Berapa Tekanan Eksternal Maksimum yang Diijinkan (Collapse Rating) Untuk Tabung Pemanas Titanium Berdinding Tipis yang Sebagian Terendam Dalam Bejana Reaksi Dalam?
Tinggalkan pesan
Dalam bejana reaksi dalam, seperti yang digunakan dalam hidrometalurgi, sintesis kimia, atau pemrosesan hidrotermal, tabung pemanas titanium mungkin sebagian terendam dalam cairan sementara bagian atasnya terkena gas bertekanan. Tekanan eksternal yang bekerja pada tabung berasal dari tekanan hidrostatik cairan (di bawah permukaan cairan) ditambah tekanan gas di atas permukaan cairan. Tabung titanium-berdinding tipis rentan runtuh karena tekanan eksternal-kegagalan besar dan tiba-tiba yang mengakibatkan penampang tabung berubah bentuk-dari lingkaran menjadi oval atau rata. Tekanan eksternal maksimum yang diijinkan (peringkat keruntuhan) bergantung pada diameter tabung, ketebalan dinding, sifat material, dan panjang antar penyangga. Untuk tabung yang terendam sebagian,-kondisi terburuk biasanya terjadi pada tingkat cairan dengan gradien tekanan paling tinggi.
Mekanisme Keruntuhan Di Bawah Tekanan Eksternal
Ketika tekanan eksternal melebihi tekanan internal, dinding tabung mengalami tegangan lingkaran tekan. Untuk tabung berbentuk lingkaran sempurna, keruntuhan elastis terjadi ketika tekanan luar mencapai nilai kritis (P_c) yang dijelaskan oleh rumus klasik untuk tabung berdinding tipis-: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, dengan E adalah modulus Young (105 GPa untuk titanium Kelas 2), ν adalah rasio Poisson (0,34), t adalah ketebalan dinding, dan D adalah diameter luar tabung. Keruntuhan elastis ini bersifat reversibel-pengurangan tekanan mengembalikan bentuk lingkaran-sampai kekuatan luluh terlampaui. Keruntuhan plastik terjadi ketika tegangan tekan melebihi kekuatan luluh material (240–340 MPa untuk Kelas 2). Dalam praktiknya, tabung titanium runtuh akibat kombinasi tekuk elastis-plastik. Ketidaksempurnaan (ovalitas, variasi ketebalan dinding) mengurangi tekanan keruntuhan aktual hingga 50–70% dari nilai teoritis.
Tekanan Keruntuhan Kuantitatif untuk Ukuran Tabung Umum
Tekanan keruntuhan berikut (dengan asumsi 60% tekanan teoritis memperhitungkan ketidaksempurnaan) ditetapkan untuk tabung titanium Kelas 2 dengan kedua ujungnya tertutup (tekanan internal pada 1 atm):
| Tabung OD × Dinding (mm) | Rasio D/t | Tekanan Runtuh Teoretis (bar) | Tekanan Keruntuhan yang Diijinkan (batang, faktor 60%) | Kedalaman Perendaman Maksimum (meter air) |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Pertimbangan Tabung Terendam Sebagian
Untuk tabung yang terendam sebagian dalam cairan dengan tekanan gas di atas cairan, tekanan luar bervariasi sepanjang panjang tabung. Di bagian atas (ruang gas), tekanannya sama dengan P_gas. Pada tingkat cair, tekanannya sama dengan P_gas. Pada kedalaman h di bawah permukaan cairan, tekanannya sama dengan P_gas + (ρ × g × h). Kondisi-terburuk biasanya bukan pada kedalaman maksimum tetapi pada titik di mana gradien tekanan berinteraksi dengan ketidaksempurnaan tabung. Untuk bejana dalam, bagian bawahnya mungkin akan runtuh terlebih dahulu karena tekanan yang lebih tinggi, namun zona transisi di dekat permukaan cairan mengalami tekanan yang bervariasi yang dapat menyebabkan tegangan lentur. Tabel berikut memberikan batasan desain untuk tabung yang terendam sebagian:
| Kondisi Kapal | Tekanan Gas (bar) | Kedalaman Cairan (m) | Tabung OD yang Direkomendasikan × Dinding (mm) | Margin Keamanan |
|---|---|---|---|---|
| Kapal atmosfer, kedalaman cairan 5 m | 1.0 | 5 | 20 × 1,0 atau 25 × 1,2 | 3,0x (19 bilah > 1,5 bilah) |
| Bejana bertekanan, gas 5 bar, kedalaman cairan 10 m | 5.0 | 10 | 20 × 1.5 | 2,8x (57 bar > 6 bar) |
| Bejana bertekanan, gas 10 bar, kedalaman cairan 20 m | 10.0 | 20 | 25 × 1.5 | 1,9x (21 batang > 12 batang) |
| Autoklaf-tekanan tinggi, gas 20 bar, kedalaman cairan 5 m | 20.0 | 5 | 20 × 1,5 atau 25 × 2,0 | 2,0x (21 batang > 20,5 batang) |
| Kapal dalam, kedalaman cairan 50 m, gas atmosfer | 1.0 | 50 | Tidak praktis dengan-titanium berdinding tipis; gunakan 32 × 2.0 | maks 5 bar |
Rekayasa Melampaui Tekanan Runtuh
Tekanan internal (dari gas yang terperangkap di dalam pemanas atau dari pemuaian elemen pemanas) meningkatkan ketahanan terhadap keruntuhan. Tekanan internal kecil sebesar 0,5–1,0 bar secara signifikan meningkatkan tingkat keruntuhan dengan melawan tekanan eksternal. Penopang tabung mengurangi panjang yang tidak didukung, yang mempengaruhi mode tekuk. Untuk tabung panjang (panjang > 2 meter), penyangga perantara setiap 500 mm meningkatkan tekanan keruntuhan sebesar 50–100% dengan mencegah mode tekuk-panjang gelombang panjang. Tingkat titanium mempengaruhi tekanan keruntuhan hanya melalui kekuatan luluh; Grade 7 (kekuatan luluh 270–350 MPa) menawarkan ketahanan terhadap keruntuhan plastik 10–15% lebih tinggi dibandingkan Grade 2 (240–310 MPa). Suhu mengurangi tekanan keruntuhan: pada 150 derajat, E berkurang sebesar 15%, mengurangi tekanan keruntuhan sekitar 15% dari nilai suhu ruangan.
Membuat Spesifikasi yang Diinformasikan
Saat menentukan tabung pemanas titanium untuk bejana reaksi dalam, hitung tekanan eksternal maksimum pada titik terendah terendam, termasuk tekanan gas dan tinggi hidrostatis. Terapkan faktor keamanan 3 terhadap tekanan keruntuhan teoritis (atau 2 terhadap tekanan keruntuhan yang diijinkan dari tabel di atas). Untuk kedalaman yang melebihi 30 meter setara air, pertimbangkan untuk menggunakan dinding yang lebih tebal (D/t < 15) atau diameter yang lebih kecil. Tentukan bahwa tabung memenuhi batas ovalitas ASTM E273 (valitas maksimum 1% untuk tabung mulus) karena ovalitas awal mengurangi tekanan keruntuhan. Selama pemasangan, pastikan tabung lurus dan ditopang secara merata; tabung yang penyok atau bengkok kehilangan 50–80% ketahanan terhadap keruntuhan. Jika perendaman sebagian menimbulkan gradien tekanan sepanjang panjang tabung, pasang pengatur tekanan internal kecil (0,5 bar) untuk mempertahankan perbedaan tekanan internal positif. Dengan menghitung peringkat keruntuhan dengan benar dan menerapkan margin keselamatan yang sesuai, insinyur mencegah keruntuhan tabung yang tiba-tiba dan menimbulkan bencana di bejana bertekanan dalam.
