Сосуд под давлением

Сосуд для сжатых газов или жидкостей

Сварной стальной сосуд под давлением, выполненный в виде горизонтального цилиндра с куполообразными концами. На одном конце видна крышка доступа, а внизу по центру — сливной клапан.

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

Методы конструкции и материалы могут быть выбраны в соответствии с применением давления и будут зависеть от размера резервуара, содержимого, рабочего давления, ограничений по массе и количества необходимых предметов.

Сосуды под давлением могут быть опасными, и за всю историю их разработки и эксплуатации случались несчастные случаи со смертельным исходом. Следовательно, проектирование, производство и эксплуатация сосудов под давлением регулируются инженерными органами, опирающимися на законодательство. По этим причинам определение сосуда под давлением варьируется от страны к стране.

Проектирование включает такие параметры, как максимальное безопасное рабочее давление и температура, коэффициент запаса прочности , допуск на коррозию и минимальная расчетная температура (для хрупкого разрушения). Конструкция проверяется с использованием неразрушающего контроля , такого как ультразвуковой контроль , рентгенография и испытания под давлением. В испытаниях на гидростатическое давление обычно используется вода, а в пневматических испытаниях используется воздух или другой газ. Предпочтение отдается гидростатическим испытаниям, поскольку это более безопасный метод, так как при возникновении разрушения при испытании выделяется гораздо меньше энергии (вода при быстрой разгерметизации не сильно увеличивает свой объем, в отличие от газов, которые взрыво расширяются). Продукты массового или серийного производства часто подвергаются испытаниям на разрушение в контролируемых условиях для обеспечения качества. Устройства сброса давления могут быть установлены, если общая безопасность системы достаточно повышена.

В большинстве стран сосуды определенного размера и давления должны строиться в соответствии с формальными нормами. В Соединенных Штатах этим кодом является Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением (BPVC) . В Европе это Директива по оборудованию, работающему под давлением . Информация на этой странице в основном действительна только для ASME. ^{[ необходимы разъяснения ]} Эти суда также требуют, чтобы уполномоченный инспектор подписывал каждое новое построенное судно, и каждое судно имеет паспортную табличку с соответствующей информацией о сосуде, такой как максимально допустимое рабочее давление, максимальная температура, минимальная расчетная температура металла , какая компания произвела это, дата, его регистрационный номер (через Национальный совет) и официальная печать Американского общества инженеров-механиков для сосудов под давлением (U-штамп). Паспортная табличка позволяет отслеживать судно и официально соответствует стандарту ASME.

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

История

Сосуд под давлением 10 000 фунтов на квадратный дюйм (69 МПа) 1919 года выпуска, 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, подобные тем, которые используются сегодня, появились только в 1800-х годах, когда в котлах вырабатывался пар, что способствовало промышленной революции . ^[1] Однако из-за низкого качества материалов и технологий производства, а также неправильного знания конструкции, эксплуатации и технического обслуживания, произошло большое количество разрушительных и часто смертельных взрывов, связанных с этими котлами и сосудами под давлением, со смертельным исходом, происходящим почти ежедневно. В Соединенных Штатах. ^[1] Местные провинции и штаты США начали вводить правила постройки этих судов после того, как произошли некоторые особенно разрушительные поломки судов, в результате которых одновременно погибли десятки людей, из-за чего производителям было трудно соблюдать различные правила в разных местах. . Первый кодекс по сосудам под давлением был разработан в 1911 году и выпущен в 1914 году, положив начало Кодексу ASME по котлам и сосудам под давлением (BPVC) . ^[1] В качестве первой попытки 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), спирально навитый с двумя слоями высокой прочности на разрыв. стальная проволока для предотвращения разрыва боковин, а торцевые крышки продольно усилены продольными высокопрочными стержнями. ^[2] Потребность в сосудах высокого давления и температуры для нефтеперерабатывающих и химических заводов привела к тому, что сосуды соединялись сваркой вместо заклепок (которые были непригодны для требуемого давления и температуры), а в 1920-х и 1930-х годах BPVC включала сварку в качестве приемлемые средства строительства; Сварка сегодня является основным способом соединения металлических сосудов. ^[1]

В области проектирования сосудов под давлением произошло много достижений, таких как усовершенствованный неразрушающий контроль, ультразвуковой контроль с фазированной решеткой и рентгенография, новые марки материалов с повышенной коррозионной стойкостью и более прочными материалами, а также новые способы соединения материалов, такие как сварка взрывом , сварка трением . сварка с перемешиванием , передовые теории и средства более точной оценки напряжений, возникающих в сосудах, например, с использованием анализа методом конечных элементов , что позволяет строить сосуды более безопасно и эффективно. Сегодня суда в США требуют маркировки BPVC, но BPVC – это не просто внутренний код: многие другие страны приняли BPVC в качестве своего официального кода. Однако в некоторых странах, таких как Япония, Австралия, Канада, Великобритания и Европа, существуют и другие официальные коды. Независимо от страны, почти все признают потенциальную опасность, присущую сосудам под давлением, и необходимость стандартов и норм, регулирующих их проектирование и конструкцию.

