Сосуд под давлением

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

Сосуд высокого давления представляет собой контейнер , предназначенный для хранения газов или жидкостей при давлении , по существу , отличном от давления окружающей среды .

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

Сосуды под давлением могут быть опасными, и в истории их разработки и эксплуатации были случаи со смертельным исходом. Следовательно, проектирование, производство и эксплуатация сосудов высокого давления регулируются инженерными органами при поддержке законодательства. По этим причинам определение сосуда под давлением варьируется от страны к стране.

При проектировании учитываются такие параметры, как максимальное безопасное рабочее давление и температура, коэффициент безопасности , допуск на коррозию и минимальная расчетная температура (для хрупкого разрушения). Конструкция испытывается с помощью неразрушающего контроля , такого как ультразвуковой контроль , рентгенография., и испытания под давлением. При испытаниях гидростатическим давлением обычно используется вода, но при пневматических испытаниях используется воздух или другой газ. Гидростатические испытания предпочтительнее, потому что это более безопасный метод, поскольку в случае разрыва во время испытания выделяется гораздо меньше энергии (вода не сильно увеличивает свой объем при быстром сбросе давления, в отличие от газов, которые взрывно расширяются). Репрезентативные образцы продуктов массового или серийного производства часто подвергаются испытанию 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 официальными правилами. В Соединенных Штатах это Кодекс ASME по котлам и сосудам высокого давления (BPVC) . В Европе это Директива по оборудованию, работающему под давлением . Информация на этой странице в основном действительна только в ASME. ^{[ требуется разъяснение ]} Эти сосуды также требуют, чтобы уполномоченный инспектор подписывал каждое новое построенное судно, и на каждом сосуде есть паспортная табличка с соответствующей информацией о сосуде, такой как максимально допустимое рабочее давление, максимальная температура, минимальная расчетная температура металла, какая компания изготовила это, дата, его регистрационный номер (через Национальный совет) и Американское общество инженеров-механиковОфициальный штамп для сосудов под давлением (U-штамп). Паспортная табличка делает сосуд отслеживаемым и официально соответствует требованиям Кодекса ASME.

Особое применение - сосуды под давлением для людей , для которых применяются более строгие правила безопасности.

История [ править ]

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, похожие на те, что используются сегодня, не появлялись до 1800-х годов, когда пар генерировался в котлах, помогая стимулировать промышленную революцию . ^[1] Тем не менее, из-за низкого качества материалов и производственных технологий, а также недостаточных знаний в области проектирования, эксплуатации и технического обслуживания, эти котлы и сосуды высокого давления были связаны с большим количеством разрушительных и часто фатальных взрывов, причем смерть происходила почти ежедневно. В Соединенных Штатах. ^[1] Местные провинции и штаты в США начали вводить правила строительства этих судов после того, как произошли некоторые особенно разрушительные аварии судов, в результате которых погибли десятки людей за один раз, что затруднило производителям 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 начале 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), намотанный по спирали с двумя слоями высокой прочности на разрыв. стальная проволока для предотвращения разрыва боковин, а торцевые заглушки продольно армированы продольными высокопрочными стержнями. ^[2] Потребность в сосудах высокого давления и температуры для нефтеперерабатывающих и химических заводов привела к созданию сосудов, соединенных сваркой вместо заклепок (которые не подходили для требуемых давлений и температур), и в 1920-х и 1930-х годах BPVC включал сварку в качестве приемлемого средства строительство; Сварка - это сегодня основной способ соединения металлических сосудов. ^[1]

Было много достижений в области проектирования сосудов высокого давления, таких как расширенный неразрушающий контроль, ультразвуковые испытания с фазированной решеткой и радиография, новые сорта материалов с повышенной коррозионной стойкостью и более прочные материалы, а также новые способы соединения материалов, таких как сварка взрывом , трение. сварка с перемешиванием , передовые теории и средства более точной оценки напряжений, возникающих в сосудах, например, с использованием анализа методом конечных элементов, позволяя строить суда безопаснее и эффективнее. Сегодня суда в США требуют печати BPVC, но BPVC - это не просто внутренний кодекс, многие другие страны приняли BPVC в качестве своего официального кода. Однако есть и другие официальные коды в некоторых странах, таких как Япония, Австралия, Канада, Великобритания и Европа. Независимо от страны, почти все признают потенциальную опасность, присущую сосудам под давлением, и необходимость стандартов и кодексов, регулирующих их проектирование и строительство.

