Сосуд под давлением

редактировать

Емкость, предназначенная для хранения газов или жидкостей под давлением, существенно отличным от давления окружающей среды

Сосуд под давлением, построенный из горизонтального стальная труба.

A сосуд высокого давления - это контейнер, предназначенный для хранения газов или жидкостей при давлении, существенно отличном от давления окружающей среды.

Давление суда могут быть опасными, и в истории их развития 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.

Расчет включает такие параметры, как максимальное безопасное рабочее давление и температура, коэффициент безопасности, допуск на коррозию и минимальную расчетную температуру (для хрупкого разрушения). Конструкция испытывается с помощью неразрушающего контроля, такого как ультразвуковой контроль, радиография и испытания под давлением. В гидростатических испытаниях используется вода, а в пневматических испытаниях - воздух или другой газ. Гидростатические испытания предпочтительнее, потому что это более безопасный метод, поскольку в случае разрушения во время испытания выделяется гораздо меньше энергии (вода не быстро увеличивает свой объем при быстрой разгерметизации, в отличие от таких газов, как воздух, которые разрушаются со взрывом).

В большинстве стран сосуды более определенного размера и давления должны быть построены в соответствии с официальными правилами. В Соединенных Штатах этот код - Кодекс ASME по котлам и сосудам высокого давления (BPVC). В Европе код - Директива по оборудованию, работающему под давлением. Информация на этой странице в основном действительна только в ASME. 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 его изготовила, дата., его регистрационный номер (через Национальный совет) и официальный штамп ASME для сосудов под давлением (U-штамп). Паспортная табличка делает сосуд отслеживаемым и официально соответствует сосуду с кодом ASME.

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

Содержание

1 История
2 Характеристики
- 2.1 Форма
- 2.2 Конструкционные материалы
  - 2.2.1 Рабочее давление
  - 2.2.2 Резьба емкости
  - 2.2.3 Разработка композита сосуды
- 2.3 Устройства безопасности
  - 2.3.1 Утечка перед разрывом
  - 2.3.2 Предохранительные клапаны
- 2.4 Функции обслуживания
  - 2.4.1 Затворы резервуаров высокого давления
3 Использование
4 Альтернативы
5 Конструкция
- 5.1 Масштабирование
  - 5.1.1 Масштабирование напряжений в стенках сосуда
  - 5.1.2 Сферический сосуд
  - 5.1.3 Цилиндрический сосуд с полусферическими концами
  - 5.1.4 Цилиндрический сосуд с полуэллиптические концы
  - 5.1.5 Хранение газа
- 5.2 Напряжение в тонкостенных сосудах высокого давления
- 5.3 Угол намотки сосудов из углеродного волокна
6 Рабочие стандарты
- 6.1 Список стандартов
7 См. Также
8 Примечания
9 Ссылки
10 Дополнительная литература
11 Внешние ссылки

История

Сосуд высокого давления на 10 000 фунтов на кв. Дюйм (69 МПа) 1919 г., обернутый стальной лентой с высокой прочностью на разрыв и стальные стержни для крепления торцевых крышек.

Самая ранняя задокументированная конструкция o Сосуды под давлением были описаны в 1495 году в книге Леонардо да Винчи «Мадридский кодекс I», где теоретически предполагалось, что контейнеры со сжатым воздухом могут поднимать тяжелые грузы под водой. Однако сосуды, подобные тем, которые используются сегодня, не появлялись до 1800-х годов, когда пар генерировался в котлах, помогая стимулировать промышленную революцию. 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 смертельных взрывов, причем гибель людей в США происходила почти ежедневно. Состояния. Местные провинции и штаты в США начали вводить правила для строительства этих судов после того, как произошли некоторые особенно разрушительные аварии судов, в результате которых погибли десятки людей за 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, начиная с Кодекса ASME по котлам и сосудам высокого давления (BPVC). На начальных этапах разработки резервуара, способного 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 двумя слоями стальной проволоки с высокой прочностью на разрыв. предотвращают разрыв боковин, а торцевые заглушки в продольном направлении усилены продольными высокопрочными стержнями. 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; Сегодня сварка является основным средством соединения металлических сосудов.

