Recipiente a presión

Recipiente diseñado para contener gases o líquidos a una presión sustancialmente diferente de la presión ambiental

La "cámara de presión" vuelve a dirigir aquí. Para las cámaras destinadas a la ocupación humana, consulte Cámara hipobárica y Cámara de buceo .

Recipiente a presión de acero soldado construido como un cilindro horizontal con extremos abovedados. Se puede ver una tapa de acceso en un extremo y una válvula de drenaje en la parte inferior central.

Un recipiente a presión es un recipiente diseñado para contener gases o líquidos a una presión sustancialmente diferente de la presión ambiental .

Los métodos y materiales de construcción se pueden elegir para adaptarse a la aplicación, y dependerán del tamaño del recipiente, el contenido, la presión de trabajo, las limitaciones de masa y la cantidad de elementos necesarios.

Los recipientes a presión pueden ser peligrosos y se han producido accidentes mortales en la historia de su desarrollo y funcionamiento. En consecuencia, el diseño, la fabricación y la operación de los recipientes a presión están regulados por autoridades de ingeniería respaldadas por la legislación. Por estas razones, la definición de recipiente a presión varía de un país a otro.

El diseño incluye parámetros como la presión y temperatura máxima de operación segura, el factor de seguridad , el margen de corrosión y la temperatura mínima de diseño (para fractura frágil). La construcción se prueba mediante pruebas no destructivas , como pruebas ultrasónicas , radiografíay pruebas de presión. Las pruebas de presión hidrostática generalmente usan agua, pero las pruebas neumáticas usan aire u otro gas. Se prefiere la prueba hidrostática porque es un método más seguro, ya que se libera mucha menos energía si ocurre una fractura durante la prueba (el agua no aumenta mucho su volumen cuando ocurre una despresurización rápida, a diferencia de los gases, que se expanden explosivamente). Los productos de producción en masa o por lotes a menudo tendrán una muestra representativa probada hasta su destrucción en condiciones controladas para garantizar la calidad. Pueden instalarse dispositivos de alivio de presión si se mejora suficientemente la seguridad general del sistema.

En la mayoría de los países, los buques de cierto tamaño y presión deben construirse según un código formal. En los Estados Unidos, ese código es el Código de recipientes a presión y calderas de ASME (BPVC) . En Europa, el código es la Directiva de equipos a presión . La información de esta página es principalmente válida solo en ASME. ^{[se necesita aclaración ]} Estos recipientes también requieren que un inspector autorizado firme cada nuevo recipiente construido y cada recipiente tiene una placa de identificación con información pertinente sobre el recipiente, como la presión de trabajo máxima permitida, la temperatura máxima, la temperatura mínima de diseño del metal, lo que la empresa fabricó él, la fecha, su número de registro (a través de la Junta Nacional) y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros MecánicosSello oficial para recipientes a presión (sello en U). La placa de identificación hace que el recipiente sea rastreable y oficialmente un recipiente del Código ASME.

Una aplicación especial son los recipientes a presión para uso humano , para los que se aplican reglas de seguridad más estrictas.

Historia

Un recipiente a presión de 10,000 psi (69 MPa) de 1919, envuelto con bandas de acero de alta resistencia y varillas de acero para asegurar las tapas de los extremos.

El primer diseño documentado de recipientes a presión se describió en 1495 en el libro de Leonardo da Vinci, el Codex Madrid I, en el que se teorizó que los contenedores de aire presurizado levantaran grandes pesos bajo el agua. ^[1] Sin embargo, los recipientes que se parecen a los que se utilizan hoy en día no aparecieron hasta el siglo XIX, cuando se generó vapor en las calderas, lo que ayudó a impulsar la revolución industrial . ^[1] Sin embargo, debido a la mala calidad del material y las técnicas de fabricación, junto con un conocimiento inadecuado del diseño, la operación y el mantenimiento, hubo una gran cantidad de explosiones dañinas y, a menudo, fatales asociadas con estas calderas y recipientes a presión, y la muerte se produjo casi a diario. en los Estados Unidos. ^[1] Las provincias locales y los estados de los EE. UU. Comenzaron a promulgar reglas para la construcción de estas embarcaciones después de que ocurrieron algunas fallas de embarcaciones particularmente devastadoras que mataron a decenas de personas a la vez, lo que dificultó a los fabricantes mantenerse al día con las diversas reglas de un lugar a otro. El primer código de recipientes a presión se desarrolló a partir de 1911 y se publicó en 1914, comenzando el Código de recipientes a presión y calderas de ASME (BPVC) . ^[1] En un esfuerzo inicial para diseñar un tanque capaz de soportar presiones de hasta 10,000 psi (69 MPa), en 1919 se desarrolló un tanque de 6 pulgadas (150 mm) de diámetro que estaba enrollado en espiral con dos capas de alta resistencia a la tracción. alambre de acero para evitar la rotura de la pared lateral, y las tapas de los extremos reforzadas longitudinalmente con varillas de alta resistencia a lo largo. ^[2] La necesidad de recipientes de alta presión y temperatura para refinerías de petróleo y plantas químicas dio lugar a recipientes unidos con soldadura en lugar de remaches (que no eran adecuados para las presiones y temperaturas requeridas) y en las décadas de 1920 y 1930 el BPVC incluyó la soldadura como un medio aceptable de construcción; La soldadura es el principal medio de unir recipientes metálicos en la actualidad. ^[1]

Ha habido muchos avances en el campo de la ingeniería de recipientes a presión, como el examen no destructivo avanzado, las pruebas ultrasónicas y la radiografía de matriz en fase, nuevos grados de material con mayor resistencia a la corrosión y materiales más fuertes, y nuevas formas de unir materiales como soldadura por explosión , fricción soldadura por agitación , teorías avanzadas y medios para evaluar con mayor precisión las tensiones encontradas en los recipientes, como con el uso del análisis de elementos finitos, permitiendo que las embarcaciones se construyan de manera más segura y eficiente. Hoy en día, los buques en los EE. UU. Requieren el estampado BPVC, pero el BPVC no es solo un código nacional, muchos otros países han adoptado el BPVC como su código oficial. Sin embargo, existen otros códigos oficiales en algunos países, como Japón, Australia, Canadá, Gran Bretaña y Europa. Independientemente del país, casi todos reconocen los peligros potenciales inherentes a los recipientes a presión y la necesidad de normas y códigos que regulen su diseño y construcción.