Функции

Форма

Сосуды под давлением теоретически могут иметь практически любую форму, но обычно используются формы, состоящие из секций сфер, цилиндров и конусов. Распространенной конструкцией является цилиндр с торцевыми крышками, называемыми головками . Форма головы часто полусферическая или вогнутая (торисферическая). Исторически более сложные формы было гораздо труднее анализировать для безопасной эксплуатации, и их обычно гораздо труднее построить.

• 
  Сферический газовый баллон.
• 
  Цилиндрический сосуд под давлением.
• 
  Изображение дна аэрозольного баллончика.
• 
  Огнетушитель с резервуаром под давлением закругленного прямоугольного сечения

Теоретически сферический сосуд под давлением примерно в два раза прочнее цилиндрического сосуда под давлением с той же толщиной стенок ^[3] и является идеальной формой для удержания внутреннего давления. ^[1] Однако сферическую форму сложно изготовить и, следовательно, она дороже, поэтому большинство сосудов под давлением имеют цилиндрическую форму с полуэллиптическими головками или торцевыми крышками 2:1 на каждом конце. Сосуды под давлением меньшего размера собираются из трубы и двух крышек. Для цилиндрических сосудов диаметром до 600 мм (NPS 24 дюйма) в качестве оболочки можно использовать бесшовную трубу, что позволяет избежать многих проблем при проверке и испытаниях, в основном при необходимости неразрушающего рентгенографического контроля длинного шва. Недостатком этих сосудов является то, что больший диаметр обходится дороже, так что, например, наиболее экономичная форма сосуда под давлением емкостью 1000 литров (35 куб. футов) и давлением 250 бар (3600  фунтов на квадратный дюйм ) может иметь диаметр 91,44 сантиметра (36 дюймов). и длина 1,7018 метра (67 дюймов), включая полуэллиптические куполообразные торцевые крышки 2:1.

Строительные материалы

Композитный обернутый сосуд под давлением с титановым вкладышем.

Многие сосуды под давлением изготовлены из стали. Для изготовления цилиндрического или сферического сосуда под давлением прокатные и, возможно, кованые детали придется сваривать вместе. На некоторые механические свойства стали, достигнутые прокаткой или ковкой, сварка может отрицательно повлиять, если не принять специальные меры предосторожности. Помимо достаточной механической прочности, действующие стандарты диктуют использование стали с высокой ударопрочностью, особенно для сосудов, эксплуатируемых при низких температурах. В тех случаях, когда углеродистая сталь подвержена коррозии, следует также использовать специальный коррозионностойкий материал.

Некоторые сосуды под давлением изготовлены из композитных материалов , например, из композитного материала с намоткой из углеродного волокна, удерживаемого полимером. Из-за очень высокой прочности углеродного волокна эти суда могут быть очень легкими, но их гораздо сложнее изготовить. Композитный материал может быть намотан вокруг металлического вкладыша, образуя обернутый композитом сосуд под давлением .

Другие очень распространенные материалы включают полимеры , такие как ПЭТ в емкостях для газированных напитков и медь в сантехнике.

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

Сосуды под давлением также могут быть изготовлены из бетона (PCV) или других материалов, слабых на растяжение. Кабели, обернутые вокруг сосуда, внутри стены или самого сосуда, обеспечивают необходимое натяжение, чтобы противостоять внутреннему давлению. «Тонкая герметичная стальная мембрана» выстилает внутреннюю стенку сосуда. Такие суда могут быть собраны из модульных частей и поэтому «не имеют ограничений по размеру». ^[6] Также обеспечивается высокий уровень резервирования благодаря большому количеству отдельных кабелей, выдерживающих внутреннее давление.

Очень маленькие сосуды, используемые для изготовления зажигалок, работающих на жидком бутане, подвергаются давлению около 2 бар, в зависимости от температуры окружающей среды. Эти сосуды чаще всего овальные (1 х 2 см...1,3 х 2,5 см) в поперечном сечении, но иногда круглые. Овальные версии обычно включают одну или две стойки внутреннего растяжения, которые выглядят как перегородки, но также обеспечивают дополнительную прочность цилиндра.

Рабочее давление

Типичные круглоцилиндрические газовые баллоны высокого давления для постоянных газов (которые не сжижаются при давлении хранения, таких как воздух, кислород, азот, водород, аргон, гелий) изготавливаются методом горячей ковки путем прессования и прокатки для получения бесшовного стального сосуда. .

