Қысымға төзімді ыдыстар

Кіріспе

Қысыммен жұмыс істейтін газдар мен сұйықтықтарға арналған ыдыс

Қысымды ыдыс – газдар мен сұйықтықтарды қоршаған ортаның қысымынан едәуір жоғары қысымда сақтауға арналған контейнер. Құрылыс әдістері мен материалдар қолданылатын қысымға сәйкес таңдалады және ыдыстың мөлшеріне, ішкі мазмұнына, жұмыс қысымына, массалық шектеулерге және қажетті бірліктер санына байланысты болады. Қысымды ыдыстар қауіпті болуы мүмкін, олардың даму және пайдалану тарихында қайғылы жазатайым оқиғалар болған. Сондықтан, қысымды ыдыстарды жобалау, дайындау және пайдалану заңнамамен бекітілген инженериялық органдармен реттеледі. Осы себепті, қысымды ыдыстың анықтамасы елдер арасында өзгеше болуы мүмкін. Жобалау кезінде максималды қауіпсіз жұмыс қысымы мен температурасы, қауіпсіздік коэффициенті, коррозиядан қорғау қоры және жарылғыш сынуға қарсы ең төменгі жобалау температурасы сияқты параметрлер ескеріледі. Құрылыстың сапасын тексеру үшін ультрадыбыстық сынақ, радиография және қысым сынақтары сияқты бұзылмайтын әдістер қолданылады. Гидростатикалық қысым сынақтары көбінесе сумен жүргізіледі, ал пневматикалық сынақтар ауа немесе басқа газбен жүзеге асырылады. Гидростатикалық сынақтар қауіпсіздік тұрғысынан артықшылыққа ие, себебі сынақ барысында жарық пайда болған жағдайда энергияның азырақ бөлінуіне кепілдік береді (газдардың күрт декомпрессия кезіндегідей жарылысқа ұшырамауы). Көптеп өндірілетін өнімдердің сапасын бақылау үшін, өндіріс шартында жойылғанға дейін сынақтан өткен өкілдік үлгілер пайдаланылады. Жүйенің жалпы қауіпсіздігін арттыру мақсатында, қысымды төмендетуге арналған құрылғылар орнатылуы мүмкін. Көптеген елдерде белгілі бір мөлшерден және қысымнан асатын ыдыстарды жасау үшін міндетті техникалық регламенттер бар. АҚШ-та бұл регламент ASME қазандықтар мен қысымды ыдыстар кодексі (BPVC) болып табылады. Еуропада бұл регламент – Қысымды жабдықтар директивасы. Осы беттегі ақпарат көбінесе ASME кодексіне қатысты. Мұндай ыдыстардың әрбір жаңасы құрастырылғаннан кейін уәкілетті инспектордың бекітуі қажет, сондай-ақ әрбір ыдыста оның максималды жұмыс қысымы, максималды температурасы, ең төменгі жобалық металл температурасы, өндіруші компания, дайындалған күні, тіркеу нөмірі (Ұлттық кеңес арқылы) және қысымды ыдыстарға арналған Америка Механикалық Инженерлер Қоғамының ресми таңбасы (U таңбасы) сияқты маңызды ақпараттарды қамтитын тақта орнатылады. Атау тақтасы ыдыстың ASME кодексіне сәйкес екенін растайды. Адамдарды орналастыруға арналған қысымды ыдыстарға қатысты қатаң қауіпсіздік талаптары қолданылады.

