Kako dizajn završnog poklopca (ravni naspram kupolastog) zatvorene titanijske grijaće cijevi utječe na njegovu sposobnost da izdrži povećanje unutarnjeg tlaka-od razgradnje tragova vlage na 200 stupnjeva?

Osnovni kompromis-u dizajnu završne kapice grijača od titana
Zatvorene grijaće cijevi od titana izolirane su magnezijevim oksidom (MgO) koji može apsorbirati tragove vlage tijekom proizvodnje ili skladištenja. Kada se grijač aktivira na temperaturu od 200 stupnjeva na unutarnjoj stijenci, ova vlaga isparava i može se razgraditi na vodik i kisik. To može uzrokovati povećanje unutarnjeg pritiska i uzrokovati otkazivanje završne kapice. Dizajn završne kapice, bilo ravne ili kupolaste, izravno utječe na to kako cijev podnosi ovaj unutarnji pritisak. Ravna kapa ima deformacije savijanja s koncentracijom naprezanja na zavarenom spoju. Kupolasta kapica je u napetosti membrane. Debljina stijenke je funkcija oblika završne kapice. Deblji zid može podnijeti ravniju kapu pri većim pritiscima. Kupolasti poklopac može podnijeti isti nazivni tlak s tanjom stijenkom. Ova analiza mjeri tlačni kapacitet ravnih naspram kupolastih završnih kapa na titanskim grijaćim cijevima i daje prijedloge za izbor za rad na visokim temperaturama gdje je opasnost od unutarnjeg pritiska.

Učinak na mehaničku cjelovitost: raspodjela naprezanja u ravnim i kupolastim kapama
Određujemo da je naprezanje uzrokovano pritiskom u središtu ravne završne kapice zavarene na titansku cijev unutarnjeg radijusa r i debljine stijenke t dano s $\\sigma_{flat}=0.31*P*r^2/t^2$, gdje P predstavlja unutarnji tlak. Za tipičnu 20 mm OD cijev (unutarnji polumjer 8 mm za 1,0 mm stijenke) pri unutarnjem tlaku od 10 bara (1 MPa), sigma_flat=(0,31 * 1e6 * 0,008^2) / (0,001^2)=198 MPa. To je samo malo više od granice razvlačenja titana Grade 2 (275 MPa) i stoga postoji vrlo mala sigurnosna granica. Za kupolastu kapu (hemisferičnu), naprezanje je σkupola=P r 2 t gdje se pretpostavlja da je radijus kupole isti kao polumjer cijevi. Pod istim uvjetima, σ_kupola=(1e6 × 0,008) / (2 × 0,001)=4 MPa-50 niža od ravnog vrha. Kupolasta kapa gotovo u cijelosti podnosi opterećenje u napetosti membrane, a ne pri savijanju; daleko je otporniji na unutarnji pritisak. Za ravne kape, način kvara uključuje popuštanje i ispupčenje oko središta, a zatim kidanje zavara. Kupolasti poklopci obično otkazuju zbog općeg popuštanja pri pritiscima 10 do 20 puta većim od ravnih poklopaca s istom debljinom stijenke.

Utjecaj na toplinsku izvedbu: Prijenos topline i ograničenja proizvodnje
Dizajn završne kapice ima samo neizravan učinak na toplinsku izvedbu. Plosnati poklopac ima veću površinu u kontaktu s procesnim medijem i to može poboljšati prijenos topline na vrhu grijača. Ali razlika je minimalna (obično<5% of total heating area). More importantly, there is the question of manufacturability. The dome caps are made by pressing or spinning, which is an additional manufacturing process and adds 10–20% to the cost over flat caps. Thin walls (≤1.0 mm) Dome caps Dome caps are easier to successfully weld, since the dome absorbs thermal expansion during welding, thus minimizing the residual stress. Flat caps can be welded with sufficient strength for thick walls (≥1.5 mm) if the tube diameter is small (<16 mm OD). The heat gradient across the end cap in operation is similar for both types, as the cap thickness is normally matched to the tube wall.

Matrica odabira završne kapice: Sinteza kompromisa-
OD i debljina stijenke cijevi Maks. siguran unutarnji tlak (ravna kapa, stupanj 2) Maks. siguran unutarnji tlak (kupolast poklopac) Preporuka za krajnju kapu (osnovno inženjersko obrazloženje)
12 mm × 0,8 mm 4 bara > 50 bara Kupolasti tanki zid ne može podnijeti naprezanje savijanja ravnog poklopca.
16 mm × 1,0 mm 6 bara > 40 bara Kupolasti ravni poklopac minimalno; kupolast daje sigurnosnu marginu
20 mm x 1,2 mm 8 bara > 35 bara Kupolasto idealno za pouzdanost. Smanjenje naprezanja nakon zavarivanja prihvatljivo je samo s ravnom kapom.
20 mm × 1,6 mm 14 bara > 45 bara Bilo koja ravna kapica dovoljna je za većinu namjena; kupolasta daje dodatnu marginu.
2,0 mm x 25 mm 18 bara > 50 bara Ravno (ušteda troškova) Debela stijenka osigurava dovoljnu čvrstoću na savijanje. Over-specifikacija je kupolasta.
Inženjering izvan poklopca: kontrola vlage i ventilacija
Najbolji način za rješavanje povećanja unutarnjeg tlaka-je potpuno izbjegavanje prodiranja vlage. Grijač se pročišćava dušikom tijekom punjenja MgO i vakuumskog brtvljenja kako bi se smanjila zaostala vlaga na manje od 0,1% težine, čime se sprječava povećanje tlaka-čak i na 300 stupnjeva. Za trenutne grijače ili jeftine dizajne, mali otvor za ventilaciju (promjera 0,2–0,5 mm) u završnom poklopcu pruža izlaz za unutarnje plinove bez žrtvovanja otpornosti na koroziju budući da je otvor obično potopljen i slana otopina ne ulazi zbog blagog pozitivnog unutarnjeg tlaka. Alternativno, rasprskavajući disk s ocjenom do 10 bara može se integrirati u ravnu kapicu, nudeći regulirano otpuštanje tlaka.

Zaključak: Flat Caps su OK za debele zidove, Domed Caps su bolji za tanke zidove
The heating tube is titanium sealed and it runs at 200C and even trace moisture decomposes and the end cap design is essential to how much pressure it can take. A flat cap experiences bending strains proportional to P x r(squared) / t(squared) whereas a domed cap experiences membrane stresses proportional to P x r / t - a factor of r/t lower. For thin wall (≤1.2mm) on standard 20mm OD tube a domed cap is necessary to safely bear pressures above 5 bar. For thick walls (>=1.6 mm) ravna kapa je u redu jer izraz t² u nazivniku smanjuje napon savijanja na podnošljive razine. Ako se utvrdi da unutarnji tlak predstavlja opasnost (npr. grijači pohranjeni u vlažnim uvjetima prije postavljanja), tada treba specificirati kupolastu kapu ili dizajn s ventilacijom bez obzira na debljinu stijenke. Osigurajte proizvođaču najvišu predviđenu radnu temperaturu i vlažnost za skladištenje kako biste proizvođaču omogućili izradu odgovarajuće završne kapice za pouzdanu dugotrajnu-uslugu.