Рабочее давление баллонов, предназначенных для использования в промышленности, ремеслах, дайвинге и медицине, в Европе примерно до 1950 года составляло всего 150 бар (2200 фунтов на квадратный дюйм). Примерно с 1975 года по настоящее время стандартное давление составляет 200 бар ( 2900 фунтов на квадратный дюйм). Пожарным нужны тонкие и легкие баллоны для передвижения в ограниченном пространстве; примерно с 1995 года использовались баллоны WP на 300 бар (4400 фунтов на квадратный дюйм) (сначала из чистой стали). ^{[ нужна цитата ]}

Потребность в уменьшении веса привела к появлению различных поколений композитных баллонов (волокна и матрицы, поверх гильзы), которые легче повредить ударом снаружи. Поэтому композитные баллоны обычно изготавливаются на давление 300 бар (4400 фунтов на квадратный дюйм).

Гидравлическое (заполненное водой) испытательное давление обычно на 50 % превышает рабочее давление.

Сосудистая резьба

До 1990 года баллоны высокого давления выпускались с конической (конической) резьбой. В цельнометаллических баллонах промышленного назначения объемом от 0,2 до 50 литров (от 0,0071 до 1,7657 куб. футов) преобладают два типа резьбы. Коническая резьба (17Е), ^[7] с конусностью 12% правой резьбы, стандартной формы Уитворта 55° с шагом 14 ниток на дюйм (5,5 ниток на см) и делительным диаметром на верхней резьбе цилиндра 18,036 миллиметров. (0,71 дюйма). Эти соединения герметизированы с помощью резьбовой ленты и затянуты с усилием от 120 до 150 ньютон-метров (от 89 до 111 фунт-сила-фут) на стальных цилиндрах и от 75 до 140 Нм (от 55 до 103 фунт-сила-фут) на алюминиевых цилиндрах. ^[8] Чтобы ввинтить клапан, обычно требуется высокий крутящий момент, составляющий 200 Нм (150 фунт-сила-фут) для большей конической резьбы 25E, ^[9] и 100 Нм (74 фунт-сила-фут) для меньшей. Резьба 17Е. Примерно до 1950 года конопля использовалась в качестве герметика. Позже стали использовать тонкий лист свинца, прижатый к шляпе с отверстием сверху. С 2005 года во избежание использования свинца используется лента из ПТФЭ . ^{[ нужны разъяснения ]}

Коническая резьба обеспечивает простую сборку, но требует высокого крутящего момента для соединения и приводит к высоким радиальным нагрузкам на горловину сосуда. Все баллоны, рассчитанные на рабочее давление 300 бар (4400 фунтов на квадратный дюйм), все баллоны для дайвинга и все композитные баллоны имеют параллельную резьбу.

Параллельные резьбы изготавливаются по нескольким стандартам:

• Параллельная резьба M25x2 ISO , уплотненная уплотнительным кольцом и затянутая с усилием от 100 до 130 Нм (от 74 до 96 фунт-сила-фут) на стали и от 95 до 130 Нм (от 70 до 96 фунт-сила-фут) на алюминии. цилиндры; ^[8]
• Параллельная резьба M18x1,5, уплотненная уплотнительным кольцом и затянутая с усилием от 100 до 130 Нм (от 74 до 96 фунт-сила-фут) на стальных цилиндрах и от 85 до 100 Нм (от 63 до 74 фунт-сила-фут). ) на алюминиевых баллонах; ^[8]
• параллельная резьба 3/4 дюйма x 14  BSP , ^[10] с формой резьбы Уитворта 55°, делительным диаметром 25,279 мм (0,9952 дюйма) и шагом 14 витков на дюйм (1,814 мм);
• Параллельная резьба 3/4 дюйма x 14 NGS ^[11] (NPSM), уплотненная уплотнительным кольцом, затянутая с моментом от 40 до 50 Н⋅м (от 30 до 37 фунт-сила-фут) на алюминиевых цилиндрах, ^[12] имеющих угол 60°. форма резьбы, шаг диаметра 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 дюйма x 16  UNF , уплотнено уплотнительным кольцом, затянуто с моментом от 40 до 50 Нм (от 30 до 37 фунт-сила-фут) на алюминиевых цилиндрах. ^[12]
• 7/8 дюйма x 14 UNF, уплотнено уплотнительным кольцом. ^[13]

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

Все клапаны с параллельной резьбой герметизируются с помощью эластомерного уплотнительного кольца в верхней части резьбы горловины, которое герметизирует фаску или уступ горловины цилиндра и прилегает к фланцу клапана.

