Сосуд под давлением

Сосуд для сжатых газов или жидкостей

Сварной стальной сосуд высокого давления, выполненный в виде горизонтального цилиндра с куполообразными концами. На одном конце видна крышка доступа, а в нижнем центре — сливной клапан.

Сосуд под давлением — это контейнер, предназначенный для хранения газов или жидкостей под давлением, существенно отличающимся от давления окружающей среды .

Методы строительства и материалы могут быть выбраны в соответствии с областью применения под давлением и будут зависеть от размера сосуда, содержимого, рабочего давления, ограничений по массе и количества требуемых элементов.

Сосуды высокого давления могут быть опасны, и в истории их разработки и эксплуатации случались несчастные случаи со смертельным исходом. Следовательно, проектирование, изготовление и эксплуатация сосудов высокого давления регулируются инженерными органами, подкрепленными законодательством. По этим причинам определение сосуда высокого давления различается в разных странах.

Проектирование включает в себя такие параметры, как максимальное безопасное рабочее давление и температура, коэффициент безопасности , допуск на коррозию и минимальная расчетная температура (для хрупкого разрушения). Конструкция проверяется с помощью неразрушающего контроля , такого как ультразвуковой контроль , радиография и испытания под давлением. Гидростатические испытания под давлением обычно используют воду, но пневматические испытания используют воздух или другой газ. Гидростатические испытания являются предпочтительными, поскольку это более безопасный метод, так как выделяется гораздо меньше энергии, если во время испытания происходит разрушение (вода не сильно увеличивает свой объем при быстрой разгерметизации, в отличие от газов, которые расширяются взрывообразно). Изделия массового или серийного производства часто имеют репрезентативный образец, испытанный на разрушение в контролируемых условиях для обеспечения качества. Устройства сброса давления могут быть установлены, если общая безопасность системы достаточно повышена.

В большинстве стран сосуды, превышающие определенный размер и давление, должны быть построены в соответствии с официальным кодексом. В Соединенных Штатах этим кодексом является Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением (BPVC) . В Европе этим кодексом является Директива по оборудованию, работающему под давлением . Информация на этой странице в основном действительна только в ASME. ^{[ необходимо разъяснение ]} Эти сосуды также требуют, чтобы уполномоченный инспектор подписывал каждый новый построенный сосуд, и каждый сосуд имеет заводскую табличку с соответствующей информацией о сосуде, такой как максимально допустимое рабочее давление, максимальная температура, минимальная расчетная температура металла , какая компания его изготовила, дата, его регистрационный номер (через Национальный совет) и официальный штамп Американского общества инженеров-механиков для сосудов под давлением (штамп U). Паспортная табличка делает сосуд прослеживаемым и официально сосудом кода ASME.

Особое применение имеют сосуды под давлением, предназначенные для людей , к которым применяются более строгие правила безопасности.

История

Сосуд под давлением 10 000 фунтов на кв. дюйм (69 МПа), изготовленный в 1919 году, обернутый высокопрочной стальной лентой и стальными стержнями для фиксации торцевых крышек.

Самая ранняя задокументированная конструкция сосудов под давлением была описана в 1495 году в книге Леонардо да Винчи «Мадридский кодекс I», в которой предполагалось, что контейнеры со сжатым воздухом могут поднимать тяжелые грузы под водой. ^[1] Однако сосуды, напоминающие те, что используются сегодня, появились только в 1800-х годах, когда в котлах начал вырабатываться пар, способствуя промышленной революции . ^[1] Однако из-за низкого качества материалов и технологий производства, а также из-за ненадлежащего знания конструкции, эксплуатации и технического обслуживания, с этими котлами и сосудами под давлением произошло большое количество разрушительных и часто смертельных взрывов, при этом в Соединенных Штатах почти ежедневно случались смертельные случаи. ^[1] Местные провинции и штаты в США начали вводить правила строительства этих сосудов после того, как произошли некоторые особенно разрушительные аварии сосудов, в результате которых одновременно погибли десятки людей, что затруднило для производителей соблюдение различных правил в разных местах. Первый кодекс для сосудов высокого давления был разработан в 1911 году и выпущен в 1914 году, положив начало Кодексу ASME по котлам и сосудам высокого давления (BPVC) . ^[1] В ранних попытках спроектировать резервуар, способный выдерживать давление до 10 000 фунтов на квадратный дюйм (69 МПа), в 1919 году был разработан резервуар диаметром 6 дюймов (150 мм), который был спирально намотан двумя слоями высокопрочной стальной проволоки для предотвращения разрыва боковых стенок, а торцевые крышки были продольно усилены продольными высокопрочными стержнями. ^[2] Потребность в сосудах высокого давления и температуры для нефтеперерабатывающих заводов и химических заводов привела к появлению сосудов, соединенных сваркой вместо заклепок (которые были непригодны для требуемых давлений и температур), и в 1920-х и 1930-х годах BPVC включил сварку в качестве приемлемого способа строительства; сварка является основным способом соединения металлических сосудов сегодня. ^[1]

В области проектирования сосудов высокого давления было много достижений, таких как усовершенствованный неразрушающий контроль, фазированный ультразвуковой контроль и радиография, новые сорта материалов с повышенной коррозионной стойкостью и более прочные материалы, а также новые способы соединения материалов, такие как сварка взрывом , сварка трением с перемешиванием , передовые теории и средства более точной оценки напряжений, возникающих в сосудах, такие как использование анализа конечных элементов , что позволяет строить сосуды безопаснее и эффективнее. Сегодня сосуды в США требуют клейма BPVC, но BPVC — это не просто внутренний кодекс, многие другие страны приняли BPVC в качестве своего официального кодекса. Однако в некоторых странах, таких как Япония, Австралия, Канада, Великобритания и Европа, существуют и другие официальные кодексы. Независимо от страны, почти все признают присущие сосудам высокого давления потенциальные опасности и необходимость стандартов и кодексов, регулирующих их проектирование и строительство.

