Qual è la pressione interna massima di sicurezza per una guaina riscaldante in acciaio inossidabile 316 quando lo spessore della parete è ridotto al di sotto di 1,2 millimetri nei sistemi liquidi ad alta-temperatura?

Quando si aggiornano i riscaldatori elettrici a immersione in contenitori pressurizzati esistenti, gli ingegneri di processo in genere devono utilizzare una guaina di diametro inferiore rispetto a quanto inizialmente previsto a causa del diametro limitato dell'ugello o della lunghezza di inserimento. Oppure si potrebbe selezionare una parete più sottile per il desiderio di una risposta termica più rapida. Tuttavia, il comportamento di contenimento della pressione cambia da duttile a soggetto a rottura-se lo spessore della parete di una guaina in acciaio inossidabile 316 viene ridotto al di sotto di 1,2 mm, soprattutto alle alte temperature dove la resistenza allo snervamento del materiale diminuisce. Questo documento presenta i limiti quantitativi massimi di pressione di esercizio consentiti per guaine 316 a parete sottile-, utilizzando la formula di Barlow con declassamento ad alta-temperatura. Ciò consentirà agli ingegneri di specificare spessori di parete sicuri per i sistemi liquidi pressurizzati, senza eccessivo-conservatorismo e rischi inutili.

Nozioni fondamentali sul contenimento della pressione per- manicotti 316 a parete sottile
Per i recipienti a pressione cilindrici, dove lo spessore della parete è inferiore a un-decimo del raggio interno--come nel caso di quasi tutte le guaine dei riscaldatori elettrici, la sollecitazione circonferenziale o circolare viene calcolata utilizzando la formula di Barlow: σ=P × D / (2 × t), dove σ è la sollecitazione circolare, P è la pressione interna, D è il diametro esterno e t è lo spessore della parete. LA STRESS DEL CERCHIO è inversamente proporzionale allo spessore della parete per un dato diametro esterno e pressione interna. Riducendo della metà lo spessore della parete si raddoppia lo stress sul materiale della guaina. Pertanto, la pressione massima di esercizio consentita varia direttamente con lo spessore della parete, per valori fissi di altri parametri. Il carico di snervamento dell'acciaio inossidabile 316 a temperatura ambiente è di circa 290 MPa per il materiale ricotto e 520 MPa per i tubi trafilati a freddo, generalmente utilizzati per le guaine dei riscaldatori. La sollecitazione circolare massima consentita per il 316 trafilato a freddo è di circa 170 MPa, utilizzando un fattore di sicurezza di 3 per la pratica standard di contenimento della pressione per recipienti a pressione non cotti senza codice. Il limite di sicurezza si ottiene risolvendo la formula di Barlow per la pressione, dato un diametro esterno e uno spessore di parete.

Limiti quantitativi sulla pressione rispetto allo spessore delle pareti e alla temperatura
All'aumentare della temperatura operativa, la pressione consentita diminuisce notevolmente. A 200 gradi la resistenza allo snervamento del 316-trafilato a freddo si riduce a circa 380 MPa e la sollecitazione circolare accettabile si riduce a 125 MPa. Il limite di snervamento a 300 gradi è di 320 MPa con sollecitazione consentita di 105 MPa. A 400 gradi, il limite più alto per il funzionamento continuo di una guaina 316, il carico di snervamento scende a 280 MPa, consentendo solo una sollecitazione circolare di 90 MPa. Di seguito sono riportate le pressioni interne massime continue per una guaina 316 standard con diametro esterno di 10 mm. La pressione massima è di circa 40 bar a 200 gradi e uno spessore della parete di 1,6 mm. Alla stessa temperatura la pressione ammissibile per uno spessore di parete di 1,2 mm si riduce a 30 bar. La pressione di sicurezza si abbassa quindi a 25 bar con uno spessore della parete di 1,0 mm. Con le guaine prodotte, lo spessore minimo della parete è di 0,8 mm e la pressione di sicurezza è di soli 20 bar. Per sistemi a 300 gradi, la stessa guaina da 1,0 mm è limitata a circa 21 bar e a 400 gradi a soli 18 bar. Questi valori si basano su tubi perfettamente rotondi, con uno spessore di parete omogeneo e privi di qualsiasi altra sollecitazione di flessione o pressatura. In pratica, una guaina con una tolleranza di fabbricazione di 0,1 mm dovrebbe avere un margine di sicurezza aggiuntivo del 20%.

Matrice di selezione della pressione per guaine 316-a pareti sottili
Nella tabella seguente sono riportate le pressioni interne massime continue consigliate per le guaine riscaldanti in acciaio inossidabile 316 con vari spessori di parete e temperature di funzionamento. I valori includono un fattore di sicurezza di 3:1 basato sui parametri del materiale trafilato a freddo e presuppongono un diametro esterno tipico di 10 mm. Per le taglie più grandi ridurre la pressione in proporzione al rapporto dimensionale.

Spessore parete guaina Pressione massima a 100 gradi Pressione massima a 200 gradi Pressione massima a 300 gradi Pressione massima a 400 gradi Esempi di applicazioni consigliate
0,8 mm 28 bar 24 bar 20 bar 16 bar Circuiti dell'acqua calda-a bassa pressione, serbatoi atmosferici con pompe di circolazione
1,0 mm 35 bar 30 bar 25 bar 20 bar Reattori chimici a bassa-pressione, sistemi di acqua calda pressurizzati
1,2 mm 42 bar 36 bar 30 bar 24 bar Riscaldatori di processo a media pressione, preriscaldatori di vapore fino a 200 gradi
1,4 mm 49 bar 42 bar 35 bar 28 bar Riscaldatori per iniezione chimica ad alta pressione
1,6 mm 56 bar 48 bar 40 bar 32 barAutoclavi ad alta pressione, impianti ad acqua surriscaldata
Nelle applicazioni in cui la pressione operativa supera il 70% dei valori forniti, si consiglia ai tecnici di eseguire test idrostatici su ciascun riscaldatore o di selezionare tubi senza saldatura con comprovata omogeneità nello spessore delle pareti. Quando la pressione si avvicina al limite previsto, la probabilità di uno scoppio in una sezione sottile localizzata è sostanzialmente più alta. Non si fa affidamento solo sullo spessore della parete superiore a 50 bar, ma si passa a una guaina di diametro inferiore o a una lega con resistenza migliore come Incoloy 800H.