Przegląd podstaw naczyń ciśnieniowych: struktura, zasada i funkcja

1. Definicja naczynia ciśnieniowego
A naczynie ciśnieniowe jest uszczelnionym pojemnikiem zdolnym do wytrzymania wewnętrznych lub zewnętrznych różnic ciśnienia. Są one szeroko stosowane do przechowywania różnych mediów, takich jak ciecze, gazy i pary, szczególnie w procesach przemysłowych wymagających działania pod wysokim lub niskim ciśnieniem. Naczynia ciśnieniowe są niezbędnym sprzętem w przemyśle chemicznym, ropy naftowej, gazu ziemnym, energii i farmaceutycznej.
W wielu zastosowaniach przemysłowych naczynia ciśnieniowe przechowują nie tylko substancje, ale także przeprowadzają złożone operacje procesowe, takie jak reakcje, odparowanie i separacje. Ponieważ ciśnienie wewnętrzne naczynia ciśnieniowe jest często znacznie wyższe niż ciśnienie atmosferyczne, ich projekt, produkcja i konserwacja musi ściśle przestrzegać odpowiednich krajowych standardów i specyfikacji branżowych.

2. Podstawowa struktura naczyń ciśnieniowych
Konstrukcja strukturalna naczynia ciśnieniowego musi uwzględniać wiele czynników, w tym jego ciśnienie, charakterystykę zastosowanych mediów i warunki temperatury. Jego podstawowa struktura składa się przede wszystkim ze skorupy, czapek końcowych, struktur wsparcia, połączeń i urządzeń bezpieczeństwa. Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie każdego komponentu:
a) Shell
Skorupa jest głównym korpusem naczynia ciśnieniowego, przede wszystkim odpowiedzialnym za przenoszenie ciśnienia wewnętrznego. Projekt skorupy różni się w zależności od kształtu statku.
Cylindryczna skorupa: jest to najczęstszy kształt naczynia ciśnieniowego. Jest odpowiedni do większości aplikacji, takich jak zbiorniki magazynowe i reaktory. Cylindryczne naczynia są stosunkowo łatwe do produkcji, mają stabilną strukturę i skutecznie rozkładają ciśnienie.
Sferyczna skorupa: sferyczne skorupy oferują najbardziej jednolity rozkład ciśnienia i mogą wytrzymać wyższe ciśnienia wewnętrzne i zewnętrzne. Dlatego są one często używane w naczyniach, które muszą wytrzymać wyjątkowo wysokie ciśnienia, takie jak skroplone pojemniki do magazynowania gazu. Jednak kontenery sferyczne są droższe w produkcji i są mniej powszechne niż pojemniki cylindryczne.
Elipsoidalna lub półkulowa powłoka: Ten projekt łączy zalety cylindrycznych i sferycznych pojemników, dzięki czemu nadaje się do zastosowań o wyjątkowo wysokociśnieniowym i oferującą większą odporność na ciśnienie. Są one powszechnie stosowane w kotłach parowych wysokociśnieniowych lub niektórych wyspecjalizowanych reaktorach chemicznych.
b) Głowy
Głowy to końce naczynia ciśnieniowego, uszczelniające i częściowo wchłaniające ciśnienie. Konstrukcja i kształt głowy zazwyczaj pasują do kształtu samego naczynia. Grubość i kształt głowy różnią się w zależności od poniesionego ciśnienia.
Głowa półkulowa: Ten kształt głowy równomiernie rozkłada ciśnienie wewnętrzne i jest powszechnie stosowany na końcach naczyń sferycznych lub cylindrycznych w celu zminimalizowania stężenia stresu. Owalne głowy: odpowiednie dla naczyń o niskim i średnim ciśnieniu. Ich kształt pomaga równomiernie rozpowszechniać stres na naczyniu i powszechnie znajdują się na zbiornikach magazynowych w przemyśle chemicznym i naftowym.
Głowy stożkowe: Głowy stożkowe są często stosowane na dnie naczyń, szczególnie w przypadku naczyń o niskim ciśnieniu lub w miejscu, w którym wymagany jest odpływ płynny.
c) Struktury wsparcia
Struktury wsporcze wspierają ciężar całego naczynia ciśnieniowego i są zwykle instalowane u dołu lub strony naczynia. Zapewniają stabilność i zapobiegają przechyleniu lub przesunięciu z powodu grawitacji lub wibracji.
Struktury wsparcia obejmują nogi, ramy podnoszące i podstawy. Struktury wsparcia muszą być zaprojektowane na podstawie wielkości statku i środowiska operacyjnego, aby zapewnić bezpieczeństwo i stabilność.
D) Dysze
Dysze to części zbiornika ciśnieniowego, które łączą rury, zawory, instrumenty i inne urządzenia. Typowe typy obejmują porty zasilające, porty wydechowe, porty drenażowe i gniazda gazu.
Dysze muszą być zaprojektowane w celu zapewnienia szczelnego połączenia i zapobiegania wyciekom, gdy naczynie jest pod ciśnieniem. Zazwyczaj są one połączone z korpusem naczynia przez spawanie lub gwintowanie. e) zawór bezpieczeństwa
Aby zapobiec wybuchowi lub pęknięciu z powodu nadmiernego ciśnienia wewnętrznego, naczynia ciśnieniowe muszą być wyposażone w urządzenie bezpieczeństwa, z których najczęstszym jest zawór bezpieczeństwa. Zawór bezpieczeństwa automatycznie wykrywa ciśnienie wewnętrzne, a gdy ciśnienie przekracza ustaloną wartość, otwiera się w celu uwolnienia nadmiernego ciśnienia, chroniąc w ten sposób statek przed uszkodzeniem.