Особенности [ править ]

Форма [ править ]

Сосуды под давлением теоретически могут иметь почти любую форму, но обычно используются формы, состоящие из секций сфер, цилиндров и конусов. Распространенная конструкция представляет собой цилиндр с торцевыми крышками, называемыми головками . Форма головы часто бывает полусферической или выпуклой (торисферической). Более сложные формы исторически было труднее анализировать для обеспечения безопасной эксплуатации и, как правило, гораздо труднее построить.

• Сферический газовый баллон.

• Цилиндрический сосуд высокого давления.

• Изображение дна аэрозольного баллончика.

• Огнетушитель с емкостью под давлением прямоугольного сечения

Теоретически сферический сосуд высокого давления примерно в два раза прочнее цилиндрического сосуда высокого давления с той же толщиной стенок ^[3] и является идеальной формой для выдерживания внутреннего давления. ^[1]Однако сферическую форму сложно изготовить и, следовательно, дороже, поэтому большинство сосудов высокого давления имеют цилиндрическую форму с полуэллиптическими головками или торцевыми крышками 2: 1 на каждом конце. Сосуды меньшего размера 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, связанных с осмотром и испытаниями, в основном неразрушающим рентгенографическим исследованием длинного шва, если это необходимо. Недостатком этих сосудов является то, что большие диаметры являются более дорогими, так что, например, наиболее экономичная форма составляет 1000 литров (35 куб футов), 250 бар (3600  фунтов на квадратный дюйм).Сосуд под давлением может иметь диаметр 91,44 см (36 дюймов) и длину 1,7018 м (67 дюймов), включая полуэллиптические куполообразные торцевые крышки 2: 1.

Строительные материалы [ править ]

Многие сосуды под давлением изготовлены из стали. Чтобы изготовить цилиндрический или сферический сосуд высокого давления, катаные и, возможно, кованые детали должны быть сварены вместе. Некоторые механические свойства стали, достигаемые прокаткой или ковкой, могут быть повреждены сваркой, если не будут приняты особые меры предосторожности. В дополнение к соответствующей механической прочности, действующие стандарты предписывают использование стали с высокой ударопрочностью, особенно для сосудов, используемых при низких температурах. В тех случаях, когда углеродистая сталь подвержена коррозии, следует также использовать специальный коррозионно-стойкий материал.

Некоторые сосуды под давлением сделаны из композитных материалов , таких как композит, намотанный нитью, с использованием углеродного волокна, удерживаемого на месте с помощью полимера. Из-за очень высокой прочности углеродного волокна на разрыв эти сосуды могут быть очень легкими, но их гораздо сложнее изготовить. Композитный материал может быть намотан на металлическую подкладку, образуя композитный сосуд высокого давления с внешней оберткой .

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

Сосуды высокого давления могут быть облицованы различными металлами, керамикой или полимерами для предотвращения утечки и защиты конструкции сосуда от окружающей среды. Эта футеровка также может нести значительную часть нагрузки давления. ^{[4] [5]}

Сосуды, работающие под давлением, также могут быть построены из бетона (PCV) или других материалов, слабых при растяжении. Кабели, намотанные вокруг емкости, внутри стены или самого сосуда, обеспечивают необходимое натяжение, чтобы противостоять внутреннему давлению. «Герметичная стальная тонкая мембрана» покрывает внутреннюю стенку сосуда. Такие сосуды могут быть собраны из модульных частей и, следовательно, не имеют «внутренних ограничений по размеру». ^[6] Существует также высокий уровень резервирования благодаря большому количеству отдельных кабелей, устойчивых к внутреннему давлению.