Características

Forma

En teoría, los recipientes a presión pueden tener casi cualquier forma, pero generalmente se emplean formas hechas de secciones de esferas, cilindros y conos. Un diseño común es un cilindro con tapas de extremo llamadas cabezas . Las formas de la cabeza suelen ser hemisféricas o abombadas (torisféricas). Históricamente, las formas más complicadas han sido mucho más difíciles de analizar para un funcionamiento seguro y, por lo general, son mucho más difíciles de construir.

• Recipiente de gas esférico.

• Recipiente de presión cilíndrico.

• Imagen del fondo de una lata de aerosol.

• Extintor con recipiente a presión rectangular redondeado

En teoría, un recipiente a presión esférico tiene aproximadamente el doble de resistencia que un recipiente a presión cilíndrico con el mismo grosor de pared, ^[3] y tiene la forma ideal para mantener la presión interna. ^[1]Sin embargo, una forma esférica es difícil de fabricar y, por lo tanto, más cara, por lo que la mayoría de los recipientes a presión son cilíndricos con cabezas semielípticas 2: 1 o tapas de extremo en cada extremo. Los recipientes a presión más pequeños se ensamblan a partir de una tubería y dos cubiertas. Para recipientes cilíndricos con un diámetro de hasta 600 mm (NPS de 24 pulg.), Es posible usar tubería sin costura para la carcasa, evitando así muchos problemas de inspección y prueba, principalmente el examen no destructivo de radiografía para la costura larga si es necesario. Una desventaja de estos recipientes es que los diámetros mayores son más costosos, de modo que, por ejemplo, la forma más económica de un 1000 litros (35 pies cúbicos), 250 bares (3600  psi) El recipiente a presión puede tener un diámetro de 91,44 centímetros (36 pulgadas) y una longitud de 1,7018 metros (67 pulgadas), incluidas las tapas de extremo abovedadas semielípticas 2: 1.

Materiales de construcción

Recipiente a presión envuelto en material compuesto con revestimiento de titanio.

Muchos recipientes a presión están hechos de acero. Para fabricar un recipiente a presión cilíndrico o esférico, las piezas laminadas y posiblemente forjadas tendrían que soldarse juntas. Algunas propiedades mecánicas del acero, logradas por laminación o forjado, podrían verse afectadas negativamente por la soldadura, a menos que se tomen precauciones especiales. Además de una resistencia mecánica adecuada, las normas vigentes dictan el uso de acero con una alta resistencia al impacto, especialmente para recipientes utilizados a bajas temperaturas. En aplicaciones donde el acero al carbono podría sufrir corrosión, también se debe utilizar material especial resistente a la corrosión.

Algunos recipientes a presión están hechos de materiales compuestos , como el compuesto de filamento enrollado que utiliza fibra de carbono que se mantiene en su lugar con un polímero. Debido a la muy alta resistencia a la tracción de la fibra de carbono, estos recipientes pueden ser muy ligeros, pero son mucho más difíciles de fabricar. El material compuesto se puede enrollar alrededor de un revestimiento metálico, formando un recipiente a presión envuelto en material compuesto .

Otros materiales muy comunes incluyen polímeros como PET en envases de bebidas carbonatadas y cobre en plomería.

Los recipientes a presión se pueden revestir con varios metales, cerámicas o polímeros para evitar fugas y proteger la estructura del recipiente del medio contenido. Este revestimiento también puede soportar una parte significativa de la carga de presión. ^{[4] [5]}

Los recipientes a presión también pueden construirse con hormigón (PCV) u otros materiales que sean débiles en tensión. El cableado, enrollado alrededor del recipiente o dentro de la pared o del propio recipiente, proporciona la tensión necesaria para resistir la presión interna. Una "membrana delgada de acero a prueba de fugas" recubre la pared interna del recipiente. Dichos recipientes se pueden ensamblar a partir de piezas modulares y, por lo tanto, no tienen "limitaciones de tamaño inherentes". ^[6] También hay un alto orden de redundancia gracias a la gran cantidad de cables individuales que resisten la presión interna.

Los recipientes muy pequeños que se utilizan para fabricar encendedores de butano líquido se someten a una presión de aproximadamente 2 bares, dependiendo de la temperatura ambiente. Estos vasos son a menudo ovalados (1 x 2 cm ... 1,3 x 2,5 cm) en sección transversal, pero a veces circulares. Las versiones ovaladas generalmente incluyen uno o dos puntales de tensión internos que parecen ser deflectores pero que también proporcionan una resistencia adicional al cilindro.

Presión laboral

Los cilindros de gas de alta presión circulares-cilíndricos típicos para gases permanentes (que no se licúan a la presión de almacenamiento, como aire, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, argón, helio) se han fabricado mediante forjado en caliente presionando y laminando para obtener un recipiente de acero sin costuras. .

