Basınçlı kap - Pressure vessel

Kubbeli uçlu yatay bir silindir olarak yapılmış kaynaklı bir çelik basınçlı kap. Bir uçta bir erişim kapağı ve alt merkezde bir tahliye vanası görülebilir.

Bir basınçlı kap , bir de tutma gazlar ya da sıvılar için tasarlanmış bir kaptır basınç büyük ölçüde farklı çevre basıncı .

Uygulamaya uyacak şekilde yapım yöntemleri ve malzemeleri seçilebilir ve bunlar, kabın boyutuna, içeriğine, çalışma basıncına, kütle kısıtlamalarına ve gereken parça sayısına bağlı olacaktır.

Basınçlı kaplar tehlikeli olabilir ve gelişim ve işletim tarihlerinde ölümcül kazalar meydana gelmiştir. Sonuç olarak, basınçlı kap tasarımı, üretimi ve işletimi, mevzuatla desteklenen mühendislik otoriteleri tarafından düzenlenir. Bu nedenlerle basınçlı kap tanımı ülkeden ülkeye değişmektedir.

Tasarım, maksimum güvenli çalışma basıncı ve sıcaklığı, güvenlik faktörü , korozyon payı ve minimum tasarım sıcaklığı (kırılgan kırılma için) gibi parametreleri içerir . Yapı, ultrasonik test , radyografi ve basınç testleri gibi tahribatsız testler kullanılarak test edilir . Hidrostatik basınç testleri genellikle su kullanır, ancak pnömatik testler hava veya başka bir gaz kullanır. Hidrostatik test, daha güvenli bir yöntem olduğu için tercih edilir, çünkü test sırasında bir kırılma meydana gelirse çok daha az enerji açığa çıkar (patlayarak genişleyen gazların aksine, hızlı basınç düşürme meydana geldiğinde su hacmini büyük ölçüde artırmaz). Kitlesel veya toplu üretim ürünlerinde genellikle kalite güvencesi için kontrollü koşullarda imha için test edilen temsili bir numune bulunur. Sistemin genel güvenliği yeterince arttırılmışsa, basınç tahliye cihazları takılabilir.

Çoğu ülkede, belirli bir boyut ve basıncın üzerindeki gemiler resmi bir koda göre inşa edilmelidir. Amerika Birleşik Devletleri'nde bu kod ASME Kazan ve Basınçlı Kap Kodudur (BPVC) . Avrupa'da kod, Basınçlı Ekipman Direktifidir . Bu sayfadaki bilgiler çoğunlukla yalnızca ASME'de geçerlidir. Bu gemiler ayrıca, inşa edilen her yeni gemiyi imzalamak için yetkili bir müfettiş gerektirir ve her gemide, gemi hakkında izin verilen maksimum çalışma basıncı, maksimum sıcaklık, minimum tasarım metal sıcaklığı, hangi şirketin ürettiği, tarih gibi ilgili bilgileri içeren bir isim plakası bulunur. , kayıt numarası (Ulusal Kurul aracılığıyla) ve American Society of Mechanical Engineers'ın basınçlı kaplar için resmi damgası (U-damgası). İsim plakası, gemiyi izlenebilir ve resmi olarak bir ASME Kodu gemisi yapar.

Özel bir uygulama, daha sıkı güvenlik kurallarının geçerli olduğu, insanların kullanımına yönelik basınçlı kaplardır .

Tarih

Uç kapakları sabitlemek için yüksek gerilimli çelik bant ve çelik çubuklarla sarılmış, 1919'dan kalma 10.000 psi (69 MPa) basınçlı kap.

Basınçlı kapların belgelenmiş en eski tasarımı, 1495'te Leonardo da Vinci'nin Codex Madrid I kitabında, su altında ağır ağırlıkları kaldırmak için basınçlı hava kaplarının teorileştirildiği kitapta açıklanmıştır. Ancak günümüzde kullanılanlara benzer gemiler, 1800'lü yıllara kadar, kazanlarda buhar üretilerek sanayi devrimini teşvik etmeye yardımcı olana kadar ortaya çıkmadı . Bununla birlikte, yetersiz malzeme kalitesi ve üretim teknikleri ile birlikte yanlış tasarım, çalıştırma ve bakım bilgisi nedeniyle, bu kazanlar ve basınçlı kaplarla ilişkili çok sayıda zarar verici ve genellikle ölümcül patlamalar meydana geldi ve Birleşik Devletler'de neredeyse her gün bir ölüm meydana geldi. Devletler. ABD'deki yerel eyaletler ve eyaletler, bir seferde düzinelerce insanı öldüren bazı özellikle yıkıcı gemi arızaları meydana geldikten sonra bu gemileri inşa etmek için kurallar çıkarmaya başladılar ve bu da üreticilerin bir yerden diğerine değişen kurallara uymasını zorlaştırdı. İlk basınçlı kap kodu, 1911'den başlayarak geliştirildi ve 1914'te, ASME Kazan ve Basınçlı Kap Kodundan (BPVC) başlayarak yayınlandı . 10.000 psi'ye (69 MPa) kadar basınca dayanabilen bir tank tasarlamak için erken bir çabada, 1919'da 6 inç (150 mm) çapında bir tank geliştirildi. yan duvar yırtılmasını önler ve uç kapaklar uzunlamasına yüksek gerilimli çubuklarla uzunlamasına takviye edilir. Petrol rafinerileri ve kimya fabrikaları için yüksek basınçlı ve sıcaklıklı kaplara duyulan ihtiyaç, perçinler (gerekli basınç ve sıcaklıklar için uygun olmayan) yerine kaynakla birleştirilmiş kaplara yol açtı ve 1920'lerde ve 1930'larda BPVC, kaynağı kabul edilebilir bir araç olarak dahil etti. yapı; kaynak, bugün metal kapları birleştirmenin ana yoludur.