Разработка композитных сосудов

Для классификации цилиндров по различным конструктивным принципам определены 4 типа. ^{[ нужна цитата ]}

• Тип 1 – Цельнометаллический: Цилиндр полностью изготовлен из металла.
• Тип 2 – обруч-обруч: металлический цилиндр, армированный ремнеобразным обручем из смолы, армированной волокном.
• Тип 3 – Полностью обернутый поверх металлического вкладыша: волокна, намотанные по диагонали, образуют несущую оболочку на цилиндрической секции, а также внизу и заплечике вокруг металлической горловины. Металлический вкладыш тонкий и обеспечивает газонепроницаемый барьер.
• Тип 4 – Полностью обернутый поверх неметаллического вкладыша: легкий термопластичный вкладыш обеспечивает газонепроницаемый барьер и оправку для обертывания волокон и смоляной матрицы. Только шейка, на которой находится резьба 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 коммерчески доступны как минимум с ^{2016 года .}

Функции безопасности

Утечка перед взрывом

Утечка перед взрывом описывает сосуд под давлением, сконструированный таким образом, что трещина в сосуде будет прорастать через стенку, позволяя содержащейся жидкости вытекать и снижая давление, прежде чем она станет настолько большой, что приведет к разрушению при рабочем давлении.

Многие стандарты на сосуды под давлением, в том числе Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением ^[14] и стандарт AIAA на металлические сосуды под давлением, либо требуют, чтобы конструкции сосудов под давлением обеспечивали утечку до разрыва, либо требуют, чтобы сосуды под давлением отвечали более строгим требованиям по усталости и разрушению, если они не показано, что они имеют утечку перед взрывом. ^[15]

Предохранительные клапаны

Пример клапана, используемого для газовых баллонов. ^{[ нужны разъяснения ]}

Поскольку сосуд под давлением рассчитан на определенное давление, обычно имеется предохранительный или предохранительный клапан , гарантирующий, что это давление не будет превышено во время работы.

Особенности обслуживания

Затворы сосудов под давлением

Затворы для сосудов под давлением представляют собой конструкции, удерживающие давление, предназначенные для обеспечения быстрого доступа к трубопроводам, сосудам под давлением, ловушкам для свиней, фильтрам и системам фильтрации. Обычно затворы сосудов под давлением обеспечивают доступ для обслуживающего персонала. Обычно используемая форма отверстия для доступа является эллиптической, что позволяет затвору проходить через отверстие и поворачиваться в рабочее положение, а также удерживается на месте стержнем снаружи, закрепленным центральным болтом. Внутреннее давление предотвращает случайное открытие под нагрузкой.

Использование

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

Сосуды под давлением используются в различных сферах как в промышленности, так и в частном секторе. В этих секторах они появляются как промышленные ресиверы сжатого воздуха , котлы и резервуары для хранения горячей воды . Другими примерами сосудов под давлением являются водолазные цилиндры , камеры рекомпрессии , дистилляционные башни , реакторы под давлением , автоклавы и многие другие сосуды на горнодобывающих предприятиях, нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, корпуса ядерных реакторов , жилые помещения подводных и космических кораблей , атмосферные водолазные костюмы , пневматические резервуары . , гидравлические резервуары под давлением, резервуары пневматических тормозов железнодорожных транспортных средств , резервуары пневматических тормозов автомобильных транспортных средств и резервуары для хранения постоянных газов высокого давления и сжиженных газов, таких как аммиак , хлор и сжиженный нефтяной газ ( пропан , бутан ).

Уникальным применением сосуда под давлением является пассажирский салон авиалайнера: внешняя обшивка несет как нагрузки от маневрирования самолета, так и нагрузки от герметизации салона . ^{[ нужны разъяснения ]}

• 
  Иллюстрация цилиндрического исследовательского автоклава
• 
  Декомпрессионная камера НАСА
• 
  Напорный бак, подключенный к водяной скважине и системе горячего водоснабжения.
• 
  Несколько баллонов под давлением, раньше хранивших здесь пропан .
• 
  Сосуд под давлением, используемый в качестве киера .
• 
  Сосуд под давлением, используемый для космического корабля CST-100 компании Boeing.

Альтернативы

• Хранилище природного газа
• Газгольдер

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

• Системы с гравитационным управлением ^[16] , которые обычно состоят из резервуара с водой без давления , расположенного на высоте выше точки использования. Давление в точке использования является результатом гидростатического давления, вызванного перепадом высот. Гравитационные системы производят 0,43 фунта на квадратный дюйм (3,0 кПа) на фут водяного столба (перепад высот). Муниципальное водоснабжение или насосная вода обычно имеют плотность 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 жидкого теплоносителя (воды) при высоких температурах с целью повышения эффективности Карно . Другие теплоносители можно поддерживать при высоких температурах при гораздо меньшем давлении, что объясняет интерес к реакторам с расплавленными солями , быстрым реакторам со свинцовым охлаждением и реакторам с газовым охлаждением . 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 того, какую форму он принимает, минимальная масса сосуда высокого давления зависит от давления и объема, которые он содержит, и обратно пропорциональна соотношению прочности к весу строительного материала (минимальная масса уменьшается по мере увеличения 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 сосуда пропорционально давлению и радиусу сосуда и обратно пропорционально толщине стенок. ^[19] Таким образом, 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 данном давлении) толщина стенок зависит от радиуса резервуара, масса резервуара (которая масштабируется как длина, умноженная на радиус, умноженную на толщину стенки для цилиндрического резервуара) зависит от объема газа. удерживается (которое масштабируется как длина, умноженная на квадрат радиуса). Точная формула зависит от формы резервуара, но зависит от плотности ρ и максимально допустимого напряжения σ материала, а также от давления P и объема V резервуара. (Точные уравнения для напряжения в стенах см. ниже.)