В области проектирования сосудов высокого давления было сделано много достижений, таких как расширенный неразрушающий контроль, ультразвуковые испытания с фазированной решеткой и радиография, новые марки материалов с повышенной коррозией сопротивление и более прочные материалы, а также новые способы соединения материалов, такие как сварка взрывом, сварка трением с перемешиванием, передовые теории и средства более точной оценки напряжений, возникающих в сосудах, например, при использовании Анализ методом конечных элементов, позволяющий строить суда более безопасно и эффективно. Сегодня суда в США требуют штампа 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.

Характеристики

Форма

Сосуды под давлением теоретически могут иметь почти любую форму, но обычно используются формы, состоящие из секций сфер, цилиндров и конусов. Распространенной конструкцией является цилиндр с торцевыми крышками, называемый 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 сконструировать.

Сферический газовый баллон.
Цилиндрический сосуд высокого давления.
Изображение дна аэрозольного баллончика.
Огнетушитель с сосудом высокого давления с закругленными углами

Теоретически сферический сосуд высокого давления имеет примерно вдвое большую прочность, чем цилиндрический сосуд высокого давления с такой же толщиной стенок, и является идеальной формой для выдерживания внутреннего давления. 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. Меньшие сосуды под давлением собираются из трубы и двух крышек. Для цилиндрических сосудов диаметром до 600 мм (NPS 24 дюйма) можно использовать бесшовную трубу для оболочки, что позволяет избежать многих проблем, связанных с проверками 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), давление 250 бар (3600 psi ). сосуд может иметь диаметр 91,44 см (36 дюймов) и длину 1,7018 м (67 дюймов), включая полуэллиптические куполообразные торцевые крышки 2: 1.

Конструкционные материалы

Композитный сосуд высокого давления с титановой гильзой.

Многие сосуды высокого давления сделаны 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 высокого давления изготовлены из композитных материалов, таких как композит с намотанной 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 сантехнике.

Сосуды высокого давления могут быть облицованы различными металлами, керамикой или полимерами для предотвращения утечки и защиты конструкции сосуда от окружающей среды. Эта облицовка также может нести значительную часть нагрузки от давления.

Сосуды под давлением также могут быть построены из бетона (PCV) или других материалов, которые являются слабыми при растяжении. Кабели, намотанные вокруг сосуда, внутри стены или самого сосуда, обеспечивают необходимое натяжение, чтобы противостоять внутреннему давлению. «Тонкая герметичная стальная мембрана» покрывает внутреннюю стенку сосуда. Такие сосуды могут быть собраны из модульных частей и, следовательно, «не имеют ограничений по размеру». Также существует высокий уровень резервирования благодаря большому количеству отдельных кабелей, устойчивых к внутреннему давлению.

Очень маленькие емкости, 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.

Ссылка на изображение газового баллона из углеродного волокна с деталями конструкции
Ссылка на изображение кислородного баллона из углеродного волокна для промышленного дыхательного комплекта

Рабочий давление

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 горячей штамповкой путем прессования и прокатка для получения цельнотянутого стального сосуда.

Рабочее давление баллонов для использования в промышленности, ремеслах, 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 кв. дюйм). Пожарным нужны тонкие и легкие баллоны для передвижения в ограниченном пространстве; примерно с 1995 года использовались цилиндры WP на 300 бар (4400 фунтов на кв. дюйм) (сначала из чистой стали).

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

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

Резьба сосуда

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), с конической правой резьбой 12%, стандартная форма Витворта 55 ° с шагом 14 витков на дюйм (5,5 витков на см) и делительным диаметром на верхней резьбе цилиндра 18,036 миллиметра (0,71 дюйма). Эти соединения герметизированы с помощью резьбовой ленты и затянуты с моментом затяжки от 120 до 150 ньютон-метр (89 и 111 фунт-сила-фут) на стальных цилиндрах и от 75 до 140 Нм (55 и 103 фунт-сила-фут). на алюминиевых баллонах. Для ввинчивания клапана обычно требуется высокий крутящий момент 200 Н · м (150 фунт-сила-фут) для большей конической резьбы 25E 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 PTFE -лента используется, чтобы избежать использования свинца.

