă de colaps la 50–70% din valoarea teoretică.

Presiune cantitativă de colaps pentru dimensiunile comune ale tuburilor

Următoarele presiuni de colaps (presupunând că 60% din teoretic să țină seama de imperfecțiuni) sunt stabilite pentru tuburile de titan de gradul 2 cu ambele capete acoperite (presiune internă la 1 atm):

Considerații privind tubul parțial scufundat

Pentru un tub parțial scufundat în lichid cu presiunea gazului deasupra lichidului, presiunea externă variază de-a lungul lungimii tubului. În partea de sus (spațiul de gaz), presiunea este egală cu P_gaz. La nivelul lichidului, presiunea este egală cu P_gaz. La adâncimea h sub suprafața lichidului, presiunea este egală cu P_gaz + (ρ × g × h). Cea mai proastă stare-cazului nu este de obicei la adâncimea maximă, ci în punctul în care gradientul de presiune interacționează cu imperfecțiunile tubului. Pentru vasele adânci, porțiunea inferioară se poate prăbuși mai întâi din cauza presiunii mai mari, dar zona de tranziție din apropierea nivelului lichidului suferă o presiune variabilă care poate induce solicitări de încovoiere. Următorul tabel oferă limitele de proiectare pentru tuburile parțial scufundate:

Inginerie dincolo de presiunea colapsului

Presiunea internă (din gazul prins în interiorul încălzitorului sau din expansiunea elementului de încălzire) mărește rezistența la prăbușire. O presiune internă mică de 0,5–1,0 bar crește semnificativ rata de colaps prin contracararea presiunii externe. Suporturile tubulare reduc lungimea nesuportată, ceea ce afectează modul de flambaj. Pentru tuburile lungi (lungime > 2 metri), suporturile intermediare la fiecare 500 mm măresc presiunea de colaps cu 50–100%, prevenind modul de flambaj cu lungime de undă lungă-. Calitatea de titan afectează presiunea de colaps numai prin limita de curgere; Gradul 7 (limita de curgere 270–350 MPa) oferă o rezistență mai mare la prăbușirea plasticului cu 10–15% decât gradul 2 (240–310 MPa). Temperatura reduce presiunea de colaps: la 150 de grade , E scade cu 15%, reducând presiunea de colaps cu aproximativ 15% față de valorile temperaturii camerei-.

Realizarea unei specificații informate

Când specificați un tub de încălzire din titan pentru un vas de reacție adânc, calculați presiunea externă maximă în cel mai jos punct scufundat, inclusiv presiunea gazului și înălțimea hidrostatică. Aplicați un factor de siguranță de 3 față de presiunea de colaps teoretică (sau 2 față de presiunea de colaps admisibilă din tabelul de mai sus). Pentru adâncimi care depășesc 30 de metri echivalent în apă, luați în considerare utilizarea pereților mai groși (D/t < 15) sau diametre mai mici. Specificați că tuburile îndeplinesc limitele de ovalitate ASTM E273 (ovalitate de maximum 1% pentru tubul fără sudură), deoarece ovalitatea inițială reduce presiunea de colaps. În timpul instalării, asigurați-vă că tuburile sunt drepte și susținute uniform; tuburile îndoite sau îndoite pierd 50-80% din rezistența la colaps. Dacă scufundarea parțială creează un gradient de presiune de-a lungul lungimii tubului, instalați un mic regulator de presiune intern (0,5 bar) pentru a menține diferența de presiune internă pozitivă. Prin calcularea corectă a cotei de prăbușire și aplicarea unor marje de siguranță adecvate, inginerul previne prăbușirea bruscă și catastrofală a tubului în vasele sub presiune adânci.