Сферический сосуд

Для сферы минимальная масса сосуда под давлением равна

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

где:

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

Другие формы, кроме сферы, имеют константы больше 3/2 (бесконечные цилиндры занимают 2), хотя некоторые резервуары, такие как композитные резервуары с несферической намоткой, могут приближаться к этому значению.

Цилиндрический сосуд с полусферическими концами.

Иногда его называют «пулей» ^{[ нужна ссылка ]} из-за его формы, хотя в геометрическом плане это капсула .

Для цилиндра с полусферическими концами

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

где

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

Цилиндрический сосуд с полуэллиптическими концами.

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

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

Хранение газа

Если посмотреть на первое уравнение, то коэффициент PV в единицах СИ находится в единицах энергии (сжатия). Для хранимого газа PV пропорционален массе газа при данной температуре, поэтому

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

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

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

Напряжения в тонкостенных сосудах под давлением

Напряжение в тонкостенном сосуде под давлением, имеющем форму сферы, равно

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

где - окружное 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 его диаметр как минимум в 10 раз (иногда упоминается как 20 раз) превышает толщину стенки. ^[22] ${\displaystyle \sigma _{\theta }}$ ${\displaystyle \sigma _{long}}$

Напряжение в корпусе цилиндра сосуда под давлением.

Напряжение в тонкостенном сосуде под давлением, имеющем форму цилиндра, равно

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

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

где:

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

Почти все стандарты проектирования сосудов под давлением содержат варианты этих двух формул с дополнительными эмпирическими условиями для учета изменения напряжений по толщине, контроля качества сварных швов и припусков на коррозию в процессе эксплуатации . Все приведенные выше формулы предполагают равномерное распределение мембранных напряжений по толщине оболочки, но на самом деле это не так. Более глубокий анализ дает теорема Ламе , дающая распределение напряжений в стенках толстостенного цилиндра из однородного и изотропного материала. Формулы стандартов проектирования сосудов под давлением являются расширением теоремы Ламе, налагая некоторые ограничения на соотношение внутреннего радиуса и толщины.

Например, формулы ASME для котлов и сосудов под давлением (BPVC) (UG-27): ^[23]

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

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

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.

В эти формулы также часто включается коэффициент запаса прочности . В случае ASME BPVC этот термин включается в значение напряжения материала при расчете давления или толщины.

Угол намотки сосудов из углеродного волокна

Намотанные бесконечные цилиндрические формы оптимально принимают угол намотки 54,7 градуса к оси цилиндра, так как это дает необходимую удвоенную прочность в окружном направлении по сравнению с продольным. ^[24]

Методы строительства

заклепанный

Стандартным методом изготовления котлов, ресиверов сжатого воздуха и других сосудов под давлением из железа или стали до того, как газовая и электросварка надежного качества получила широкое распространение, были клёпанные листы, которые раскатывали и ковали в нужную форму, а затем склепали вместе, часто используя стыковые ремни вдоль стыки, а по заклепочным швам законопатили , деформируя края нахлеста тупой стамеской. Горячая клепка привела к сжатию заклепок при охлаждении, образуя более плотное соединение. ^[25]

Бесшовный

Методы изготовления бесшовных металлических сосудов под давлением обычно используются для цилиндров относительно небольшого диаметра, которые будут производиться в больших количествах, поскольку оборудование и инструменты требуют больших капитальных затрат. Эти методы хорошо подходят для транспортировки и хранения газа под высоким давлением и обеспечивают стабильно высокое качество продукции.

Обратная экструзия: процесс, при котором материал вынужден течь обратно по оправке между оправкой и матрицей.

• 
  Секция матрицы со вставленной заготовкой
• 
  Процесс обратной экструзии, показывающий, как материал вытекает из матрицы вдоль оправки.
• 
  Экструзионный продукт перед обрезкой
• 
  Секция после закрытия верхнего торца
• 
  Раздел, показывающий детально обработанные участки шеи.