A pressure vessel is a container designed to hold gases or liquids at a pressure substantially different from the ambient pressure. Construction methods and materials may be chosen to suit the pressure application, and will depend on the size of the vessel, the contents, working pressure, mass constraints, and the number of items required. Pressure vessels can be dangerous, and fatal accidents have occurred in the history of their development and operation. Consequently, pressure vessel design, manufacture, and operation are regulated by engineering authorities backed by legislation. For these reasons, the definition of a pressure vessel varies from country to country. Design involves parameters such as maximum safe operating pressure and temperature, safety factor, corrosion allowance and minimum design temperature (for brittle fracture). Construction is tested using nondestructive testing, such as ultrasonic testing, radiography, and pressure tests. Hydrostatic pressure tests usually use water, but pneumatic tests use air or another gas. Hydrostatic testing is preferred, because it is a safer method, as much less energy is released if a fracture occurs during the test (water does not greatly increase its volume when rapid depressurization occurs, unlike gases, which expand explosively). Mass or batch production products will often have a representative sample tested to destruction in controlled conditions for quality assurance. Pressure relief devices may be fitted if the overall safety of the system is sufficiently enhanced. In most countries, vessels over a certain size and pressure must be built to a formal code. In the United States that code is the ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC). In Europe the code is the Pressure Equipment Directive. Information on this page is mostly valid in ASME only. These vessels also require an authorized inspector to sign off on every new vessel constructed and each vessel has a nameplate with pertinent information about the vessel, such as maximum allowable working pressure, maximum temperature, minimum design metal temperature, what company manufactured it, the date, its registration number (through the National Board), and American Society of Mechanical Engineers's official stamp for pressure vessels (U stamp). The nameplate makes the vessel traceable and officially an ASME Code vessel. A special application is pressure vessels for human occupancy, for which more stringent safety rules apply.

Тарих

Басымды ыдыстардың ең алғашқы құжатталған дизайны 1495 жылы Леонардо да Винчидің «Мадрид I кодексі» кітабында сипатталған. Онда қысымды ауамен толтырылған ыдыстар су астындағы ауыр заттарды көтеруге теориялық мүмкіндік беретіні айтылған. Дегенмен, бүгінгі күндегіге ұқсас ыдыстар 1800 жылдарға дейін пайда болған жоқ. Осы кезеңде бу қазандықтарында бу өндіріліп, өнеркәсіптік революцияны дамытуға септігін тигізді. Мұнай өңдеу және химия зауыттары үшін жоғары қысым мен температураға төтеп беретін ыдыстарға қажеттілік туындағанда, қабырғаларын қақпақтармен біріктірудің орнына дәнекерлеу әдісі қолданыла бастады (өйткені қақпақтар қажетті қысым мен температураға сәйкес келмейтін). 1920 және 1930 жылдары BPVC дәнекерлеуді құрылыс жасаудың қабылданатын тәсілі ретінде енгізді. Дәнекерлеу – металл ыдыстарды біріктірудің басты әдісі болып табылады және ішкі қысымды ұстау үшін ең қолайлы пішін. Басымды ыдыстар бетоннан (PCV) немесе кернеуге төзімсіз басқа материалдардан да жасалуы мүмкін. Ыдыстың сыртына немесе қабырғасына, немесе ыдыстың ішіне оралған кабельдер ішкі қысымға қарсы тұру үшін қажетті кернеуді қамтамасыз етеді. Ішкі қабырғаға «бір қабатты, герметикалық болат мембрана» жабыстырылады. Мұндай ыдыстар модульдік бөліктерден құрастырылуы мүмкін, сондықтан олардың «өлшеміне шектеу жоқ». Ішкі қысымға қарсы тұратын көптеген жеке кабельдердің болуы арқасында жоғары сенімділік деңгейіне қол жеткізіледі. Сұйық бутанмен жұмыс істейтін жаққыштарды жасау үшін қолданылатын өте кішкентай ыдыстар, қоршаған ортаның температурасына байланысты, шамамен 2 бар қысымға ұшырайды. Бұл ыдыстар көбінесе көлденең қимасы бойынша сопақ (1 x 2 см – 1,3 x 2,5 см) пішіндес, кейде дөңгелек болады. Сопақ пішіндес ыдыстарда әдетте біреу немесе екеу ішкі кернеу тіректері болады, олар бөліштер сияқты көрінеді, бірақ цилиндрдің беріктігін арттыруға да септігін тигізеді.