La presión de trabajo de los cilindros para uso en la industria, la artesanía especializada, el buceo y la medicina tenía una presión de trabajo estandarizada (WP) de solo 150 bares (2200 psi) en Europa hasta aproximadamente 1950. Desde aproximadamente 1975 hasta ahora, la presión estándar es de 200 bares ( 2.900 psi). Los bomberos necesitan cilindros delgados y livianos para moverse en espacios reducidos; desde aproximadamente 1995 se utilizaron cilindros para 300 bares (4400 psi) WP (primero en acero puro). ^{[ cita requerida ]}

La demanda de un peso reducido llevó a diferentes generaciones de cilindros compuestos (fibra y matriz, sobre un revestimiento) que se dañan más fácilmente por un golpe del exterior. Por lo tanto, los cilindros compuestos generalmente se construyen para 300 bares (4400 psi).

La presión de prueba hidráulica (llena de agua) suele ser un 50% más alta que la presión de trabajo.

Rosca de vaso

Hasta 1990, los cilindros de alta presión se producían con roscas cónicas (ahusadas). Dos tipos de roscas han dominado los cilindros completamente metálicos en uso industrial de 0,2 a 50 litros (0,0071 a 1,7657 pies cúbicos) de volumen. Rosca cónica (17E), ^[7] con una rosca cónica del 12% a la derecha, forma estándar Whitworth de 55 ° con un paso de 14 hilos por pulgada (5,5 hilos por cm) y un diámetro de paso en la rosca superior del cilindro de 18,036 milímetros (0,71 pulg.). Estas conexiones se sellan con cinta roscada y se aprietan entre 120 y 150 newton-metros (89 y 111 lbf⋅ft) en cilindros de acero, y entre 75 y 140 N⋅m (55 y 103 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio. ^[8] Para atornillar la válvula, se necesita un par de torsión alto de 200 N⋅m (150 lbf⋅ft) para la rosca cónica 25E más grande, ^[9] y 100 N⋅m (74 lbf⋅ft) para la rosca 17E más pequeña. Hasta alrededor de 1950, el cáñamo se utilizó como sellador. Más tarde, se utilizó una fina hoja de plomo presionada contra un sombrero con un agujero en la parte superior. Desde 2005, se ha utilizado cinta de PTFE para evitar el uso de plomo. ^{[ aclaración necesaria ]}

Una rosca cónica proporciona un montaje sencillo, pero requiere un alto par de torsión para la conexión y genera fuerzas radiales elevadas en el cuello del vaso. Todos los cilindros construidos para una presión de trabajo de 300 bar (4400 psi), todos los cilindros de buceo y todos los cilindros compuestos utilizan roscas paralelas.

Los hilos paralelos se fabrican según varios estándares:

• Rosca paralela ISO M25x2 , sellada por una junta tórica y apretada a 100 a 130 N⋅m (74 a 96 lbf⋅ft) en acero, y 95 a 130 N⋅m (70 a 96 lbf⋅ft) en aluminio cilindros ^[8]
• Rosca paralela M18x1.5, que está sellada por una junta tórica y se aprieta a 100 a 130 N⋅m (74 a 96 lbf⋅ft) en cilindros de acero, y 85 a 100 N⋅m (63 a 74 lbf⋅ft) ) en cilindros de aluminio; ^[8]
• Rosca paralela BSP de 3/4 "x14  , ^[10] que tiene una forma de rosca Whitworth de 55 °, un diámetro de paso de 25,279 milímetros (0,9952 pulgadas) y un paso de 14 hilos por pulgada (1,814 mm);
• 3/4 "x14  NGS ^[11] (NPSM) rosca paralela, sellada por una junta tórica, apretada a 40 a 50 N⋅m (30 a 37 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio, ^[12] que tiene un ángulo de 60 ° forma de rosca, un diámetro de paso de 0,9820 a 0,9873 pulgadas (24,94 a 25,08 mm) y un paso de 14 hilos por pulgada (5,5 hilos por cm);
• 3/4 "x16  UNF , sellado por una junta tórica, apretado a 40 a 50 N⋅m (30 a 37 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio. ^[12]
• 7/8 "x14 UNF, sellado con una junta tórica. ^[13]

El 3/4 "NGS y el 3/4" BSP son muy similares, tienen el mismo paso y un diámetro de paso que solo difiere en aproximadamente 0,2 mm (0,008 in), pero no son compatibles, ya que las formas de rosca son diferentes.

Todas las válvulas de rosca paralela se sellan con una junta tórica de elastómero en la parte superior de la rosca del cuello que sella en un chaflán o escalón en el cuello del cilindro y contra la brida de la válvula.

Desarrollo de vasos compuestos

Para clasificar los diferentes principios estructurales de los cilindros, se definen 4 tipos. ^{[ cita requerida ]}

• Tipo 1: metal completo: el cilindro está hecho completamente de metal.
• Tipo 2 - Envoltura de aro: Cilindro de metal, reforzado por una envoltura de aro en forma de cinturón con resina reforzada con fibra.
• Tipo 3 - Totalmente envuelto, sobre revestimiento de metal: las fibras envueltas en diagonal forman la carcasa de soporte de carga en la sección cilíndrica y en la parte inferior y el hombro alrededor del cuello de metal. El revestimiento de metal es delgado y proporciona una barrera hermética a los gases.
• Tipo 4: revestimiento no metálico completamente envuelto: un revestimiento termoplástico ligero proporciona la barrera hermética al gas y el mandril para envolver las fibras y la matriz de resina. Solo el cuello que lleva la rosca del cuello y su anclaje al revestimiento está hecho de metal, que puede ser de aluminio ligero o acero inoxidable resistente.