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 овальную форму (1 x 2 см ... 1,3 x 2,5 см) в поперечном сечении, но иногда и круглую. Овальные версии обычно включают одну или две распорки внутреннего растяжения, которые выглядят как перегородки, но также обеспечивают дополнительную прочность цилиндра.

Рабочее давление [ править ]

Типичные круглые цилиндрические газовые баллоны высокого давления для постоянных газов (которые не сжижаются при сохранении давления, например, воздух, кислород, азот, водород, аргон, гелий) были изготовлены методом горячей ковки путем прессования и прокатки с получением бесшовного стального сосуда. .

Рабочее давление баллонов для использования в промышленности, ремесле, дайвинге и медицине имело стандартизованное рабочее давление (WP) всего 150 бар (2200 фунтов на квадратный дюйм) в Европе примерно до 1950 года. 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 цилиндры на 300 бар (4 400 фунтов на кв. дюйм) WP (сначала из чистой стали). ^{[ необходима цитата ]}

Потребность в уменьшении веса привела к появлению различных поколений композитных (волокнистых и матричных, поверх гильзы) цилиндров, которые легче повредить при ударе снаружи. Поэтому композитные цилиндры обычно рассчитаны на 300 бар (4400 фунтов на квадратный дюйм).

Гидравлическое (заполненное водой) испытательное давление обычно на 50% выше рабочего давления.

Судовая ветка [ править ]

До 1990 года цилиндры высокого давления производились с конической (конической) резьбой. В промышленных цельнометаллических цилиндрах объемом от 0,2 до 50 литров (от 0,0071 до 1,7657 куб. Футов) преобладали два типа резьбы. Коническая резьба (17E), ^[7] с конической правой резьбой 12%, стандартная форма Уитворта 55 ° с шагом 14 витков на дюйм (5,5 витков на см) и делительным диаметром верхней резьбы цилиндра 18,036 мм. (0,71 дюйма). Эти соединения герметизированы с помощью резьбовой ленты и затянуты с моментом затяжки от 120 до 150 ньютон-метров (89 и 111 фунт-сила-фут) на стальных цилиндрах и от 75 до 140 Нм (55 и 103 фунт-сила-фут) на алюминиевых цилиндрах. ^[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 конопля использовалась в качестве герметика. Позже использовался тонкий лист свинца, прижатый к шляпе с отверстием наверху. С 2005 года используется лента из ПТФЭ , чтобы избежать использования свинца. ^{[ требуется разъяснение ]}

Коническая резьба обеспечивает простую сборку, но требует большого крутящего момента для соединения и приводит к высоким радиальным силам в горловине сосуда. Все цилиндры рассчитаны на рабочее давление 300 бар (4400 фунтов на кв. Дюйм), все водолазные цилиндры и все композитные цилиндры имеют параллельную резьбу.

Параллельные потоки выполняются по нескольким стандартам:

• Параллельная резьба M25x2 ISO , которая закрывается уплотнительным кольцом и затягивается с моментом затяжки от 100 до 130 Н · м (от 74 до 96 фунт-сила-фут) для стали и от 95 до 130 Н · м (от 70 до 96 фунт-сила-фут) для алюминия. цилиндры; ^[8]
• Параллельная резьба M18x1,5, которая закрывается уплотнительным кольцом и затягивается 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 баллонах; ^[8]
• Параллельная резьба 3/4 дюйма x14  BSP ^[10], имеющая форму резьбы Витворта 55 °, делительный диаметр 25,279 мм (0,9952 дюйма) и шаг резьбы 14 витков на дюйм (1,814 мм);
• Параллельная резьба 3/4 "x14  NGS ^[11] (NPSM), уплотненная уплотнительным кольцом, затянутая с моментом затяжки от 40 до 50 Н⋅м (от 30 до 37 фунт-сила⋅ футов) на алюминиевых цилиндрах, ^[12] с углом поворота 60 ° форма резьбы, делительный диаметр от 0,9820 до 0,9873 дюйма (от 24,94 до 25,08 мм) и шаг 14 витков на дюйм (5,5 витков на см);
• 3/4 дюйма x16  UNF , уплотненное уплотнительным кольцом, затянутое с усилием от 40 до 50 Н 50м (от 30 до 37 фунт-сила⋅фут) на алюминиевых цилиндрах. ^[12]
• 7/8 "x14 UNF, уплотненное уплотнительным кольцом. ^[13]

