Hogyan befolyásolja a lezárt titán fűtőcső végsapkájának kialakítása (lapos vagy kupolás) a belső nyomásnak ellenálló képességét -a nyomokban 200 fokos nedvességbomlás következtében?

Alapvető csere-a titán fűtőtest végsapkájának kialakításában
A lezárt titán fűtőcsövek magnézium-oxiddal (MgO) vannak szigetelve, amely a gyártás vagy tárolás során abszorbeálhatja a nedvességet. Amikor a fűtőtestet a belső falnál 200 fokos hőmérsékletre aktiválják, ez a nedvesség elpárolog, és hidrogénre és oxigénre bomlik. Ez belső nyomás kialakulását okozhatja, és a végsapka meghibásodását okozhatja. A végsapka kialakítása, akár lapos, akár kupolás, közvetlenül befolyásolja, hogy a cső hogyan bírja ezt a belső nyomást. A lapos kupak hajlítási feszültségekkel rendelkezik a hegesztési kötésnél koncentrált feszültség mellett. A kupolás kupak membránfeszülésben van. A falvastagság a végsapka alakjának függvénye. A vastagabb fal nagyobb nyomás mellett is meg tudja tartani a laposabb sapkát. A kupolás sapka vékonyabb fal mellett is elbírja ugyanazt a nyomást. Ez az elemzés a titán fűtőcsövek lapos és kupolás végsapkáinak nyomáskapacitását méri, és kiválasztási javaslatokat ad a magas hőmérsékletű szolgáltatáshoz, ahol a belső nyomás veszélyt jelent.

Hatás a mechanikai integritásra: Feszültségeloszlás lapos és kupolás sapkákban
Megállapítjuk, hogy az r belső sugarú és t falvastagságú titáncsőre hegesztett lapos végsapka közepén kialakuló nyomás által okozott feszültséget a $\\sigma_{flat}=0.31*P*r^2/t^2$ adja meg, ahol P a belső nyomás. Egy tipikus 20 mm-es külső átmérőjű csőhöz (1,0 mm-es fal esetén 8 mm-es belső sugár) 10 bar (1 MPa) belső nyomáson sigma_flat=(0,31 * 1e6 * 0,008^2) / (0,001^2)=198 MPa. Ez csak valamivel magasabb, mint a 2. fokozatú titán folyáshatára (275 MPa), ezért nagyon kicsi a biztonsági ráhagyás. Egy kupolás sapka (félgömb alakú) esetén a feszültség σdóm=P r 2 t, ahol a kupola sugarát feltételezzük, hogy megegyezik a cső sugarával. Ugyanezen feltételek mellett a σ_dome=(1e6 × 0,008) / (2 × 0,001)=4 MPa-50-kal alacsonyabb, mint a lapos tetején. A kupolás sapka szinte teljes mértékben viseli a feszültséget a membrán feszültségében, nem hajlik; sokkal jobban ellenáll a belső nyomásnak. Lapos sapkák esetén a meghibásodási mód magában foglalja a középpont körüli meghajlást és kidudorodást, majd a hegesztési kitépést. A kupolás sapkák általában meghibásodnak, mivel 10-20-szor nagyobb nyomáson engednek, mint az azonos falvastagságú lapos sapkák.

A hőteljesítményre gyakorolt ​​hatás: hőátadási és gyártási korlátozások
A végsapka kialakítása csak közvetett hatással van a hőteljesítményre. A lapos kupak nagyobb felülettel érintkezik a technológiai közeggel, és ez javíthatja a hőátadást a fűtőtest csúcsán. De a különbség minimális (általában<5% of total heating area). More importantly, there is the question of manufacturability. The dome caps are made by pressing or spinning, which is an additional manufacturing process and adds 10–20% to the cost over flat caps. Thin walls (≤1.0 mm) Dome caps Dome caps are easier to successfully weld, since the dome absorbs thermal expansion during welding, thus minimizing the residual stress. Flat caps can be welded with sufficient strength for thick walls (≥1.5 mm) if the tube diameter is small (<16 mm OD). The heat gradient across the end cap in operation is similar for both types, as the cap thickness is normally matched to the tube wall.

End Cap Selection Matrix: The Synthesis of Trade{0}}off
Cső külső átmérője és falvastagsága Maximális biztonságos belső nyomás (lapos kupak, 2. fokozat) Maximális biztonságos belső nyomás (kupola kupak) Végzáró sapka ajánlás (alap tervezési indoklás)
12 mm × 0,8 mm 4 bar > 50 bar kupolás Vékony fal nem bírja a lapos kupak hajlítási igénybevételét.
16 mm × 1,0 mm 6 bar > 40 bar Kupolás Lapos kupak minimális; a kupolás biztonsági ráhagyást ad
20 mm x 1,2 mm 8 bar > 35 bar kupolás Ideális a megbízhatóság érdekében. A hegesztési feszültség csökkentése csak lapos kupak elfogadható.
20 mm × 1,6 mm 14 bar > 45 bar Bármelyik lapos sapka elegendő a legtöbb célra; kupolás extra margót ad.
2,0 mm x 25 mm 18 bar > 50 bar Lapos (költségmegtakarítás) A vastag fal megfelelő hajlítószilárdságot biztosít. A túl-specifikáció domború.
Tervezés a sapkán túl: nedvességszabályozás és légtelenítés
A belső nyomás felhalmozódásának{0}}kezelésének legjobb módja a nedvesség teljes behatolásának elkerülése. A fűtőtestet nitrogénnel öblítik át MgO-feltöltés és vákuumzárás során, hogy a maradék nedvességet 0,1 tömeg% alá csökkentsék, és így még 300 fokon is megakadályozzák a nyomásnövekedést-. A jelenlegi fűtőberendezések vagy olcsó kialakítások esetén a végsapkában található kis szellőzőnyílás (0,2–0,5 mm átmérőjű) menekülési utat biztosít a belső gázok számára a korrózióállóság feláldozása nélkül, mivel a lyuk általában víz alá kerül, és a sóoldat nem jut be az enyhe pozitív belső nyomás miatt. Alternatív megoldásként egy 10 bar nyomású robbanótárcsa beépíthető egy lapos sapkába, amely szabályozott nyomáscsökkentést biztosít.

Következtetés: A lapos sapkák megfelelőek vastag falakhoz, a kupolás sapkák jobbak a vékony falakhoz
The heating tube is titanium sealed and it runs at 200C and even trace moisture decomposes and the end cap design is essential to how much pressure it can take. A flat cap experiences bending strains proportional to P x r(squared) / t(squared) whereas a domed cap experiences membrane stresses proportional to P x r / t - a factor of r/t lower. For thin wall (≤1.2mm) on standard 20mm OD tube a domed cap is necessary to safely bear pressures above 5 bar. For thick walls (>=1.6 mm) a lapos kupak megfelelő, mivel a t²-tag a nevezőben az elviselhető szintre csökkenti a hajlítási feszültséget. Ha a belső túlnyomás veszélyt jelent (pl. a beszerelés előtt nedves környezetben tárolt fűtőtestek), akkor a falvastagságtól függetlenül kupolás sapkát vagy szellőzős kialakítást kell megadni. Biztosítsa a gyártó számára a legmagasabb tervezett üzemi hőmérsékletet és tárolási páratartalmat, hogy a gyártó megfelelő zárósapkát készíthessen a megbízható, hosszú távú szolgáltatáshoz.