Жұмыс қысымы

Тұрақты газдарға арналған (ауа, оттегі, азот, сутек, аргон, гелий сияқты сақтау қысымында сұйықталмайтын) жоғары қысымды дөңгелек цилиндрлі газ баллондары, біркелкі болат ыдыс алу үшін ыстық соғу арқылы, қысыммен және доңғалақтау арқылы жасалады. Өндірісте, шеберлікте, суға батыруда және медицинада қолданылатын баллондардың жұмыс қысымы 1950 жылға дейін Еуропада стандартталған жұмыс қысымы (WP) болды. 1975 жылдан бастап қазірге дейін, стандартты қысым – өрт сөндірушілерге тар, жеңіл баллондар қажет, өйткені шағын кеңістікте қимылдау керек; 1995 жылдан бастап WP баллондары қолданыла бастады (алғашқыда таза болаттан). Салмақты азайту қажеттілігі композиттік (талшық және матрицалық, қаптаманың үстінде) баллондардың әртүрлі буындарының пайда болуына әкелді, олар сыртқы соққыдан оңай зақымдалады. Сондықтан композиттік баллондар әдетте гидравликалық (сумен толтырылған) сынақ қысымына арналған, ол әдетте жұмыс қысымынан 50% жоғары болады.

Кемелік жіп

1990 жылға дейін жоғары қысымды баллондар конустық (түйінделген) бұрандамалармен жасалған. Өнеркәсіптік қолданыстағы толық металл баллондарда екі түрлі бұрандама басым болды. Түйінделген бұрандама (17E), (NPSM) параллель бұрандама, О-сақинамен герметикалық жабылады, алюминий баллондарда белгілі бір күшпен бекітіледі, ал AIAA металл қысымды ыдыс стандарты қысымды ыдыс конструкцияларының жарылудан бұрын ақау іздеуін немесе жарылудан бұрын ақау іздеуге қабілетсіз болса, шаршау мен сынуға қатысты қатаң талаптарға сәйкес келуін талап етеді.

Қауіпсіздік клапандары

Қысымға төзімді ыдыс белгілі бір қысымға есептелгендіктен, жұмыс істеу кезінде осы қысымның артығын болдырмау үшін әдетте қауіпсіздік клапаны немесе артық қысымды төмендету клапаны қарастырылады.

Қысымды ыдыстың жабылуы

Қысымды ыдыс жабулары – құбырларға, қысымды ыдыстарға, шошқа тұзақтарына, сүзгілерге және сүзгілеу жүйелеріне жылдам қол жеткізу үшін арналған, қысымды ұстап тұратын құрылымдар. Әдетте, қысымды ыдыс жабулары техникалық қызмет көрсетуші персоналға кіруге мүмкіндік береді. Көбінесе қолданылатын кіру тесігінің пішіні эллипстік болып келеді, бұл жабудың тесіктен өтуіне, жұмыс жағдайына бұрылуына және сыртқы жағындағы табанмен, орталық бұрандамен бекітіліп ұсталуына мүмкіндік береді. Ішкі қысым жүктеме кезінде оның кездейсоқ ашылуына кедергі келтіреді.

Қолданылуы

Қысымды ыдыстар өнеркәсіпте де, жеке секторда да түрлі салаларда қолданылады. Олар өнеркәсіптік қысылған ауа қабылдағыштары, қазандықтар және тұрмыстық ыстық су сақтау резервуарлары ретінде кездеседі. Қысымды ыдыстардың басқа мысалдары: суға бату цилиндрлері, қайта қысу камералары, дистилляция мұнаралары, қысым реакторлары, автоклавтар, сондай-ақ тау-кен жұмыстарындағы көптеген ыдыстар, мұнай өңдеу және мұнай-химия зауыттары, ядролық реактор ыдыстары, суасты және ғарыш кемелеріндегі тұру орындары, атмосфералық суға бату костюмдері, пневматикалық резервуарлар, қысым астындағы гидравликалық резервуарлар, теміржол көліктерінің пневматикалық тежегіш резервуарлары, автомобильдердің пневматикалық тежегіш резервуарлары, жоғары қысымдағы тұрақты газдар мен сұйытылған газдарды (аммиак, хлор және сұйытылған газ – пропан, бутан) сақтауға арналған ыдыстар. Қысымды ыдыстың ерекше қолданылуы – жолаушылар салоны: сыртқы қабық ұшақтың маневрлік жүктемесін де, кабинаның қысымын да көтере алады.