Функции

Форма

Сосуды под давлением теоретически могут быть практически любой формы, но обычно используются формы, состоящие из секций сфер, цилиндров и конусов. Распространенная конструкция — цилиндр с торцевыми крышками, называемыми головками . Формы головок часто бывают либо полусферическими, либо тарельчатыми (торосферическими). ​​Более сложные формы исторически было намного сложнее анализировать для безопасной эксплуатации и, как правило, их гораздо сложнее построить.

• 
  Сферический газовый баллон.
• 
  Цилиндрический сосуд высокого давления.
• 
  Фотография нижней части аэрозольного баллончика.
• 
  Огнетушитель с закругленным прямоугольным сосудом высокого давления

Теоретически сферический сосуд под давлением примерно в два раза прочнее цилиндрического сосуда под давлением с той же толщиной стенки ^[3] и является идеальной формой для удержания внутреннего давления. ^[1] Однако сферическую форму сложно изготовить, и, следовательно, она более дорогая, поэтому большинство сосудов под давлением имеют цилиндрическую форму с полуэллиптическими головками или торцевыми крышками 2:1 на каждом конце. Меньшие сосуды под давлением собираются из трубы и двух крышек. Для цилиндрических сосудов диаметром до 600 мм (NPS 24 дюйма) можно использовать бесшовную трубу для оболочки, что позволяет избежать многих проблем с проверкой и испытанием, в основном неразрушающего контроля радиографии для длинного шва, если это необходимо. Недостатком этих сосудов является то, что сосуды большего диаметра обходятся дороже, так, например, наиболее экономичной формой сосуда высокого давления объемом 1000 литров (35 куб. футов), давлением 250 бар (3600  фунтов на кв. дюйм) может быть диаметр 91,44 сантиметра (36 дюймов) и длина 1,7018 метра (67 дюймов), включая полуэллиптические куполообразные торцевые крышки 2:1.

Строительные материалы

Композитный сосуд высокого давления с титановым вкладышем.

Многие сосуды высокого давления изготавливаются из стали. Для изготовления цилиндрического или сферического сосуда высокого давления прокатанные и, возможно, кованые детали должны быть сварены вместе. Некоторые механические свойства стали, достигаемые прокаткой или ковкой, могут быть неблагоприятно затронуты сваркой, если не приняты специальные меры предосторожности. В дополнение к достаточной механической прочности текущие стандарты предписывают использование стали с высокой ударопрочностью, особенно для сосудов, используемых при низких температурах. В случаях, когда углеродистая сталь может подвергаться коррозии, следует также использовать специальный коррозионно-стойкий материал.

Некоторые сосуды под давлением изготавливаются из композитных материалов , таких как композитный материал с намотанными волокнами , использующий углеродное волокно, удерживаемое полимером. Благодаря очень высокой прочности на разрыв углеродного волокна эти сосуды могут быть очень легкими, но их гораздо сложнее изготовить. Композитный материал может быть намотан вокруг металлического вкладыша, образуя композитный обернутый сосуд под давлением .

Другими очень распространенными материалами являются полимеры , такие как ПЭТ в контейнерах для газированных напитков и медь в сантехнике.

Сосуды под давлением могут быть облицованы различными металлами, керамикой или полимерами для предотвращения утечки и защиты конструкции сосуда от содержащейся среды. Этот вкладыш также может нести значительную часть нагрузки давления. ^{[4] [5]}

Сосуды под давлением также могут быть построены из бетона (ПВХ) или других материалов, которые не выдерживают растяжения. Кабели, обернутые вокруг сосуда или внутри стенки или самого сосуда, обеспечивают необходимое натяжение для сопротивления внутреннему давлению. «Непротекающая тонкая стальная мембрана» выстилает внутреннюю стенку сосуда. Такие сосуды могут быть собраны из модульных частей и, таким образом, не имеют «необходимых ограничений по размеру». ^[6] Также существует высокий порядок избыточности благодаря большому количеству отдельных кабелей, выдерживающих внутреннее давление.

Очень маленькие сосуды, используемые для изготовления зажигалок на жидком бутане, подвергаются давлению около 2 бар, в зависимости от температуры окружающей среды. Эти сосуды часто имеют овальное (1 x 2 см ... 1,3 x 2,5 см) поперечное сечение, но иногда и круглое. Овальные версии обычно включают одну или две внутренние распорки натяжения, которые кажутся перегородками, но которые также обеспечивают дополнительную прочность цилиндра.

Рабочее давление

Типичные круглоцилиндрические газовые баллоны высокого давления для постоянных газов (которые не переходят в жидкое состояние при хранении под давлением, например, воздух, кислород, азот, водород, аргон, гелий) изготавливаются методом горячей ковки с прессованием и прокаткой для получения бесшовного стального сосуда.

Рабочее давление баллонов для использования в промышленности, ремесле, дайвинге и медицине имело стандартизированное рабочее давление (WP) всего 150 бар (2200 фунтов на кв. дюйм) в Европе примерно до 1950 года. Примерно с 1975 года и по настоящее время стандартное давление составляет 200 бар (2900 фунтов на кв. дюйм). Пожарным нужны тонкие, легкие баллоны для перемещения в ограниченном пространстве; примерно с 1995 года стали использоваться баллоны для 300 бар (4400 фунтов на кв. дюйм) WP (сначала из чистой стали). ^{[ необходима цитата ]}

Потребность в снижении веса привела к появлению различных поколений композитных (волокно и матрица, поверх лейнера) баллонов, которые легче повреждаются при ударе извне. Поэтому композитные баллоны обычно изготавливаются на 300 бар (4400 фунтов на кв. дюйм).

Давление гидравлических испытаний (заполненных водой) обычно на 50% превышает рабочее давление.