3/4 "NGS и 3/4" BSP очень похожи, имеют одинаковый шаг и средний диаметр, который отличается только примерно на 0,2 мм (0,008 дюйма), но они несовместимы, так как формы резьбы различаются.

Все клапаны с параллельной резьбой уплотнены с помощью эластомерного уплотнительного кольца в верхней части резьбы горловины, которое уплотняет фаску или ступеньку на горловине цилиндра и прилегает к фланцу клапана.

Разработка композитных судов [ править ]

Для классификации цилиндров с различными принципами конструкции выделяют 4 типа. ^{[ необходима цитата ]}

• Тип 1 - Цельнометаллический: Цилиндр полностью изготовлен из металла.
• Тип 2 - Обруч в виде обруча: металлический цилиндр, усиленный обручем в виде ремня с армированной волокном смолой.
• Тип 3 - Полностью намотанный поверх металлического вкладыша: намотанные по диагонали волокна образуют несущий кожух на цилиндрической части, а также внизу и плече вокруг металлической шейки. Металлический вкладыш тонкий и обеспечивает газонепроницаемость.
• Тип 4 - Полностью обернутый неметаллический лайнер: легкий термопластический лайнер обеспечивает газонепроницаемый барьер, а сердечник - для обертывания волокон и полимерной матрицы. Только шейка, которая несет резьбу шейки и ее крепление к вкладышу, изготовлена ​​из металла, который может быть из легкого алюминия или прочной нержавеющей стали.

Тип 2 и 3 цилиндров были в производстве примерно с 1995 Типа 4 цилиндров , являются коммерчески доступными , по меньшей мере , так как 2016. ^{[ править ]}

Функции безопасности [ править ]

Утечка перед взрывом [ править ]

Утечка перед разрывом описывает сосуд высокого давления, спроектированный таким образом, что трещина в сосуде будет прорастать через стенку, позволяя содержащейся жидкости выйти и снижая давление, прежде чем оно станет настолько большим, что вызовет разрушение при рабочем давлении.

Многие стандарты сосудов высокого давления, включая Кодекс ASME по котлам и сосудам высокого давления ^[14] и стандарт для металлических сосудов высокого давления AIAA, либо требуют, чтобы конструкции сосудов высокого давления были герметичными перед разрывом, либо требуют, чтобы сосуды высокого давления соответствовали более строгим требованиям по усталости и разрушению, если они не показаны утечки перед взрывом. ^[15]

Предохранительные клапаны [ править ]

Поскольку сосуд высокого давления рассчитан на давление, обычно имеется предохранительный или предохранительный клапан, чтобы гарантировать, что это давление не будет превышено во время работы.

Функции обслуживания [ править ]

Затворы сосудов высокого давления [ править ]

Затворы сосудов высокого давления - это конструкции, удерживающие давление, предназначенные для обеспечения быстрого доступа к трубопроводам, сосудам высокого давления, ловушкам для скребков, фильтрам и системам фильтрации. Обычно крышки сосудов высокого давления допускают доступ обслуживающего персонала. Обычно используемая форма отверстия для доступа является эллиптической, что позволяет пропустить крышку через отверстие и повернуть ее в рабочее положение, и удерживается на месте стержнем с внешней стороны, закрепленным центральным болтом. Внутреннее давление предотвращает его непреднамеренное открытие под нагрузкой.