Los cilindros de tipo 2 y 3 han estado en producción desde aproximadamente 1995. Los cilindros de tipo 4 están disponibles comercialmente al menos desde 2016. ^{[ cita requerida ]}

Caracteristicas de seguridad

Fuga antes de estallar

Fuga antes de estallar describe un recipiente a presión diseñado de tal manera que una grieta en el recipiente crecerá a través de la pared, permitiendo que el fluido contenido escape y reduciendo la presión, antes de crecer tanto como para causar una fractura a la presión de operación.

Muchos estándares de recipientes a presión, incluido el Código de recipientes a presión y calderas de ASME ^[14] y el estándar de recipientes a presión metálicos AIAA, requieren que los diseños de recipientes a presión tengan fugas antes de estallar, o requieren que los recipientes a presión cumplan con requisitos más estrictos de fatiga y fractura si no se muestra que tengan fugas antes de estallar. ^[15]

Válvulas de seguridad

Ejemplo de válvula utilizada para bombonas de gas. ^{[ aclaración necesaria ]}

Como el recipiente a presión está diseñado para una presión, normalmente hay una válvula de seguridad o una válvula de alivio para garantizar que esta presión no se exceda en funcionamiento.

Funciones de mantenimiento

Cierres de recipientes a presión

Los cierres de recipientes a presión son estructuras de retención de presión diseñadas para proporcionar un acceso rápido a tuberías, recipientes a presión, trampas para cerdos, filtros y sistemas de filtración. Normalmente, los cierres de recipientes a presión permiten el acceso del personal de mantenimiento. Una forma de orificio de acceso comúnmente utilizada es elíptica, lo que permite que el cierre pase a través de la abertura y gire a la posición de trabajo, y se mantenga en su lugar mediante una barra en el exterior, asegurada por un perno central. La presión interna evita que se abra inadvertidamente bajo carga.

Usos

Un buque de transporte de GNL con cuatro recipientes a presión para gas natural licuado .

Conservado HK Porter, Inc. No. 3290 de 1923 impulsado por aire comprimido almacenado en un recipiente a presión remachado horizontal

Los recipientes a presión se utilizan en una variedad de aplicaciones tanto en la industria como en el sector privado. Aparecen en estos sectores como receptores de aire comprimido industriales , calderas y tanques de almacenamiento de agua caliente sanitaria . Otros ejemplos de recipientes a presión son cilindros de buceo , cámaras de recompresión , torres de destilación , reactores a presión , autoclaves y muchos otros recipientes en operaciones mineras , refinerías de petróleo y plantas petroquímicas , recipientes de reactores nucleares , submarinos y naves espaciales.hábitats, se adapte a la atmósfera de buceo , neumáticas embalses, hidráulicos depósitos bajo presión, embalses aerofrenos de vehículos ferroviarios , embalses aerofrenos de vehículos de carretera , y tanques de almacenamiento de alta presión gases permanentes y gases licuados tales como amoniaco , cloro , y LPG ( propano , butano ).

Una aplicación única de un recipiente a presión es la cabina de pasajeros de un avión: la piel exterior transporta tanto las cargas de maniobra del avión como las cargas de presurización de la cabina . ^{[ aclaración necesaria ]}

• Ilustración de autoclave de investigación cilíndrica

• Cámara de descompresión de la NASA

• Un tanque de presión conectado a un pozo de agua y sistema de agua caliente sanitaria.

• Algunos tanques de presión, aquí utilizados para contener propano .

• Un recipiente a presión utilizado como kier .

• Un recipiente a presión utilizado para la nave espacial CST-100 de The Boeing Company.

Alternativas

• Almacenamiento de gas natural
• Contenedor de gas

Dependiendo de la aplicación y las circunstancias locales, existen alternativas a los recipientes a presión. Se pueden ver ejemplos en los sistemas domésticos de recolección de agua, donde se puede usar lo siguiente:

• Sistemas controlados por gravedad ^[16] que típicamente consisten en un tanque de agua sin presión a una altura más alta que el punto de uso. La presión en el punto de uso es el resultado de la presión hidrostática causada por la diferencia de elevación. Los sistemas de gravedad producen 0,43 libras por pulgada cuadrada (3,0 kPa) por pie de altura de agua (diferencia de elevación). Un suministro de agua municipal o agua bombeada suele rondar las 90 libras por pulgada cuadrada (620 kPa).
• Controladores de bomba en línea o bombas sensibles a la presión . ^[17]

Diseño

Escalada

Independientemente de la forma que adopte, la masa mínima de un recipiente a presión aumenta con la presión y el volumen que contiene y es inversamente proporcional a la relación resistencia / peso del material de construcción (la masa mínima disminuye a medida que aumenta la resistencia ^[18] ).

Escalado de tensión en las paredes del vaso.

Los recipientes a presión se mantienen juntos contra la presión del gas debido a las fuerzas de tracción dentro de las paredes del recipiente. El (tracción) normal de estrés en las paredes del recipiente es proporcional a la presión y el radio del recipiente e inversamente proporcional al espesor de las paredes. ^[19] Por lo tanto, los recipientes a presión están diseñados para tener un espesor proporcional al radio del tanque y la presión del tanque e inversamente proporcional a la tensión normal máxima permitida del material particular utilizado en las paredes del recipiente.

Debido a que (para una presión dada) el grosor de las paredes se escala con el radio del tanque, la masa de un tanque (que escala como la longitud por el radio por el espesor de la pared para un tanque cilíndrico) escala con el volumen del gas. sostenido (que escala como longitud multiplicada por radio al cuadrado). La fórmula exacta varía con la forma del tanque, pero depende de la densidad, ρ y la tensión máxima permitida σ del material, además de la presión P y el volumen V del recipiente. (Consulte a continuación las ecuaciones exactas de la tensión en las paredes).