Oprócz zaworów bezpieczeństwa inne urządzenia do złagodzenia ciśnienia obejmują pękanie dysków i zawory awaryjne.

3. Zasada pracy naczyń ciśnieniowych
Zasada pracy naczyń ciśnieniowych obraca się przede wszystkim wokół fluktuacji ciśnienia i temperatury w wewnętrznym pożywce, a także wytrzymałość materiału samego naczynia. Poniżej znajduje się kilka kluczowych zasad roboczych:
a) Wewnętrzne efekty ciśnienia
Podstawową funkcją naczynia ciśnieniowego jest wytrzymanie wewnętrznych lub zewnętrznych różnic ciśnienia. Podczas pracy gaz gazowy lub płynny w naczyniu doświadcza określonego ciśnienia. Im większe ciśnienie, tym większe naprężenie na naczyniu. Aby zapewnić bezpieczeństwo naczynia, grubość, materiał i inne kluczowe elementy ściany naczynia muszą być zaprojektowane na podstawie maksymalnego ciśnienia, jakie może wytrzymać.
b) Transmisja ciśnienia
W zbiorniku ciśnieniowym ciśnienie jest przenoszone w całej konstrukcji przez ścianę naczynia. Podczas gdy ciśnienie wewnętrzne jest równomiernie rozłożone w całej ścianie naczynia, w obszarach takich jak ograniczenie i stawy mogą wystąpić znaczne stężenie naprężeń. Dlatego obszary te zazwyczaj wymagają dodatkowego wzmocnienia.
c) Wpływ temperatury na naczynia ciśnieniowe
Temperatura wewnątrz naczynia wpływa na gęstość i lepkość pożywki, wpływając w ten sposób na ciśnienie w naczyniu. Zwiększone temperatury mogą powodować rozszerzenie lub zmiękczenie materiału naczynia, więc podczas projektowania należy rozważyć wpływ temperatury na wytrzymałość materiału naczynia. Naczynia ciśnieniowe stosowane w wysokich temperaturach często wykorzystują materiały oporne na wysoką temperaturę.
d) Rozkład naprężeń w naczyniach
Rozkład naprężeń w naczyniach ciśnieniowych jest nierównomierny. Zazwyczaj końce (końce) statku odczuwają większy stres. Aby zapobiec pękaniu lub deformacji w tych obszarach, projekt wymaga zwiększonej grubości ściany lub wyspecjalizowanych cech konstrukcyjnych.

