Trong các bình phản ứng sâu, chẳng hạn như các bình được sử dụng trong thủy luyện, tổng hợp hóa học hoặc xử lý thủy nhiệt, ống gia nhiệt titan có thể chìm một phần trong chất lỏng trong khi phần trên tiếp xúc với khí điều áp. Áp suất bên ngoài tác động lên ống đến từ cột thủy tĩnh của chất lỏng (dưới mức chất lỏng) cộng với bất kỳ áp suất khí nào phía trên bề mặt chất lỏng. Các ống titan có thành-thành mỏng dễ bị xẹp xuống dưới áp lực bên ngoài-một sự cố đột ngột, nghiêm trọng khi mặt cắt ngang của ống-biến dạng từ hình tròn sang hình bầu dục hoặc dẹt. Áp suất bên ngoài tối đa cho phép (xếp hạng sập) phụ thuộc vào đường kính ống, độ dày thành, tính chất vật liệu và chiều dài giữa các giá đỡ. Đối với các ống ngập một phần, trường hợp xấu nhất thường xảy ra-ở mức chất lỏng nơi có gradient áp suất cao nhất.

Cơ chế sụp đổ dưới áp lực bên ngoài

Khi áp suất bên ngoài vượt quá áp suất bên trong, thành ống sẽ chịu ứng suất nén. Đối với ống tròn hoàn hảo, sự co giãn đàn hồi xảy ra khi áp suất bên ngoài đạt đến giá trị tới hạn (P_c) được mô tả bằng công thức cổ điển dành cho ống có thành mỏng-: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, trong đó E là mô đun Young (105 GPa đối với titan loại 2), ν là tỷ lệ Poisson (0,34), t là độ dày thành và D là đường kính ngoài của ống. Sự co rút đàn hồi này có thể đảo ngược được-việc giảm áp suất sẽ khôi phục hình dạng tròn-cho đến khi vượt quá giới hạn chảy. Sự sụp đổ dẻo xảy ra khi ứng suất nén vượt quá giới hạn chảy của vật liệu (240–340 MPa đối với Cấp 2). Trong thực tế, ống titan sụp đổ bằng oằn đàn hồi-nhựa kết hợp. Những khiếm khuyết (hình bầu dục, sự thay đổi độ dày thành) làm giảm áp suất sập thực tế xuống 50–70% giá trị lý thuyết.

Áp suất thu gọn định lượng cho các kích thước ống thông thường

Áp suất sập sau đây (giả sử 60% lý thuyết để giải thích cho các điểm không hoàn hảo) được thiết lập cho ống titan Loại 2 có cả hai đầu được đậy kín (áp suất bên trong ở mức 1 atm):

Những cân nhắc về ống chìm một phần

Đối với một ống chìm một phần trong chất lỏng có áp suất khí cao hơn chất lỏng, áp suất bên ngoài thay đổi dọc theo chiều dài ống. Ở phía trên (không gian khí), áp suất bằng P_gas. Ở mức chất lỏng, áp suất bằng P_gas. Ở độ sâu h bên dưới bề mặt chất lỏng, áp suất bằng P_gas + (ρ × g × h). Điều kiện-xấu nhất thường không phải ở độ sâu tối đa mà ở điểm mà gradient áp suất tương tác với các khuyết tật của ống. Đối với các mạch sâu, phần dưới có thể sụp đổ trước tiên do áp suất cao hơn, nhưng vùng chuyển tiếp gần mức chất lỏng chịu áp suất khác nhau có thể gây ra ứng suất uốn. Bảng sau đây cung cấp các giới hạn thiết kế cho các ống ngập nước một phần:

Kỹ thuật vượt quá áp lực sụp đổ

Áp suất bên trong (từ khí bị mắc kẹt bên trong lò sưởi hoặc từ sự giãn nở của bộ phận làm nóng) làm tăng khả năng chống sập. Áp suất bên trong nhỏ từ 0,5–1,0 bar làm tăng đáng kể mức độ sụp đổ bằng cách chống lại áp suất bên ngoài. Các giá đỡ ống giảm chiều dài không được hỗ trợ, điều này ảnh hưởng đến chế độ oằn. Đối với các ống dài (dài > 2 mét), các thanh đỡ trung gian cứ sau mỗi 500 mm sẽ tăng áp suất sập lên 50–100% bằng cách ngăn chặn chế độ oằn bước sóng dài-. Lớp titan chỉ ảnh hưởng đến áp suất sập thông qua cường độ năng suất; Cấp 7 (cường độ chảy 270–350 MPa) có khả năng chống sập nhựa cao hơn 10–15% so với Cấp 2 (240–310 MPa). Nhiệt độ làm giảm áp suất sập: ở 150 độ, E giảm 15%, giảm áp suất sập khoảng 15% so với giá trị nhiệt độ phòng.

Thực hiện một đặc điểm kỹ thuật có hiểu biết

Khi chỉ định ống gia nhiệt bằng titan cho bình phản ứng sâu, hãy tính áp suất bên ngoài tối đa tại điểm ngập thấp nhất, bao gồm áp suất khí và cột nước thủy tĩnh. Áp dụng hệ số an toàn bằng 3 đối với áp suất sập theo lý thuyết (hoặc 2 đối với áp suất sập cho phép từ bảng trên). Đối với độ sâu tương đương vượt quá 30 mét nước, hãy cân nhắc sử dụng các bức tường dày hơn (D/t < 15) hoặc đường kính nhỏ hơn. Chỉ định rằng các ống đáp ứng giới hạn độ bầu dục của ASTM E273 (độ bầu dục tối đa 1% đối với ống liền mạch) vì độ bầu dục ban đầu làm giảm áp suất sập. Trong quá trình lắp đặt, đảm bảo các ống thẳng và được đỡ đều; ống bị móp hoặc cong mất 50–80% khả năng chống sập. Nếu việc nhấn chìm một phần tạo ra chênh lệch áp suất dọc theo chiều dài ống, hãy lắp đặt bộ điều chỉnh áp suất bên trong nhỏ (0,5 bar) để duy trì chênh lệch áp suất bên trong dương. Bằng cách tính toán chính xác mức độ sập và áp dụng giới hạn an toàn thích hợp, kỹ sư sẽ ngăn chặn sự sập ống đột ngột, thảm khốc trong các bình chịu áp sâu.