Сосуды под давлением: Конструкция, безопасность и регулирование

Введение

Сосуд для газов или жидкостей под давлением

Сосуд под давлением – это контейнер, предназначенный для хранения газов или жидкостей под давлением, существенно отличающимся от атмосферного. Методы и материалы изготовления могут быть выбраны в соответствии с условиями применения давления и зависят от размера сосуда, его содержимого, рабочего давления, ограничений по массе и количества необходимых изделий. Сосуды под давлением могут быть опасными, и в истории их разработки и эксплуатации происходили аварии с летальным исходом. Следовательно, проектирование, изготовление и эксплуатация сосудов под давлением регулируются инженерными организациями на основании законодательных норм. По этой причине определение сосуда под давлением различается в разных странах. Проектирование включает в себя такие параметры, как максимальное безопасное рабочее давление и температура, коэффициент запаса прочности, припуск на коррозию и минимальная расчетная температура (для предотвращения хрупкого разрушения). Конструкция испытывается методами неразрушающего контроля, такими как ультразвуковой контроль, радиографический контроль и испытания давлением. Гидростатические испытания обычно проводят с использованием воды, а пневматические – с использованием воздуха или другого газа. Гидростатические испытания предпочтительнее, поскольку они более безопасны: в случае разрушения во время испытания выделяется значительно меньше энергии (вода незначительно увеличивает свой объем при быстром снижении давления, в отличие от газов, которые расширяются взрывообразно). При массовом или серийном производстве часто испытывают репрезентативную выборку до разрушения в контролируемых условиях для обеспечения качества. Предохранительные устройства могут быть установлены, если это существенно повышает общую безопасность системы. В большинстве стран сосуды, превышающие определенные размеры и давление, должны изготавливаться в соответствии с установленным кодексом. В Соединенных Штатах это ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC). В Европе – Директива по оборудованию, работающему под давлением. Информация на данной странице в основном соответствует требованиям ASME. Эти сосуды также требуют подписи уполномоченного инспектора на каждом вновь изготовленном сосуде, и каждый сосуд имеет паспорт с соответствующей информацией, такой как максимально допустимое рабочее давление, максимальная температура, минимальная расчетная температура металла, наименование компании-изготовителя, дата изготовления, регистрационный номер (через National Board) и официальный штамп Американского общества инженеров-механиков для сосудов под давлением (штамп U). Паспорт делает сосуд отслеживаемым и официально соответствующим кодексу ASME. Особое применение находят сосуды под давлением, предназначенные для пребывания людей, для которых действуют более строгие правила безопасности.

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.

История

Самый ранний задокументированный проект сосудов под давлением был описан в 1495 году в книге Леонардо да Винчи, Кодекс Мадрид I, в которой теоретизировались контейнеры с сжатым воздухом для подъема тяжелых грузов под водой. Однако сосуды, похожие на современные, появились только в 1800-х годах, когда пар вырабатывался в котлах, что способствовало развитию промышленной революции. Потребность в сосудах, способных выдерживать высокое давление и температуру, для нефтеперерабатывающих и химических заводов привела к созданию сосудов, соединяемых сваркой вместо заклепок (которые не подходили для требуемых давлений и температур), и в 1920-х и 1930-х годах BPVC включил сварку в качестве допустимого метода строительства; сварка является основным методом соединения металлических сосудов в настоящее время и является идеальной формой для удержания внутреннего давления. Сосуды под давлением также могут быть изготовлены из бетона (PCV) или других материалов, слабых на растяжение. Тросы, обмотанные вокруг сосуда или расположенные внутри его стенки, обеспечивают необходимое напряжение для противодействия внутреннему давлению. Внутренняя стенка сосуда футерована "герметичной стальной тонкой мембраной". Такие сосуды могут быть собраны из модульных элементов и поэтому "не имеют принципиальных ограничений по размеру". Благодаря большому количеству отдельных тросов, сопротивляющихся внутреннему давлению, также обеспечивается высокая степень резервирования. Очень маленькие сосуды, используемые для изготовления зажигалок, работающих на жидком бутане, подвергаются давлению около 2 бар, в зависимости от температуры окружающей среды. Эти сосуды часто имеют овальное (1 x 2 см, 1,3 x 2,5 см) или иногда круглое поперечное сечение. Овальные версии обычно включают один или два внутренних натяжных стержня, которые выглядят как перегородки, но также обеспечивают дополнительную прочность цилиндра.

Рабочее давление

Типичные цилиндрические баллоны высокого давления для постоянных газов (которые не сжижаются при давлении хранения, такие как воздух, кислород, азот, водород, аргон, гелий) изготавливаются методом горячей штамповки, включающей прессование и прокатку, для получения бесшовного стального сосуда. Рабочее давление баллонов, используемых в промышленности, ремесленном производстве, дайвинге и медицине, было стандартизировано в Европе примерно до 1950 года. С 1975 года и по настоящее время стандартным давлением является. Пожарным необходимы тонкие и легкие баллоны для передвижения в ограниченных пространствах; с 1995 года стали использоваться баллоны для WP (первые были изготовлены из чистой стали). Спрос на снижение веса привел к разработке различных поколений композитных баллонов (волокно и матрица поверх вкладыша), которые более подвержены повреждениям при внешнем воздействии. Поэтому композитные баллоны обычно изготавливаются для гидравлического испытания под давлением, которое обычно на 50% выше рабочего давления.