Basınçlı kap mühendisliği alanında gelişmiş tahribatsız muayene, aşamalı dizi ultrasonik test ve radyografi, artan korozyon direncine ve daha güçlü malzemelere sahip yeni malzeme sınıfları ve patlama kaynağı , sürtünme gibi malzemeleri birleştirmenin yeni yolları gibi birçok ilerleme olmuştur. Karıştırma kaynağı , gelişmiş teoriler ve kaplarda karşılaşılan gerilimleri daha doğru bir şekilde değerlendirme araçları, örneğin Sonlu Eleman Analizi kullanımı ile kapların daha güvenli ve daha verimli bir şekilde inşa edilmesini sağlar. Bugün, ABD'deki gemiler BPVC damgası gerektiriyor, ancak BPVC sadece yerel bir kod değil, diğer birçok ülke BPVC'yi resmi kodu olarak benimsedi. Ancak Japonya, Avustralya, Kanada, İngiltere ve Avrupa gibi bazı ülkelerde başka resmi kodlar da vardır. Ülkeden bağımsız olarak, neredeyse hepsi basınçlı kapların doğasında bulunan potansiyel tehlikelerin ve bunların tasarım ve yapımını düzenleyen standart ve kodlara duyulan ihtiyacın farkındadır.

Özellikleri

Şekil

Basınçlı kaplar teorik olarak hemen hemen her şekilde olabilir, ancak genellikle küre, silindir ve koni bölümlerinden oluşan şekiller kullanılır. Yaygın bir tasarım, kafa adı verilen uç kapakları olan bir silindirdir . Kafa şekilleri sıklıkla yarım küre veya bombeli (toris küre) şeklindedir. Daha karmaşık şekillerin güvenli operasyon için analiz edilmesi tarihsel olarak çok daha zor olmuştur ve genellikle inşa edilmesi çok daha zordur.

Teorik olarak, küresel bir basınçlı kap, aynı duvar kalınlığına sahip silindirik bir basınçlı kaptan yaklaşık iki kat daha güçlüdür ve iç basıncı tutmak için ideal şekildir. Bununla birlikte, küresel bir şeklin üretilmesi zordur ve bu nedenle daha pahalıdır, bu nedenle çoğu basınçlı kap, her iki ucunda 2:1 yarı eliptik kafalar veya uç kapaklar bulunan silindiriktir. Daha küçük basınçlı kaplar bir boru ve iki kapaktan monte edilir. Çapı 600 mm'ye (NPS 24 inç) kadar olan silindirik kaplar için, gövde için dikişsiz boru kullanmak mümkündür, böylece, gerekirse uzun dikiş için radyografinin tahribatsız muayenesi başta olmak üzere birçok muayene ve test sorununun önüne geçilir. Bu kapların bir dezavantajı, daha büyük çapların daha pahalı olmasıdır, bu nedenle örneğin 1.000 litre (35 cu ft), 250 bar (3.600  psi ) basınçlı kabın en ekonomik şekli 91.44 santimetre (36 inç) çapında olabilir. ve 2:1 yarı eliptik kubbeli uç kapaklar dahil 1.7018 metre (67 inç) uzunluk.

İnşaat malzemeleri

Titanyum astarlı kompozit sargılı basınçlı kap.

Birçok basınçlı kap çelikten yapılmıştır. Silindirik veya küresel bir basınçlı kap imal etmek için haddelenmiş ve muhtemelen dövülmüş parçaların birbirine kaynaklanması gerekir. Çeliğin haddeleme veya dövme ile elde edilen bazı mekanik özellikleri, özel önlemler alınmadıkça kaynaktan olumsuz etkilenebilir. Yeterli mekanik dayanıma ek olarak, mevcut standartlar, özellikle düşük sıcaklıklarda kullanılan gemiler için yüksek darbe direncine sahip çeliğin kullanımını zorunlu kılmaktadır. Karbon çeliğinin korozyona uğrayacağı uygulamalarda ayrıca korozyona dayanıklı özel malzeme kullanılmalıdır.

