מהו הלחץ החיצוני המקסימלי המותר (דירוג התמוטטות) עבור צינור חימום טיטניום דק-שקוע חלקית בכלי תגובה עמוק?
השאר הודעה
בכלי תגובה עמוקים, כגון אלו המשמשים בהידרופטלורגיה, סינתזה כימית או עיבוד הידרותרמי, צינור חימום טיטניום עשוי להיות שקוע חלקית בנוזל בעוד החלק העליון חשוף לגז בלחץ. הלחץ החיצוני הפועל על הצינור מגיע מהראש ההידרוסטטי של הנוזל (מתחת למפלס הנוזל) בתוספת כל לחץ גז מעל פני הנוזל. צינורות טיטניום דקים- רגישים לקריסה בלחץ חיצוני-כשל פתאומי, קטסטרופלי שבו חתך הצינור- מתעוות מעוגל לסגלגל או שטוח. הלחץ החיצוני המרבי המותר (דירוג קריסה) תלוי בקוטר הצינור, עובי הדופן, תכונות החומר והאורך בין התומכים. עבור צינורות שקועים חלקית, המצב הגרוע ביותר- מתרחש בדרך כלל ברמת הנוזל שבה שיפוע הלחץ הוא הגבוה ביותר.
מנגנון התמוטטות בלחץ חיצוני
כאשר הלחץ החיצוני עולה על הלחץ הפנימי, דופן הצינור חווה מתח חישוק דחיסה. עבור צינור עגול מושלם, קריסה אלסטית מתרחשת כאשר הלחץ החיצוני מגיע לערך קריטי (P_c) המתואר על ידי הנוסחה הקלאסית עבור צינורות דקים-: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, כאשר E הוא המודול של Young הוא מודול ה-GPa של Young (105) יחס (0.34), t הוא עובי הדופן, ו-D הוא הקוטר החיצוני של הצינור. התמוטטות אלסטית זו היא הפיכה-הפחתת הלחץ משחזרת צורה מעגלית-עד שחרוג מעוצמת התפוקה. קריסת פלסטיק מתרחשת כאשר מתח הלחיצה עולה על חוזק התפוקה של החומר (240-340 MPa עבור דרגה 2). בפועל, צינורות טיטניום קורסים על ידי פיתול אלסטי-פלסטיק משולב. פגמים (סגלגלות, שינוי בעובי דופן) מפחיתים את לחץ הקריסה בפועל ל-50-70% מהערך התיאורטי.
לחץ קריסה כמותי עבור גדלי צינור נפוצים
לחצי הקריסה הבאים (בהנחה של 60% מהתיאורטיים כדי לקחת בחשבון פגמים) נקבעים עבור צינורות טיטניום דרגה 2 עם מכסה של שני הקצוות (לחץ פנימי ב-1 atm):
| צינור OD × קיר (מ"מ) | יחס D/t | לחץ קריסה תיאורטי (בר) | לחץ כיווץ מותר (בר, גורם של 60%) | עומק טבילה מרבי (מטר מים) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
שיקולי צינור שקוע חלקית
עבור צינור שקוע חלקית בנוזל עם לחץ גז מעל הנוזל, הלחץ החיצוני משתנה לאורך הצינור. בחלק העליון (חלל גז), לחץ שווה P_gas. ברמת הנוזל, הלחץ שווה ל-P_gas. בעומק h מתחת לפני הנוזל, הלחץ שווה P_gas + (ρ × g × h). המצב הגרוע ביותר- הוא בדרך כלל לא בעומק המרבי אלא בנקודה שבה שיפוע הלחץ יוצר אינטראקציה עם פגמים בצינור. עבור כלים עמוקים, החלק התחתון עלול לקרוס תחילה עקב לחץ גבוה יותר, אך אזור המעבר ליד מפלס הנוזל חווה לחץ משתנה שיכול לגרום ללחצים בכיפוף. הטבלה הבאה מספקת מגבלות עיצוב עבור צינורות שקועים חלקית:
| מצב כלי השיט | לחץ גז (בר) | עומק נוזל (מ') | צינור מומלץ OD × קיר (מ"מ) | מרווח בטיחות |
|---|---|---|---|---|
| כלי אטמוספרי, עומק נוזל 5 מ' | 1.0 | 5 | 20 × 1.0 או 25 × 1.2 | 3.0x (19 בר > 1.5 בר) |
| מיכל לחץ, גז 5 בר, עומק נוזל 10 מ' | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2.8x (57 בר > 6 בר) |
| כלי לחץ, גז 10 בר, עומק נוזל 20 מ' | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1.9x (21 בר > 12 בר) |
| חיטוי-בלחץ גבוה, גז 20 בר, עומק נוזל 5 מ' | 20.0 | 5 | 20 × 1.5 או 25 × 2.0 | 2.0x (21 בר > 20.5 בר) |
| כלי עמוק, עומק נוזל 50 מ', גז אטמוספרי | 1.0 | 50 | לא מעשי עם טיטניום-דק; השתמש ב-32 × 2.0 | 5 בר מקסימום |
הנדסה מעבר ללחץ התמוטטות
לחץ פנימי (מגז הכלוא בתוך המחמם או מהתרחבות גוף החימום) מגביר את ההתנגדות לקריסה. לחץ פנימי קטן של 0.5-1.0 בר מעלה משמעותית את דירוג הקריסה על ידי מניעת לחץ חיצוני. תומכי צינור מפחיתים את האורך הלא נתמך, מה שמשפיע על מצב הפיתול. עבור צינורות ארוכים (אורך > 2 מטרים), תמיכות ביניים בכל 500 מ"מ מגדילות את לחץ ההתמוטטות ב-50-100% על ידי מניעת מצב החפיפה באורך הגל הארוך.- דרגת הטיטניום משפיעה על לחץ הקריסה רק באמצעות חוזק תפוקה; דרגה 7 (חוזק תפוקה 270–350 MPa) מציעה עמידות פלסטיק גבוהה ב-10–15% מדרגה 2 (240–310 MPa). הטמפרטורה מפחיתה את לחץ הקריסה: ב-150 מעלות, E יורד ב-15%, ומפחית את לחץ הקריסה בכ-15% מערכי-טמפרטורת החדר.
ביצוע מפרט מושכל
בעת ציון צינור חימום טיטניום לכלי תגובה עמוק, חשב את הלחץ החיצוני המרבי בנקודה השקועה הנמוכה ביותר, כולל לחץ גז וראש הידרוסטטי. הפעל מקדם בטיחות של 3 כנגד לחץ הקריסה התיאורטי (או 2 כנגד לחץ הקריסה המותר מהטבלה לעיל). עבור עומקים העולה על 30 מטרים של שווה ערך למים, שקול להשתמש בקירות עבים יותר (D/t < 15) או בקטרים קטנים יותר. ציין שצינורות עומדים במגבלות הסגלגלות של ASTM E273 (מקסימום 1% סגלגלות לצינור ללא תפרים) מכיוון שהסגלגלות הראשונית מפחיתה את לחץ הקריסה. במהלך ההתקנה, ודא שהצינורות ישרים ונתמכים באופן שווה; צינורות שקעים או כפופים מאבדים 50-80% מההתנגדות לקריסה. אם טבילה חלקית יוצרת שיפוע לחץ לאורך הצינור, התקן וסת לחץ פנימי קטן (0.5 בר) כדי לשמור על הפרש לחץ פנימי חיובי. על ידי חישוב דירוג הקריסה בצורה נכונה והחלת מרווחי בטיחות מתאימים, המהנדס מונע קריסת צינור פתאומית ואסון בכלי לחץ עמוקים.