Нить сосуда

До 1990 года баллоны высокого давления производились с конической (конической) резьбой. Два типа резьбы доминировали в цельнометаллических баллонах промышленного использования объемом от 0,2 до 50 литров (от 0,0071 до 1,7657 куб. футов). Коническая резьба (17E), ^[7] с 12% конусностью правой резьбы, стандартная форма Whitworth 55° с шагом 14 ниток на дюйм (5,5 ниток на см) и диаметром шага на верхней резьбе цилиндра 18,036 миллиметра (0,71 дюйма). Эти соединения герметизируются с помощью резьбовой ленты и затягиваются с крутящим моментом от 120 до 150 ньютон-метров (от 89 до 111 фунт-сила-фут) на стальных баллонах и от 75 до 140 Н·м (от 55 до 103 фунт-сила-фут) на алюминиевых баллонах. ^[8] Для ввинчивания клапана обычно требуется высокий крутящий момент 200 Н·м (150 фунт-сила-фут) для большей конической резьбы 25E, ^[9] и 100 Н·м (74 фунт-сила-фут) для меньшей резьбы 17E. Примерно до 1950 года в качестве герметика использовалась пенька. Позже использовался тонкий лист свинца, прижатый к шляпке с отверстием наверху. С 2005 года для избежания использования свинца использовалась лента PTFE . ^{[ необходимо разъяснение ]}

Коническая резьба обеспечивает простую сборку, но требует высокого крутящего момента для соединения и приводит к высоким радиальным усилиям в горловине сосуда. Все баллоны, рассчитанные на рабочее давление 300 бар (4400 фунтов на кв. дюйм), все водолазные баллоны и все композитные баллоны используют параллельную резьбу.

Параллельные резьбы изготавливаются по нескольким стандартам:

• Цилиндрическая резьба M25x2 ISO , герметизированная уплотнительным кольцом и затянутая с моментом затяжки от 100 до 130 Н·м (от 74 до 96 фунт-сила-фут) на стальных цилиндрах и от 95 до 130 Н·м (от 70 до 96 фунт-сила-фут) на алюминиевых цилиндрах; ^[8]
• Цилиндрическая резьба M18x1,5, герметизированная уплотнительным кольцом, затянута с моментом затяжки от 100 до 130 Н·м (от 74 до 96 фунт-сила-фут) на стальных цилиндрах и от 85 до 100 Н·м (от 63 до 74 фунт-сила-фут) на алюминиевых цилиндрах; ^[8]
• Параллельная резьба BSP 3/4"x14  ^[10], имеющая форму резьбы Уитворта 55°, диаметр шага 25,279 миллиметра (0,9952 дюйма) и шаг 14 ниток на дюйм (1,814 мм);
• 3/4"x14 NGS ^[11] (NPSM) параллельная резьба, уплотненная уплотнительным кольцом, затянутая с моментом затяжки от 40 до 50 Н·м (от 30 до 37 фунт-сила·фут) на алюминиевых цилиндрах, ^[12] имеющая форму резьбы 60°, диаметр шага от 0,9820 до 0,9873 дюйма (от 24,94 до 25,08 мм) и шаг 14 ниток на дюйм (5,5 ниток на см);
• 3/4"x16  UNF , уплотненный уплотнительным кольцом, затянутый с моментом 40–50 Н·м (30–37 фунт-сила-фут) на алюминиевых цилиндрах. ^[12]
• 7/8"x14 UNF, уплотнено уплотнительным кольцом. ^[13]

Резьбы 3/4"NGS и 3/4"BSP очень похожи, имеют одинаковый шаг и диаметр шага, который отличается всего на 0,2 мм (0,008 дюйма), но они несовместимы, поскольку формы резьбы различны.

Все клапаны с параллельной резьбой герметизируются с помощью эластомерного уплотнительного кольца в верхней части резьбы горловины, которое герметизирует фаску или ступеньку на горловине цилиндра и фланец клапана.

Разработка композитных сосудов

Для классификации цилиндров различных структурных принципов определены 4 типа. ^{[ необходима цитата ]}

• Тип 1 – Цельнометаллический: цилиндр полностью изготовлен из металла.
• Тип 2 – Обруч: металлический цилиндр, усиленный обручем в виде ремня с армированной волокном смолой.
• Тип 3 – Полностью обернутый, поверх металлического вкладыша: Диагонально обернутые волокна образуют несущую оболочку на цилиндрической секции и на дне и плече вокруг металлического горлышка. Металлический вкладыш тонкий и обеспечивает газонепроницаемый барьер.
• Тип 4 – Полностью обернутый, поверх неметаллического вкладыша: Легкий термопластиковый вкладыш обеспечивает газонепроницаемый барьер, а оправка – для обертывания волокон и смоляной матрицы вокруг. Только шейка, которая несет резьбу шейки и ее крепление к вкладышу, изготовлена ​​из металла, который может быть легким алюминием или прочной нержавеющей сталью.

Цилиндры типа 2 и 3 производятся примерно с 1995 года. Цилиндры типа 4 поступили в продажу по крайней мере с 2016 года. ^{[ необходима цитата ]}

Функции безопасности

Утечка перед взрывом

Утечка до разрыва описывает сосуд высокого давления, спроектированный таким образом, что трещина в сосуде будет расти через стенку, позволяя содержащейся в нем жидкости выходить и снижая давление, прежде чем она вырастет настолько, что вызовет разрушение при рабочем давлении.

Многие стандарты сосудов высокого давления, включая Кодекс котлов и сосудов высокого давления ASME ^[14] и стандарт металлических сосудов высокого давления AIAA, либо требуют, чтобы конструкции сосудов высокого давления допускали утечку до разрыва, либо требуют, чтобы сосуды высокого давления соответствовали более строгим требованиям по усталости и разрушению, если не доказано, что они допускают утечку до разрыва. ^[15]

Предохранительные клапаны

Пример клапана, используемого для газовых баллонов. ^{[ необходимо разъяснение ]}

Поскольку сосуд высокого давления рассчитан на определенное давление, обычно в нем имеется предохранительный клапан или перепускной клапан, гарантирующий, что это давление не будет превышено в процессе эксплуатации.