Коническая резьба обеспечивает простой монтаж, но требует большого крутящего момента для соединения и приводит к высоким радиальным силам в горловине емкости. Все цилиндры рассчитаны на рабочее давление 300 бар (4400 фунтов на квадратный дюйм), все водолазные цилиндры и все композитные цилиндры имеют параллельную резьбу.

Параллельная резьба выполняется в соответствии с несколькими стандартами:

M25x2 Параллельная резьба ISO, которая закрывается уплотнительным кольцом и затягивается с моментом затяжки от 100 до 130 Н · м (от 74 до 96 фунтов-силы Футов) на стальных и от 95 до 130 Н · м (от 70 до 96 фунт-футов) на алюминиевых цилиндрах;
параллельная резьба M18x1,5, которая закрывается уплотнительным кольцом и затягивается до 100 до 130 Н · м (от 74 до 96 фунт-сила⋅ футов) на стальных цилиндрах и от 85 до 100 Н · м (от 63 до 74 фунт-сил⋅ футов) на алюминиевых цилиндрах;
3/4 дюйма x14 Параллельная резьба BSP, имеющая форму резьбы Витворта 55 °, средний диаметр 25,279 мм (0,9952 дюйма) и шаг 14 витков на дюйм (1,814 мм);
3/4 дюйма x14 (NPSM) параллельная резьба, уплотненная уплотнительным кольцом, затянутая с моментом затяжки от 40 до 50 Н · м (от 30 до 37 фунт-сила-фут) на алюминиевых цилиндрах, форма резьбы 60 °, делительный диаметр от 0,9820 до 0,9873 дюйма ( От 24,94 до 25,08 мм), с шагом 14 ниток на дюйм (5,5 ниток на см);
3/4 дюйма x16 UNF, уплотнено уплотнительным кольцом, с моментом затяжки 40 до 50 Н · м (от 30 до 37 фунт-сила-фут) на алюминиевом диске
7/8 "x14 UNF, уплотнено уплотнительным кольцом.

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

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

Разработка композитных сосудов

Для классификации различных принципов изготовления композитных баллонов определены 4 типа.

Тип 1 - Цельнометаллический: Цилиндр полностью сделан из металла.
Тип 2 - Обруч в виде кольца: Металлический цилиндр, усиленный ленточным обручем из волокнистого материала. Сферическое дно и головка цилиндрического цилиндра выдерживают по геометрическим причинам вдвое большее давление, чем цилиндрическая оболочка (предполагается, что толщина металлической стенки одинакова).
Тип 3 - Полностью завернутый, поверх металлического вкладыша: Намотанные по диагонали волокна образуют устойчивая к давлению стенка даже внизу и вокруг металлической шейки. Металлическая футеровка тонкая и делает сосуд газонепроницаемым.
Тип 4 - Полностью обернутый, поверх неметаллической футеровки: Типичная легкая футеровка из термопласта создает (очень) газонепроницаемый барьер, а (несколько надутый)) бобина для обертывания волокон и матрицы (полиэфирная или эпоксидная смола). Только шейка и ее анкерный фитинг к гильзе по-прежнему изготовлены из металла, легкого алюминия или прочной нержавеющей стали.

Цилиндры типов 2 и 3 появились примерно в 1995 году. Цилиндры типа 4 коммерчески доступны по крайней мере с 2016 года.

Устройства безопасности

Утечка перед разрывом

Утечка перед разрывом описывает сосуд высокого давления, сконструированный таким образом, что трещина в резервуаре будет прорастать сквозь стенку, позволяя содержащейся жидкости выйти и снижение давления до того, как оно станет настолько большим, чтобы вызвать разрыв при рабочем давлении.

Многие стандарты сосудов высокого давления, включая Кодекс ASME по котлам и сосудам высокого давления и стандарт AIAA для металлических сосудов высокого давления, либо требуют, чтобы конструкции сосудов высокого давления были герметичными перед взрывом, либо требуют, чтобы сосуды высокого давления соответствовали более строгим требованиям для усталость и разрушение, если не обнаружено утечки перед разрывом.

