Recipient sub presiune

Un recipient sub presiune este un recipient conceput pentru a reține gaze sau lichide la o presiune diferită de cea externă. De obicei, fluidul conținut de recipient este la o presiune mai mare decât cea externă.

Câteva exemple de vase sub presiune sunt: plămâni amortizoare pentru compresoare cu piston alternativ , coloane de distilare în rafinării și instalații petrochimice, vase pentru reactoare nucleare , rezervoare de gaz și lichide.

Proiectarea recipientelor sub presiune

Simboluri utilizate în P&ID pentru a indica un recipient sub presiune.

În proiectarea structurală a unei componente sub presiune, proiectantul primește ca intrare o „foaie tehnică” mecanică care include toate datele și specificațiile proiectului și sarcina sa este de a dimensiona elementele sub presiune. Pentru aceasta, se utilizează coduri de calcul care variază în funcție de țara de destinație. Printre cele mai importante se numără Ispesl VSR ( Italia ), Asme VIII Div. 1 și Div. 2 [1, 2] (SUA), Stoomwezen ( Olanda ), PD 5500 ( Regatul Unit ), AD 2000 ( Germania ), Codap ( Franța) ), Codul suedez al vaselor sub presiune ( Suedia ), Tbk ( Norvegia ), Gost ( Rusia ), JIS ( Japonia ), AS 1210 ( Australia ) și, în contextul regulamentului PED , este menționat codul european EN-13445.

Recipientele sub presiune trebuie să fie proiectate să funcționeze în siguranță la o anumită presiune. De fapt, diferența de presiune dintre interior și exterior creează o stare de tensiune în materialul cu care este construit vasul. Proiectantul trebuie să creeze un container care să reziste acestei stări de tensiune fără solicitări care pot provoca scurgeri, rupturi sau situații de pericol pentru oameni și lucruri. Presiunea este cel mai important parametru operațional, dar există altele care nu pot fi trecute cu vederea. Temperatura de funcționare afectează proprietățile mecanice ale materialului și poate provoca deformări permanente (fenomene de fluare la cald). Fluidele în contact cu containerul sunt un alt parametru de dimensionare, deoarece pot provoca atacuri chimice asupra materialelor, cum ar fi cauza coroziune sau fragilitate. În cele din urmă, este important să se evalueze condițiile de funcționare ale vasului, deoarece variațiile ciclice ale presiunii și temperaturii ( stresul de oboseală ) tind să reducă durata de viață reziduală a acestuia.

Parametrii pe care proiectantul poate acționa, compatibil cu costurile și constrângerile de proiectare (dimensiuni maxime, necesitate de duze etc.), sunt:

forma vasului
grosimea peretelui
selectarea materialului
teste nedistructive în construcție
verificări în funcțiune

Cea mai convenabilă formă de minimizare a tensiunii în vas este cea sferică. În acest caz, tensiunea este:

\sigma \ ={\frac {pr}{2s}}

{\ displaystyle \ sigma \ = {\ frac {pr} {2s}}}

{\ displaystyle \ sigma \ = {\ frac {pr} {2s}}}

În formulă $\sigma \$ ${\ displaystyle \ sigma \}$ ${\ displaystyle \ sigma \}$ este tensiunea, $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ presiunea, $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ raza, $s$ ${\ displaystyle s}$ $s$ grosimea vasului, dacă raza și grosimea sunt exprimate în aceleași unități, stresul asupra vasului este în aceleași unități ca și presiunea.

Exemplu de diagramă a presiunii interne care acționează într-un vas cilindric.

Având în vedere dificultățile practice întâmpinate în construirea unui vas sferic, forma cea mai frecvent adoptată este cea cilindrică. În acest caz, va exista și o tensiune circumferențială în secțiunea liniară:

\sigma _{c}={\frac {pr}{s}}

{\ displaystyle \ sigma _ {c} = {\ frac {pr} {s}}}

{\ displaystyle \ sigma _ {c} = {\ frac {pr} {s}}}

O altă precauție importantă în raport cu forma este necesitatea de a reduce discontinuitățile geometrice, cum ar fi muchiile, modificările bruște de grosime, crestături etc. Formulele menționate mai sus sunt calculate prin intermediul unei teorii simplificate (teoria membranei) și sunt valabile în cazul în care grosimea este neglijabilă în raport cu raza. Acestea sunt considerate aplicabile dacă grosimea este mai mică de aproximativ 7-10% din rază.