Особенности обслуживания

Затворы сосудов под давлением

Затворы сосудов под давлением представляют собой конструкции, удерживающие давление, предназначенные для обеспечения быстрого доступа к трубопроводам, сосудам под давлением, ловушкам для скребков, фильтрам и системам фильтрации. Обычно затворы сосудов под давлением обеспечивают доступ обслуживающему персоналу. Обычно используемая форма отверстия для доступа — эллиптическая, что позволяет пропустить затвор через отверстие и повернуть его в рабочее положение, и удерживать его на месте стержнем снаружи, закрепленным центральным болтом. Внутреннее давление предотвращает его непреднамеренное открытие под нагрузкой.

Использует

Сохранившийся HK Porter, Inc. № 3290 1923 года, работающий на сжатом воздухе, хранящемся в горизонтальном заклепанном сосуде под давлением.

Сосуды под давлением используются в различных приложениях как в промышленности, так и в частном секторе. Они появляются в этих секторах как промышленные ресиверы сжатого воздуха , котлы и резервуары для хранения горячей воды для бытовых нужд . Другими примерами сосудов под давлением являются водолазные баллоны , рекомпрессионные камеры , дистилляционные башни , реакторы давления , автоклавы и многие другие сосуды в горнодобывающей промышленности, на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах, корпуса ядерных реакторов , жилые помещения подводных лодок и космических кораблей , атмосферные водолазные костюмы , пневматические резервуары, гидравлические резервуары под давлением, резервуары для воздушных тормозов железнодорожных транспортных средств , резервуары для воздушных тормозов дорожных транспортных средств и сосуды для хранения постоянных газов высокого давления и сжиженных газов, таких как аммиак , хлор и сжиженный нефтяной газ ( пропан , бутан ).

Уникальным применением сосуда высокого давления является пассажирский салон авиалайнера: внешняя обшивка выдерживает как маневренные нагрузки самолета, так и нагрузки от избыточного давления в салоне . ^{[ необходимо разъяснение ]}

• 
  Иллюстрация цилиндрического исследовательского автоклава
• 
  Декомпрессионная камера НАСА
• 
  Напорный бак, подключенный к скважине и системе горячего водоснабжения.
• 
  Несколько баллонов под давлением, здесь они использовались для хранения пропана .
• 
  Сосуд под давлением, используемый в качестве кириллицы .
• 
  Сосуд высокого давления, используемый для космического корабля CST-100 компании Boeing.

Альтернативы

• Хранение природного газа
• Газгольдер

В зависимости от применения и местных обстоятельств существуют альтернативы сосудам под давлением. Примеры можно увидеть в системах сбора воды в домашних условиях, где может использоваться следующее:

• Системы с гравитационным управлением ^[16] , которые обычно состоят из негерметичного резервуара для воды на высоте выше точки использования. Давление в точке использования является результатом гидростатического давления, вызванного разницей высот. Гравитационные системы производят 0,43 фунта на квадратный дюйм (3,0 кПа) на фут напора воды (разница высот). Муниципальное водоснабжение или перекачиваемая вода обычно имеют давление около 90 фунтов на квадратный дюйм (620 кПа).
• Контроллеры встроенных насосов или насосы, чувствительные к давлению . ^[17]
• В ядерных реакторах сосуды под давлением в основном используются для поддержания высокой температуры охлаждающей жидкости (воды) для повышения эффективности Карно . Другие охладители могут поддерживаться при высоких температурах при гораздо меньшем давлении, что объясняет интерес к реакторам на расплавленных солях , быстрым реакторам со свинцовым охлаждением и газоохлаждаемым реакторам . Однако преимущества отсутствия необходимости в сосуде под давлением или сосуде с меньшим давлением частично компенсируются недостатками, уникальными для каждого альтернативного подхода.

Дизайн

Масштабирование

Независимо от формы, минимальная масса сосуда высокого давления зависит от давления и объема, который он содержит, и обратно пропорциональна отношению прочности к весу конструкционного материала (минимальная масса уменьшается с увеличением прочности ^[18] ).

Масштабирование напряжений в стенках сосуда

Сосуды под давлением удерживаются вместе против давления газа за счет растягивающих сил внутри стенок контейнера. Нормальное (растягивающее) напряжение в стенках контейнера пропорционально давлению и радиусу сосуда и обратно пропорционально толщине стенок. ^[19] Поэтому сосуды под давлением проектируются так, чтобы их толщина была пропорциональна радиусу резервуара и давлению в резервуаре и обратно пропорциональна максимально допустимому нормальному напряжению конкретного материала, используемого в стенках контейнера.

Поскольку (при заданном давлении) толщина стенок масштабируется с радиусом резервуара, масса резервуара (которая масштабируется как длина, умноженная на радиус, умноженный на толщину стенки для цилиндрического резервуара) масштабируется с объемом удерживаемого газа (который масштабируется как длина, умноженная на радиус в квадрате). Точная формула меняется в зависимости от формы резервуара, но зависит от плотности, ρ, и максимально допустимого напряжения σ материала в дополнение к давлению P и объему V сосуда. (См. ниже точные уравнения для напряжения в стенках.)

Сферический сосуд

Для сферы минимальная масса сосуда под давлением составляет

${\displaystyle M={3 \over 2}PV{\rho \over \sigma }}$,

где:

• ${\displaystyle M}$масса, (кг)
• ${\displaystyle P}$разница давления относительно окружающего ( манометрическое давление ), (Па)
• ${\displaystyle V}$это объем,
• ${\displaystyle \rho }$плотность материала сосуда высокого давления, (кг/м ³ )
• ${\displaystyle \sigma }$максимальное рабочее напряжение , которое может выдержать материал. (Па) ^[20]

Другие формы, помимо сферы, имеют константы, большие, чем 3/2 (бесконечные цилиндры занимают 2), хотя некоторые резервуары, такие как несферические композитные резервуары с намотанным сердечником, могут приближаться к этому значению.