Предохранительные клапаны

Пример клапана, используемого для газовых баллонов.

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

Особенности обслуживания

Затворы для сосудов высокого давления

Затворы для 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 закрытие сосудов под давлением позволяет обслуживающему персоналу. 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 случайное открывание под нагрузкой.

Использует

Судно СПГ с четырьмя сосудами высокого давления для сжиженного природного газа.

Консервированный H.K. Porter, Inc. Нет. 3290 из 1923, приводимые в действие сжатым воздухом, хранящимся в горизонтальном клепаном сосуде высокого давления

Сосуды высокого давления используются во множестве применений как в промышленности, так и в частном секторе. В этих секторах они представлены в виде промышленных ресиверов сжатого воздуха и резервуаров для хранения горячей воды. Другими примерами сосудов под давлением являются водолазные баллоны, камеры повторного сжатия, дистилляционные башни, реакторы высокого давления, автоклавы, и многие другие суда на горнодобывающих предприятиях, нефтеперерабатывающих заводах и нефтехимических заводах, судах с ядерными реакторами, подводных лодках и космический корабль обитания, пневматические резервуары, гидравлические резервуары под давлением, резервуары аэродинамического тормоза железнодорожных транспортных средств, резервуары аэродинамического тормоза автотранспортных средств и резервуары для хранения сжиженных газов, таких как аммиак, хлор и сжиженный нефтяной газ (пропан, бутан ).

Уникальное применение сосуда высокого давления - это пассажирский салон авиалайнера: внешняя обшивка несет как нагрузки при маневрировании самолета, так и нагрузки герметизации кабины .

Напорный бак, подключенный к колодцу и системе горячего водоснабжения.
Несколько резервуаров высокого давления, здесь используемых для хранения пропана.
Резервуар высокого давления, используемый как kier.
Резервуар высокого давления, используемый для космического корабля CST-100 компании Boeing.

Альтернативы

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

Системы с гравитационным регулированием, которые обычно состоят из негерметичного резервуара для воды 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). Водопроводная или перекачиваемая вода обычно составляет около 90 фунтов на квадратный дюйм (620 кПа).
или чувствительные к давлению насосы.

Конструкция

Масштабирование

Независимо от того, какую форму он принимает, минимальная масса сосуда высокого давления зависит от давления и объема, в котором он находится, и обратно пропорциональна отношению прочности к весу строительного материала (минимальная масса уменьшается по мере увеличения силы).

Масштабирование напряжения в стенках сосуда

Сосуды под давлением удерживаются вместе против давления газа из-за растягивающих сил внутри стенок сосуда. Нормальное (растягивающее) напряжение в стенках емкости пропорционально давлению и радиусу емкости и обратно пропорционально толщине стенок. Следовательно, сосуды высокого давления имеют толщину, пропорциональную радиусу резервуара и давлению в резервуаре 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) с объемом удерживаемого газа (который 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 емкости. (См. Ниже точные уравнения для напряжения в стенках.)

Сферический сосуд

Для сферы минимальная масса сосуда высокого давления составляет

M = 3 2 PV ρ σ {\ displaystyle M = {3 \ over 2} PV {\ rho \ over \ sigma}}

M={3 \over 2}PV{\rho \over \sigma }

где:

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

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

Цилиндрический сосуд с полусферическими концами

Иногда его называют «пулей» из-за его формы, хотя с геометрической точки зрения это капсула.