Odată selectat materialul de construcție, tensiunea admisibilă este fixată (este strâns legată de caracteristicile mecanice ale materialului). Din formule se observă că pe măsură ce presiunea și raza cresc, grosimea containerului trebuie mărită astfel încât tensiunea efectivă să nu depășească tensiunea admisibilă. Când grosimea nu mai este neglijabilă în comparație cu raza, formulele menționate mai sus nu mai sunt suficient de precise, deci este necesar să se evalueze starea de tensiune în fiecare punct al vasului. Se poate arăta că într-un vas foarte gros, cu o presiune internă mai mare decât cea externă, tensiunea variază parabolic în grosimea vasului și cea mai stresată regiune este cea internă, în contact cu fluidul. Odată ce raza internă a containerului a fost fixată, nu este convenabil, din punct de vedere economic, creșterea grosimii dincolo de o anumită limită, din cauza dificultăților și costurilor care apar în construcția containerelor foarte groase. Din acest motiv, se adoptă soluții speciale de construcție pentru construcția de nave la presiuni foarte mari.

Cerințe de construcție pentru recipientele sub presiune

Toate reglementările pentru vase sub presiune, deși diferite în ceea ce privește detaliile, convin asupra unor cerințe referitoare la construcția vaselor în sine:

utilizarea materialelor de origine controlată și certificată
utilizarea proceselor de construcție calificate și verificate
efectuarea de teste distructive și nedistructive înainte de punerea navei în serviciu

Prima cerință vine de la relevanța stresului admisibil și a constanței acestui parametru pentru siguranța de proiectare a navei.

A doua cerință vine din faptul că, cu excepții limitate, vasele sub presiune sunt construite prin sudarea tablelor metalice, prin urmare este necesar să se asigure că prezența îmbinărilor sudate nu degradează caracteristicile mecanice ale materialului de bază și, în cazul a vaselor supuse unui mediu agresiv, care nu reprezintă un punct slab spre coroziune.

În cele din urmă, verificările și controalele sunt utilizate pentru a se asigura că calitatea containerului este cea cerută de reglementări.

Măsuri de construcție pentru vase de înaltă presiune

Auto-forțare prin plasticizare

Odată ce vasul a fost construit, înainte de punerea în funcțiune, acesta este supus unei presiuni interne, care trebuie determinată în mod corespunzător, mai mare decât presiunea de funcționare. În acest fel, interiorul peretelui se plastifiază, adică își lasă intervalul de elasticitate și rămâne permanent deformat. Ca urmare a plasticizării, o stare de tensiune rămâne în material chiar și atunci când nu este stresată de presiune. Această stare de tensiune este benefică deoarece se opune celei datorate presiunii, îmbunătățind astfel rezistența vasului.

Containere cu mai multe straturi

În loc să se realizeze un vas cilindric cu un singur perete proiectat să reziste presiunii, se poate realiza un vas cu mai multe straturi. Acesta constă din două (sau mai multe) vase cilindrice concentrice. Pentru a îmbunătăți starea de tensiune, cilindrii trebuie montați cu interferențe, adică cilindrul interior trebuie să fie mai mare decât cavitatea cilindrului exterior. Evident, ar fi imposibil să cuplăm cei doi cilindri la temperatura camerei. Prin urmare, este necesar să încălziți cilindrul exterior până când acesta se extinde suficient pentru a permite introducerea cilindrului interior. După cuplare, răcirea tinde să readucă cilindrul exterior la dimensiunea inițială și, prin urmare, să comprime cilindrul interior (vezi figura). Starea de tensiune datorată compresiei este opusă celei induse de fluidul sub presiune în timpul funcționării și, prin urmare, îmbunătățește rezistența vasului. Această măsură constructivă este deosebit de benefică pentru recipientele care conțin fluide chimic agresive. De fapt, în acest caz este necesar ca numai stratul interior și nu întregul container să fie construit cu un material special.

Containere ambalate

Containerele împachetate utilizează același principiu ca și containerele cu mai multe straturi, dar sunt mai simple. Recipientul este format dintr-un singur cilindru, pe al cărui perete exterior sunt înfășurate niște benzi care comprimă cilindrul. De asemenea, în acest caz, panglicile sunt înfășurate și fixate la căldură. Compresia are loc ca urmare a răcirii și generează o stare de tensiune favorabilă rezistenței cilindrului la presiunea internă.