Использует [ редактировать ]

Сосуды под давлением используются в различных сферах как в промышленности, так и в частном секторе. Они появляются в этих секторах как промышленные ресиверы сжатого воздуха , бойлеры и резервуары для хранения горячей воды для бытовых нужд . Другими примерами сосудов под давлением являются водолазные цилиндры , камеры рекомпрессии , дистилляционные башни , реакторы под давлением , автоклавы и многие другие сосуды при горных работах, нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, корпуса ядерных реакторов , подводные лодки и космические корабли.места обитания, водолазный скафандр , пневматические резервуары, гидравлические резервуары под давлением, AIRBRAKE резервуары железнодорожных транспортных средств , AIRBRAKE резервуары дорожное транспортное средство , и сосуды для хранения высокого давления постоянных газов и сжиженных газов , таких как аммиак , хлор и сжиженный нефтяной газ ( пропан , бутан ).

Уникальным применением сосуда высокого давления является пассажирский салон авиалайнера: внешняя обшивка несет как нагрузки, связанные с маневрированием самолета, так и нагрузки герметизации кабины . ^{[ требуется разъяснение ]}

• Цилиндрический исследовательский автоклав

• Декомпрессионная камера НАСА

• Напорный бак, подключенный к колодцу и системе горячего водоснабжения.

• Несколько баллонов под давлением, которые здесь использовались для хранения пропана .

• Сосуд под давлением, используемый в качестве киера .

• Сосуд высокого давления, используемый для космического корабля CST-100 компании Boeing.

Альтернативы [ править ]

• Хранение природного газа
• Держатель газа

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

• Системы с гравитационным регулированием ^[16], которые обычно состоят из негерметичного водяного бака 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 напора (перепад высот). Вода в городском водопроводе или перекачиваемой воде обычно составляет около 90 фунтов на квадратный дюйм (620 кПа).
• Контроллеры встроенных насосов или насосы, чувствительные к давлению . ^[17]

Дизайн [ править ]

Масштабирование [ править ]

Независимо от того, какую форму он принимает, минимальная масса сосуда под давлением зависит от давления и объема, в котором он находится, и обратно пропорциональна отношению прочности к весу конструкционного материала (минимальная масса уменьшается с увеличением прочности ^[18] ).

Масштабирование напряжения в стенках сосуда [ править ]

Сосуды под давлением удерживаются вместе против давления газа из-за растягивающих сил внутри стенок контейнера. Нормальное (растягивающее) напряжение в стенках емкости пропорционально давлению и радиусу емкости и обратно пропорционально толщине стенок. ^[19] Таким образом, сосуды высокого давления имеют толщину, пропорциональную радиусу резервуара и давлению резервуара и обратно пропорциональную максимально допустимому нормальному напряжению конкретного материала, используемого в стенках резервуара.

Поскольку (для данного давления) 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 (масштабируется как длина, умноженная на квадрат радиуса). Точная формула зависит от формы резервуара, но зависит от плотности ρ и максимально допустимого напряжения σ материала в дополнение к давлению P и объему V резервуара. (См. Ниже точные уравнения для напряжения в стенах.)

Сферический сосуд [ править ]

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

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

Цилиндрический сосуд с полусферическими концами[ редактировать ]

Его иногда называют «пулей» ^{[ необходима цитата ] из-} за ее 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 - ширина только среднего цилиндра, а общая ширина составляет W + 2R (м) ^[21]

Цилиндрический сосуд с полуэллиптическими концами [ править ]

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

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

Хранение газа [ править ]

В первом уравнении коэффициент PV в единицах СИ выражается в единицах энергии (повышения давления). 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. Итак, мы можем видеть, что не существует теоретической «эффективности масштаба» с точки зрения отношения массы сосуда высокого давления к энергии повышения давления или массы сосуда высокого давления 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 с минимальной массой для хранения гелия (в качестве газа под давлением) 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}}$

Напряжение в тонкостенных сосудах под давлением [ править ]

Напряжение в тонкостенном сосуде высокого давления в форме шара составляет

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

где - кольцевое напряжение или напряжение в окружном направлении, - это 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) больше толщины стенки. ^[22]${\displaystyle \sigma _{\theta }}$${\displaystyle \sigma _{long}}$

Напряжение в тонкостенном сосуде высокого давления в форме цилиндра составляет

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

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

где:

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

Почти все стандарты проектирования сосудов высокого давления содержат вариации этих двух формул с дополнительными эмпирическими условиями для учета изменения напряжений по толщине, контроля качества сварных швов и допуска 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 , которая дает распределение напряжений в стенках толстостенного цилиндра из однородного и изотропного материала. Формулы стандартов проектирования сосудов высокого давления являются расширением теоремы Ламе, устанавливая некоторые ограничения на соотношение внутреннего радиуса и толщины.

