En recipientes de reacción profundos, como los utilizados en hidrometalurgia, síntesis química o procesamiento hidrotermal, un tubo calefactor de titanio puede sumergirse parcialmente en líquido mientras la parte superior está expuesta a gas presurizado. La presión externa que actúa sobre el tubo proviene de la cabeza hidrostática del líquido (por debajo del nivel del líquido) más cualquier presión del gas por encima de la superficie del líquido. Los tubos de titanio de paredes delgadas-son susceptibles de colapsar bajo presión externa-una falla repentina y catastrófica donde la sección transversal-del tubo se deforma de circular a ovalada o aplanada. La presión externa máxima permitida (índice de colapso) depende del diámetro del tubo, el espesor de la pared, las propiedades del material y la longitud entre los soportes. Para tubos parcialmente sumergidos, la peor-condición suele ocurrir en el nivel del líquido donde el gradiente de presión es más alto.

Mecanismo de colapso bajo presión externa

Cuando la presión externa excede la presión interna, la pared del tubo experimenta una tensión circular de compresión. Para un tubo perfectamente circular, el colapso elástico ocurre cuando la presión externa alcanza un valor crítico (P_c) descrito por la fórmula clásica para tubos-de paredes delgadas: P_c=(2E / (1-ν²)) × (t/D)³, donde E es el módulo de Young (105 GPa para titanio Grado 2), ν es el índice de Poisson (0,34), t es el espesor de la pared y D es diámetro exterior del tubo. Este colapso elástico es reversible-la reducción de presión restaura la forma circular-hasta que se excede el límite elástico. El colapso plástico ocurre cuando la tensión de compresión excede el límite elástico del material (240–340 MPa para el Grado 2). En la práctica, los tubos de titanio colapsan mediante pandeo combinado elástico-plástico. Las imperfecciones (ovalidad, variación del espesor de la pared) reducen la presión de colapso real al 50-70% del valor teórico.

Presión de colapso cuantitativa para tamaños de tubos comunes

Se establecen las siguientes presiones de colapso (asumiendo el 60 % de la teórica para tener en cuenta las imperfecciones) para tubos de titanio de grado 2 con ambos extremos tapados (presión interna a 1 atm):

Consideraciones sobre tubos parcialmente sumergidos

Para un tubo parcialmente sumergido en un líquido con una presión de gas por encima del líquido, la presión externa varía a lo largo de la longitud del tubo. En la parte superior (espacio de gas), la presión es igual a P_gas. En el nivel del líquido, la presión es igual a P_gas. A una profundidad h debajo de la superficie del líquido, la presión es igual a P_gas + (ρ × g × h). La peor-condición de caso no suele ser la profundidad máxima, sino el punto donde el gradiente de presión interactúa con las imperfecciones del tubo. Para recipientes profundos, la parte inferior puede colapsar primero debido a una presión más alta, pero la zona de transición cerca del nivel del líquido experimenta una presión variable que puede inducir tensiones de flexión. La siguiente tabla proporciona límites de diseño para tubos parcialmente sumergidos:

Ingeniería más allá de la presión del colapso

La presión interna (del gas atrapado dentro del calentador o de la expansión del elemento calefactor) aumenta la resistencia al colapso. Una pequeña presión interna de 0,5 a 1,0 bar aumenta significativamente el índice de colapso al contrarrestar la presión externa. Los soportes de tubo reducen la longitud no soportada, lo que afecta el modo de pandeo. Para tubos largos (longitud > 2 metros), los soportes intermedios cada 500 mm aumentan la presión de colapso entre un 50% y un 100% al evitar el modo de pandeo de longitud de onda larga-. El grado de titanio afecta la presión de colapso sólo a través del límite elástico; El grado 7 (límite elástico de 270 a 350 MPa) ofrece una resistencia al colapso plástico entre un 10 y un 15 % mayor que el grado 2 (240 a 310 MPa). La temperatura reduce la presión de colapso: a 150 grados, E disminuye en un 15 %, lo que reduce la presión de colapso en aproximadamente un 15 % con respecto a los valores de temperatura ambiente.

Hacer una especificación informada

Al especificar un tubo calefactor de titanio para un recipiente de reacción profundo, calcule la presión externa máxima en el punto sumergido más bajo, incluida la presión del gas y la cabeza hidrostática. Aplique un factor de seguridad de 3 contra la presión de colapso teórica (o 2 contra la presión de colapso permitida de la tabla anterior). Para profundidades superiores a 30 metros de agua equivalente, considere utilizar paredes más gruesas (D/t < 15) o diámetros más pequeños. Especifique que los tubos cumplan con los límites de ovalidad ASTM E273 (ovavalidad máxima del 1 % para tubos sin costura) porque la ovalidad inicial reduce la presión de colapso. Durante la instalación, asegúrese de que los tubos estén rectos y apoyados uniformemente; Los tubos abollados o doblados pierden entre un 50% y un 80% de su resistencia al colapso. Si la inmersión parcial crea un gradiente de presión a lo largo de la longitud del tubo, instale un pequeño regulador de presión interno (0,5 bar) para mantener un diferencial de presión interno positivo. Al calcular correctamente la clasificación de colapso y aplicar márgenes de seguridad adecuados, el ingeniero evita el colapso repentino y catastrófico de los tubos en recipientes presurizados profundos.