W głębokich naczyniach reakcyjnych, takich jak te stosowane w hydrometalurgii, syntezie chemicznej lub obróbce hydrotermalnej, tytanowa rura grzejna może być częściowo zanurzona w cieczy, podczas gdy górna część jest wystawiona na działanie sprężonego gazu. Ciśnienie zewnętrzne działające na rurkę pochodzi od ciśnienia hydrostatycznego cieczy (poniżej poziomu cieczy) plus ciśnienie gazu powyżej powierzchni cieczy. Cienkie-rury tytanowe są podatne na zapadnięcie się pod wpływem ciśnienia zewnętrznego-w wyniku nagłej, katastrofalnej awarii, gdy przekrój poprzeczny rury-odkształca się z okrągłego do owalnego lub spłaszczonego. Maksymalne dopuszczalne ciśnienie zewnętrzne (stopień załamania) zależy od średnicy rury, grubości ścianki, właściwości materiału i długości między podporami. W przypadku częściowo zanurzonych rur-najgorszy przypadek zwykle występuje na poziomie cieczy, gdzie gradient ciśnienia jest największy.

Kiedy ciśnienie zewnętrzne przekracza ciśnienie wewnętrzne, ściana rury podlega naprężeniu ściskającemu. W przypadku idealnie okrągłej rury załamanie sprężyste następuje, gdy ciśnienie zewnętrzne osiąga wartość krytyczną (P_c) opisaną klasycznym wzorem dla rur cienkościennych-: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, gdzie E to moduł Younga (105 GPa dla tytanu klasy 2), ν to współczynnik Poissona (0,34), t to grubość ścianki, a D to średnica zewnętrzna rury. To elastyczne załamanie jest odwracalne.-Redukcja ciśnienia przywraca okrągły kształt-do momentu przekroczenia granicy plastyczności. Załamanie plastyczne następuje, gdy naprężenie ściskające przekracza granicę plastyczności materiału (240–340 MPa dla klasy 2). W praktyce rury tytanowe zapadają się w wyniku połączonego wyboczenia sprężysto-plastycznego. Niedoskonałości (owalność, zmienność grubości ścianki) zmniejszają rzeczywiste ciśnienie załamania do 50–70% wartości teoretycznej.

Ilościowe ciśnienie załamania dla typowych rozmiarów rurek

Następujące ciśnienia załamania (zakładając, że 60% wartości teoretycznej uwzględnia niedoskonałości) zostały ustalone dla rurek tytanowych klasy 2 z zakrytymi obydwoma końcami (ciśnienie wewnętrzne przy 1 atm):

Rozważania dotyczące częściowo zanurzonej rury

W przypadku rury częściowo zanurzonej w cieczy, w której ciśnienie gazu znajduje się nad cieczą, ciśnienie zewnętrzne zmienia się na całej długości rury. Na górze (przestrzeń gazowa) ciśnienie wynosi P_gas. Na poziomie cieczy ciśnienie wynosi P_gas. Na głębokości h poniżej powierzchni cieczy ciśnienie wynosi P_gaz + (ρ × g × h). Najgorszy-przypadek zwykle nie występuje na maksymalnej głębokości, ale w punkcie, w którym gradient ciśnienia wchodzi w interakcję z niedoskonałościami rury. W przypadku zbiorników głębokich dolna część może najpierw zapaść się pod wpływem wyższego ciśnienia, ale w strefie przejściowej w pobliżu poziomu cieczy panuje zmienne ciśnienie, które może wywołać naprężenia zginające. Poniższa tabela przedstawia ograniczenia projektowe dla częściowo zanurzonych rur:

Inżynieria wykraczająca poza ciśnienie załamania

Ciśnienie wewnętrzne (z gazu uwięzionego wewnątrz grzejnika lub z rozszerzania się elementu grzejnego) zwiększa odporność na zapadanie się. Niewielkie ciśnienie wewnętrzne wynoszące 0,5–1,0 bar znacznie podnosi odporność na załamanie, przeciwdziałając ciśnieniu zewnętrznemu. Podpory rur zmniejszają długość niepodpartą, co wpływa na tryb wyboczenia. W przypadku długich rur (długość > 2 metry) podpory pośrednie co 500 mm zwiększają ciśnienie zapadania się o 50–100%, zapobiegając powstawaniu wyboczenia na długich-falach. Gatunek tytanu wpływa na ciśnienie zapadania się jedynie poprzez granicę plastyczności; Klasa 7 (granica plastyczności 270–350 MPa) zapewnia o 10–15% wyższą odporność na zapadanie się tworzywa sztucznego niż klasa 2 (240–310 MPa). Temperatura zmniejsza ciśnienie zapadania się: w temperaturze 150 stopni E zmniejsza się o 15%, zmniejszając ciśnienie zapadania się o około 15% w porównaniu z wartościami temperatury-pokojowej.

Sporządzanie świadomej specyfikacji

Wybierając tytanową rurkę grzejną do głębokiego naczynia reakcyjnego, należy obliczyć maksymalne ciśnienie zewnętrzne w najniższym punkcie zanurzenia, włączając ciśnienie gazu i wysokość podnoszenia hydrostatycznego. Zastosuj współczynnik bezpieczeństwa 3 w stosunku do teoretycznego ciśnienia zapadania się (lub 2 w stosunku do dopuszczalnego ciśnienia zawalenia z powyższej tabeli). W przypadku głębokości przekraczających 30 metrów równoważnika wody należy rozważyć zastosowanie grubszych ścian (D/t < 15) lub mniejszych średnic. Określ, czy rury spełniają limity owalności ASTM E273 (maksymalnie 1% owalności dla rur bez szwu), ponieważ początkowa owalność zmniejsza ciśnienie zapadania się. Podczas instalacji upewnij się, że rury są proste i równomiernie podparte; wgniecione lub wygięte rury tracą 50–80% odporności na załamanie. Jeżeli częściowe zanurzenie powoduje powstanie gradientu ciśnienia na całej długości rury, należy zainstalować mały wewnętrzny regulator ciśnienia (0,5 bara), aby utrzymać dodatnią różnicę ciśnień wewnętrznych. Prawidłowo obliczając współczynnik załamania i stosując odpowiednie marginesy bezpieczeństwa, inżynier zapobiega nagłemu, katastrofalnemu w skutkach zapadnięciu się rury w zbiornikach głęboko ciśnieniowych.