湿式冶金、化学合成、水熱処理などで使用される深型反応容器では、上部が加圧ガスにさらされている間、チタン加熱管が部分的に液体に浸されることがあります。チューブに作用する外部圧力は、液体の静水頭 (液体レベルの下) に液体表面上のガス圧力を加えたものになります。薄壁のチタン チューブは、外圧によって潰れやすく、-チューブの断面が円形から楕円形、または平らに変形する突然の壊滅的な破損が発生します。-最大許容外圧 (崩壊定格) は、チューブの直径、壁の厚さ、材料特性、サポート間の長さによって異なります。部分的に浸水したチューブの場合、最悪の状態は通常、圧力勾配が最も高い液面で発生します。-

外圧による崩壊のメカニズム

外圧が内圧を超えると、チューブ壁には圧縮フープ応力がかかります。完全な円形のチューブの場合、外圧が薄肉チューブの古典的な式で表される臨界値 (P_c) (P_c) に達すると弾性崩壊が発生します: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³、ここで E はヤング率 (グレード 2 チタンの場合 105 GPa)、ν はポアソン比 (0.34)、t は壁の厚さ、 Dはチューブの外径です。この弾性崩壊は、降伏強度を超えるまで可逆的です-圧力を下げると円形の形状が復元されます-。塑性崩壊は、圧縮応力が材料の降伏強度 (グレード 2 では 240 ～ 340 MPa) を超えると発生します。実際には、チタンチューブは弾性プラスチックと座屈の組み合わせによって潰れます。欠陥（楕円形、壁厚のばらつき）があると、実際の崩壊圧力は理論値の 50 ～ 70% に低下します。

一般的なチューブサイズの定量的な崩壊圧力

以下の崩壊圧力 (欠陥を考慮して理論値の 60% と仮定) は、両端がキャップされたグレード 2 チタン チューブ (内圧 1 気圧) に対して確立されています。

部分的に浸水したチューブの考慮事項

チューブが部分的に液体に浸され、液体の上にガス圧力がかかると、外部圧力はチューブの長さに沿って変化します。上部 (ガス空間) では、圧力は P_gas に等しくなります。液面では、圧力は P_gas に等しくなります。液面下の深さ h では、圧力は P_gas + (ρ × g × h) に等しくなります。最悪の場合の状態は通常、最大深度ではなく、圧力勾配がチューブの欠陥と相互作用する地点で発生します。深い容器の場合、より高い圧力により下部が最初に崩壊する可能性がありますが、液面近くの移行ゾーンはさまざまな圧力を受け、曲げ応力を引き起こす可能性があります。次の表は、部分的に浸水したチューブの設計制限を示しています。

崩壊圧力を超えたエンジニアリング

内部圧力 (ヒーター内に閉じ込められたガスまたは発熱体の膨張によるもの) により、崩壊抵抗が増加します。 0.5 ～ 1.0 bar の小さな内圧は、外圧に対抗して崩壊評価を大幅に高めます。チューブサポートは、座屈モードに影響を与えるサポートされていない長さを短縮します。長いチューブ（長さ > 2 メートル）の場合、500 mm ごとに中間サポートを設置すると、長波長の座屈モードが防止され、崩壊圧力が 50 ～ 100% 増加します。-チタンのグレードは、降伏強度を通じてのみ崩壊圧力に影響します。グレード 7 (降伏強度 270 ～ 350 MPa) は、グレード 2 (240 ～ 310 MPa) よりも 10 ～ 15% 高い耐塑性崩壊性を提供します。温度により崩壊圧力が減少します。150 度では、E が 15% 減少し、室温値から崩壊圧力が約 15% 減少します。-。

情報に基づいた仕様の作成

深い反応容器用のチタン加熱管を指定する場合は、ガス圧力と静水頭など、浸漬最下点での最大外圧を計算します。理論上の崩壊圧力に対して安全係数 3 を適用します (または、上の表の許容可能な崩壊圧力に対して 2)。水換算で 30 メートルを超える深さの場合は、より厚い壁 (D/t < 15) またはより小さい直径の使用を検討してください。初期の楕円率により崩壊圧力が低下するため、チューブが ASTM E273 の楕円率制限 (シームレス チューブの場合は最大 1% の楕円率) を満たすことを指定します。設置中、チューブが真っ直ぐで均等に支持されていることを確認してください。凹んだり曲がったチューブは、耐圧潰性が 50 ～ 80% 失われます。部分的な浸水によってチューブの長さに沿って圧力勾配が生じる場合は、小型の内圧レギュレーター (0.5 bar) を取り付けて、正の内圧差を維持します。崩壊定格を正しく計算し、適切な安全マージンを適用することで、エンジニアは、深く加圧された容器内での突然の破滅的なチューブ崩壊を防止します。