Например, формулы ASME по котлам и сосудам высокого давления (BPVC) (UG-27): ^[23]

Сферические оболочки: толщина должна быть менее 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, как указано выше.

Фактор безопасности часто включается в этих формулах , а также, в случае ASME BPVC этот термин входит в материальные ценности напряжений при решении для давления или толщины.

Угол намотки сосудов из углеродного волокна [ править ]

Намотка бесконечной цилиндрической формы оптимально имеет угол намотки 54,7 градуса к цилиндрической оси, так как это дает необходимое удвоение прочности в продольном направлении по окружности. ^[24]

Методы строительства [ править ]

Заклепанный [ править ]

Стандартный метод строительства котлов, ресиверов сжатого воздуха и других сосудов высокого давления из железа или стали до того, как стали широко распространены газовая и электрическая сварка надежного качества, представлял собой склепанные листы, которые были прокатаны и откованы в форму, а затем склепаны вместе, часто с использованием стыковых ремней вдоль стыки, и заделывают по заклепанным швам, деформируя края внахлест тупой стамеской. Горячая клепка заставляла заклепки сжиматься при охлаждении, образуя более плотное соединение. ^[25]

Бесшовные [ править ]

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

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

• Участок матрицы с вставленной заготовкой

• Процесс обратной экструзии, показывающий, как материал выходит из матрицы обратно по оправке

• Экструзионный продукт перед обрезкой

• Раздел после закрытия верхнего торца

• В разрезе подробно показаны обработанные участки шеи

Холодное прессование (алюминий):

Бесшовные алюминиевые цилиндры могут быть изготовлены путем холодной экструзии алюминиевых заготовок в обратном направлении в процессе, при котором сначала прижимаются стенки и основание, затем обрезается верхний край стенок цилиндра, а затем формируются заплечик и шейка. ^[26]

Горячая экструзия (сталь):

В процессе горячей экструзии стальная заготовка разрезается на размер, индукционным нагревом до температуры, соответствующей сплаву, очищается от окалины и помещается в фильеру. Металл выдавливается назад путем вдавливания в него оправки, заставляя его течь через кольцевой зазор до тех пор, пока не образуется глубокая чаша. Эта чашка дополнительно вытягивается до диаметра, толщина стенки уменьшается, а дно формируется. После осмотра и обрезки открытого конца Цилиндр подвергается горячему формованию, чтобы закрыть конец и сформировать шейку. ^[27]

Нарисовано:

Бесшовные цилиндры также можно холоднотянуть из стальных пластинчатых дисков в цилиндрическую форму чашки в два или три этапа. После формирования основания и боковых стенок верхняя часть цилиндра обрезается по длине, нагревается и проходит горячее прядение для формирования плеча и закрытия горловины. Этот процесс делает материал плеча утолщенным. Цилиндр подвергается термообработке путем закалки и отпуска для обеспечения максимальной прочности и ударной вязкости. ^[28]

Независимо от метода, используемого для формирования цилиндра, он будет подвергнут механической обработке для чистовой обработки шейки и нарезания резьбы шейки, термической обработки, очистки и обработки поверхности, маркировки штампом, испытаний и проверки для обеспечения качества. ^{[28] [27] [26]}

Сварные [ править ]

Сосуды большого и низкого давления обычно изготавливаются из сваренных вместе формованных пластин. Качество сварных швов имеет решающее значение для безопасности сосудов, работающих под давлением, в которых находятся люди .