Vaso esférico

Para una esfera , la masa mínima de un recipiente a presión es

${\displaystyle M={3 \over 2}PV{\rho \over \sigma }}$,

dónde:

• ${\displaystyle M}$ es masa, (kg)
• ${\displaystyle P}$es la diferencia de presión del ambiente (la presión manométrica ), (Pa)
• ${\displaystyle V}$ es el volumen,
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad del material del recipiente a presión, (kg / m ³ )
• ${\displaystyle \sigma }$es el esfuerzo de trabajo máximo que puede tolerar el material. (Pa) ^[20]

Otras formas además de una esfera tienen constantes mayores que 3/2 (los cilindros infinitos toman 2), aunque algunos tanques, como los tanques compuestos de herida no esférica, pueden acercarse a esto.

Vaso cilíndrico con extremos hemisféricos

Esto a veces se llama "bala" ^{[ cita requerida ]} por su forma, aunque en términos geométricos es una cápsula .

Para un cilindro con extremos hemisféricos,

${\displaystyle M=2\pi R^{2}(R+W)P{\rho \over \sigma }}$,

dónde

• R es el radio (m)
• W es solo el ancho del cilindro medio y el ancho total es W + 2R (m) ^[21]

Vaso cilíndrico con extremos semielípticos

En una embarcación con una relación de aspecto entre el ancho del cilindro medio y el radio de 2: 1,

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

Almacenamiento de gas

Al observar la primera ecuación, el factor PV, en unidades SI, está en unidades de energía (presurización). Para un gas almacenado, PV es proporcional a la masa de gas a una temperatura dada, por lo tanto

${\displaystyle M={3 \over 2}nRT{\rho \over \sigma }}$. (ver ley de gases )

Los otros factores son constantes para la forma y el material de un recipiente dado. De modo que podemos ver que no existe una "eficiencia de escala" teórica, en términos de la relación entre la masa del recipiente a presión y la energía de presurización, o entre la masa del recipiente a presión y la masa del gas almacenado. Para almacenar gases, la "eficiencia del tanque" es independiente de la presión, al menos para la misma temperatura.

Entonces, por ejemplo, un diseño típico para un tanque de masa mínima para contener helio (como gas a presión) en un cohete usaría una cámara esférica para una constante de forma mínima, fibra de carbono para lo mejor posible y helio muy frío para lo mejor posible .${\displaystyle \rho /\sigma }$${\displaystyle M/{pV}}$

Estrés en recipientes a presión de paredes delgadas

La tensión en un recipiente a presión de paredes delgadas en forma de esfera es

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

donde es la tensión del aro, o tensión en la dirección circunferencial, es la tensión en la dirección longitudinal, p es la presión manométrica interna, r es el radio interior de la esfera y t es el espesor de la pared de la esfera. Un recipiente puede considerarse de "paredes delgadas" si el diámetro es al menos 10 veces (a veces citado como 20 veces) mayor que el espesor de la pared. ^[22]${\displaystyle \sigma _{\theta }}$${\displaystyle \sigma _{long}}$

Tensión en el cuerpo del cilindro de un recipiente a presión.

La tensión en un recipiente a presión de paredes delgadas en forma de cilindro es

${\displaystyle \sigma _{\theta }={\frac {pr}{t}}}$,

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

dónde:

• ${\displaystyle \sigma _{\theta }}$es tensión de aro , o tensión en la dirección circunferencial
• ${\displaystyle \sigma _{long}}$ es la tensión en la dirección longitudinal
• p es la presión manométrica interna
• r es el radio interior del cilindro
• t es el espesor de la pared del cilindro.

Casi todas las normas de diseño de recipientes a presión contienen variaciones de estas dos fórmulas con términos empíricos adicionales para tener en cuenta la variación de las tensiones a lo largo del espesor, el control de calidad de las soldaduras y las tolerancias de corrosión en servicio . Todas las fórmulas mencionadas anteriormente asumen una distribución uniforme de las tensiones de la membrana a lo largo del espesor de la carcasa, pero en realidad, ese no es el caso. El teorema de Lamé da un análisis más profundo , que da la distribución de la tensión en las paredes de un cilindro de paredes gruesas de un material homogéneo e isotrópico. Las fórmulas de los estándares de diseño de recipientes a presión son una extensión del teorema de Lamé al poner algún límite en la relación entre el radio interno y el espesor.

Por ejemplo, las fórmulas del Código de recipientes a presión y calderas de ASME (BPVC) (UG-27) son: ^[23]

Conchas esféricas: el grosor debe ser inferior a 0,356 veces el radio interior

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

Carcasas cilíndricas: el grosor debe ser inferior a 0,5 veces el radio interior

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

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

donde E es la eficiencia conjunta y todas las demás variables como se indicó anteriormente.

El factor de seguridad a menudo también se incluye en estas fórmulas; en el caso de ASME BPVC, este término se incluye en el valor de tensión del material al resolver la presión o el espesor.

Ángulo de enrollamiento de los recipientes de fibra de carbono

Las formas cilíndricas infinitas enrolladas toman de manera óptima un ángulo de enrollamiento de 54,7 grados con respecto al eje cilíndrico, ya que esto da el doble de fuerza necesaria en la dirección circunferencial a la longitudinal. ^[24]

Métodos de construcción

Remachado

El método estándar de construcción para calderas, receptores de aire comprimido y otros recipientes a presión de hierro o acero antes de que se generalizara la soldadura eléctrica y con gas de calidad confiable consistía en láminas remachadas que se habían enrollado y forjado en forma, luego remachadas juntas, a menudo usando correas de tope a lo largo las juntas y calafatear a lo largo de las costuras remachadas deformando los bordes de la superposición con un cincel romo. El remachado en caliente hizo que los remaches se contrajeran al enfriarse, formando una junta más apretada. ^[25]

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Sin costura

Ver también: cilindro de gas y cilindro de buceo

Los métodos de fabricación de recipientes a presión metálicos sin costura se utilizan comúnmente para cilindros de diámetro relativamente pequeño donde se producirán grandes cantidades, ya que la maquinaria y las herramientas requieren un gran desembolso de capital. Los métodos son adecuados para aplicaciones de almacenamiento y transporte de gas a alta presión, y proporcionan productos de alta calidad de forma constante.