Bazı basınçlı kaplar, bir polimer ile yerinde tutulan karbon fiber kullanılarak filament sargılı kompozit gibi kompozit malzemelerden yapılır . Karbon fiberin çok yüksek gerilme mukavemeti nedeniyle bu kaplar çok hafif olabilir, ancak imal edilmeleri çok daha zordur. Kompozit malzeme bir metal astarın etrafına sarılarak kompozit bir üst üste sarılmış basınçlı kap oluşturulabilir .

Diğer çok yaygın malzemeler arasında karbonatlı içecek kaplarındaki PET ve sıhhi tesisattaki bakır gibi polimerler bulunur .

Basınçlı kaplar, sızıntıyı önlemek ve kap yapısını muhafaza edilen ortamdan korumak için çeşitli metaller, seramikler veya polimerler ile kaplanabilir. Bu astar ayrıca basınç yükünün önemli bir bölümünü taşıyabilir.

Basınçlı Kaplar ayrıca betondan (PCV) veya çekmede zayıf olan diğer malzemelerden de yapılabilir. Kabın etrafına veya duvarın içine veya kabın kendisine sarılmış kablolama, iç basınca direnmek için gerekli gerilimi sağlar. "Sızdırmaz çelik ince zar", kabın iç duvarını kaplar. Bu tür kaplar modüler parçalardan monte edilebilir ve bu nedenle "doğal boyut sınırlamaları" yoktur. Dahili basınca direnen çok sayıda ayrı kablo sayesinde yüksek düzeyde yedeklilik de vardır.

Sıvı bütan yakıtlı çakmak yapmak için kullanılan çok küçük kaplar, ortam sıcaklığına bağlı olarak yaklaşık 2 bar basınca maruz bırakılır. Bu kaplar genellikle oval (1 x 2 cm ... 1,3 x 2,5 cm) kesitlidir, ancak bazen daireseldir. Oval versiyonlar genellikle, bölme gibi görünen ancak aynı zamanda ek silindir gücü sağlayan bir veya iki dahili germe desteği içerir.

çalışma basıncı

Kalıcı gazlar (hava, oksijen, nitrojen, hidrojen, argon, helyum gibi depolama basıncında sıvılaşmayan) için tipik dairesel-silindirik yüksek basınçlı gaz silindirleri, dikişsiz çelik bir kap elde etmek için presleme ve haddeleme yoluyla sıcak dövme ile üretilmiştir. .

Sanayide, zanaatta, dalışta ve tıpta kullanım için silindirlerin çalışma basıncı, Avrupa'da 1950'ye kadar sadece 150 bar (2.200 psi) standart bir çalışma basıncına (WP) sahipti. Yaklaşık 1975'ten bugüne, standart basınç 200 bar'dır ( 2.900 psi). İtfaiyeciler, dar alanlarda hareket etmek için ince, hafif silindirlere ihtiyaç duyarlar; yaklaşık 1995'ten beri 300 bar (4.400 psi) WP için silindirler kullanıldı (ilk olarak saf çelikte).

Azaltılmış ağırlık talebi, dışarıdan bir darbe ile daha kolay hasar görebilen farklı nesil kompozit (bir astar üzerinde fiber ve matris) silindirlere yol açtı. Bu nedenle, kompozit silindirler genellikle 300 bar (4.400 psi) için yapılır.

Hidrolik (su dolu) test basıncı genellikle çalışma basıncından %50 daha yüksektir.

Gemi ipliği

1990 yılına kadar konik (konik) dişli yüksek basınçlı silindirler üretildi. Hacim olarak 0,2 ila 50 litre (0,0071 ila 1,7657 cu ft) arasında endüstriyel kullanımdaki tam metal silindirlere iki tip iplik hakimdir. Konik diş (17E), %12 konik sağ dişli, standart Whitworth 55° formu, inç başına 14 diş (cm başına 5,5 diş) hatvesi ve silindirin üst dişindeki hatve çapı 18.036 milimetre (0.71 inç) ). Bu bağlantılar dişli bant kullanılarak yalıtılır ve çelik silindirlerde 120 ila 150 newton-metre (89 ve 111 lbf⋅ft) arasında ve alüminyum silindirlerde 75 ila 140 N⋅m (55 ve 103 lbf⋅ft) arasında torklanır. Valfi vidalamak için, daha büyük 25E konik diş için tipik olarak 200 N⋅m (150 lbf⋅ft) ve daha küçük 17E diş için 100 N⋅m (74 lbf⋅ft) yüksek bir tork gereklidir. 1950'lere kadar kenevir dolgu macunu olarak kullanılıyordu. Daha sonra, üzerinde delik olan bir şapkaya preslenmiş ince bir kurşun levha kullanılmıştır. 2005 yılından bu yana, kurşun kullanmaktan kaçınmak için PTFE bant kullanılmaktadır.

