एक पतली दीवार वाली टाइटेनियम हीटिंग ट्यूब के लिए अधिकतम स्वीकार्य बाहरी दबाव (संक्षिप्त रेटिंग) क्या है जो आंशिक रूप से एक गहरी प्रतिक्रिया पोत में डूबा हुआ है?
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गहरी प्रतिक्रिया वाहिकाओं में, जैसे कि हाइड्रोमेटालर्जी, रासायनिक संश्लेषण, या हाइड्रोथर्मल प्रसंस्करण में उपयोग किए जाने वाले, एक टाइटेनियम हीटिंग ट्यूब आंशिक रूप से तरल में डूबा हो सकता है जबकि ऊपरी भाग दबाव वाली गैस के संपर्क में होता है। ट्यूब पर अभिनय करने वाला बाहरी दबाव तरल के हाइड्रोस्टैटिक हेड (तरल स्तर के नीचे) और तरल सतह के ऊपर किसी भी गैस के दबाव से आता है। पतली दीवार वाली टाइटेनियम ट्यूबें बाहरी दबाव में ढहने के लिए अतिसंवेदनशील होती हैं, अचानक, विनाशकारी विफलता, जहां ट्यूब का क्रॉस सेक्शन गोलाकार से अंडाकार या चपटा हो जाता है। अधिकतम स्वीकार्य बाहरी दबाव (पतन रेटिंग) ट्यूब व्यास, दीवार की मोटाई, सामग्री गुणों और समर्थनों के बीच की लंबाई पर निर्भर करता है। आंशिक रूप से जलमग्न ट्यूबों के लिए, सबसे खराब स्थिति आमतौर पर तरल स्तर पर होती है जहां दबाव प्रवणता सबसे अधिक होती है।
बाहरी दबाव के तहत पतन का तंत्र
जब बाहरी दबाव आंतरिक दबाव से अधिक हो जाता है, तो ट्यूब की दीवार संपीड़ित घेरा तनाव का अनुभव करती है। एक पूरी तरह से गोलाकार ट्यूब के लिए, लोचदार पतन तब होता है जब बाहरी दबाव पतली दीवार वाली ट्यूबों के लिए शास्त्रीय सूत्र द्वारा वर्णित महत्वपूर्ण मान (P_c) तक पहुंच जाता है: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, जहां E यंग का मापांक है (ग्रेड 2 टाइटेनियम के लिए 105 GPa), ν पॉइसन का अनुपात (0.34) है, t दीवार की मोटाई है, और डी ट्यूब का बाहरी व्यास है। यह लोचदार पतन प्रतिवर्ती है {{12}दबाव में कमी गोलाकार आकार को बहाल करती है{{18}जब तक कि उपज की ताकत पार नहीं हो जाती। प्लास्टिक पतन तब होता है जब संपीड़न तनाव सामग्री की उपज शक्ति (ग्रेड 2 के लिए 240-340 एमपीए) से अधिक हो जाता है। व्यवहार में, टाइटेनियम ट्यूब संयुक्त लोचदार-प्लास्टिक बकलिंग द्वारा ढह जाते हैं। अपूर्णताएं (अंडाकारता, दीवार की मोटाई भिन्नता) वास्तविक पतन दबाव को सैद्धांतिक मूल्य के 50-70% तक कम कर देती हैं।
सामान्य ट्यूब आकारों के लिए मात्रात्मक संकुचन दबाव
निम्नलिखित पतन दबाव (सैद्धांतिक रूप से 60% खामियों को ध्यान में रखते हुए) ग्रेड 2 टाइटेनियम ट्यूबों के लिए दोनों सिरों पर कैप (1 एटीएम पर आंतरिक दबाव) के साथ स्थापित किए गए हैं:
| ट्यूब ओडी × दीवार (मिमी) | डी/टी अनुपात | सैद्धांतिक पतन दबाव (बार) | स्वीकार्य पतन दबाव (बार, 60% कारक) | अधिकतम जलमग्न गहराई (मीटर पानी) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
आंशिक रूप से जलमग्न ट्यूब संबंधी विचार
तरल के ऊपर गैस के दबाव के साथ आंशिक रूप से तरल में डूबी एक ट्यूब के लिए, बाहरी दबाव ट्यूब की लंबाई के साथ बदलता रहता है। शीर्ष (गैस स्थान) पर, दबाव P_gas के बराबर होता है। तरल स्तर पर, दबाव P_gas के बराबर होता है। तरल सतह के नीचे गहराई h पर, दबाव P_gas + (ρ × g × h) के बराबर होता है। सबसे खराब स्थिति आमतौर पर अधिकतम गहराई पर नहीं बल्कि उस बिंदु पर होती है जहां दबाव प्रवणता ट्यूब की खामियों के साथ परस्पर क्रिया करती है। गहरे जहाजों के लिए, उच्च दबाव के कारण निचला हिस्सा पहले ढह सकता है, लेकिन तरल स्तर के पास संक्रमण क्षेत्र में अलग-अलग दबाव का अनुभव होता है जो झुकने वाले तनाव को प्रेरित कर सकता है। निम्नलिखित तालिका आंशिक रूप से जलमग्न ट्यूबों के लिए डिज़ाइन सीमाएँ प्रदान करती है:
| जहाज़ की स्थिति | गैस का दबाव (बार) | तरल गहराई (एम) | अनुशंसित ट्यूब ओडी × दीवार (मिमी) | सुरक्षा मार्जिन |
|---|---|---|---|---|
| वायुमंडलीय पोत, तरल गहराई 5 मीटर | 1.0 | 5 | 20×1.0 या 25×1.2 | 3.0x (19 बार > 1.5 बार) |
| दबावयुक्त पात्र, 5 बार गैस, तरल गहराई 10 मीटर | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2.8x (57 बार > 6 बार) |
| दबावयुक्त पात्र, 10 बार गैस, तरल गहराई 20 मीटर | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1.9x (21 बार > 12 बार) |
| उच्च दबाव आटोक्लेव, 20 बार गैस, तरल गहराई 5 मीटर | 20.0 | 5 | 20×1.5 या 25×2.0 | 2.0x (21 बार > 20.5 बार) |
| गहरा बर्तन, तरल गहराई 50 मीटर, वायुमंडलीय गैस | 1.0 | 50 | पतली दीवार टाइटेनियम के साथ व्यावहारिक नहीं है; 32×2.0 का उपयोग करें | अधिकतम 5 बार |
ढहने के दबाव से परे इंजीनियरिंग
आंतरिक दबाव (हीटर के अंदर फंसी गैस से या हीटिंग तत्व के विस्तार से) पतन प्रतिरोध बढ़ जाता है। 0.5-1.0 बार का एक छोटा आंतरिक दबाव बाहरी दबाव का प्रतिकार करके पतन रेटिंग को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा देता है। ट्यूब समर्थन असमर्थित लंबाई को कम करता है, जो बकलिंग मोड को प्रभावित करता है। लंबी ट्यूबों (लंबाई> 2 मीटर) के लिए, इंटरमीडिएट हर 500 मिमी पर लंबी तरंग दैर्ध्य बकलिंग मोड को रोककर पतन दबाव को 50-100% तक बढ़ा देता है। टाइटेनियम ग्रेड केवल उपज शक्ति के माध्यम से पतन दबाव को प्रभावित करता है; ग्रेड 7 (उपज शक्ति 270-350 एमपीए) ग्रेड 2 (240-310 एमपीए) की तुलना में 10-15% अधिक प्लास्टिक पतन प्रतिरोध प्रदान करता है। तापमान पतन के दबाव को कम कर देता है: 150 डिग्री पर, ई 15% कम हो जाता है, कमरे के तापमान मान से लगभग 15% तक पतन का दबाव कम हो जाता है।
एक सूचित विशिष्टता बनाना
एक गहरी प्रतिक्रिया पोत के लिए टाइटेनियम हीटिंग ट्यूब निर्दिष्ट करते समय, गैस दबाव और हाइड्रोस्टैटिक हेड सहित सबसे कम जलमग्न बिंदु पर अधिकतम बाहरी दबाव की गणना करें। सैद्धांतिक पतन दबाव के विरुद्ध 3 का सुरक्षा कारक लागू करें (या ऊपर दी गई तालिका से स्वीकार्य पतन दबाव के विरुद्ध 2)। पानी के समतुल्य 30 मीटर से अधिक की गहराई के लिए, मोटी दीवारों (डी/टी <15) या छोटे व्यास का उपयोग करने पर विचार करें। निर्दिष्ट करें कि ट्यूब एएसटीएम ई273 अंडाकार सीमा (सीमलेस ट्यूब के लिए अधिकतम 1% अंडाकार) को पूरा करते हैं क्योंकि प्रारंभिक अंडाकार पतन दबाव को कम करता है। स्थापना के दौरान, सुनिश्चित करें कि ट्यूब सीधे और समान रूप से समर्थित हों; क्षतिग्रस्त या मुड़ी हुई ट्यूबें पतन प्रतिरोध का 50-80% खो देती हैं। यदि आंशिक विसर्जन ट्यूब की लंबाई के साथ एक दबाव ढाल बनाता है, तो सकारात्मक आंतरिक दबाव अंतर बनाए रखने के लिए एक छोटा आंतरिक दबाव नियामक (0.5 बार) स्थापित करें। पतन रेटिंग की सही गणना करके और उचित सुरक्षा मार्जिन लागू करके, इंजीनियर गहरे दबाव वाले जहाजों में अचानक, विनाशकारी ट्यूब पतन को रोकता है।