Холодная экструзия (алюминий):

Бесшовные алюминиевые цилиндры могут быть изготовлены методом холодной обратной экструзии алюминиевых заготовок в процессе, при котором сначала прессуются стенки и основание, затем обрезается верхний край стенок цилиндра, а затем прессуется с формированием уступа и горлышка. ^[26]

Горячая экструзия (сталь):

В процессе горячей экструзии стальную заготовку разрезают по размеру, индукционно нагревают до температуры, подходящей для сплава, удаляют окалину и помещают в матрицу. Металл выдавливается назад путем вдавливания в него оправки, заставляя его течь через кольцевой зазор до тех пор, пока не образуется глубокая чашка. Эту чашку дополнительно вытягивают до уменьшения диаметра и толщины стенок и формирования дна. После проверки и обрезки открытого конца. Цилиндр подвергают горячему формованию, чтобы закрыть конец и сформировать горловину. ^[27]

Нарисовано:

Анимация, показывающая два этапа глубокой вытяжки стальной пластины в чашку и аналогичной чашки в заготовку водолазного баллона с куполообразным дном.

Бесшовные цилиндры также могут быть подвергнуты холодной вытяжке из стальных пластинчатых дисков до цилиндрической чашечной формы в два или три этапа. После формирования основания и боковых стенок верхняя часть цилиндра обрезается до нужной длины, нагревается и подвергается горячему прядению , чтобы сформировать плечо и закрыть горлышко. Этот процесс утолщает материал плеча. Цилиндр подвергается термической обработке путем закалки и отпуска для обеспечения максимальной прочности и ударной вязкости. ^[28]

Гидростатическое испытание конструктивно законченного цилиндра

Независимо от метода, использованного для формирования цилиндра, он будет подвергнут механической обработке для окончательной обработки горлышка и нарезания резьбы, подвергнут термообработке, очистке и чистовой обработке поверхности, проштампован, испытан и проверен на предмет обеспечения качества. ^{[28] [27] [26]}

Сварной

Сосуды большого и низкого давления обычно изготавливаются из формованных пластин, сваренных вместе. Качество сварных швов имеет решающее значение для безопасности в сосудах под давлением, в которых находится человек .

Композитный

Композитные сосуды под давлением обычно представляют собой ровинги, намотанные на матрицу из термореактивного полимера. Оправка может быть съемной после отверждения или может оставаться частью готового продукта, часто обеспечивая более надежную газонепроницаемую футеровку или лучшую химическую стойкость к предполагаемому содержимому, чем смоляная матрица. Для крепления резьбовых аксессуаров, таких как клапаны и трубы, могут быть предусмотрены металлические вставки.

Стандарты эксплуатации

Сосуды под давлением предназначены для безопасной работы при определенном давлении и температуре, технически называемых «расчетным давлением» и «расчетной температурой». Сосуд, конструкция которого не позволяет выдерживать высокое давление, представляет собой очень серьезную угрозу безопасности. По этой причине проектирование и сертификация сосудов под давлением регулируются проектными нормами, такими как Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением в Северной Америке, Директива ЕС по оборудованию, работающему под давлением (PED), Японский промышленный стандарт (JIS), CSA B51 в Канада , австралийские стандарты в Австралии и другие международные стандарты, такие 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, запасаемую в сосуде, поэтому учитывается только объем сжимаемой части, такой как газ. использовал.

Список стандартов

• EN 13445 : Действующий европейский стандарт, гармонизированный с Директивой по оборудованию, работающему под давлением (первоначально «97/23/EC», с 2014 г. «2014/68/EU»). Широко используется в Европе.
• Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением, Раздел VIII: Правила конструкции сосудов под давлением.
• BS 5500 : бывший британский стандарт, замененный в Великобритании на BS EN 13445, но сохраненный под названием PD 5500 для проектирования и изготовления экспортного оборудования.
• AD Merkblätter: немецкий стандарт, согласованный с Директивой по оборудованию, работающему под давлением .
• EN 286 (части 1–4): Европейский стандарт для простых сосудов под давлением (воздушных резервуаров), согласованный с Директивой Совета 87/404/EEC.
• BS 4994 : Технические условия на проектирование и изготовление сосудов и резервуаров из армированных пластмасс .
• ASME PVHO: стандарт США для сосудов под давлением, предназначенных для размещения людей .
• CODAP: Французские правила строительства необжигаемых сосудов под давлением.
• AS/NZS 1200 : Австралийский и новозеландский стандарт требований к оборудованию, работающему под давлением, включая сосуды под давлением, котлы и трубопроводы под давлением. ^[29]
• AS 1210: Австралийский стандарт проектирования и изготовления сосудов под давлением.
• AS/NZS 3788 : Стандарт Австралии и Новой Зеландии по проверке сосудов под давлением ^[30].
• API 510. ^[31]
• ISO 11439: Баллоны со сжатым природным газом (СПГ) ^[32]
• IS 2825–1969 (RE1977)_code_unfired_Pressure_vessels.
• Резервуары и сосуды из стеклопластика .
• AIAA S-080-1998: Стандарт AIAA для космических систем – металлические сосуды под давлением, конструкции под давлением и компоненты под давлением.
• AIAA S-081A-2006: Стандарт AIAA для космических систем – сосуды под давлением с композитной оберткой (COPV).
• ECSS-E-ST-32-02C Ред. 1: Космическая инженерия. Проектирование конструкций и проверка оборудования, находящегося под давлением.
• B51-09 Канадские нормы для котлов, сосудов под давлением и трубопроводов под давлением.
• Рекомендации HSE 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 Национальный стандарт Южной Африки: Переносные сосуды под давлением для сжатых, растворенных и сжиженных газов. Базовая конструкция, производство, использование и обслуживание.
• SANS 1825:2010, издание 3: Национальный стандарт Южной Африки: Станции для испытания газовых баллонов. Общие требования к периодическим проверкам и испытаниям переносных многоразовых сосудов под давлением для газа. ISBN 978-0-626-23561-1