4. Funkcje naczyń ciśnieniowych
Funkcje naczyń ciśnieniowych nie ograniczają się do przechowywania lub transportu substancji; Obejmują również różne złożone procesy przemysłowe. Określone funkcje są następujące:
a) przechowywanie
Jedną z najczęstszych funkcji jest magazynowanie gazów, cieczy lub oparów. Na przykład w przemyśle petrochemicznym naczynia ciśnieniowe są często stosowane do przechowywania skroplonego gazu ziemnego (LNG) lub innych cieczy chemicznych. W systemach powietrza sprężonego naczynia ciśnieniowe przechowują gazy pod wysokim ciśnieniem do gotowego użycia.
b) reakcja
Naczynia ciśnieniowe są stosowane jako reaktory w wielu branżach, takich jak przemysł chemiczny, ropy, gaz i farmaceutyczne. Reakcje chemiczne lub fizyczne są przeprowadzane pod wysokim ciśnieniem w celu wytworzenia pożądanych chemikaliów lub związków pośrednich. Wysokie ciśnienie podczas reakcji pomaga przyspieszyć szybkość reakcji lub zwiększyć wydajność.
c) Funkcje ogrzewania i chłodzenia
Niektóre naczynia ciśnieniowe mają również funkcje ogrzewania lub chłodzenia. Na przykład w systemie wymiany ciepła naczynie ciśnieniowe może być stosowane jako część wymiennika ciepła w celu przeniesienia ciepła z jednego medium do drugiego. Kotły i podgrzewacze wody również należą do tej kategorii i są powszechnie stosowane do wytwarzania pary lub ciepłej wody.
d) Funkcje kompresji i rozszerzeń
Naczynia ciśnieniowe są również powszechnie stosowane do kompresji lub rozszerzenia gazów. Na przykład gaz ziemny jest często ściskany w naczyniach pod wysokim ciśnieniem do przechowywania i transportu. Systemy sprężonego powietrza są również głównym zastosowaniem naczyń ciśnieniowych.

5. Bezpieczeństwo naczyń ciśnieniowych
Ponieważ naczynia ciśnieniowe są często narażone na wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę, zapewnienie ich bezpieczeństwa jest najważniejsze. Kluczowe punkty w projektowaniu bezpieczeństwa naczyń ciśnieniowych obejmują:
Wybór materiału: Należy wybrać materiały o wysokiej wytrzymałości, odporności na korozję i odporność na zmęczenie. Powszechnie używane materiały obejmują stal węglowa, stal nierdzewna i stal stopowa, które mogą wytrzymać wysokie temperatury i ciśnienia.
Specyfikacje projektowe: Projekt musi ściśle przestrzegać odpowiednich specyfikacji i standardów projektowych. Wspólne międzynarodowe standardy obejmują kod kotła ASME i naczyń ciśnieniowych (BPVC), który określa wymagania dotyczące projektowania, produkcji i kontroli naczyń ciśnieniowych.
Kontrola i testowanie: Regularna kontrola naczyń ciśnieniowych jest kluczowa, w tym kontrola zewnętrzna, kontrola endoskopowa i testy nieniszczące (takie jak testy ultradźwiękowe i testy rentgenowskie). Testy te mogą niezwłocznie wykryć ukryte niebezpieczeństwa, takie jak pęknięcia i korozja, zapobiegające wypadkom.
Urządzenia bezpieczeństwa: Naczynia ciśnieniowe muszą być wyposażone w zawory bezpieczeństwa lub urządzenia do złagodzenia ciśnienia. Gdy ciśnienie w naczyniu przekroczy próg bezpieczeństwa, urządzenia te automatycznie otwierają się w celu uwolnienia nadmiernego ciśnienia i zapobiegają eksplodowaniu lub pęknięciu statku.

6. Zastosowania naczyń ciśnieniowych
Naczynia ciśnieniowe są szeroko stosowane, głównie w branżach wymagających działania w warunkach wysokiego lub niskiego ciśnienia:

Przemysł petrochemiczny: stosowany do przechowywania upłynnionego gazu naftowego, gazu ziemnego, chemikaliów i produktów naftowych.

Przemysł energetyczny: kotły, generatory parowe i wymienniki ciepła wymagają naczyń ciśnieniowych do przechowywania i przenoszenia ciepła.

Przemysł farmaceutyczny: naczynia ciśnieniowe stosuje się do reakcji leków, sterylizacji i przechowywania gazu.

Przemysł żywności i napojów: naczynia ciśnieniowe są używane do ogrzewania, chłodzenia i przetwarzania płynnych żywności.