Konik bir diş basit montaj sağlar, ancak bağlantı için yüksek tork gerektirir ve damar boynunda yüksek radyal kuvvetlere yol açar. 300 bar (4.400 psi) çalışma basıncı için üretilen tüm silindirler, tüm dalış silindirleri ve tüm kompozit silindirler paralel dişler kullanır.

Paralel dişler çeşitli standartlara göre yapılır:

  • O-ring ile sızdırmaz hale getirilmiş ve çelikte 100 ila 130 N⋅m (74 ila 96 lbf⋅ft) ve alüminyum üzerinde 95 ila 130 N⋅m (70 ila 96 lbf⋅ft) torklu M25x2 ISO paralel diş silindirler;
  • Bir O-ring ile sızdırmaz hale getirilmiş ve çelik silindirlerde 100 ila 130 N⋅m (74 ila 96 lbf⋅ft) ve 85 ila 100 N⋅m (63 ila 74 lbf⋅ft) torklu M18x1.5 paralel diş ) alüminyum silindirlerde;
  • 55° Whitworth diş formuna, 25.279 milimetre (0.9952 inç) hatve çapına ve inç başına 14 diş (1.814 mm) hatvesine sahip 3/4"x14  BSP paralel diş;
  • 3/4"x14  NGS (NPSM) paralel dişli, bir O-ring ile kapatılmış, 60° diş formuna, hatve çapına sahip alüminyum silindirler üzerinde 40 ila 50 N⋅m (30 ila 37 lbf⋅ft) torkla torklanmıştır 0,9820 ila 0,9873 inç (24,94 ila 25,08 mm) ve inç başına 14 diş (cm başına 5,5 diş);
  • 3/4"x16  UNF , bir O-ring ile mühürlenmiş, alüminyum silindirlerde 40 ila 50 N⋅m (30 ila 37 lbf⋅ft) torkla torklanmıştır.
  • 7/8"x14 UNF, bir O-ring ile kapatılmıştır.

3/4"NGS ve 3/4"BSP çok benzerdir, aynı hatveye ve yalnızca yaklaşık 0,2 mm (0,008 inç) farklılık gösteren hatve çapına sahiptir, ancak diş biçimleri farklı olduğu için uyumlu değildirler.

Tüm paralel dişli valfler , silindir boynunda ve valf flanşına karşı bir pah veya basamakta sızdırmazlığı sağlayan boyun dişinin üst kısmında bir elastomer O-ring kullanılarak sızdırmaz hale getirilir .

Kompozit gemilerin geliştirilmesi

Silindirlerin farklı yapısal prensiplerini sınıflandırmak için 4 tip tanımlanmıştır.

  • Tip 1 – Tam metal: Silindir tamamen metalden yapılmıştır.
  • Tip 2 – Çember sargısı: Elyaf takviyeli reçine ile kayış benzeri bir çember sargı ile güçlendirilmiş metal silindir.
  • Tip 3 – Metal astar üzerine tamamen sarılmış: Çapraz olarak sarılmış lifler, silindirik bölümde ve metal boyun çevresinde altta ve omuzda yük taşıma kabuğunu oluşturur. Metal astar incedir ve gaz geçirmez bariyer sağlar.
  • Tip 4 – Metal olmayan astar üzerine tamamen sarılmış: Hafif bir termoplastik astar, gaz geçirmez bariyeri ve lifleri ve reçine matrisini etrafına sarmak için mandrel sağlar. Sadece boyun ipliğini taşıyan boyun ve astara ankrajı hafif alüminyum veya sağlam paslanmaz çelik olabilen metalden yapılmıştır.

Tip 2 ve 3 silindirler 1995'ten beri üretilmektedir. Tip 4 silindirler en az 2016'dan beri ticari olarak mevcuttur.

Güvenlik özellikleri

Patlamadan önce sızıntı

Patlamadan önce sızıntı, kaptaki bir çatlağın duvar boyunca büyüyerek, içerilen sıvının kaçmasına ve çalışma basıncında kırılmaya neden olacak kadar büyük büyümeden önce basıncı düşürmesine izin verecek şekilde tasarlanmış bir basınç kabını tanımlar .

ASME Kazan ve Basınçlı Kap Kodu ve AIAA metalik basınçlı kap standardı dahil olmak üzere birçok basınçlı kap standardı, ya basınçlı kap tasarımlarının patlamadan önce sızdırmasını gerektirir ya da gösterilmiyorsa, basınçlı kap tasarımlarının yorulma ve kırılma için daha katı gereksinimleri karşılamasını gerektirir. patlamadan önce sızıntı olması.

Emniyet valfleri

Gaz silindirleri için kullanılan bir valf örneği.

Basınçlı kap bir basınca göre tasarlandığından , çalışma sırasında bu basıncın aşılmamasını sağlamak için tipik olarak bir emniyet valfi veya tahliye valfi bulunur .

