깊은 반응 용기에 부분적으로 잠긴 벽이 얇은- 티타늄 가열 튜브에 허용되는 최대 외부 압력(붕괴 등급)은 얼마입니까?
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습식 야금, 화학 합성 또는 열수 처리에 사용되는 것과 같은 깊은 반응 용기에서 티타늄 가열 튜브는 상부가 가압 가스에 노출되는 동안 부분적으로 액체에 잠길 수 있습니다. 튜브에 작용하는 외부 압력은 액체의 정수두(액체 수위 아래)와 액체 표면 위의 가스 압력으로부터 발생합니다. 벽이 얇은-티타늄 튜브는 외부 압력에 의해 붕괴되기 쉽습니다.-튜브 단면이 원형에서 타원형 또는 편평하게 변형되는 갑작스럽고 치명적인 파손-입니다. 최대 허용 외부 압력(붕괴 등급)은 튜브 직경, 벽 두께, 재료 특성 및 지지대 사이의 길이에 따라 달라집니다. 부분적으로 잠긴 튜브의 경우 최악의-상황은 일반적으로 압력 구배가 가장 높은 액체 레벨에서 발생합니다.
외부 압력에 따른 붕괴 메커니즘
외부 압력이 내부 압력을 초과하면 튜브 벽에 압축 후프 응력이 발생합니다. 완벽한 원형 튜브의 경우 외부 압력이 벽이 얇은 튜브에 대한 고전 공식인 P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³에 설명된 임계값(P_c)에 도달하면 탄성 붕괴가 발생합니다. 여기서 E는 영률(2등급 티타늄의 경우 105GPa), ν는 푸아송 비(0.34), t는 벽 두께, D는 튜브 외경. 이 탄성 붕괴는 항복 강도가 초과될 때까지 되돌릴 수 있습니다.-압력 감소는 원형 모양을 복원합니다-. 압축 응력이 재료의 항복 강도(2등급의 경우 240~340MPa)를 초과하면 소성 붕괴가 발생합니다. 실제로 티타늄 튜브는 탄성-소성 결합 결합으로 인해 붕괴됩니다. 결함(타원형, 벽 두께 변화)은 실제 붕괴 압력을 이론값의 50~70%로 감소시킵니다.
일반적인 튜브 크기에 대한 정량적 붕괴 압력
양쪽 끝이 막힌(1atm의 내부 압력) 등급 2 티타늄 튜브에 대해 다음과 같은 붕괴 압력(불완전성을 설명하기 위해 이론적인 압력의 60%로 가정)이 설정되었습니다.
| 튜브 외경 × 벽 (mm) | D/t 비율 | 이론적인 붕괴압력(bar) | 허용 붕괴 압력(bar, 60% 인자) | 최대 침수 깊이(물 미터) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
부분적으로 잠긴 튜브 고려 사항
액체보다 가스 압력이 높은 액체에 부분적으로 잠긴 튜브의 경우 외부 압력은 튜브 길이에 따라 달라집니다. 상단(가스 공간)에서 압력은 P_gas와 같습니다. 액체 수준에서 압력은 P_gas와 같습니다. 액체 표면 아래 깊이 h에서 압력은 P_gas + (ρ × g × h)와 같습니다. 최악의-조건은 일반적으로 최대 수심이 아니라 압력 구배가 튜브 결함과 상호 작용하는 지점에 있습니다. 깊은 용기의 경우 더 높은 압력으로 인해 하부 부분이 먼저 붕괴될 수 있지만 액체 레벨 근처의 전이 영역은 굽힘 응력을 유발할 수 있는 다양한 압력을 경험합니다. 다음 표에는 부분적으로 잠긴 튜브에 대한 설계 제한이 나와 있습니다.
| 선박상태 | 가스 압력(bar) | 액체 깊이(m) | 권장 튜브 OD × 벽(mm) | 안전마진 |
|---|---|---|---|---|
| 대기 용기, 액체 깊이 5m | 1.0 | 5 | 20×1.0 또는 25×1.2 | 3.0x(19bar > 1.5bar) |
| 가압 용기, 5bar 가스, 액체 깊이 10m | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2.8x(57bar > 6bar) |
| 가압 용기, 10bar 가스, 액체 깊이 20m | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1.9x(21bar > 12bar) |
| 고압-오토클레이브, 20bar 가스, 액체 깊이 5m | 20.0 | 5 | 20×1.5 또는 25×2.0 | 2.0x(21bar > 20.5bar) |
| 깊은 용기, 액체 깊이 50m, 대기 가스 | 1.0 | 50 | 얇은-티타늄 벽에는 실용적이지 않습니다. 32 × 2.0 사용 | 최대 5바 |
붕괴 압력을 넘어선 엔지니어링
내부 압력(히터 내부에 갇힌 가스 또는 발열체 팽창으로 인해)은 붕괴 저항을 증가시킵니다. 0.5~1.0bar의 작은 내부 압력은 외부 압력에 대응하여 붕괴 등급을 크게 높입니다. 튜브 지지대는 좌굴 모드에 영향을 미치는 지지되지 않는 길이를 줄입니다. 긴 튜브(길이 > 2미터)의 경우 중간 지지대는 장파장 좌굴 모드를 방지하여 500mm마다 붕괴 압력을 50~100% 증가시킵니다. 티타늄 등급은 항복 강도를 통해서만 붕괴 압력에 영향을 미칩니다. 7등급(항복 강도 270~350MPa)은 2등급(240~310MPa)보다 소성 붕괴 저항성이 10~15% 더 높습니다. 온도는 붕괴 압력을 감소시킵니다. 150도에서 E는 15% 감소하여 실온 값보다 붕괴 압력이 약 15% 감소합니다.-
정보에 근거한 사양 작성
깊은 반응 용기용 티타늄 가열 튜브를 지정할 때 가스 압력 및 정수두를 포함하여 가장 낮은 침수 지점의 최대 외부 압력을 계산하십시오. 이론적인 붕괴압력에 대해 안전계수 3을 적용합니다(또는 위 표의 허용 붕괴압력에 대해 2). 물에 해당하는 깊이가 30미터를 초과하는 경우 더 두꺼운 벽(D/t < 15) 또는 더 작은 직경을 사용하는 것이 좋습니다. 초기 타원성이 붕괴 압력을 감소시키기 때문에 튜브가 ASTM E273 난형도 제한(무봉제 튜브의 경우 최대 1% 난형도)을 충족하도록 지정합니다. 설치하는 동안 튜브가 직선이고 고르게 지지되어 있는지 확인하십시오. 찌그러지거나 구부러진 튜브는 붕괴 저항력을 50~80% 잃습니다. 부분적인 침수로 인해 튜브 길이에 따라 압력 구배가 생성되는 경우 작은 내부 압력 조절기(0.5bar)를 설치하여 양의 내부 차압을 유지하십시오. 엔지니어는 붕괴 등급을 올바르게 계산하고 적절한 안전 여유를 적용함으로써 깊은 압력의 용기에서 갑작스럽고 치명적인 튜브 붕괴를 방지합니다.