Цилиндрический сосуд с полусферическими концами

Иногда его называют «пулей» ^{[ требуется ссылка ]} из-за его формы, хотя с геометрической точки зрения это капсула .

Для цилиндра с полусферическими концами,

${\displaystyle M=2\pi R^{2}(R+W)P{\rho \over \sigma }}$,

где

• R — радиус (м)
• W – это только ширина среднего цилиндра, а общая ширина равна W + 2R (м) ^[21]

Цилиндрический сосуд с полуэллиптическими концами.

В сосуде с соотношением ширины среднего цилиндра к радиусу 2:1,

${\displaystyle M=6\pi R^{3}P{\rho \over \sigma }}$.

Хранение газа

При рассмотрении первого уравнения фактор PV в единицах СИ выражается в единицах энергии (сжатия). Для хранящегося газа PV пропорционален массе газа при данной температуре, таким образом

${\displaystyle M={3 \over 2}nRT{\rho \over \sigma }}$. (см. газовый закон )

Остальные факторы постоянны для данной формы и материала сосуда. Таким образом, мы видим, что не существует теоретической «эффективности масштаба» в терминах отношения массы сосуда под давлением к энергии нагнетания давления или массы сосуда под давлением к массе хранимого газа. Для хранения газов «эффективность резервуара» не зависит от давления, по крайней мере, для той же температуры.

Так, например, типичная конструкция резервуара минимальной массы для хранения гелия (в качестве сжимающего газа) на ракете будет использовать сферическую камеру для минимальной константы формы, углеродное волокно для наилучшего возможного и очень холодный гелий для наилучшего возможного . ${\displaystyle \rho /\sigma }$ ${\displaystyle M/{pV}}$

Напряжение в тонкостенных сосудах высокого давления

Напряжение в тонкостенном сосуде под давлением в форме сферы равно

${\displaystyle \sigma _{\theta }=\sigma _{\rm {long}}={\frac {pr}{2t}}}$,

где - кольцевое напряжение или напряжение в окружном направлении, - напряжение в продольном направлении, p - внутреннее манометрическое давление, r - внутренний радиус сферы, а t - толщина стенки сферы. Сосуд можно считать "тонкостенным", если диаметр по крайней мере в 10 раз (иногда говорят, что в 20 раз) больше толщины стенки. ^[22] ${\displaystyle \sigma _{\theta }}$ ${\displaystyle \sigma _{long}}$

Напряжение в корпусе цилиндра сосуда высокого давления.

Напряжение в тонкостенном сосуде высокого давления в форме цилиндра равно

${\displaystyle \sigma _{\theta }={\frac {pr}{t}}}$,

${\displaystyle \sigma _{\rm {long}}={\frac {pr}{2t}}}$,

где:

• ${\displaystyle \sigma _{\theta }}$это кольцевое напряжение или напряжение в окружном направлении
• ${\displaystyle \sigma _{long}}$это напряжение в продольном направлении
• p — внутреннее манометрическое давление
• r — внутренний радиус цилиндра
• t — толщина стенки цилиндра.

Почти все стандарты проектирования сосудов под давлением содержат вариации этих двух формул с дополнительными эмпирическими терминами для учета изменения напряжений по толщине, контроля качества сварных швов и допусков на коррозию в процессе эксплуатации . Все формулы, упомянутые выше, предполагают равномерное распределение мембранных напряжений по толщине оболочки, но в действительности это не так. Более глубокий анализ дается теоремой Ламе , которая дает распределение напряжений в стенках толстостенного цилиндра из однородного и изотропного материала. Формулы стандартов проектирования сосудов под давлением являются расширением теоремы Ламе, накладывая некоторые ограничения на соотношение внутреннего радиуса и толщины.

Например, формулы Кодекса ASME по котлам и сосудам под давлением (BPVC) (UG-27) следующие: ^[23]

Сферические оболочки: толщина должна быть меньше 0,356 внутреннего радиуса.

${\displaystyle \sigma _{\theta }=\sigma _{\rm {long}}={\frac {p(r+0.2t)}{2tE}}}$

Цилиндрические оболочки: Толщина должна быть менее 0,5 внутреннего радиуса.

${\displaystyle \sigma _{\theta }={\frac {p(r+0.6t)}{tE}}}$

${\displaystyle \sigma _{\rm {long}}={\frac {p(r-0.4t)}{2tE}}}$

где E — совместная эффективность, а все остальные переменные указаны выше.

Коэффициент запаса прочности также часто включается в эти формулы; в случае ASME BPVC этот член включается в значение напряжения материала при решении задачи давления или толщины.

Угол намотки сосудов из углеродного волокна

Намотанные бесконечные цилиндрические формы оптимально принимают угол намотки 54,7 градуса к цилиндрической оси, так как это дает необходимую прочность в окружном направлении, вдвое превышающую прочность в продольном направлении. ^[24]

Методы строительства

Заклепанный

Стандартный метод строительства котлов, ресиверов сжатого воздуха и других сосудов под давлением из железа или стали до того, как стали широко распространены газовая и электрическая сварка надежного качества, представлял собой клепаные листы, которые были прокатаны и прокованы в форме, затем склепаны вместе, часто с использованием стыковых накладок вдоль стыков, и заделаны вдоль заклепочных швов путем деформации краев нахлеста тупым зубилом. Горячая клепка заставляла заклепки сжиматься при охлаждении, образуя более плотное соединение. ^[25]

Бесшовный

Методы производства бесшовных металлических сосудов высокого давления обычно используются для цилиндров относительно небольшого диаметра, где будут производиться большие партии, поскольку оборудование и инструменты требуют больших капитальных затрат. Методы хорошо подходят для транспортировки и хранения газа под высоким давлением и обеспечивают неизменно высокое качество продукции.