Bakım özellikleri

Basınçlı kap kapakları

Basınçlı kap kapakları, boru hatlarına, basınçlı kaplara, domuz kapanlarına, filtrelere ve filtreleme sistemlerine hızlı erişim sağlamak için tasarlanmış basınç tutma yapılarıdır. Tipik olarak basınçlı kap kapakları, bakım personelinin erişimine izin verir. Yaygın olarak kullanılan bir erişim deliği şekli, kapağın açıklıktan geçirilmesine ve çalışma pozisyonuna döndürülmesine izin veren elips şeklindedir ve merkezi bir cıvata ile sabitlenen dış taraftaki bir çubuk tarafından yerinde tutulur. İç basınç, yük altında yanlışlıkla açılmasını önler.

kullanır

Sıvılaştırılmış doğal gaz için dört basınçlı kap içeren bir LNG taşıyıcı gemisi .
Preserved HK Porter, Inc. No. 3290, 1923 , yatay perçinli bir basınçlı kapta depolanan basınçlı hava ile çalışır

Basınçlı kaplar hem endüstride hem de özel sektörde çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu sektörlerde endüstriyel basınçlı hava depoları , kazanlar ve kullanım sıcak suyu depolama tankları olarak karşımıza çıkarlar . Basınçlı kapların diğer örnekleri, dalış silindirleri , yeniden sıkıştırma odaları , damıtma kuleleri , basınç reaktörleri , otoklavlar ve madencilik operasyonlarındaki diğer birçok gemi , petrol rafinerileri ve petrokimya tesisleri, nükleer reaktör gemileri, denizaltı ve uzay gemisi habitatları, atmosferik dalış kıyafetleri , pnömatik rezervuarlardır. , hidrolik basınç altında tanklar raylı taşıt havalı fren rezervuar , yol araç havalı fren rezervuar yüksek basınç için, ve saklama kaplarının sürekli gazlardan ve bu şekilde, sıvılaştırılmış gazlar amonyak , klor ve LPG ( propan , bütan ).

Bir basınçlı kabın benzersiz bir uygulaması, bir uçağın yolcu kabinidir: dış kaplama, hem uçağın manevra yüklerini hem de kabin basınçlandırma yüklerini taşır .


alternatifler

Uygulamaya ve yerel koşullara bağlı olarak, basınçlı kaplara alternatifler mevcuttur. Aşağıdakilerin kullanılabileceği evsel su toplama sistemlerinde örnekler görülebilir:

  • Tipik olarak , kullanım noktasından daha yüksek bir yükseklikte bulunan basınçsız bir su deposundan oluşan yerçekimi kontrollü sistemler . Kullanım noktasındaki basınç, yükseklik farkının neden olduğu hidrostatik basıncın sonucudur. Yerçekimi sistemleri, su yüksekliğinin ayak (yükseklik farkı) başına inç kare (3,0 kPa) başına 0,43 pound üretir. Bir belediye su kaynağı veya pompalanan su tipik olarak inç kare (620 kPa) başına yaklaşık 90 pound'dur.
  • Sıralı pompa kontrolörleri veya basınca duyarlı pompalar.

Tasarım

ölçekleme

Hangi şekli alırsa alsın bir basınçlı kabın minimum kütlesi, içerdiği basınç ve hacim ile ölçeklenir ve yapı malzemesinin mukavemet/ağırlık oranı ile ters orantılıdır (dayanım arttıkça minimum kütle azalır).

Gemi duvarlarında stresin ölçeklenmesi

Basınçlı kaplar, kabın duvarları içindeki çekme kuvvetleri nedeniyle gaz basıncına karşı bir arada tutulur. Kabın duvarlarındaki normal (çekme) gerilme , kabın basıncı ve yarıçapı ile orantılı ve duvarların kalınlığı ile ters orantılıdır. Bu nedenle basınçlı kaplar, tankın yarıçapı ve tankın basıncı ile orantılı ve kabın duvarlarında kullanılan belirli malzemenin izin verilen maksimum normal gerilimi ile ters orantılı bir kalınlığa sahip olacak şekilde tasarlanmıştır.

(Belirli bir basınç için) duvarların kalınlığı tankın yarıçapıyla orantılı olduğundan, bir tankın kütlesi (silindirik bir tank için uzunluk çarpı yarıçap çarpı duvar kalınlığı olarak ölçeklenir) gazın hacmiyle orantılıdır. tutuldu (uzunluk çarpı yarıçap karesi olarak ölçeklenir). Tam formül tank şekline göre değişir ancak kabın P basıncına ve V hacmine ek olarak malzemenin yoğunluğuna, ρ ve izin verilen maksimum σ gerilmesine bağlıdır. (Duvarlardaki gerilimin tam denklemleri için aşağıya bakın.)

küresel kap

Bir küre için , bir basınçlı kabın minimum kütlesi

,

nerede:

  • kütle, (kg)
  • ortamdan basınç farkıdır ( gösterge basıncı ), (Pa)
  • hacimdir,
  • basınçlı kap malzemesinin yoğunluğudur, (kg/m 3 )
  • malzemenin tolere edebileceği maksimum çalışma gerilimidir . (Pa)

Küre dışındaki diğer şekillerin sabitleri 3/2'den büyük (sonsuz silindirler 2 alır), ancak küresel olmayan sargılı kompozit tanklar gibi bazı tanklar buna yaklaşabilir.

