Em vasos de reação profundos, como aqueles usados ​​em hidrometalurgia, síntese química ou processamento hidrotérmico, um tubo de aquecimento de titânio pode ser parcialmente submerso em líquido enquanto a porção superior é exposta a gás pressurizado. A pressão externa que atua no tubo vem da cabeça hidrostática do líquido (abaixo do nível do líquido) mais qualquer pressão do gás acima da superfície do líquido. Tubos de titânio-de paredes finas são suscetíveis ao colapso sob pressão externa-uma falha súbita e catastrófica em que a seção transversal-do tubo se deforma de circular para oval ou achatada. A pressão externa máxima permitida (classificação de colapso) depende do diâmetro do tubo, da espessura da parede, das propriedades do material e do comprimento entre os suportes. Para tubos parcialmente submersos, a pior-condição normalmente ocorre no nível do líquido, onde o gradiente de pressão é mais alto.

Mecanismo de colapso sob pressão externa

Quando a pressão externa excede a pressão interna, a parede do tubo sofre uma tensão circular de compressão. Para um tubo perfeitamente circular, o colapso elástico ocorre quando a pressão externa atinge um valor crítico (P_c) descrito pela fórmula clássica para tubos-de paredes finas: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, onde E é o módulo de Young (105 GPa para titânio grau 2), ν é o índice de Poisson (0,34), t é a espessura da parede e D é a parte externa do tubo diâmetro. Esse colapso elástico é reversível-a redução da pressão restaura a forma circular-até que o limite de escoamento seja excedido. O colapso plástico ocorre quando a tensão de compressão excede a resistência ao escoamento do material (240–340 MPa para Grau 2). Na prática, os tubos de titânio colapsam por flambagem elástica-plástica combinada. Imperfeições (ovalidade, variação da espessura da parede) reduzem a pressão de colapso real para 50–70% do valor teórico.

Pressão de colapso quantitativa para tamanhos de tubos comuns

As seguintes pressões de colapso (assumindo 60% da teórica para levar em conta imperfeições) são estabelecidas para tubos de titânio Grau 2 com ambas as extremidades tampadas (pressão interna a 1 atm):

Considerações sobre tubos parcialmente submersos

Para um tubo parcialmente submerso em líquido com pressão de gás acima do líquido, a pressão externa varia ao longo do comprimento do tubo. No topo (espaço do gás), a pressão é igual a P_gas. No nível do líquido, a pressão é igual a P_gas. Na profundidade h abaixo da superfície do líquido, a pressão é igual a P_gas + (ρ × g × h). A pior-condição normalmente não ocorre na profundidade máxima, mas no ponto onde o gradiente de pressão interage com as imperfeições do tubo. Para vasos profundos, a porção inferior pode colapsar primeiro devido à pressão mais elevada, mas a zona de transição perto do nível do líquido sofre pressões variáveis ​​que podem induzir tensões de flexão. A tabela a seguir fornece limites de projeto para tubos parcialmente submersos:

Engenharia além da pressão de colapso

A pressão interna (do gás preso dentro do aquecedor ou da expansão do elemento de aquecimento) aumenta a resistência ao colapso. Uma pequena pressão interna de 0,5–1,0 bar aumenta significativamente a taxa de colapso ao neutralizar a pressão externa. Os suportes de tubo reduzem o comprimento não suportado, o que afeta o modo de flambagem. Para tubos longos (comprimento > 2 metros), os suportes intermediários a cada 500 mm aumentam a pressão de colapso em 50–100%, evitando o modo de flambagem de{9}comprimento de onda longo. O grau de titânio afeta a pressão de colapso apenas através da resistência ao escoamento; O Grau 7 (limite de escoamento 270–350 MPa) oferece resistência ao colapso plástico 10–15% maior do que o Grau 2 (240–310 MPa). A temperatura reduz a pressão de colapso: a 150 graus, E diminui em 15%, reduzindo a pressão de colapso em aproximadamente 15% em relação aos valores-da temperatura ambiente.

Fazendo uma especificação informada

Ao especificar um tubo de aquecimento de titânio para um recipiente de reação profundo, calcule a pressão externa máxima no ponto submerso mais baixo, incluindo a pressão do gás e a altura manométrica hidrostática. Aplique um fator de segurança de 3 contra a pressão de colapso teórica (ou 2 contra a pressão de colapso permitida na tabela acima). Para profundidades superiores a 30 metros de água equivalente, considerar a utilização de paredes mais espessas (D/t < 15) ou diâmetros menores. Especifique que os tubos atendam aos limites de ovalidade ASTM E273 (máximo de 1% de ovalidade para tubos sem costura) porque a ovalidade inicial reduz a pressão de colapso. Durante a instalação, certifique-se de que os tubos estejam retos e apoiados uniformemente; tubos amassados ​​ou tortos perdem 50–80% da resistência ao colapso. Se a submersão parcial criar um gradiente de pressão ao longo do comprimento do tubo, instale um pequeno regulador de pressão interno (0,5 bar) para manter o diferencial de pressão interno positivo. Ao calcular corretamente a taxa de colapso e aplicar margens de segurança adequadas, o engenheiro evita o colapso repentino e catastrófico do tubo em vasos pressurizados profundos.