Extrusión hacia atrás: proceso mediante el cual el material se ve obligado a fluir hacia atrás a lo largo del mandril entre el mandril y la matriz.

• Sección de troquel con tocho insertado

• Proceso de extrusión hacia atrás, que muestra el material que fluye desde el troquel hacia atrás a lo largo del mandril.

• Producto de extrusión antes de recortar

• Sección después del cierre del extremo superior

• Sección que muestra las áreas mecanizadas del cuello en detalle

Extrusión en frío (aluminio):

Los cilindros de aluminio sin costura se pueden fabricar mediante extrusión en frío hacia atrás de palanquillas de aluminio en un proceso que primero presiona las paredes y la base, luego recorta el borde superior de las paredes del cilindro, seguido de la prensa formando el hombro y el cuello. ^[26]

Extrusión en caliente (acero):

En el proceso de extrusión en caliente, una palanquilla de acero se corta a medida, se calienta por inducción a la temperatura correcta para la aleación, se descasca y se coloca en la matriz. El metal se extruye hacia atrás forzando el mandril hacia adentro, haciendo que fluya a través del espacio anular hasta que se forme una copa profunda. Esta copa se estira más para reducir el diámetro y el grosor de la pared y se forma el fondo. Después de la inspección y el recorte del extremo abierto, el cilindro se centrifuga en caliente para cerrar el extremo y formar el cuello. ^[27]

Dibujado:

Animación que muestra dos etapas de embutición profunda de una placa de acero en una taza y una taza similar a un cilindro de buceo en blanco con fondo abovedado

Los cilindros sin costura también se pueden estirar en frío a partir de discos de placa de acero a una forma de copa cilíndrica, en dos o tres etapas. Después de formar la base y las paredes laterales, la parte superior del cilindro se recorta a lo largo, se calienta y se hila en caliente para formar el hombro y cerrar el cuello. Este proceso espesa el material del hombro. El cilindro se trata térmicamente mediante temple y revenido para proporcionar la mejor resistencia y tenacidad. ^[28]

Prueba hidrostática de cilindro estructuralmente completo

Independientemente del método utilizado para formar el cilindro, se mecanizará para terminar el cuello y cortar las roscas del cuello, se tratará térmicamente, se limpiará y se terminará la superficie, se marcará con sello, se probará e inspeccionará para garantizar la calidad. ^{[28] [27] [26]}

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Soldada

Los recipientes grandes y de baja presión se fabrican comúnmente a partir de placas formadas soldadas entre sí. La calidad de la soldadura es fundamental para la seguridad en los recipientes a presión para uso humano .

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Compuesto

Ver también: Plástico reforzado con fibra y bobinado de filamentos

Los recipientes a presión compuestos son generalmente mechas enrolladas de filamentos en una matriz de polímero termoendurecible. El mandril puede retirarse después del curado, o puede permanecer como parte del producto terminado, proporcionando a menudo un revestimiento más confiable a prueba de gases o líquidos, o mejor resistencia química al contenido pretendido que la matriz de resina. Se pueden proporcionar inserciones metálicas para unir accesorios roscados, como válvulas y tuberías.

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Estándares de operación

Los recipientes a presión están diseñados para funcionar de forma segura a una presión y temperatura específicas, técnicamente denominadas "Presión de diseño" y "Temperatura de diseño". Un recipiente que está diseñado de manera inadecuada para manejar una alta presión constituye un peligro de seguridad muy significativo. Por eso, el diseño y la certificación de los recipientes a presión se rigen por códigos de diseño como el Código de recipientes a presión y calderas de ASME en América del Norte, la Directiva de equipos a presión de la UE (PED), el Estándar industrial japonés (JIS), CSA B51 en Canadá , estándares australianos en Australia y otros estándares internacionales como Lloyd's, Germanischer Lloyd , Det Norske Veritas , Société Générale de Surveillance (SGS SA), Lloyd's Register Energy Nederland (anteriormente conocido como Stoomwezen), etc.

Tenga en cuenta que cuando el producto de presión-volumen es parte de un estándar de seguridad, se puede excluir cualquier líquido incompresible en el recipiente, ya que no contribuye a la energía potencial almacenada en el recipiente, por lo que solo se incluye el volumen de la parte compresible, como el gas. usó.