Обратная экструзия: процесс, при котором материал принудительно течет обратно вдоль оправки между оправкой и матрицей.

• 
  Часть штампа со вставленной заготовкой
• 
  Процесс обратной экструзии, показывающий, как материал вытекает из матрицы вдоль оправки.
• 
  Экструзионный продукт перед обрезкой
• 
  Разрез после закрытия верхнего конца
• 
  Секция, показывающая детально обработанные участки грифа

Холодная экструзия (алюминий):

Бесшовные алюминиевые баллоны могут быть изготовлены методом холодной обратной экструзии алюминиевых заготовок в процессе, при котором сначала прессуются стенки и основание, затем обрезается верхний край стенок цилиндра, после чего прессуется плечо и горловина. ^[26]

Горячая экструзия (сталь):

В процессе горячего прессования заготовка стали разрезается по размеру, нагревается индукцией до нужной температуры для сплава, очищается от окалины и помещается в матрицу. Металл выдавливается обратно, вдавливая в него оправку, заставляя его течь через кольцевой зазор до тех пор, пока не образуется глубокая чаша. Эта чаша далее вытягивается до диаметра и толщины стенки, и формируется дно. После осмотра и обрезки открытого конца цилиндр подвергается горячему формованию, чтобы закрыть конец и сформировать горловину. ^[27]

Нарисовано:

Анимация, демонстрирующая два этапа глубокой вытяжки стальной пластины в чашку и аналогичную чашку в заготовку водолазного цилиндра с куполообразным дном

Бесшовные цилиндры также могут быть холоднотянуты из стальных пластинчатых дисков в цилиндрическую чашеобразную форму в два или три этапа. После формирования основания и боковых стенок верхняя часть цилиндра обрезается по длине, нагревается и подвергается горячему формованию для формирования плеча и закрытия горловины. Этот процесс утолщает материал плеча. Цилиндр подвергается термической обработке путем закалки и отпуска для обеспечения лучшей прочности и ударной вязкости. ^[28]

Гидростатическое испытание конструктивно завершенного цилиндра

Независимо от метода, используемого для формирования цилиндра, он будет обработан на станке для отделки горловины и нарезания резьбы на горловине, подвергнут термической обработке, очистке и финишной обработке поверхности, промаркирован штампом, испытан и проверен на предмет обеспечения качества. ^{[28] [27] [26]}

Сварной

Большие и низкие сосуды давления обычно изготавливаются из сваренных вместе формованных пластин. Качество сварки имеет решающее значение для безопасности сосудов под давлением для людей .

Композитный

Композитные сосуды под давлением обычно представляют собой намотанные ровинги из нитей в термореактивной полимерной матрице. Оправка может быть съемной после отверждения или может оставаться частью готового продукта, часто обеспечивая более надежную газо- или жидкостно-непроницаемую оболочку или лучшую химическую стойкость к предполагаемому содержимому, чем смоляная матрица. Металлические вставки могут быть предусмотрены для крепления резьбовых аксессуаров, таких как клапаны и трубы. ^[29]

Стандарты эксплуатации

Сосуды под давлением предназначены для безопасной работы при определенном давлении и температуре, технически именуемых «Расчетное давление» и «Расчетная температура». Сосуд, который не рассчитан на работу с высоким давлением, представляет собой очень серьезную угрозу безопасности. В связи с этим проектирование и сертификация сосудов под давлением регулируются такими нормами проектирования, как Кодекс котлов и сосудов под давлением ASME в Северной Америке, Директива ЕС по оборудованию под давлением ( PED ), Японский промышленный стандарт (JIS), CSA B51 в Канаде , Австралийские стандарты в Австралии и другими международными стандартами, такими как Lloyd's , Germanischer Lloyd , Det Norske Veritas , Société Générale de Surveillance (SGS SA), Lloyd's Register Energy Nederland (ранее известный как Stoomwezen) и т. д.

Обратите внимание, что если произведение давления на объем является частью стандарта безопасности, любая несжимаемая жидкость в сосуде может быть исключена, поскольку она не вносит вклад в потенциальную энергию, хранящуюся в сосуде, поэтому используется только объем сжимаемой части, например газа.

