ความดันภายนอกสูงสุดที่อนุญาต (อัตราการยุบตัว) สำหรับท่อทำความร้อนไทเทเนียมที่มีผนังบาง-ซึ่งจมอยู่ใต้น้ำบางส่วนในถังปฏิกิริยาลึกคือเท่าใด
ฝากข้อความ
ในภาชนะที่ทำปฏิกิริยาเชิงลึก เช่น ที่ใช้ในวิทยาโลหะวิทยาทางน้ำ การสังเคราะห์ทางเคมี หรือกระบวนการไฮโดรเทอร์มอล ท่อความร้อนไททาเนียมอาจจมอยู่ในของเหลวบางส่วนในขณะที่ส่วนบนสัมผัสกับก๊าซที่มีแรงดัน แรงดันภายนอกที่กระทำต่อท่อนั้นมาจากส่วนหัวของของเหลวที่หยุดนิ่ง (ต่ำกว่าระดับของเหลว) บวกกับแรงดันก๊าซที่อยู่เหนือพื้นผิวของของเหลว ท่อไทเทเนียมที่มีผนังบาง-มีแนวโน้มที่จะพังทลายลงภายใต้แรงกดดันภายนอก-ความล้มเหลวอย่างร้ายแรงอย่างกะทันหัน โดยที่หน้าตัดของท่อ-จะเปลี่ยนจากรูปวงกลมเป็นวงรีหรือแบน แรงดันภายนอกสูงสุดที่อนุญาต (อัตราการยุบตัว) ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ ความหนาของผนัง คุณสมบัติของวัสดุ และความยาวระหว่างส่วนรองรับ สำหรับท่อที่จมอยู่ใต้น้ำบางส่วน สภาวะกรณีที่แย่ที่สุด-มักเกิดขึ้นที่ระดับของเหลวซึ่งมีการไล่ระดับความดันสูงสุด
กลไกการล่มสลายภายใต้แรงกดดันภายนอก
เมื่อแรงดันภายนอกเกินแรงดันภายใน ผนังท่อจะประสบกับแรงกดของห่วง สำหรับท่อทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ การยุบตัวของยืดหยุ่นจะเกิดขึ้นเมื่อความดันภายนอกถึงค่าวิกฤต (P_c) อธิบายโดยสูตรคลาสสิกสำหรับท่อที่มีผนังบาง-: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³ โดยที่ E คือโมดูลัสของ Young (105 GPa สำหรับไทเทเนียมเกรด 2), ν คืออัตราส่วนของปัวซอง (0.34), t คือความหนาของผนัง และ D คือท่อ เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก การยุบตัวแบบยืดหยุ่นนี้สามารถย้อนกลับได้-การลดแรงดันทำให้รูปร่างเป็นวงกลมกลับคืนมา-จนกว่าจะเกินกำลังของผลผลิต การยุบตัวของพลาสติกเกิดขึ้นเมื่อความเค้นอัดเกินกำลังรับผลผลิตของวัสดุ (240–340 MPa สำหรับเกรด 2) ในทางปฏิบัติ ท่อไทเทเนียมจะพังทลายลงโดยการโก่งงอด้วยพลาสติกยืดหยุ่น ความไม่สมบูรณ์ (การตกไข่ การเปลี่ยนแปลงความหนาของผนัง) ช่วยลดแรงกดทับที่เกิดขึ้นจริงเป็น 50–70% ของค่าทางทฤษฎี
ความดันการยุบตัวเชิงปริมาณสำหรับขนาดท่อทั่วไป
แรงกดดันในการยุบต่อไปนี้ (สมมติว่า 60% ของทฤษฎีคำนึงถึงความไม่สมบูรณ์) ถูกกำหนดไว้สำหรับท่อไทเทเนียมเกรด 2 ที่มีปลายทั้งสองข้างปิดไว้ (ความดันภายในที่ 1 atm):
| ท่อ OD × ผนัง (มม.) | อัตราส่วน D/t | ความดันยุบตามทฤษฎี (บาร์) | ความดันยุบที่อนุญาต (บาร์, ปัจจัย 60%) | ความลึกในการจมสูงสุด (น้ำเมตร) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับท่อที่จมอยู่ใต้น้ำบางส่วน
สำหรับท่อที่จมอยู่ในของเหลวบางส่วนโดยมีแรงดันแก๊สอยู่เหนือของเหลว ความดันภายนอกจะแตกต่างกันไปตามความยาวของท่อ ที่ด้านบน (พื้นที่เติมน้ำมัน) ความดันเท่ากับ P_gas ที่ระดับของเหลว ความดันเท่ากับ P_gas ที่ความลึก h ใต้พื้นผิวของเหลว ความดันจะเท่ากับ P_gas + (ρ × g × h) สภาวะกรณีที่เลวร้ายที่สุด-โดยทั่วไปไม่ได้อยู่ที่ความลึกสูงสุด แต่อยู่ที่จุดที่ไล่ระดับความดันมีปฏิกิริยากับความไม่สมบูรณ์ของท่อ สำหรับภาชนะที่ลึก ส่วนล่างอาจพังก่อนเนื่องจากความดันที่สูงกว่า แต่บริเวณเปลี่ยนผ่านใกล้กับระดับของเหลวจะประสบกับแรงดันที่แตกต่างกันซึ่งสามารถกระตุ้นให้เกิดการดัดงอได้ ตารางต่อไปนี้แสดงขีดจำกัดการออกแบบสำหรับท่อที่จมอยู่ใต้น้ำบางส่วน:
| สภาพเรือ | แรงดันแก๊ส (บาร์) | ความลึกของของเหลว (ม.) | ท่อที่แนะนำ OD ×ผนัง (มม.) | ขอบความปลอดภัย |
|---|---|---|---|---|
| ถังเก็บบรรยากาศของเหลวลึก 5 ม | 1.0 | 5 | 20 × 1.0 หรือ 25 × 1.2 | 3.0x (19 บาร์ > 1.5 บาร์) |
| ถังแรงดันแก๊ส 5 บาร์ ของเหลวลึก 10 ม | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2.8x (57 บาร์ > 6 บาร์) |
| ถังแรงดันแก๊ส 10 บาร์ ของเหลวลึก 20 ม | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1.9x (21 บาร์ > 12 บาร์) |
| หม้อนึ่งความดันสูง- แก๊ส 20 บาร์ ของเหลวลึก 5 ม | 20.0 | 5 | 20 × 1.5 หรือ 25 × 2.0 | 2.0x (21 บาร์ > 20.5 บาร์) |
| เรือลึก ของเหลวลึก 50 ม. ก๊าซบรรยากาศ | 1.0 | 50 | ใช้ไม่ได้กับไทเทเนียมผนังบาง- ใช้ 32×2.0 | สูงสุด 5 บาร์ |
วิศวกรรมที่อยู่เหนือแรงกดดันจากการล่มสลาย
แรงดันภายใน (จากก๊าซที่ติดอยู่ภายในเครื่องทำความร้อนหรือจากการขยายตัวขององค์ประกอบความร้อน) จะเพิ่มความต้านทานการพังทลาย แรงดันภายในเล็กน้อยที่ 0.5–1.0 บาร์ จะเพิ่มระดับการยุบตัวอย่างมีนัยสำคัญโดยการตอบโต้แรงดันภายนอก ส่วนรองรับท่อจะลดความยาวที่ไม่รองรับ ซึ่งส่งผลต่อโหมดการโก่งงอ สำหรับท่อยาว (ความยาว > 2 เมตร) ส่วนรองรับขั้นกลางทุกๆ 500 มม. จะเพิ่มแรงกดดันในการยุบตัว 50–100% โดยป้องกันไม่ให้โหมดการโก่งงอของความยาวคลื่นยาว- เกรดไทเทเนียมส่งผลต่อแรงกดดันจากการยุบตัวผ่านความแข็งแรงของผลผลิตเท่านั้น เกรด 7 (ความแข็งแรงของผลผลิต 270–350 MPa) มีความต้านทานการยุบตัวของพลาสติกสูงกว่าเกรด 2 (240–310 MPa) ถึง 10–15% อุณหภูมิจะช่วยลดแรงกดทับเมื่อพังทลาย: ที่ 150 องศา E ลดลง 15% ซึ่งช่วยลดแรงกดทับจากการพังทลายลงประมาณ 15% จากค่าอุณหภูมิห้อง-
จัดทำข้อกำหนดเฉพาะ
เมื่อระบุท่อทำความร้อนไทเทเนียมสำหรับถังปฏิกิริยาลึก ให้คำนวณแรงดันภายนอกสูงสุดที่จุดที่จมอยู่ใต้น้ำต่ำสุด รวมถึงแรงดันแก๊สและหัวไฮโดรสแตติก ใช้ปัจจัยด้านความปลอดภัยที่ 3 กับแรงกดดันในการล่มสลายตามทฤษฎี (หรือ 2 เทียบกับความดันการล่มสลายที่อนุญาตจากตารางด้านบน) สำหรับความลึกที่เทียบเท่ากับน้ำมากกว่า 30 เมตร ให้พิจารณาใช้ผนังที่หนากว่า (D/t < 15) หรือมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า ระบุว่าท่อมีคุณสมบัติตรงตามขีดจำกัดการตกไข่ของ ASTM E273 (การตกไข่สูงสุด 1% สำหรับท่อไร้ตะเข็บ) เนื่องจากการตกไข่เริ่มแรกจะช่วยลดแรงกดทับจากการยุบตัว ระหว่างการติดตั้ง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าท่อตั้งตรงและรองรับอย่างสม่ำเสมอ ท่อที่บุบหรืองอจะสูญเสียความต้านทานการยุบตัว 50–80% หากการจมน้ำบางส่วนทำให้เกิดแรงดันไล่ระดับตามความยาวของท่อ ให้ติดตั้งตัวควบคุมแรงดันภายในขนาดเล็ก (0.5 บาร์) เพื่อรักษาความแตกต่างของแรงดันภายในที่เป็นบวก ด้วยการคำนวณคะแนนการยุบตัวอย่างถูกต้องและใช้ระยะขอบด้านความปลอดภัยที่เหมาะสม วิศวกรจะป้องกันการพังทลายของท่อที่เป็นหายนะอย่างกะทันหันในภาชนะที่มีแรงดันลึก