Analiza stresului vaselor sub presiune

Analiza stresului este faza fundamentală în evaluarea siguranței proiectate a recipientelor sub presiune. Primul standard care a impus verificarea componentelor cu analiza tensiunii a fost ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sect. III (Navele nucleare) - 1969 .

Originea stresurilor

Tensiunile dintr-un corp supus unor sarcini externe și constrângeri pot fi cauzate de două cauze:

Tensiunile de echilibru datorate necesității de a satisface condițiile de echilibru pentru sistemul de încărcare externă.
Solicitarea congruenței datorită necesității de a respecta constrângerile externe și interne ale structurii.

Tensiunile de echilibru sunt cele legate direct de sarcinile mecanice (de exemplu, tensiunea normală datorată unei forțe de întindere externe pe o bară prismatică). Aceste solicitări sunt independente de materialul structurii, deci nu există mecanisme de limitare interne.

Tensiunile de congruență sunt legate de geometria corpului și de sistemul de constrângeri externe, (de exemplu, tensiunile generate la conexiunea dintre un fund emisferic și o placare cilindrică într-un recipient sub presiune), prin urmare sunt diferite în funcție de rigiditatea structurile (sau, într-un mod puțin mai puțin precis, în funcție de modulul de elasticitate al materialelor care alcătuiesc structura). Aceasta implică faptul că, prin creșterea deformărilor structurii și, în special, dacă o parte a structurii depășește limita de elasticitate, aceste solicitări sunt limitate la limita plastică a materialului.

În unele cazuri, atât solicitările de echilibru, cât și solicitările de congruență pot avea o distribuție care duce la o creștere semnificativă a solicitărilor într-un volum extrem de mic al materialului (de exemplu, solicitările din vecinătatea unei crestături geometrice). Aceste solicitări au caracteristica de a nu fi legate de deformări răspândite în structură.

Clasificarea stresului

Codul ASME pentru cazane și recipiente sub presiune oferă o clasificare a tensiunilor, impunând limite diferite pentru diferite categorii. În această clasificare, având în vedere aplicația specială pentru care a fost studiată, există câteva ipoteze care nu pot fi întotdeauna extrapolate la alte tipuri de structuri.

Tensiunile primare ale membranei (P _m ) sunt tensiunile datorate sarcinilor externe medii în grosimea vasului, departe de discontinuitate. Cu alte cuvinte, presupunând că grosimea vasului este infinitesimală în raport cu raza de curbură (de unde și denumirea de „membrană”), acestea sunt tensiunile necesare pentru echilibrul forțelor externe care acționează. Evident, în cazul vaselor sub presiune, aceste solicitări trebuie să fie limitate la valori suficient de îndepărtate de limita impusă materialului, care poate fi atât punctul de curgere , cât și punctul de rupere . Pentru fiecare material și pentru fiecare temperatură la care poate funcționa, codul ASME oferă valoarea la care aceste solicitări sunt limitate (S _m ).
Tensiunile primare de îndoire (P _b ) sunt partea de solicitare variabilă în grosimea vasului (sau, în termeni mecanici, partea de solicitare care ia în considerare faptul că sarcina acționează pe o singură față a navei, în timp ce solicitările acționează asupra întregii grosime). Limitând aceste solicitări dorim să limităm riscul unei plastificări complete a secțiunii, având în vedere că raportul dintre sarcina care determină primul randament al secțiunii și sarcina care duce la plastificarea completă a secțiunii în sine (balama din plastic) este o constantă dependentă doar de geometria secțiunii în sine (k), limita pentru solicitări de membrană și de îndoire (P _m + P _b ) este dată de k * S _m , pentru vasele sub presiune se presupune k-o secțiune dreptunghiulară, adică 1,5.