Өлшемін өзгерту

Қандай пішінде болса да, қысымды ыдыстың ең аз массасы оның қысымы мен көлеміне байланысты өседі және құрылыс материалының беріктігіне шаққандағы салмағына кері пропорционал (материалдың беріктігі артқан сайын ең аз масса кемиді).

Ыдыс қабырғаларындағы кернеуді масштабтау

Қысымды ыдыстар газ қысымына қарсы, ыдыс қабырғаларындағы созу күштері арқасында ұсталады. Контейнер қабырғаларындағы қалыпты (созу) кернеуі ыдыстың қысымы мен радиусына пропорционалды және қабырғалардың қалыңдығына кері пропорционалды. Сондықтан, қысымды ыдыстар қалыңдығы резервуар радиусымен және қысымымен пропорционалды, ал контейнер қабырғаларында қолданылатын материалдың рұқсат етілген ең жоғары қалыпты кернеуіне кері пропорционалды етіп жобаланады. Себебі (бірдей қысым болғанда) қабырғалардың қалыңдығы резервуар радиусына байланысты өседі, ал резервуардың массасы (цилиндрлі резервуар үшін ұзындығы, радиусы және қабырға қалыңдығының көбейтіндісі ретінде) ұсталған газдың көлемімен (ұзындығы мен радиус квадратының көбейтіндісі ретінде) пропорционалды. Дәл формула резервуар пішініне байланысты өзгереді, бірақ ыдыстың қысымы P және көлемі V-ге қоса материалдың тығыздығы ρ және рұқсат етілген ең жоғары кернеуі σ да әсер етеді. (Қабырғадағы кернеуге қатысты нақты теңдеулер төменде келтірілген.)

Газ сақтау

Бірінші теңдеуге қарағанда, СИ бірліктерімен алынған PV факторы (қысымдау) энергиясының бірліктерімен өлшенді. Сақталған газ үшін PV белгілі бір температурадағы газ массасына пропорционалды, сондықтан (газ заңына сәйкес). Басқа факторлар берілген ыдыстың пішіні мен материалы үшін тұрақты. Осыдан, қысымды ыдыстың массасы мен қысымдау энергиясының арақатынасы немесе қысымды ыдыстың массасы мен сақталған газ массасы арақатынасы тұрғысынан теориялық "өлшем тиімділігі" жоқ екенін көреміз. Газдарды сақтауда "қойма тиімділігі" қысымға тәуелсіз, кем дегенде бірдей температурада. Мысалы, ракетада гелийді (қысымды газ ретінде) сақтауға арналған ең жеңіл резервуардың стандартты дизайны ең төмен пішін тұрақтылығы үшін шар тәрізді камераны, ең жақсы нәтиже үшін көміртек талшығын және ең жақсы тиімділік үшін өте суық гелийді пайдаланады.

Көміртекті ыдыстардың бұрыштығы

Шексіз цилиндрлік пішіндерді оңтайлы орау үшін цилиндрлік оське қатысты 54,7 градус бұрышпен орау керек, себебі бұл шеңбер бойындағы күшті ұзындығы бойынша күштен екі есе артық қамтамасыз етеді.

Қалқаланған

Қазандықтар, қысылған ауа қабылдағыштары және темірден немесе болаттан жасалған басқа да қысымды ыдыстарды салудың стандартты әдісі, газ және электрлік дәнекерлеудің сенімді сапасы кеңінен таралғанға дейін, роликтеу және соғылған болат жақтарын бірге бұрандаудан тұрды. Көбінесе, жалғау бойында қосымша нығайту үшін тікпе-төс белдеулер қолданылды, ал бұрандаланған тігістерді, жақтардың жиектерін күңгір кескішпен деформациялау арқылы герметикаланды. Ыстық бұрандалар салқындағанда қысқарып, тығыз жалғау құрады.