Список стандартов

• EN 13445 : Действующий европейский стандарт, гармонизированный с Директивой по оборудованию, работающему под давлением (первоначально «97/23/EC», с 2014 года «2014/68/EU»). Широко используется в Европе.
• Раздел VIII Кодекса ASME по котлам и сосудам под давлением : Правила строительства сосудов под давлением.
• BS 5500 : Бывший британский стандарт, замененный в Великобритании стандартом BS EN 13445 , но сохраненный под названием PD 5500 для проектирования и строительства экспортного оборудования.
• AD Merkblätter: немецкий стандарт, гармонизированный с Директивой по оборудованию, работающему под давлением .
• EN 286 (части 1–4): Европейский стандарт для простых сосудов высокого давления (воздушных баллонов), согласованный с Директивой Совета 87/404/EEC.
• BS 4994 : Технические условия на проектирование и строительство сосудов и резервуаров из армированных пластиков .
• ASME PVHO: стандарт США для сосудов высокого давления, предназначенных для использования людьми .
• CODAP: Французский кодекс строительства сосудов высокого давления без огневого подвода тепла.
• AS/NZS 1200 : Австралийский и новозеландский стандарт требований к оборудованию, работающему под давлением, включая сосуды под давлением, котлы и трубопроводы под давлением. ^[30]
• AS 1210: Австралийский стандарт по проектированию и строительству сосудов под давлением
• AS/NZS 3788 : Австралийский и новозеландский стандарт проверки сосудов под давлением ^[31]
• API 510. ^[32]
• ISO 11439: Баллоны для сжатого природного газа (СПГ) ^[33]
• IS 2825–1969 (RE1977)_код_необработанные_сосуды_под_давлением.
• Резервуары и сосуды из стеклопластика .
• AIAA S-080-1998: Стандарт AIAA для космических систем – металлические сосуды под давлением, герметичные конструкции и компоненты под давлением.
• AIAA S-081A-2006: Стандарт AIAA для космических систем – Композитные сосуды высокого давления с внешней оболочкой (COPV).
• ECSS-E-ST-32-02C Rev.1: Космическая техника – Проектирование конструкций и проверка герметичного оборудования
• B51-09 Канадские нормы по котлам, сосудам высокого давления и трубопроводам высокого давления.
• Руководства по охране труда, технике безопасности и охране окружающей среды для систем давления.
• Stoomwezen: бывший кодекс по сосудам под давлением в Нидерландах, также известный как RToD: Regels voor Toestellen onder Druk (Голландские правила для сосудов под давлением).
• SANS 10019:2021 Южноафриканский национальный стандарт: Переносные сосуды под давлением для сжатых, растворенных и сжиженных газов. Основная конструкция, изготовление, эксплуатация и техническое обслуживание.
• SANS 1825:2010 Издание 3: Южноафриканский национальный стандарт: Станции испытания газовых баллонов ― Общие требования к периодическим проверкам и испытаниям транспортабельных многоразовых баллонов под давлением газа. ISBN 978-0-626-23561-1

Смотрите также

• Американское общество инженеров-механиков ( ASME ) – Профессиональное общество инженеров-механиковСтраницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
• Код ASME по котлам и сосудам под давлением  – Технический стандарт
• Баллонный газ  – газ, сжатый и хранящийся в баллонах.
• Композитный сосуд высокого давления с внешней оболочкой  – сосуд высокого давления с неструктурным вкладышем, обернутый структурным волокнистым композитом.
• Хранение энергии сжатого воздуха  – Метод согласования переменного производства со спросомСтраницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
• Сжатый природный газ  – топливный газ, в основном состоящий из метана.
• Демистер  – удаление капель жидкости, увлекаемых потоком параСтраницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва
• Котел жаротрубный  – Тип котла
• Газовый баллон  – Цилиндрический контейнер для хранения сжатого газа.
• Прокладка  – Тип механического уплотнения
• Головка (сосуд)  – Торцевая крышка на сосуде высокого давления цилиндрической формы.
• Минимальная расчетная температура металла ( МРТМ )
• Powerlet  – небольшой, недорогой, одноразовый металлический газовый баллон для обеспечения пневматической энергии - небольшой, недорогой, одноразовый металлический газовый баллон для обеспечения пневматической энергии
• Сбор дождевой воды  – накопление дождевой воды для повторного использования
• Предохранительный клапан  — предохранительный клапан, используемый для контроля или ограничения давления в системе.
• Предохранительный клапан  – устройство для сброса избыточного давления в системе.
• Бомба давления Шоландера  – Прибор для измерения водного потенциала растительной ткани – Устройство для измерения водного потенциала листьев
• Кожухотрубчатый теплообменник  – Класс конструкций теплообменниковСтраницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
• Инструмент для труб
• Парожидкостный сепаратор  – Устройство для разделения парожидкостной смеси на составляющие фазы или сепаратор
• Вихревой сепаратор  – устройство для предотвращения образования вихря на выходе из контейнера.
• Водотрубный котел  – Тип печи, вырабатывающей пар
• Колодец  – выемка грунта или сооружение для обеспечения доступа к грунтовым водам.Страницы, отображающие краткие описания целей перенаправления

