Koliki je maksimalni sigurni unutarnji tlak za grijaći plašt od nehrđajućeg čelika 316 kada je debljina stijenke smanjena ispod 1,2 milimetra u visoko-temperaturnim tekućim sustavima?

Prilikom naknadne ugradnje električnih uronjenih grijača u postojeće spremnike pod tlakom, procesni inženjeri obično moraju koristiti plašt manjeg promjera od prvobitno predviđenog zbog ograničenog promjera mlaznice ili duljine umetanja. Ili se može odabrati tanji zid zbog želje za bržim toplinskim odzivom. Međutim, ponašanje zadržavanja tlaka mijenja se od rastezljivog do -sklonog pucanju ako se debljina stijenke plašta od nehrđajućeg čelika 316 smanji ispod 1,2 mm, posebno na visokim temperaturama gdje se smanjuje granica razvlačenja materijala. Ovaj rad predstavlja kvantitativne maksimalne dopuštene granice radnog tlaka za tanko{6}}zidne 316 plašteve, koristeći Barlow formulu s visokim-temperaturnim smanjenjem. Ovo će omogućiti inženjerima da specificiraju sigurne debljine stijenki za sustave s tekućinom pod tlakom, bez pretjeranog-konzervativizma i nepotrebnog rizika.

Osnove zadržavanja tlaka za tanko{0}}zijene 316 rukave
Za cilindrične tlačne posude, gdje je debljina stijenke manja od jedne-desetine unutarnjeg radijusa--što je slučaj za gotovo sve plašteve električnih grijača--obodni ili obručni napon izračunava se pomoću Barlowove formule: σ=P × D / (2 × t), gdje je σ obručni napon, P unutarnji tlak, D je vanjski promjer, a t je debljina stijenke. NAPREZANJE OBRUČA je obrnuto proporcionalno debljini stijenke za dani vanjski promjer i unutarnji tlak. Smanjenje debljine stijenke za pola udvostručuje opterećenje na materijalu plašta. Stoga maksimalni dopušteni radni tlak varira izravno s debljinom stijenke, za fiksne vrijednosti ostalih parametara. Granica razvlačenja nehrđajućeg čelika 316 na sobnoj temperaturi je oko 290 MPa za žareni materijal i 520 MPa za hladno vučene cijevi, koje se obično koriste za plašteve grijača. Maksimalno dopušteno naprezanje obruča za hladno vučeni 316 je približno 170 MPa, korištenjem sigurnosnog faktora 3 za zadržavanje tlaka - standardna praksa za nekodirane tlačne posude bez plamena. Sigurna granica dobiva se rješavanjem Barlowove formule za tlak, s obzirom na vanjski promjer i debljinu stijenke.

Kvantitativna ograničenja tlaka u odnosu na debljinu stijenke i temperaturu
Pri povišenoj radnoj temperaturi dopušteni tlak se znatno smanjuje. Na 200 stupnjeva granica razvlačenja hladno{2}}vučenog 316 smanjuje se na oko 380 MPa, a prihvatljivo naprezanje obruča smanjuje se na 125 MPa. Granica razvlačenja na 300 stupnjeva je 320 MPa s dopuštenim naprezanjem od 105 MPa. Na 400 stupnjeva, najvišoj granici za kontinuirani rad 316 omotača, granica razvlačenja pada na 280 MPa, dopuštajući samo obručno naprezanje od 90 MPa. Sljedeći su maksimalni kontinuirani unutarnji tlakovi za standardni omotač od 316 s vanjskim promjerom od 10 mm. Maksimalni tlak je oko 40 bara na 200 stupnjeva i debljina stijenke od 1,6 mm. Pri istoj temperaturi dopušteni tlak za debljinu stijenke od 1,2 mm smanjuje se na 30 bara. Siguran tlak tada pada na 25 bara pri debljini stijenke od 1,0 mm. Kod proizvedenih plašta minimalna debljina stijenke je 0,8 mm, a siguran tlak je samo 20 bara. Za sustave na 300 stupnjeva, isti omotač od 1,0 mm ograničen je na oko 21 bar, a na 400 stupnjeva samo na 18 bara. Ove vrijednosti temelje se na cijevima koje su precizno okrugle, imaju homogenu debljinu stjenke i bez ikakvih drugih naprezanja savijanja ili savijanja. U praksi, omotač s proizvodnom tolerancijom od 0,1 mm trebao bi imati dodatnu sigurnosnu granicu od 20 %.

Matrica odabira tlaka za tanko{0}}zidne 316 plašteve
Preporučeni maksimalni trajni unutarnji tlakovi za grijaće plašteve od nehrđajućeg čelika 316 pri različitim debljinama stijenki i radnim temperaturama navedeni su u donjoj tablici. Vrijednosti uključuju faktor sigurnosti od 3:1 na temelju parametara hladno vučenog materijala i pretpostavljaju tipični vanjski promjer od 10 mm. Za veće veličine, smanjite pritisak proporcionalno omjeru veličine.

Debljina stjenke plašta Maks. pritisak @ 100 stupnjeva Maks. pritisak @ 200 stupnjeva Maks. pritisak @ 300 stupnjeva Maks. pritisak @ 400 stupnjeva Preporučeni primjeri primjene
0,8 mm 28 bara 24 bara 20 bara 16 bara Niskotlačne petlje tople vode, atmosferski spremnici s cirkulacijskim pumpama
1,0 mm 35 bara 30 bara 25 bara 20 bara Niskotlačni-kemijski reaktori, sustavi tople vode pod tlakom
1,2 mm 42 bara 36 bara 30 bara 24 bara Srednjetlačni procesni grijači, parni predgrijači do 200 stupnjeva
1,4 mm 49 bara 42 bara 35 bara 28 bara Visokotlačni kemijski injekcijski grijači
1,6 mm 56 bara 48 bara 40 bara 32 bara Visokotlačni autoklavi, sustavi s pregrijanom vodom
U primjenama gdje radni tlak prelazi 70% navedenih vrijednosti, preporučuje se da inženjeri provedu hidrostatsko ispitivanje na svakom grijaču ili odaberu bešavne cijevi s dokazanom homogenošću debljine stijenke. Kako se tlak približava predviđenoj granici, vjerojatnost pucanja na lokaliziranom tankom dijelu je znatno veća. Debljina stijenke koja prelazi 50 bara ne oslanja se samo na to, već se prelazi na plašt manjeg promjera ili leguru s boljom čvrstoćom kao što je Incoloy 800H.