Смотрите также

• Американское общество инженеров-механиков ( ASME ) – профессиональное общество машиностроителей.Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением  – Технический стандарт
• Газ в баллонах  – газ сжимается и хранится в баллонах.
• Сосуд под давлением с композитной оберткой  - Сосуд под давлением с неструктурной облицовкой, обернутый композитным структурным волокном.
• Хранение энергии сжатого воздуха  – метод согласования переменного производства со спросомСтраницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Сжатый природный газ  - Топливный газ, состоящий в основном из метана.
• Демистер  – удаление капель жидкости, увлекаемых потоком пара.Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта
• Жаротрубный котел  – Тип котла
• Газовый баллон  - Цилиндрический контейнер для хранения газа под давлением.
• Прокладка  – Тип механического уплотнения
• Головка (сосуд)  – торцевая крышка на сосуде под давлением цилиндрической формы.
• Минимальная расчетная температура металла ( MDMT )
• Powerlet  - американский разработчик, производитель и поставщик товаров для стрелкового спорта Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта- небольшого, недорогого, одноразового металлического газового баллона для подачи 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 Шоландер  - Прибор для измерения водного потенциала тканей растений - прибор для измерения водного потенциала листьев.
• Кожухотрубный теплообменник  . Класс конструкций теплообменников.Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Инструмент для трубок
• Парожидкостный сепаратор  - устройство для разделения парожидкостной смеси на составляющие фазы или выбивной барабан.
• Вортекс-прерыватель  - устройство для предотвращения образования вихря на выходе из контейнера.
• Водотрубный котел  – Тип печи, вырабатывающей пар.
• Водяной колодец  - выемка или сооружение для обеспечения доступа к грунтовым водам.Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.