Lista de estándares

• EN 13445 : La norma europea actual, armonizada con la Directiva de equipos a presión (originalmente "97/23 / EC", desde 2014 "2014/68 / EU"). Ampliamente utilizado en Europa.
• Código ASME para calderas y recipientes a presión, sección VIII: Reglas para la construcción de recipientes a presión.
• BS 5500 : Antiguo estándar británico, reemplazado en el Reino Unido por BS EN 13445 pero conservado con el nombre PD 5500 para el diseño y construcción de equipos de exportación.
• AD Merkblätter: estándar alemán, armonizado con la Directiva de equipos a presión .
• EN 286 (Partes 1 a 4): Norma europea para recipientes a presión simples (tanques de aire), armonizada con la Directiva del Consejo 87/404 / CEE.
• BS 4994 : Especificación para el diseño y construcción de recipientes y tanques en plásticos reforzados .
• ASME PVHO: estándar de EE. UU. Para recipientes a presión para uso humano .
• CODAP: Código francés para la construcción de recipientes a presión sin combustión.
• AS / NZS 1200 : Norma de Australia y Nueva Zelanda para los requisitos de equipos a presión, incluidos recipientes a presión, calderas y tuberías a presión. ^[29]
• AS 1210: Norma australiana para el diseño y construcción de recipientes a presión
• AS / NZS 3788 : Norma de Australia y Nueva Zelandia para la inspección de recipientes a presión ^[30]
• API 510. ^[31]
• ISO 11439: Cilindros de gas natural comprimido (GNC) ^[32]
• IS 2825–1969 (RE1977) _code_unfired_Pressure_vessels.
• Tanques y recipientes de PRFV .
• AIAA S-080-1998: Estándar AIAA para sistemas espaciales - Recipientes metálicos a presión, estructuras presurizadas y componentes a presión.
• AIAA S-081A-2006: Estándar AIAA para sistemas espaciales - Recipientes a presión sobreenvueltos compuestos (COPV).
• ECSS-E-ST-32-02C Rev.1: Ingeniería espacial - Diseño estructural y verificación de hardware presurizado
• B51-09 Código canadiense para calderas, recipientes a presión y tuberías de presión.
• Directrices de HSE para sistemas de presión.
• Stoomwezen: Antiguo código de recipientes a presión en los Países Bajos, también conocido como RToD: Regels voor Toestellen onder Druk (Reglas holandesas para recipientes a presión).
• SANS 10019: 2021 South African National Standard: Recipientes a presión transportables para gases comprimidos, disueltos y licuados - Diseño básico, fabricación, uso y mantenimiento.
• SANS 1825: 2010 Edición 3: Norma nacional sudafricana: Estaciones de prueba de cilindros de gas: requisitos generales para la inspección y prueba periódicas de recipientes a presión de gas recargables y transportables. ISBN 978-0-626-23561-1

Ver también

• Herramienta de tubo
• Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos  (ASME)
• Gas envasado  : gas comprimido y almacenado en cilindros
• Recipiente a presión envuelto en material compuesto  : recipiente que consta de un revestimiento delgado no estructural envuelto con un compuesto de fibra estructural, diseñado para contener un fluido bajo presión.
• Almacenamiento de energía de aire comprimido
• Gas natural comprimido
• Demister
• Caldera de tubo de fuego
• Cilindro de gas  : recipiente cilíndrico para almacenar gas presurizado
• Junta  - Tipo de sello mecánico
• Cabeza (recipiente)  : tapa de extremo en un recipiente a presión de forma cilíndrica
• Temperatura mínima de diseño del metal  (MDMT)
• Separador de vapor-líquido o tambor extractor
• Bomba de presión Scholander : un dispositivo para medir el potencial hídrico de las hojas
• Recolección  de agua de lluvia: acumulación de agua de lluvia para su reutilización
• Válvula de alivio: válvula de  seguridad utilizada para controlar o limitar la presión en un sistema.
• Válvula de seguridad  : dispositivo para liberar el exceso de presión en un sistema.
• Intercambiador de calor de carcasa y tubos
• Interruptor de vórtice  : dispositivo para evitar la formación de un vórtice en la salida de un recipiente.
• Pozo
• Caldera de tubo de agua  - Tipo de horno que genera vapor