Yarım küre uçlu silindirik kap

Geometrik olarak bir kapsül olmasına rağmen, bazen şekli nedeniyle "mermi" olarak adlandırılır .

Yarım küre uçlu bir silindir için,

,

nerede

  • R yarıçaptır (m)
  • W yalnızca orta silindir genişliğidir ve toplam genişlik W + 2R'dir (m)

Yarı eliptik uçlu silindirik kap

Bir olan bir kapta en boy oranı , 1: orta silindirin 2 yarıçapına genişliği

.

Gaz depolama

İlk denkleme bakıldığında, PV faktörü, SI birimlerinde, (basınçlandırma) enerji birimlerindedir. Depolanmış bir gaz için PV, belirli bir sıcaklıkta gazın kütlesi ile orantılıdır, dolayısıyla

. (bkz: gaz yasası )

Diğer faktörler, belirli bir kap şekli ve malzemesi için sabittir. Dolayısıyla, basınçlı kap kütlesinin basınç enerjisine veya basınçlı kap kütlesinin depolanmış gaz kütlesine oranı açısından teorik bir "ölçek etkinliği" olmadığını görebiliriz. Gazları depolamak için "tank verimliliği", en azından aynı sıcaklık için basınçtan bağımsızdır.

Bu nedenle, örneğin, bir rokette helyum (basınç gazı olarak) tutmak için minimum kütle tankı için tipik bir tasarım, minimum şekil sabiti için küresel bir oda, mümkün olan en iyi için karbon fiber ve mümkün olan en iyi için çok soğuk helyum kullanır .

İnce duvarlı basınçlı kaplarda stres

Küre şeklindeki ince duvarlı bir basınçlı kaptaki gerilme,

,

burada çember gerilimi veya çevresel yöndeki gerilim, uzunlamasına yöndeki gerilimdir, p iç gösterge basıncıdır, r kürenin iç yarıçapıdır ve t küre duvarının kalınlığıdır. Çapı, duvar kalınlığından en az 10 kat (bazen 20 kat olarak anılır) daha büyükse, bir kap "ince duvarlı" olarak kabul edilebilir.

Bir basınçlı kabın silindir gövdesindeki gerilme.

Silindir şeklindeki ince duvarlı bir basınçlı kaptaki gerilme,

,
,

nerede:

  • bir çember stresi , ya da stres çevresel yönde
  • boyuna yönde stres
  • p dahili gösterge basıncıdır
  • r silindirin iç yarıçapıdır
  • t silindir duvarının kalınlığıdır.

Hemen hemen tüm basınçlı kap tasarım standartları, kalınlık boyunca gerilimlerin değişimini, kaynakların kalite kontrolünü ve hizmet içi korozyon paylarını hesaba katmak için ek ampirik terimlerle bu iki formülün varyasyonlarını içerir . Yukarıda bahsedilen tüm formüller, kabuk kalınlığı boyunca membran gerilmelerinin düzgün dağılımını varsaymaktadır, ancak gerçekte durum böyle değildir. Daha derin bir analiz, homojen ve izotropik bir malzemeden oluşan kalın duvarlı bir silindirin duvarlarındaki stres dağılımını veren Lame teoremi tarafından verilir . Basınçlı kap tasarım standartlarının formülleri, iç yarıçap ve kalınlık oranına bir sınır koyarak Lamé teoreminin uzantısıdır.

Örneğin, ASME Kazan ve Basınçlı Kap Kodu (BPVC) (UG-27) formülleri:

Küresel kabuklar: Kalınlık, iç yarıçapın 0,356 katından az olmalıdır

Silindirik kabuklar: Kalınlık, iç yarıçapın 0,5 katından az olmalıdır

burada E , ortak verimlilik ve yukarıda belirtildiği gibi diğer tüm değişkenlerdir.

Güvenlik faktörü de genellikle bu formüllere dahil edilir, ASME BPVC durumunda bu terim, basınç veya kalınlık için çözülürken malzeme stres değerine dahil edilir.

Karbon fiber kapların sarma açısı

Sarılmış sonsuz silindirik şekiller, optimal olarak silindirik eksene göre 54.7 derecelik bir sarma açısı alır, çünkü bu, uzunlamasına çevresel yönde gerekli olan gücün iki katını verir.