Примечания

1. Нильсен, Кайл. (2011) «Разработка испытательного сосуда для фильтров низкого давления и анализ электропряденых нановолоконных мембран для очистки воды»
2. Popular Science. Bonnier Corporation. Январь 1919 г.
3. Hearn, EJ (1997). "Глава 9". Механика материалов 1. Введение в механику упругой и пластической деформации твердых тел и конструкционных материалов (третье изд.). Butterworth-Heinemann. стр. 199–203. ISBN 0-7506-3265-8.
4. NASA Tech Briefs, «Создание композитного сосуда высокого давления с металлическим покрытием», 1 марта 2005 г.
5. Фриетас, О., «Техническое обслуживание и ремонт эмалированного оборудования», Химическая инженерия, 1 июля 2007 г.
6. «Сосуды высокого давления», Д. Фрейер и Дж. Харви, 1998 г.
7. Технический комитет 58 Газовые баллоны (25 марта 1999 г.). ISO 11116-1: Газовые баллоны – коническая резьба 17E для присоединения клапанов к газовым баллонам (первое издание). Женева, Швейцария: Международная организация по стандартизации.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
8. Технический комитет ISO/TC 58, Газовые баллоны. (15 октября 1997 г.). ISO 13341:1997 Транспортируемые газовые баллоны — Установка клапанов на газовые баллоны (1-е изд.). Женева, Швейцария: Международная организация по стандартизации.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
9. ISO 11363-1:2010 Газовые баллоны — коническая резьба 17E и 25E для присоединения клапанов к газовым баллонам — Часть 1: Технические характеристики . Женева, Швейцария: Международная организация по стандартизации. Май 2010 г.
10. Комитет MCE/18 (1986). Технические условия на трубную резьбу для труб и фитингов, где герметичные соединения не выполняются на резьбе (метрические размеры) . Лондон: Британский институт стандартов. ISBN 0-580-15212-X. Британский стандарт 2779.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
11. Институт металлорежущих инструментов (1989). "Раздел метчиков и плашек: Резьба клапанов газовых цилиндров американского стандарта". Справочник по металлорежущим инструментам (иллюстрированное издание). Industrial Press Inc. стр. 447. ISBN 978-0-8311-1177-9. Получено 7 декабря 2016 г.
12. Staff. "Valving of SCUBA (Air) Cylinders". Вспомогательные документы . Garden Grove, California: Catalina Cylinders . Получено 13 ноября 2016 г.
13. Staff. "Luxfer Limited 106". Каталог . XS Scuba . Получено 7 августа 2016 г.
14. Саши Канта Паниграхи, Ниранджан Саранги (2017). Корпус камеры сгорания авиационного двигателя: экспериментальное проектирование и исследования усталости . CRC Press. стр. 4–45. ISBN 978-1-351-64283-5.
15. ANSI/AIAA S-080-1998, Космические системы – Металлические сосуды под давлением, герметичные конструкции и компоненты под давлением, §5.1
16. Пушард, Дуг (2005). «Бытовые системы сбора воды также иногда могут работать под действием силы тяжести». Harvesth2o.com . Получено 17.04.2009 .^{[ требуется проверка ]}
17. Пушард, Дуг. «Альтернативы сосудам высокого давления в системах бытового водоснабжения». Harvesth2o.com . Получено 17 апреля 2009 г.
18. Puskarich, Paul (2009-05-01). "Усиленное стекло для трубопроводных систем" (PDF) . Glass Manufacturing Industry Council . Архивировано из оригинала (PDF) 2012-03-15 . Получено 2009-04-17 .
19. Бир, Фердинанд П.; Джонстон, Э. Рассел-младший; ДеВольф, Джон Т. (2002). "7.9" . Механика материалов (четвертое изд.). McGraw-Hill. стр. 463. ISBN 978-0-07-365935-0.
20. Для сферы толщина d = rP/2σ, где r — радиус резервуара. Объем сферической поверхности тогда равен 4πr ² d = 4πr ³ P/2σ. Масса определяется путем умножения на плотность материала, из которого сделаны стенки сферического сосуда. Кроме того, объем газа равен (4πr ³ )/3. Объединение этих уравнений дает приведенные выше результаты. Уравнения для других геометрий выводятся аналогичным образом.
21. "Масса давления цилиндрического сосуда с полусферическими концами (капсула) – калькулятор – fxSolver". www.fxsolver.com . Получено 2017-04-11 .
22. Ричард Будинас, Дж. Нисбетт, Shigley's Mechanical Engineering Design, 8-е изд., Нью-Йорк: McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-312193-2 , стр. 108 
23. Международный кодекс 2007 ASME «Котельные и сосуды под давлением». Американское общество инженеров-механиков. 2007.
24. Лекция Массачусетского технологического института о сосудах под давлением
25. Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д. (1973). Хортон, Холбрук Л. (ред.). Справочник по машиностроению (19-е изд.). Брайтон, Англия: Machinery Publishing Co. Inc., стр. 1239–1254.
26. Staff (2015). «Производственные процессы: цельноалюминиевые баллоны». Солфорд, Великобритания: Luxfer Gas Cylinders, Luxfer Holdings PLC. Архивировано из оригинала 25 декабря 2015 г. Получено 25 декабря 2015 г.
27. "Цилиндры Витковице". www.vitkovice.az . Проверено 1 апреля 2021 г.
28. Worthington steel (3 ноября 2007 г.). «Изготовление стального баллона для акваланга Worthington X-Series». YouTube . Архивировано из оригинала 21.12.2021.
29. Air, Alexander; Shamsuddoha, Md; Prusty, B Gangadhara (2023). «Обзор композитных сосудов высокого давления типа V и автоматизированного производства на основе размещения волокон». Композиты, часть B: Инженерное дело . 253 : 110573. doi : 10.1016/j.compositesb.2023.110573 . ISSN  1359-8368.
30. "AS 1200 Pressure Vessels". SAI Global. Архивировано из оригинала 9 июля 2012 года . Получено 14 ноября 2011 года .
31. "AS_NZS 3788: 2006 Оборудование, работающее под давлением — Проверка в процессе эксплуатации". SAI Global . Получено 4 сентября 2015 г.
32. «Кодекс проверки сосудов высокого давления: проверка в процессе эксплуатации, оценка, ремонт и изменение». API. Июнь 2006 г.
33. . "Газовые баллоны – Баллоны высокого давления для хранения на борту природного газа в качестве топлива для автотранспортных средств". ISO. 2006-07-18 . Получено 2009-04-17 .

Ссылки

• AC Ugural, SK Fenster, Advanced Strength and Applied Elasticity, 4-е изд.
• Е.П. Попов, Инженерная механика деформируемого твердого тела, 1-е изд.
• Мегиеси, Юджин Ф. «Справочник по сосудам высокого давления, 14-е издание». PV Publishing, Inc. Оклахома-Сити, Оклахома

Дальнейшее чтение

• Megyesy, Eugene F. (2008, 14-е изд.) Справочник по сосудам высокого давления. PV Publishing, Inc.: Оклахома-Сити, Оклахома, США. www.pressurevesselhandbook.com Справочник по проектированию сосудов высокого давления на основе кода ASME.

Внешние ссылки

• Использование сосудов высокого давления в нефтегазовой промышленности
• Основные формулы для тонкостенных сосудов высокого давления с примерами
• Обучающие электронные таблицы Excel для проектирования головок, оболочек и штуцеров по стандартам ASME
• Сайт ASME по котлам и сосудам под давлением
• Журнал технологий сосудов высокого давления Архивировано 15 октября 2012 г. на Wayback Machine
• Веб-сайт Директивы ЕС по оборудованию, работающему под давлением
• Директива ЕС о простых сосудах под давлением
• классификация ЕС
• Насадки для сосудов высокого давления
• Изображение газового баллона из композитного углеродного волокна, показывающее детали конструкции
• Изображение кислородного баллона из композитного углеродного волокна для промышленного дыхательного аппарата