Tensiuni primare locale (P _L ) aceste solicitări sunt tensiunile datorate sarcinilor mecanice care sunt generate în prezența unor schimbări geometrice bruște în vasul de presiune (de obicei la conexiunea dintre placarea cilindrică și fundurile curbate și la atașarea duzelor ). Aceste solicitări, datorate necesității continuității structurii deformate, au caracteristicile solicitărilor de congruență, prin urmare nu pot depăși limita de randament a materialului. Cu toate acestea, având în vedere originea lor tipic mecanică, acestea sunt supuse unor limite mai restrictive ale tensiunilor secundare. În practică, acestea sunt întotdeauna tensiuni mediate în grosimea (membranei) și sunt limitate la 1,5 * S _m . În acest fel, randamentul este garantat numai la marginile extreme ale secțiunii.
Tensiunile secundare (Q) sunt tensiunile reale de congruență, în principal datorită diferențelor de temperatură dintre diferitele secțiuni ale containerului și, mai ales, diferențelor de temperatură dintre fețele interne și externe ale containerului. Aceste solicitări nu pot duce la prăbușirea componentei, în cazul componentelor realizate cu materiale care au un comportament elastic-plastic, deoarece acestea sunt limitate de solicitarea de curgere. Mai mult, dacă aceste solicitări apar pe un material ideal din plastic (adică care, odată ce a fost atinsă limita de elasticitate , nu mai absoarbe energie din cauza tensiunilor crescute, ci doar din cauza deformărilor crescute) și dacă deformarea impusă este mai mică decât dublul stresul care apare la limita elastică, se poate arăta că are loc fenomenul numit shakedown , adică după un număr limitat de cicluri, deformarea se stabilizează fără a crește pe durata de viață a componentei. Această limită este impusă prin limitarea variației maxime a solicitării (dacă se calculează presupunând că materialul este perfect elastic) la 3 * S _m .
Tensiunile de vârf (F) sunt acele solicitări care apar doar în volume limitate de material, cum ar fi aproape de crestături sau la interfața dintre materialul rezistent al vasului și o acoperire . Aceste solicitări pot atinge valori nominale foarte mari, dar nu conduc, în condiții normale de funcționare, la o prăbușire imediată a structurii. Apoi, tensiunile maxime sunt verificate printr-o analiză a oboselii . Standardele ASME oferă o serie de curbe pentru clasele de materiale utilizate pentru vase, curbe care reprezintă învelișul curbelor limită ale diferitelor tipuri de cicluri de obosire. În aceste curbe, factorii de siguranță sunt deja introduși atât pentru cicluri, cât și pentru solicitări, astfel încât să poată fi comparați direct cu solicitările obținute din calcul.

Un exemplu de analiză a stresului pentru un recipient sub presiune este dat în discuția intrării Analiza stresului (ASME) .

Presiunea maximă (teoretică) pentru vasele cilindrice

Presiunea internă teoretică maximă care poate fi susținută de un vas cilindric este egală cu tensiunea limită impusă materialului pentru solicitări de îndoire. De fapt, stresul de pe marginea interioară a unui vas cilindric supus presiunii interne este dat de:

\sigma =p\left({\frac {R^{2}+r^{2}}{R^{2}-r^{2}}}\right)

{\ displaystyle \ sigma = p \ left ({\ frac {R ^ {2} + r ^ {2}} {R ^ {2} -r ^ {2}}} \ right)}

{\ displaystyle \ sigma = p \ left ({\ frac {R ^ {2} + r ^ {2}} {R ^ {2} -r ^ {2}}} \ right)}

unde σ este tensiunea circumferențială a vasului (componenta maximă a tensiunilor principale), p este presiunea de acțiune, R este raza exterioară a vasului și r este raza interioară a vasului. Prin urmare, dacă impunem un anumit σ maxim și dorim să calculăm R în funcție de presiune (lăsând r constant) avem:

R^{2}=r^{2}\left({\frac {\sigma +p}{\sigma -p}}\right)

{\ displaystyle R ^ {2} = r ^ {2} \ left ({\ frac {\ sigma + p} {\ sigma -p}} \ right)}

{\ displaystyle R ^ {2} = r ^ {2} \ left ({\ frac {\ sigma + p} {\ sigma -p}} \ right)}

După cum putem vedea, acest lucru înseamnă că pentru p → σ R → ∞, în timp ce pentru p> σ nu există soluții reale pentru R.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe un recipient sub presiune

linkuri externe

( EN ) Recipient sub presiune , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
( EN )ASME , pe asme.org .

Controlul autorității	Thesaurus BNCF 25016 · GND (DE) 4013087-3 · NDL (RO, JA) 00560409

Portal de inginerie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de inginerie