İnşaat yöntemleri

perçinli

Gaz ve güvenilir kalite elektrik kaynaklanmasından önce kazan, basınçlı hava alıcılar ve çelik ve demirden başka basınçlı kaplar için inşaat standart bir yöntem yaygın edildi haline perçinli haddelenmiş ve şekil sahte olan yaprak, daha sonra çoğunlukla uç uca kayışları birlikte perçinli eklemler ve üst üste binmenin kenarlarını kör bir keski ile deforme ederek perçinli dikişler boyunca kalafatlanır . Sıcak perçinleme, perçinlerin soğuma sırasında büzülmesine ve daha sıkı bir bağlantı oluşturmasına neden oldu.

sorunsuz

Dikişsiz metal basınçlı kaplar için üretim yöntemleri, makine ve aletler büyük sermaye harcaması gerektirdiğinden, çok sayıda üretilecek olan nispeten küçük çaplı silindirler için yaygın olarak kullanılır. Yöntemler, yüksek basınçlı gaz taşıma ve depolama uygulamalarına çok uygundur ve sürekli olarak yüksek kaliteli ürünler sağlar.

Geriye doğru ekstrüzyon: Malzemenin, mandrel ile kalıp arasındaki mandrel boyunca geri akmaya zorlandığı bir işlem.

Soğuk ekstrüzyon (alüminyum):

Dikişsiz alüminyum silindirler, önce duvarları ve tabanı presleyen, ardından silindir duvarlarının üst kenarını düzelten ve ardından omuz ve boyun oluşturan presin izlediği bir işlemde alüminyum kütüklerin soğuk geriye doğru ekstrüzyonu ile üretilebilir.

Sıcak ekstrüzyon (çelik):

Sıcak ekstrüzyon işleminde bir çelik kütük boyutuna göre kesilir, indüksiyon alaşım için doğru sıcaklığa ısıtılır, kireçten arındırılır ve kalıba yerleştirilir. Metal, mandrel içine zorlanarak geriye doğru ekstrüde edilir ve derin bir kap oluşana kadar halka şeklindeki boşluktan akmasına neden olur. Bu kap ayrıca çapa çekilir ve duvar kalınlığı azaltılır ve taban oluşturulur. Açık ucun incelenmesi ve kırpılmasından sonra Silindir, ucu kapatmak ve boynu oluşturmak için sıcak olarak döndürülür.

çizilmiş:

Bir çelik levhanın bir bardağa derin çizimini ve kubbeli dipli boş bir dalış silindirine benzer bir bardağın iki aşamasını gösteren animasyon

Dikişsiz silindirler ayrıca çelik plaka disklerden iki veya üç aşamada silindirik bir kap formuna soğuk çekilmiş olabilir . Tabanı ve yan duvarları oluşturduktan sonra, silindirin üst kısmı boydan boya kesilir, ısıtılır ve omuz oluşturmak ve boynu kapatmak için sıcak döndürülür . Bu işlem omuz malzemesini kalınlaştırır. Silindir, en iyi mukavemet ve tokluğu sağlamak için su verme ve temperleme ile ısıl işleme tabi tutulur .

Silindir, kalite kontrol için hidrostatik teste tabi tutulur
Yapısal olarak tamamlanmış silindirin hidrostatik testi

Silindiri oluşturmak için kullanılan yöntemden bağımsız olarak, boyunu bitirmek ve boyun dişlerini kesmek için işlenecek, ısıl işlem görecek, temizlenecek ve yüzeyi tamamlanacak, damga işaretlenecek, test edilecek ve kalite güvencesi için denetlenecektir.

kaynaklı

Büyük ve alçak basınçlı kaplar genellikle birbirine kaynaklanmış şekillendirilmiş plakalardan üretilir. Kaynak kalitesi, insan kullanımı için basınçlı kaplarda güvenlik açısından kritik öneme sahiptir .

kompozit

Kompozit basınçlı kaplar, genellikle ısıyla sertleşen bir polimer matrisinde filaman sarılmış fitillerdir. Mandrel kürlendikten sonra çıkarılabilir veya bitmiş ürünün bir parçası olarak kalabilir, genellikle daha güvenilir bir gaz veya sıvı geçirmez astar veya amaçlanan içeriğe reçine matrisinden daha iyi kimyasal direnç sağlar. Valfler ve borular gibi dişli aksesuarların takılması için metalik ekler sağlanabilir.

Operasyon standartları

Basınçlı kaplar, teknik olarak "Tasarım Basıncı" ve "Tasarım Sıcaklığı" olarak adlandırılan belirli bir basınç ve sıcaklıkta güvenli bir şekilde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Yüksek bir basıncı idare etmek için yetersiz tasarlanmış bir kap, çok önemli bir güvenlik tehlikesi oluşturur. Bu nedenle, basınçlı kapların tasarımı ve sertifikasyonu, Kuzey Amerika'daki ASME Kazan ve Basınçlı Kap Kodu , AB Basınçlı Ekipman Direktifi (PED), Japon Endüstri Standardı (JIS), CSA B51 gibi tasarım kodlarına tabidir . Kanada , Avustralya'daki Avustralya Standartları ve Lloyd's , Germanischer Lloyd , Det Norske Veritas , Société Générale de Surveillance (SGS SA), Lloyd's Register Energy Nederland (eski adıyla Stoomwezen) vb. gibi diğer uluslararası standartlar .