Notas

1. Nilsen, Kyle. (2011) "Desarrollo de recipiente de prueba de filtro de baja presión y análisis de membranas de nanofibras electrohiladas para tratamiento de agua"
2. Ingenious Coal-Gas Motor Tank , Popular Science Month, enero de 1919, página 27, escaneado por Google Books: https://books.google.com/books?id=HykDAAAAMBAJ&pg=PA13
3. Hearn, EJ (1997). Mecánica de materiales 1. Introducción a la mecánica de deformación elástica y plástica de sólidos y materiales estructurales - Tercera edición . Capítulo 9: Butterworth-Heinemann. págs. 199–203. ISBN 0-7506-3265-8.
4. NASA Tech Briefs, "Fabricación de un recipiente a presión recubierto de material compuesto revestido de metal" , 1 de marzo de 2005.
5. Frietas, O., "Mantenimiento y reparación de equipos revestidos de vidrio", Ingeniería química, 1 de julio de 2007.
6. "Recipientes de alta presión", D. Freyer y J. Harvey, 1998
7. Cilindros de gas del Comité técnico 58 (25 de marzo de 1999). ISO 11116-1: Cilindros de gas - Rosca cónica 17E para la conexión de válvulas a cilindros de gas (Primera edición). Ginebra, Suiza: Organización Internacional de Normalización.
8. Comité técnico ISO / TC 58, cilindros de gas. (15 de octubre de 1997). ISO 13341: 1997 Cilindros de gas transportables - Montaje de válvulas en cilindros de gas (1ª ed.). Ginebra, Suiza: Organización Internacional de Normalización.
9. ISO 11363-1: 2010 Cilindros de gas - Roscas cónicas 17E y 25E para la conexión de válvulas a cilindros de gas - Parte 1: Especificaciones . Ginebra, Suiza: Organización Internacional de Normalización. Mayo de 2010.
10. Comité MCE / 18 (1986). Especificación para roscas de tubería para tubos y accesorios donde no se realizan juntas herméticas a la presión en las roscas (dimensiones métricas) . Estándar británico 2779 . Londres: Instituto Británico de Normalización. ISBN 0-580-15212-X.
11. Instituto de herramientas de corte de metales (1989). "Sección de grifo y matriz: roscas de válvula de cilindro de gas estándar americano". Manual de herramientas de corte de metal (edición ilustrada). Industrial Press Inc. pág. 447. ISBN 9780831111779. Consultado el 7 de diciembre de 2016 .
12. Personal. "Válvulas de cilindros SCUBA (aire)" . Documentos de apoyo . Garden Grove, California: Catalina Cylinders . Consultado el 13 de noviembre de 2016 .
13. Personal. "Luxfer Limited 106" . Catalogo . XS Scuba . Consultado el 7 de agosto de 2016 .
14. Sashi Kanta Panigrahi, Niranjan Sarangi (2017). Carcasa de combustión de motores aeronáuticos: diseño experimental y estudios de fatiga . Prensa CRC. págs. 4-45. ISBN 9781351642835.
15. ANSI / AIAA S-080-1998, Sistemas espaciales: recipientes metálicos a presión, estructuras presurizadas y componentes a presión, §5.1
16. Pushard, Doug (2005). "Los sistemas domésticos de recolección de agua también pueden funcionar a veces por gravedad" . Harvesth2o.com . Consultado el 17 de abril de 2009 .^{[ verificación necesaria ]}
17. Pushard, Doug. "Alternativas a los recipientes a presión en los sistemas de agua domésticos" . Harvesth2o.com . Consultado el 17 de abril de 2009 .
18. Puskarich, Paul ( mayo de 2009). "Vidrio reforzado para sistemas de tuberías" (PDF) . MIT. Archivado desde el original (PDF) el 15 de marzo de 2012 . Consultado el 17 de abril de 2009 .
19. Cerveza, Ferdinand P .; Johnston, Jr., E. Russel; DeWolf, John T. (2002). "7,9" . Mecánica de materiales (cuarta ed.). McGraw-Hill. pag. 463 . ISBN 9780073659350.
20. Para una esfera, el espesor d = rP / 2σ, donde r es el radio del tanque. El volumen de la superficie esférica entonces es 4πr ² d = 4πr ³ P / 2σ. La masa se determina multiplicando por la densidad del material que forma las paredes del vaso esférico. Además, el volumen del gas es (4πr ³ ) / 3. La combinación de estas ecuaciones da los resultados anteriores. Las ecuaciones para las otras geometrías se derivan de manera similar.
21. "Masa de presión Vaso cilíndrico con extremos hemisféricos (cápsula) - calculadora - fxSolver" . www.fxsolver.com . Consultado el 11 de abril de 2017 .
22. Richard Budynas, J. Nisbett, Diseño de ingeniería mecánica de Shigley, 8a ed., Nueva York: McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-312193-2 , pg 108 
23. Un código internacional de 2007 ASME para calderas y recipientes a presión . La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. 2007.
24. Conferencia sobre recipientes a presión del MIT
25. Oberg, Erik; Jones, Franklin D. (1973). Horton, Holbrook L. (ed.). Manual de maquinaria (19ª ed.). Brighton, Inglaterra: Machinery Publishing Co. Inc. págs. 1239-1254.
26. Personal (2015). "Procesos de fabricación: cilindros totalmente de aluminio" . Salford, Reino Unido: Luxfer Gas Cylinders, Luxfer Holdings PLC. Archivado desde el original el 25 de diciembre de 2015 . Consultado el 25 de diciembre de 2015 .
27. "Cilindros de Vítkovice" . www.vitkovice.az . Consultado el 1 de abril de 2021 .
28. Acero Worthington. "Fabricación de un cilindro de buceo de acero de la serie X de Worthington" .
29. "COMO 1200 recipientes a presión" . SAI Global. Archivado desde el original el 9 de julio de 2012 . Consultado el 14 de noviembre de 2011 .
30. "AS_NZS 3788: 2006 Equipos a presión - inspección en servicio" . SAI Global . Consultado el 4 de septiembre de 2015 .
31. "Código de inspección de recipientes a presión: inspección en servicio, calificación, reparación y alteración" . API. Junio ​​de 2006.
32. . "Cilindros de gas - Cilindros de alta presión para el almacenamiento a bordo de gas natural como combustible para vehículos automotores" . YO ASI. 2006-07-18 . Consultado el 17 de abril de 2009 .

Referencias

• AC Ugural, SK Fenster, Resistencia avanzada y elasticidad aplicada, 4ª ed.
• EP Popov, Ingeniería Mecánica de Sólidos, 1ª ed.
• Megyesy, Eugene F. "Manual de recipientes a presión, 14ª edición". PV Publishing, Inc. Oklahoma City, OK

Otras lecturas

• Megyesy, Eugene F. (2008, 14ª ed.) Manual de recipientes a presión. PV Publishing, Inc .: Oklahoma City, Oklahoma, Estados Unidos. www.pressurevesselhandbook.com Manual de diseño para recipientes a presión basado en el código ASME.

enlaces externos

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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Recipiente a presión .

• Uso de recipientes a presión en la industria del petróleo y el gas.
• Fórmulas básicas para recipientes a presión de paredes delgadas, con ejemplos
• Hojas de cálculo educativas de Excel para diseños de cabezales, carcasas y boquillas ASME
• Sitio web de calderas y recipientes a presión ASME
• Revista de tecnología de recipientes a presión
• Sitio web de la Directiva de equipos a presión de la UE
• Directiva de recipientes a presión simple de la UE
• Clasificación de la UE
• Accesorios para recipientes a presión
• Imagen de un cilindro de gas compuesto de fibra de carbono, que muestra detalles de construcción
• Imagen de un cilindro de oxígeno compuesto de fibra de carbono para un equipo de respiración industrial