Для цилиндра с полусферическими концами,

M знак равно 2 π R 2 (R + W) п ρ σ {\ displaystyle M = 2 \ pi R ^ {2} (R + W) P {\ rho \ over \ sigma}}

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)

Цилиндрический резервуар с полуэллиптическими концами

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

M = 6 π R 3 P ρ σ {\ displaystyle M = 6 \ pi R ^ {3} P {\ rho \ over \ sigma}}

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

Хранение газа

Рассматривая первое уравнение, коэффициент PV в единицах СИ выражается в единицах энергии (давления). Для хранимого газа PV пропорционален массе газа при заданной температуре, таким образом,

M = 3 2 n RT ρ σ {\ displaystyle M = {3 \ over 2} nRT {\ rho \ over \ sigma} }

M={3 \over 2}nRT{\rho \over \sigma }

. (см. газовый закон )

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

Так, например, типичная конструкция резервуара минимальной массы чтобы удерживать гелий (в качестве газа под давлением) на ракете, необходимо использовать сферическую камеру для минимальной постоянной формы, углеродное волокно для наилучшего возможного $ρ / σ {\ displaystyle \ rho / \ sigma}$ $\rho /\sigma$ и очень холодный гелий для наилучшего возможного $M / p V {\ displaystyle M / {pV}}$ $M/{pV}$ .

Напряжение в тонкостенных сосудах под давлением

Напряжение в мелкослойной стенка сосуда высокого давления в форме сферы

σ θ = σ long = pr 2 t {\ displaystyle \ sigma _ {\ theta} = \ sigma _ {\ rm {long}} = {\ frac {pr} {2t}}}

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

где $σ θ {\ displaystyle \ sigma _ {\ the ta}}$ $\sigma _{\theta }$ - кольцевое напряжение или напряжение в окружном направлении, $σ long {\ displaystyle \ sigma _ {long}}$ $\sigma _{{long}}$ - напряжение в продольном направлении, p - внутреннее манометрическое давление, r - внутренний радиус сферы, t - толщина стенки сферы. Сосуд можно считать «мелкостенным», если его диаметр как минимум в 10 раз (иногда указывается как 20 раз) превышает глубину стенки.

Напряжение в корпусе цилиндра сосуда высокого давления.

Напряжение в корпусе Сосуд высокого давления с мелкими стенками в форме цилиндра имеет размер

σ θ = prt {\ displaystyle \ sigma _ {\ theta} = {\ frac {pr} {t}}}

\sigma _{\theta }={\frac {pr}{t}}

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

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

где:

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

Практически все стандарты проектирования сосудов высокого давления содержат вариации этих двух формул с дополнительные эмпирические условия для учета вариаций напряжений по толщине, контроль качества сварных швов и в процессе эксплуатации коррозия припуски. Все приведенные выше формулы предполагают равномерное распределение мембранных напряжений по толщине оболочки, но на самом деле это не так. Более глубокий анализ дает теория Ламе. Формулы стандартов проектирования сосудов высокого давления являются расширением теории Ламе, устанавливая некоторые ограничения на соотношение внутреннего радиуса и толщины.

Например, формулы Кодекса ASME по котлам и сосудам высокого давления (BPVC) (UG-27):

Сферические оболочки: толщина должна быть меньше 0,356 раза внутренний радиус

σ θ = σ long = p (r + 0,2 t) 2 t E {\ displaystyle \ sigma _ {\ theta} = \ sigma _ {\ rm {long}} = {\ frac {p (r + 0,2t)} {2tE}}}

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

Цилиндрические оболочки: толщина должна быть меньше 0,5 внутреннего радиуса

σ θ = p (r + 0,6 t) t E {\ displaystyle \ sigma _ {\ theta } = {\ frac {p (r + 0,6t)} {tE}}}

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

σ long = p (r - 0,4 t) 2 t E {\ displaystyle \ sigma _ {\ rm {long}} = { \ frac {p (r-0.4t)} {2tE}}}

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

где E - совместная эффективность, а все другие переменные, как указано выше.

Коэффициент запаса прочности также часто включается в эти формулы, в случае ASME BPVC этот термин включается в значение напряжения материала при решении для давления или толщины.

Угол намотки сосудов из углеродного волокна

Намотка бесконечной цилиндрической формы оптимально принимает угол намотки 54,7 градуса, так как это дает необходимое удвоение прочности в продольном направлении по окружности.