Шнур для судна

До 1990 года цилиндры высокого давления производились с конической (сужающейся) резьбой. Два типа резьбы доминировали в полнометаллических цилиндрах, используемых в промышленности, в больших объемах. Коническая резьба (17E) и параллельная резьба (NPSM), герметизированная уплотнительным кольцом, затягиваемая с определенным моментом на алюминиевых цилиндрах, а также стандарт AIAA для металлических сосудов под давлением, либо требуют, чтобы конструкции сосудов под давлением демонстрировали утечку перед разрушением, либо предъявляют более строгие требования к усталостной прочности и сопротивлению разрушению, если не доказано, что они демонстрируют утечку перед разрушением.

Защитные клапаны

Поскольку сосуд рассчитан на определенное давление, обычно в нем устанавливают предохранительный клапан или клапан сброса давления для предотвращения превышения этого давления во время эксплуатации.

Закрытие сосудов под давлением

Закрытия сосудов под давлением – это конструкции, удерживающие давление, предназначенные для обеспечения быстрого доступа к трубопроводам, сосудам под давлением, фильтрам-уловителям, фильтрам и системам фильтрации. Как правило, закрытия сосудов под давлением обеспечивают доступ для персонала, осуществляющего техническое обслуживание. Распространенной формой отверстия для доступа является эллипс, позволяющий пропустить закрытие через отверстие, повернуть его в рабочее положение и зафиксировать снаружи при помощи перекладины, закрепленной центральным болтом. Внутреннее давление предотвращает случайное открытие закрытия под нагрузкой.

Применение

Сосуды под давлением используются в самых разных областях промышленности и в частном секторе. Они применяются в качестве промышленных ресиверов сжатого воздуха, котлов и накопительных водонагревателей. К другим примерам сосудов под давлением относятся баллоны для дайвинга, барокамеры, дистилляционные колонны, реакторы высокого давления, автоклавы, а также множество сосудов, используемых в горнодобывающей промышленности, на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах, ядерных реакторах, в подводных лодках и космических кораблях, атмосферных скафандрах, пневматических аккумуляторах, гидравлических аккумуляторах под давлением, ресиверах воздушных тормозов железнодорожного транспорта, ресиверах воздушных тормозов автомобильного транспорта и емкостей для хранения газов под высоким давлением и сжиженных газов, таких как аммиак, хлор и сжиженный углеводородный газ (пропан, бутан). Уникальным применением сосуда под давлением является пассажирская кабина самолета: внешняя обшивка воспринимает как нагрузки, возникающие при маневрировании самолета, так и нагрузки от герметизации кабины.

Масштабирование

Независимо от формы, минимальная масса сосуда, работающего под давлением, определяется его давлением и объемом и обратно пропорциональна отношению прочности к весу материала конструкции (минимальная масса уменьшается с ростом прочности).

Скалирование напряжения в стенках сосуда

Сосуды под давлением удерживаются от воздействия давления газа за счет сил растяжения в стенках контейнера. Нормальное (растягивающее) напряжение в стенках контейнера пропорционально давлению и радиусу сосуда и обратно пропорционально толщине стенок. Следовательно, сосуды под давлением проектируются с толщиной стенок, пропорциональной радиусу резервуара и давлению в резервуаре, и обратно пропорциональной максимально допустимому нормальному напряжению используемого материала стенок. Поскольку (при заданном давлении) толщина стенок изменяется пропорционально радиусу резервуара, масса резервуара (которая для цилиндрического резервуара определяется произведением длины, радиуса и толщины стенки) изменяется пропорционально объему удерживаемого газа (который определяется произведением длины и радиуса в квадрате). Точная формула зависит от формы резервуара, но определяется плотностью ρ, максимально допустимым напряжением σ материала, а также давлением P и объемом V сосуда. (Точные уравнения для расчета напряжения в стенках приведены ниже.)

Хранение газа

При рассмотрении первого уравнения, фактор PV, в единицах СИ, выражен в единицах энергии наддува. Для сжатого газа PV пропорциональна массе газа при заданной температуре, таким образом (см. газовый закон). Другие факторы постоянны для заданной формы и материала сосуда. Следовательно, мы можем видеть, что не существует теоретической "эффективности масштаба" с точки зрения соотношения массы сосуда под давлением к энергии наддува или массы сосуда под давлением к массе сжатого газа. Для хранения газов "эффективность объема резервуара" не зависит от давления, по крайней мере при одинаковой температуре. Так, например, типичная конструкция резервуара минимальной массы для хранения гелия (в качестве рабочего газа) на ракете будет использовать сферическую камеру для минимизации константы формы, углеродное волокно для достижения наилучших возможных характеристик и очень холодный гелий для достижения наилучших возможных характеристик.

Угол обмотки сосудов из углеродных волокон

Бесконечно длинные цилиндрические поверхности оптимально обматываются под углом 54,7 градуса к оси цилиндра, поскольку это обеспечивает вдвое большую прочность в окружном направлении по сравнению с продольным.

С резьбой

Стандартным методом изготовления котлов, ресиверов сжатого воздуха и других сосудов, работающих под давлением, из железа или стали до широкого распространения газовой и электрической сварки надёжного качества, было соединение клепаными листами, которые прокатывались и выковывались в нужную форму, а затем скреплялись клепками, часто с использованием нахлёстных полос вдоль соединений, и законопачивались вдоль клепаных швов путём деформации краев нахлёста тупым зубилом. Горячая заклепка вызывала сжатие клепок при остывании, обеспечивая более плотное соединение.