Примечания

1. Нильсен, Кайл. (2011) «Разработка сосуда для испытаний фильтров низкого давления и анализ мембран из электропряденых нановолокон для очистки воды»
2. Популярная наука. Компания Бонньер.
3. Хирн, Э.Дж. (1997). «Глава 9». Механика материалов 1. Введение в механику упругой и пластической деформации твердых тел и конструкционных материалов (Третье изд.). Баттерворт-Хайнеманн. стр. 199–203. ISBN 0-7506-3265-8.
4. NASA Tech Briefs, «Изготовление композитного сосуда под давлением с металлической облицовкой», 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 Переносные 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 соединения клапанов с газовыми баллонами. Часть 1: Технические характеристики . Женева, Швейцария: Международная организация по стандартизации. Май 2010.
10. Комитет MCE/18 (1986). Технические условия на трубную резьбу для труб и фитингов, на резьбе которых не выполнены герметичные соединения (метрические размеры) . Лондон: Британский институт стандартов. ISBN 0-580-15212-Х. Британский стандарт 2779.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
11. Институт металлорежущего инструмента (1989). «Раздел «Нарезка и штамповка: Резьба клапана газового баллона по американскому стандарту». Справочник по металлорежущим инструментам (иллюстрированное издание). Industrial Press Inc. с. 447. ИСБН 978-0-8311-1177-9. Проверено 7 декабря 2016 г.
12. Персонал. «Клапания баллонов с аквалангом (воздухом)». Сопроводительные документы . Гарден Гроув, Калифорния: Каталина Цилиндрс . Проверено 13 ноября 2016 г. .
13. Персонал. «Люксфер Лимитед 106». Каталог . XS Акваланг . Проверено 7 августа 2016 г.
14. Саши Канта Паниграхи, Ниранджан Саранги (2017). Корпус камеры сгорания авиационного двигателя: экспериментальное проектирование и исследования усталости . ЦРК Пресс. стр. 4–45. ISBN 978-1-351-64283-5.
15. ANSI/AIAA S-080-1998, Космические системы – металлические сосуды под давлением, конструкции под давлением и компоненты под давлением, §5.1
16. Пушард, Дуг (2005). «Бытовые системы сбора воды также иногда могут работать под действием силы тяжести». Harvesth2o.com . Проверено 17 апреля 2009 г.^{[ нужна проверка ]}
17. Пушард, Дуг. «Альтернативы сосудам под давлением в бытовых системах водоснабжения». Harvesth2o.com . Проверено 17 апреля 2009 г.
18. Пушкарич, Пол (1 мая 2009 г.). «Усиленное стекло для трубопроводных систем» (PDF) . Совет стекольной промышленности . Архивировано из оригинала (PDF) 15 марта 2012 г. Проверено 17 апреля 2009 г.
19. Пиво, Фердинанд П.; Джонстон, Э. Рассел младший; ДеВольф, Джон Т. (2002). «7,9» . Механика материалов (четвертое изд.). МакГроу-Хилл. п. 463. ИСБН 978-0-07-365935-0.
20. Для сферы толщина d = rP/2σ, где r — радиус резервуара. Тогда объем сферической поверхности составит 4πr ² d = 4πr ³ P/2σ. Масса определяется умножением на плотность материала, из которого состоят стенки сферического сосуда. Далее объем газа равен (4πr ³ )/3. Объединение этих уравнений дает приведенные выше результаты. Уравнения для остальных геометрий выводятся аналогичным образом.
21. "Масса давления Цилиндрический сосуд с полусферическими концами (капсула) - калькулятор - fxSolver" . www.fxsolver.com . Проверено 11 апреля 2017 г.
22. Ричард Будинас, Дж. Нисбетт, Проект машиностроения Шигли, 8-е изд., Нью-Йорк: McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-312193-2 , стр. 108 
23. Международный кодекс ASME 2007 г. по котлам и сосудам под давлением. Американское общество инженеров-механиков. 2007.
24. Лекция о сосудах высокого давления Массачусетского технологического института
25. Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д. (1973). Хортон, Холбрук Л. (ред.). Справочник по машинам (19-е изд.). Брайтон, Англия: Machinery Publishing Co. Inc., стр. 1239–1254.
26. Персонал ab (2015). «Производственные процессы: Цельноалюминиевые баллоны». Солфорд, Великобритания: Luxfer Gas Cylinders, Luxfer Holdings PLC. Архивировано из оригинала 25 декабря 2015 года . Проверено 25 декабря 2015 г.
27. "Цилиндры Витковице". www.vitkovice.az . Проверено 1 апреля 2021 г.
28. Уортингтонская сталь. «Изготовление стального баллона для подводного плавания Worthington серии X». YouTube . Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г.
29. «Сосуды под давлением AS 1200» . САИ Глобал. Архивировано из оригинала 9 июля 2012 года . Проверено 14 ноября 2011 г.
30. «AS_NZS 3788: 2006 Оборудование, работающее под давлением. Эксплуатационный осмотр» . САИ Глобал . Проверено 4 сентября 2015 г.
31. «Правила проверки сосудов под давлением: эксплуатационный осмотр, рейтинг, ремонт и изменение» . API. Июнь 2006 года.
32. . «Газовые баллоны – Баллоны высокого давления для бортового хранения природного газа в качестве топлива для автомобильной техники». ИСО. 18 июля 2006 г. Проверено 17 апреля 2009 г.

Рекомендации

• AC Ugural, SK Fenster, Повышенная прочность и прикладная эластичность, 4-е изд.
• Е. П. Попов, Инженерная механика твердого тела, 1-е изд.
• Мегеси, Юджин Ф. «Справочник по сосудам под давлением, 14-е издание». PV Publishing, Inc. Оклахома-Сити, Оклахома

дальнейшее чтение

• Мегеси, Юджин Ф. (2008, 14-е изд.) Справочник по сосудам под давлением. PV Publishing, Inc.: Оклахома-Сити, Оклахома, США. www.pressurevesselhandbook.com Справочник по проектированию сосудов под давлением на основе норм ASME.

Внешние ссылки

• Использование сосудов под давлением в нефтегазовой промышленности.
• Основные формулы тонкостенных сосудов под давлением с примерами
• Учебные таблицы Excel для проектирования головок, корпусов и сопел по стандарту ASME
• Веб-сайт ASME по котлам и сосудам под давлением
• Журнал технологий сосудов под давлением. Архивировано 15 октября 2012 г. в Wayback Machine.
• Веб-сайт Директивы ЕС по оборудованию, работающему под давлением
• Простая директива ЕС по сосудам под давлением
• Классификация ЕС
• Крепления для сосудов под давлением
• Изображение газового баллона из композитного углеродного волокна с деталями конструкции.
• Изображение кислородного баллона из композитного углеродного волокна для промышленного дыхательного аппарата.