Basınç-hacim ürününün bir güvenlik standardının parçası olduğu durumlarda, kapta depolanan potansiyel enerjiye katkıda bulunmadığından, kaptaki herhangi bir sıkıştırılamayan sıvının hariç tutulabileceğini unutmayın, bu nedenle yalnızca gaz gibi sıkıştırılabilir kısmın hacmi hesaplanır. kullanılmış.

Standartların listesi

  • EN 13445 : Basınçlı Ekipman Direktifi ile uyumlu güncel Avrupa Standardı (Önceden "97/23/EC", 2014'ten beri "2014/68/EU"). Avrupa'da yaygın olarak kullanılmaktadır.
  • ASME Kazan ve Basınçlı Kap Kod Bölüm VIII: Basınçlı Kapların Yapım Kuralları.
  • BS 5500 : Eski İngiliz Standardı, İngiltere'de BS EN 13445 ile değiştirildi, ancak ihracat ekipmanlarının tasarımı ve yapımı için PD 5500 adı altında kaldı .
  • AD Merkblätter: Alman standardı, Basınçlı Ekipman Direktifi ile uyumlu .
  • EN 286 (Bölüm 1 ila 4): Basit basınçlı kaplar (hava tankları) için Avrupa standardı, Konsey Direktifi 87/404/EEC ile uyumlu.
  • BS 4994 : Güçlendirilmiş plastikten yapılmış kapların ve tankların tasarımı ve yapımı için spesifikasyon .
  • ASME PVHO: İnsan Doluluğu için Basınçlı Kaplar için ABD standardı .
  • CODAP: Ateşlenmemiş Basınçlı Kapların İnşası için Fransız Kodu.
  • AS/NZS 1200 : Basınçlı Kaplar, kazanlar ve basınçlı borular dahil Basınçlı ekipman gereksinimleri için Avustralya ve Yeni Zelanda Standardı.
  • AS 1210: Basınçlı Kapların tasarımı ve yapımı için Avustralya Standardı
  • AS/NZS 3788 : Basınçlı kapların denetimi için Avustralya ve Yeni Zelanda Standardı
  • API 510.
  • ISO 11439: Sıkıştırılmış doğal gaz (CNG) tüpleri
  • IS 2825–1969 (RE1977)_code_unfired_Pressure_vessels.
  • FRP tankları ve gemileri .
  • AIAA S-080-1998: Uzay Sistemleri için AIAA Standardı – Metalik Basınçlı Kaplar, Basınçlı Yapılar ve Basınçlı Bileşenler.
  • AIAA S-081A-2006: Uzay Sistemleri için AIAA Standardı – Kompozit Üstü Sarılmış Basınçlı Kaplar (COPV'ler).
  • ECSS-E-ST-32-02C Rev.1: Uzay mühendisliği – Basınçlı donanımın yapısal tasarımı ve doğrulanması
  • B51-09 Kanada Kazanı, basınçlı kap ve basınçlı boru tesisatı kodu.
  • Basınç sistemleri için HSE yönergeleri.
  • Stoomwezen: Hollanda'da RToD olarak da bilinen eski basınçlı kaplar kodu: Regels voor Toestellen onder Druk (Basınçlı Kaplar için Hollanda Kuralları).
  • SANS 10019:2021 Güney Afrika Ulusal Standardı: Sıkıştırılmış, çözünmüş ve sıvılaştırılmış gazlar için taşınabilir basınçlı kaplar - Temel tasarım, üretim, kullanım ve bakım.
  • SANS 1825:2010 Baskı 3: Güney Afrika Ulusal Standardı: Gaz tüpü test istasyonları ― Taşınabilir yeniden doldurulabilir gaz basınçlı kapların periyodik muayenesi ve testi için genel gereksinimler. ISBN 978-0-626-23561-1

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

  • AC Uğural, SK Fenster, Gelişmiş Mukavemet ve Uygulamalı Elastikiyet, 4. baskı.
  • EP Popov, Katıların Mühendislik Mekaniği, 1. baskı.
  • Megyesy, Eugene F. "Basınçlı Kap El Kitabı, 14. Baskı." PV Publishing, Inc. Oklahoma City, Tamam

daha fazla okuma

  • Megyesy, Eugene F. (2008, 14. baskı) Basınçlı Kap El Kitabı. PV Publishing, Inc.: Oklahoma City, Oklahoma, ABD. www.pressurevesselhandbook.com ASME koduna dayalı basınçlı kaplar için tasarım el kitabı.

Dış bağlantılar