Стандарты эксплуатации

Сосуды под давлением предназначены для безопасной работы при определенном давлении и температуре, которые технически называются «Расчетным давлением» и «Расчетной температурой». Сосуд, который не предназначен для работы с высоким давлением, представляет собой очень серьезную угрозу безопасности. По этой причине проектирование и сертификация сосудов под давлением регулируется такими конструктивными нормами, как Кодекс ASME по котлам и сосудам высокого давления в Северной Америке, Директива по оборудованию, работающему под давлением из ЕС (PED), Японский промышленный стандарт (JIS), CSA B51 в Канаде, Австралийские стандарты в Австралии и др. международные стандарты например 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 сжимаемая часть, такая как газ.

Список стандартов

EN 13445 : текущий европейский стандарт, гармонизированный с Директивой по оборудованию, работающему под давлением (97/23 / EC). Широко используется в Европе.
Кодекс ASME по котлам и сосудам высокого давления Раздел VIII: Правила строительства сосудов под давлением.
BS 5500 : бывший британский стандарт, замененный в Великобритании на BS EN 13445, но сохранен под названием PD 5500 для проектирования и изготовления экспортного оборудования.
AD Merkblätter: немецкий стандарт, гармонизированный 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 : Спецификация для проектирования и изготовления сосудов и резервуаров в армированные пластмассы.
ASME PVHO: стандарт США для сосудов высокого давления для людей.
CODAP: Французские правила строительства необожженных сосудов высокого давления.
AS / NZS 1200 : Австралия и Новая Зеландия Стандарт требований к оборудованию, работающему под давлением, включая сосуды, работающие под давлением, котлы и напорные трубопроводы.
AS 1210: Австралийский стандарт для проектирования и эксплуатации. Конструкция сосудов под давлением
AS / NZS 3788 : Стандарт Австралии и Новой Зеландии для проверки сосудов под давлением
API 510.
ISO 11439: Сжатый природный газ (CNG) баллоны
IS 2825-1969 (RE1977) _code_unfired_Pressure_vessels.
Резервуары и сосуды FRP.
AIAA S-080-1998: Стандарт AIAA для космических систем - металлические сосуды под давлением Конструкции и компоненты, работающие под давлением.
AIAA S-081A-2006: Стандарт AIAA для космических систем - Композитные сосуды под давлением с внешней оболочкой (COPV).
ECSS-E-ST -32-02C Rev.1: Космическая техника - Конструктивное проектирование и проверка оборудования, работающего под давлением
B51-09 Кодекс канадских котлов, сосудов высокого давления и трубопроводов высокого давления.
Руководящие принципы HSE для систем давления.
Stoomwezen: бывший кодекс сосудов под давлением в Нидерландах, также известный как RToD: Regels voor Toestellen onder Druk (Голландские правила для сосудов под давлением).

См. Также

Инструмент для трубок
Американское общество Механический двигатель neers (ASME)
Газ в баллонах - Вещества, находящиеся в газообразном состоянии при стандартной температуре и давлении, сжимаемые и хранящиеся в газовых баллонах
Композитный сосуд высокого давления с внешней оболочкой - Сосуд, состоящий из тонкий, не являющийся конструктивным вкладыш, обернутый структурным волокнистым композитом, предназначенный для удержания жидкости под давлением
Накопитель энергии на сжатом воздухе
Сжатый природный газ
Демистер
Пожаротрубный котел
Газовый баллон - Цилиндрический резервуар для хранения сжатого газа
Прокладка - Тип торцевого уплотнения
Головка (резервуар) - Торцевая крышка на резервуаре высокого давления цилиндрической формы
Минимальная расчетная температура металла (MDMT)
Сепаратор пара и жидкости или выталкивающий барабан
напорная бомба Шоландера - устройство для измерения потенциала воды в листе
Сбор дождевой воды - Накопление дождевой воды для повторного использования
Предохранительный клапан
Предохранительный клапан - Устройство для сброса избыточного давления в системе
Кожухотрубный теплообменник
Vortex brea ker
Колодец
Водотрубный котел

Примечания

Ссылки

A.C. Угурал, С. Fenster, Advanced Strength and Applied Elasticity, 4th ed.
E.P. Popov, Engineering Mechanics of Solids, 1st ed.
Megyesy, Eugene F. "Pressure Vessel Handbook, 14th Edition." PV Publishing, Inc. Oklahoma City, OK