En els recipients de reacció profunds, com els utilitzats en hidrometal·lúrgia, síntesi química o processament hidrotèrmic, un tub d'escalfament de titani es pot submergir parcialment en líquid mentre la part superior està exposada a gas a pressió. La pressió externa que actua sobre el tub prové del capçal hidrostàtic del líquid (per sota del nivell del líquid) més qualsevol pressió de gas per sobre de la superfície del líquid. Els tubs de titani de paret fines-es susceptibles de col·lapsar-se sota pressió externa-una fallada sobtada i catastròfica on la secció transversal-del tub es deforma de circular a oval o aplanada. La pressió externa màxima permesa (valoració de col·lapse) depèn del diàmetre del tub, el gruix de la paret, les propietats del material i la longitud entre suports. Per als tubs parcialment submergits, la pitjor condició-normalment es produeix al nivell del líquid on el gradient de pressió és més alt.

Mecanisme de col·lapse sota pressió externa

Quan la pressió externa supera la pressió interna, la paret del tub experimenta una tensió del cèrcol de compressió. Per a un tub perfectament circular, el col·lapse elàstic es produeix quan la pressió externa assoleix un valor crític (P_c) descrit per la fórmula clàssica per a tubs de paret fines: P_c=(2E / (1{-ν²)) × (t/D)³, on E és el mòdul de Young (105 GPa per al titani), 4ν2 és la proporció de titani. és el gruix de la paret i D és el diàmetre exterior del tub. Aquest col·lapse elàstic és reversible-la reducció de pressió restaura la forma circular-fins que s'excedeix el límit elàstic. El col·lapse plàstic es produeix quan la tensió de compressió supera la resistència a la fluència del material (240-340 MPa per al grau 2). A la pràctica, els tubs de titani es col·lapsen mitjançant un panyatge combinat elàstic-plàstic. Les imperfeccions (ovalitat, variació del gruix de la paret) redueixen la pressió de col·lapse real al 50-70% del valor teòric.

Pressió de col·lapse quantitativa per a mides de tubs comuns

S'estableixen les següents pressions de col·lapse (suposant un 60% de la teòrica per tenir en compte les imperfeccions) per als tubs de titani de grau 2 amb els dos extrems tapats (pressió interna a 1 atm):

Consideracions del tub parcialment submergit

Per a un tub parcialment submergit en líquid amb pressió de gas per sobre del líquid, la pressió externa varia al llarg de la longitud del tub. A la part superior (espai de gas), la pressió és igual a P_gas. A nivell de líquid, la pressió és igual a P_gas. A la profunditat h per sota de la superfície del líquid, la pressió és igual a P_gas + (ρ × g × h). La pitjor condició-normal no es troba a la profunditat màxima, sinó al punt on el gradient de pressió interacciona amb les imperfeccions del tub. Per als vasos profunds, la part inferior pot col·lapsar-se primer a causa de la pressió més alta, però la zona de transició propera al nivell de líquid experimenta una pressió variable que pot induir tensions de flexió. La taula següent ofereix els límits de disseny per a tubs parcialment submergits:

Enginyeria més enllà de la pressió del col·lapse

La pressió interna (del gas atrapat dins de l'escalfador o de l'expansió de l'element calefactor) augmenta la resistència al col·lapse. Una petita pressió interna de 0,5 a 1,0 bar augmenta significativament la qualificació de col·lapse en contrarestar la pressió externa. Els suports del tub redueixen la longitud no suportada, la qual cosa afecta el mode de pandeig. Per als tubs llargs (longitud > 2 metres), els suports intermedis cada 500 mm augmenten la pressió de col·lapse entre un 50 i un 100% evitant el mode de pancament de longitud d'ona llarga-. El grau de titani només afecta la pressió de col·lapse a través de la força de fluència; El grau 7 (resistència de rendiment 270-350 MPa) ofereix una resistència al col·lapse plàstic un 10-15% més gran que el grau 2 (240-310 MPa). La temperatura redueix la pressió de col·lapse: a 150 graus, E disminueix un 15%, reduint la pressió de col·lapse aproximadament un 15% dels valors de la temperatura ambient-.

Elaboració d'una especificació informada

Quan especifiqueu un tub d'escalfament de titani per a un recipient de reacció profund, calculeu la pressió externa màxima al punt submergit més baix, inclosa la pressió del gas i la capçalera hidrostàtica. Apliqueu un factor de seguretat de 3 contra la pressió de col·lapse teòrica (o 2 contra la pressió de col·lapse admissible de la taula anterior). Per a profunditats superiors a 30 metres d'equivalent en aigua, considereu l'ús de parets més gruixudes (D/t < 15) o diàmetres més petits. Especifiqueu que els tubs compleixen els límits d'ovalitat ASTM E273 (ovalitat màxima de l'1% per a tubs sense soldadura) perquè l'ovalitat inicial redueix la pressió de col·lapse. Durant la instal·lació, assegureu-vos que els tubs estiguin rectes i recolzats uniformement; els tubs abollats o doblegats perden entre el 50 i el 80% de la resistència al col·lapse. Si la submersió parcial crea un gradient de pressió al llarg de la longitud del tub, instal·leu un petit regulador de pressió intern (0,5 bar) per mantenir el diferencial de pressió interna positiva. En calcular correctament la classificació de col·lapse i aplicar els marges de seguretat adequats, l'enginyer evita el col·lapse sobtat i catastròfic del tub en recipients a pressió profunds.