Составной [ править ]

Композитные сосуды высокого давления обычно представляют собой ровницы, намотанные из термореактивной полимерной матрицы. Оправка может быть съемной после отверждения или может оставаться частью готового продукта, часто обеспечивая более надежную прокладку для газа или жидкости или лучшую химическую стойкость к заданному содержимому, чем матрица из смолы. Могут быть предусмотрены металлические вставки для крепления резьбовых аксессуаров, таких как клапаны и трубы.

Стандарты работы [ править ]

Сосуды под давлением предназначены для безопасной работы при определенном давлении и температуре, которые технически называются «Расчетным давлением» и «Расчетной температурой». Сосуд, который неадекватно сконструирован для работы с высоким давлением, представляет собой очень серьезную угрозу безопасности. Из - за этого, проектирование и сертификация сосудов высокого давления определяются конструктивными кодами , такие как ASME по котлам и сосуды высокого давления в Северной Америке, давление Директивы оборудования в ЕС (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 известная как Stoomwezen) и т. Д.

Обратите внимание, что если произведение давление-объем является частью стандарта безопасности, любая несжимаемая жидкость в резервуаре может быть исключена, поскольку она не вносит вклад в потенциальную энергию, хранящуюся в резервуаре, поэтому только объем сжимаемой части, такой как газ, может быть исключен. использовал.

Список стандартов [ править ]

• EN 13445 : действующий европейский стандарт, гармонизированный с Директивой по оборудованию, работающему под давлением (первоначально «97/23 / EC», с 2014 «2014/68 / EU»). Широко используется в Европе.
• Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением Раздел VIII: Правила строительства 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 с 1 по 4): Европейский стандарт для простых сосудов под давлением (баллонов с воздухом), 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 под давлением для людей .
• CODAP: Французский кодекс строительства необожженных сосудов под давлением.
• AS / NZS 1200 : Стандарт Австралии и Новой Зеландии для требований к оборудованию, работающему под давлением, включая сосуды под давлением, котлы и напорные трубопроводы. ^[29]
• AS 1210: Австралийский стандарт на проектирование и строительство сосудов под давлением
• AS / NZS 3788 : Стандарт Австралии и Новой Зеландии для проверки сосудов под давлением ^[30]
• API 510. ^[31]
• ISO 11439: Баллоны для сжатого природного газа (CNG) ^[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, герметичные конструкции и компоненты, работающие под давлением.
• AIAA S-081A-2006: Стандарт AIAA для космических систем - сосуды под давлением с композитной оболочкой (COPV).
• ECSS-E-ST-32-02C Rev.1: Космическая техника - Конструктивное проектирование и проверка оборудования под давлением
• B51-09 Кодекс канадских котлов, сосудов высокого давления и трубопроводов высокого давления.
• Руководящие принципы HSE для систем давления.
• Stoomwezen: бывший свод правил для сосудов 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 техническое обслуживание.
• SANS 1825: 2010 Издание 3: Южноафриканский национальный стандарт: испытательные станции для газовых баллонов - Общие требования к периодическим проверкам и испытаниям переносных многоразовых газовых баллонов под давлением. ISBN 978-0-626-23561-1

См. Также [ править ]

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

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

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

Найдите сосуд под давлением в Викисловаре, бесплатном словаре.

Викискладе есть медиафайлы по теме сосудов под давлением .

• Использование сосудов под давлением в нефтегазовой отрасли
• Основные формулы для тонкостенных сосудов высокого давления с примерами
• Обучающие электронные таблицы Excel для проектирования головок, кожухов и сопел ASME
• Сайт котлов и сосудов под давлением ASME
• Журнал технологии сосудов под давлением
• Веб-сайт Директивы ЕС по оборудованию, работающему под давлением
• Директива ЕС по простым сосудам под давлением
• Классификация ЕС
• Приставки для сосудов высокого давления
• Изображение газового баллона из углеродного волокна с деталями конструкции.
• Изображение кислородного баллона из углеродного волокна для промышленного дыхательного комплекта