Áp suất bên trong an toàn tối đa cho vỏ bọc sưởi ấm bằng thép không gỉ 316 là bao nhiêu khi độ dày thành giảm xuống dưới 1,2 mm trong hệ thống chất lỏng có nhiệt độ cao-?

Khi trang bị thêm bộ gia nhiệt ngâm điện vào các thùng chứa điều áp hiện có, các kỹ sư xử lý thường phải sử dụng vỏ bọc có đường kính nhỏ hơn dự định ban đầu do đường kính vòi phun hoặc chiều dài chèn hạn chế. Hoặc một bức tường mỏng hơn có thể được chọn vì mong muốn phản ứng nhiệt nhanh hơn. Tuy nhiên, đặc tính ngăn áp suất thay đổi từ dẻo sang dễ bị đứt-nếu độ dày thành của vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 giảm xuống dưới 1,2 mm, đặc biệt là ở nhiệt độ cao khi cường độ chảy của vật liệu giảm. Bài viết này trình bày giới hạn áp suất làm việc tối đa cho phép về mặt định lượng đối với vỏ bọc có thành-mỏng 316, sử dụng công thức Barlow với khả năng giảm nhiệt độ-cao. Điều này sẽ cho phép các kỹ sư chỉ định độ dày thành an toàn cho hệ thống chất lỏng có áp suất mà không cần quá thận trọng và rủi ro không cần thiết.

Nguyên tắc cơ bản về ngăn chặn áp suất cho ống bọc-có thành mỏng 316
Đối với bình áp lực hình trụ, trong đó độ dày thành nhỏ hơn một-một phần mười bán kính bên trong--đó là trường hợp của hầu hết tất cả các vỏ bọc lò sưởi điện--ứng suất theo chu vi hoặc ứng suất vòng được tính bằng công thức Barlow: σ=P × D / (2 × t), trong đó σ là ứng suất vòng, P là áp suất bên trong, D là đường kính ngoài và t là độ dày thành. HOOP STRESS có liên quan nghịch với độ dày thành ống đối với đường kính ngoài và áp suất bên trong nhất định. Giảm một nửa độ dày thành sẽ tăng gấp đôi áp lực lên vật liệu vỏ bọc. Do đó, áp suất làm việc tối đa cho phép thay đổi trực tiếp theo độ dày thành, đối với các giá trị cố định của các thông số khác. Cường độ năng suất của thép không gỉ 316 ở nhiệt độ phòng là khoảng 290 MPa đối với vật liệu ủ và 520 MPa đối với ống kéo nguội, thường được sử dụng cho vỏ bọc lò sưởi. Ứng suất vòng tối đa cho phép đối với thép kéo nguội 316 là khoảng 170 MPa, sử dụng hệ số an toàn là 3 đối với thực hành tiêu chuẩn ngăn chặn áp suất đối với các bình chịu áp lực không nung không mã. Giới hạn an toàn đạt được bằng cách giải công thức Barlow về áp suất, cho đường kính ngoài và độ dày thành.

Giới hạn định lượng về áp suất so với độ dày và nhiệt độ của tường
Khi nhiệt độ hoạt động tăng lên, áp suất cho phép giảm đi rất nhiều. Ở 200 độ, cường độ chảy của kéo nguội-316 giảm xuống còn khoảng 380 MPa và ứng suất vòng có thể chấp nhận được giảm xuống 125 MPa. Cường độ năng suất ở 300 độ là 320 MPa với ứng suất cho phép là 105 MPa. Ở 400 độ, giới hạn cao nhất cho hoạt động liên tục của vỏ bọc 316, cường độ chảy giảm xuống 280 MPa, chỉ cho phép ứng suất vòng là 90 MPa. Sau đây là áp suất bên trong liên tục tối đa đối với vỏ bọc tiêu chuẩn 316 có đường kính ngoài 10 mm. Áp suất tối đa là khoảng 40 bar ở 200 độ và độ dày thành 1,6 mm. Ở cùng nhiệt độ, áp suất cho phép đối với độ dày thành 1,2 mm giảm xuống còn 30 bar. Áp suất an toàn sau đó giảm xuống 25 bar ở độ dày thành 1,0 mm. Với vỏ bọc được sản xuất, độ dày thành tối thiểu là 0,8 mm và áp suất an toàn chỉ là 20 bar. Đối với các hệ thống ở 300 độ, vỏ bọc 1,0 mm tương tự được giới hạn ở khoảng 21 bar và ở 400 độ chỉ là 18 bar. Các giá trị này dựa trên ống có hình tròn chính xác, có độ dày thành đồng nhất và không có bất kỳ ứng suất uốn hoặc uốn cong nào khác. Trong thực tế, vỏ bọc có dung sai sản xuất là 0,1 mm phải có giới hạn an toàn bổ sung là 20 %.

Ma trận lựa chọn áp suất cho vỏ bọc-có thành mỏng 316
Áp suất bên trong liên tục tối đa được khuyến nghị cho vỏ bọc gia nhiệt bằng thép không gỉ 316 ở các độ dày thành và nhiệt độ hoạt động khác nhau được đưa ra trong bảng dưới đây. Các giá trị bao gồm hệ số an toàn 3:1 dựa trên các thông số vật liệu được kéo nguội và giả sử đường kính ngoài điển hình là 10 mm. Đối với kích thước lớn hơn, giảm áp suất theo tỷ lệ kích thước.

Độ dày thành vỏ bọc Áp suất tối đa @ 100 độ Áp suất tối đa @ 200 độ Áp suất tối đa @ 300 độ Áp suất tối đa @ 400 độ Ví dụ ứng dụng được đề xuất
0,8 mm 28 bar 24 bar 20 bar 16 bar Vòng nước nóng áp suất thấp, bình khí quyển có bơm tuần hoàn
1,0 mm 35 bar 30 bar 25 bar 20 bar Lò phản ứng hóa học áp suất thấp, hệ thống nước nóng điều áp
1,2 mm 42 bar 36 bar 30 bar 24 bar Bộ gia nhiệt quy trình áp suất trung bình, bộ gia nhiệt sơ bộ bằng hơi nước lên đến 200 độ
1,4 mm 49 bar 42 bar 35 bar 28 bar Máy sưởi phun hóa chất áp suất cao
1,6 mm 56 bar 48 bar 40 bar 32 bar Nồi hấp áp suất cao, hệ thống nước quá nhiệt
Trong các ứng dụng có áp suất vận hành vượt quá 70% giá trị được cung cấp, các kỹ sư nên tiến hành thử nghiệm thủy tĩnh trên mỗi bộ gia nhiệt hoặc chọn ống liền mạch có độ dày thành đồng nhất đã được chứng minh. Khi áp suất đạt đến giới hạn dự đoán, xác suất xảy ra vụ nổ ở phần mỏng cục bộ sẽ cao hơn đáng kể. Độ dày thành vượt quá 50 bar không chỉ dựa vào mà còn được chuyển sang vỏ bọc có đường kính nhỏ hơn hoặc hợp kim có độ bền tốt hơn như Incoloy 800H.