A mély reakcióedényekben, például a hidrometallurgiában, a kémiai szintézisben vagy a hidrotermikus feldolgozásban használt edényekben, a titán fűtőcsövet részben folyadékba meríthetik, míg a felső része túlnyomásos gáznak van kitéve. A csőre ható külső nyomás a folyadék hidrosztatikus fejéből (a folyadékszint alatt) és a folyadék felszíne feletti gáznyomásból származik. A vékony falú titán csövek hajlamosak arra, hogy külső nyomás hatására összeesjenek,-a hirtelen, katasztrofális meghibásodás következtében a cső keresztmetszete kör alakúról oválisra vagy laposra deformálódik. A maximálisan megengedhető külső nyomás (összeomlási besorolás) a cső átmérőjétől, falvastagságától, az anyag tulajdonságaitól és a tartók közötti hossztól függ. A részlegesen víz alá süllyesztett csövek esetében a legrosszabb eset jellemzően a folyadékszinten következik be, ahol a nyomásgradiens a legmagasabb.

Az összeomlás mechanizmusa külső nyomás alatt

Ha a külső nyomás meghaladja a belső nyomást, a cső fala nyomógyűrűs feszültséget szenved. Tökéletesen kör alakú cső esetén a rugalmas összeomlás akkor következik be, amikor a külső nyomás eléri a kritikus értéket (P_c), amelyet a vékonyfalú csövek klasszikus képlete ír le: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, ahol E Young modulusa (105 GPatinium issonson, 2ν GPatinium aránya Gradénium esetén). (0,34), t a falvastagság, D pedig a cső külső átmérője. Ez a rugalmas összeomlás visszafordítható -a nyomáscsökkentés visszaállítja a kör alakját-, amíg a folyáshatárt meg nem haladják. A képlékeny összeomlás akkor következik be, ha a nyomófeszültség meghaladja az anyag folyáshatárát (240–340 MPa a 2. fokozatnál). A gyakorlatban a titán csövek a kombinált rugalmas-műanyag kihajlás következtében összeomlanak. A tökéletlenségek (ovalitás, falvastagság változás) a tényleges összeomlási nyomást az elméleti érték 50-70%-ára csökkentik.

Kvantitatív összeomlási nyomás általános csőméretekhez

A következő összeomlási nyomások (a tökéletlenségek 60%-át feltételezve) a 2-es fokozatú titáncsövek esetében, amelyek mindkét végén le vannak zárva (belső nyomás 1 atm):

Részlegesen merülő csővel kapcsolatos szempontok

Egy részlegesen folyadékba merült cső esetén, amelynek gáznyomása a folyadék felett van, a külső nyomás a cső hossza mentén változik. Felül (gáztér) a nyomás egyenlő P_gas. A folyadék szintjén a nyomás egyenlő P_gas. A folyadék felszíne alatti h mélységben a nyomás egyenlő P_gas + (ρ × g × h). A legrosszabb eset jellemzően nem a maximális mélységben, hanem azon a ponton van, ahol a nyomásgradiens kölcsönhatásba lép a cső tökéletlenségeivel. Mély edényeknél a nagyobb nyomás miatt először az alsó rész eshet össze, de a folyadékszint közelében lévő átmeneti zónában változó nyomás éri, ami hajlítási feszültségeket idézhet elő. Az alábbi táblázat a részben merülő csövek tervezési határait tartalmazza:

Engineering Beyond Collapse Pressure

A belső nyomás (a fűtőelem belsejében rekedt gázból vagy a fűtőelem kitágulása miatt) növeli az összeomlási ellenállást. Egy kis, 0,5-1,0 bar belső nyomás jelentősen megnöveli az összeomlást a külső nyomás ellensúlyozásával. A csőtartók csökkentik a nem támogatott hosszt, ami befolyásolja a kihajlási módot. A hosszú csövek (hosszúsága > 2 méter) esetén a köztes támasztékok 500 mm-enként 50–100%-kal növelik az összeomlási nyomást azáltal, hogy megakadályozzák a hosszú -hullámhosszú kihajlási módot. A titán minőség csak a folyáshatáron keresztül befolyásolja az összeomlási nyomást; A 7. fokozat (270–350 MPa folyáshatár) 10–15%-kal nagyobb műanyag összeomlási ellenállást biztosít, mint a 2. fokozat (240–310 MPa). A hőmérséklet csökkenti az összeomlási nyomást: 150 fokon az E 15%-kal csökken, ami körülbelül 15%-kal csökkenti az összeomlási nyomást a szobahőmérséklet értékekhez képest.

Tájékozott specifikáció készítése

Amikor titán fűtőcsövet határoz meg egy mély reakcióedényhez, számítsa ki a maximális külső nyomást a legalacsonyabb merülési ponton, beleértve a gáznyomást és a hidrosztatikus nyomást. Alkalmazzon 3-as biztonsági tényezőt az elméleti összeomlási nyomásra (vagy 2-es a megengedett összeomlási nyomásra a fenti táblázatból). 30 méter vízegyenértéket meghaladó mélység esetén fontolja meg vastagabb falak (D/t < 15) vagy kisebb átmérők használatát. Adja meg, hogy a csövek megfeleljenek az ASTM E273 ovális határértékeinek (maximum 1% ovális varrat nélküli cső esetén), mert a kezdeti oválisság csökkenti az összeomlási nyomást. A telepítés során ügyeljen arra, hogy a csövek egyenesek és egyenletesen legyenek alátámasztva; a horpadt vagy meggörbült csövek 50-80%-át veszítik összeomlási ellenállásukból. Ha a részleges bemerítés nyomásgradienst hoz létre a cső hossza mentén, szereljen be egy kis belső nyomásszabályozót (0,5 bar), hogy fenntartsa a pozitív belső nyomáskülönbséget. Az összeomlási besorolás helyes kiszámításával és a megfelelő biztonsági határok alkalmazásával a mérnök megakadályozza a hirtelen, katasztrofális csövek összeomlását a mélynyomású edényekben.