Un recipiente a presión es un contenedor diseñado para contener gases o líquidos a una presión sustancialmente diferente de la presión ambiente . [1]
Los métodos y materiales de construcción pueden elegirse para adaptarse a la aplicación de presión y dependerán del tamaño del recipiente, el contenido, la presión de trabajo, las restricciones de masa y la cantidad de elementos necesarios.
Los recipientes a presión pueden ser peligrosos y han ocurrido accidentes fatales a lo largo de la historia de su desarrollo y funcionamiento. En consecuencia, el diseño, la fabricación y el funcionamiento de los recipientes a presión están regulados por autoridades de ingeniería respaldadas por la legislación. Por estos motivos, la definición de recipiente a presión varía de un país a otro. [ cita requerida ]
El diseño incluye parámetros como la presión y temperatura máximas de funcionamiento seguras, 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 , radiografías y pruebas de presión. Las pruebas de presión hidrostática suelen utilizar agua, pero las pruebas neumáticas utilizan aire u otro gas. Se prefiere la prueba hidrostática porque es un método más seguro, ya que se libera mucha menos energía si se produce una fractura durante la prueba (el agua no aumenta mucho su volumen cuando se produce una despresurización rápida, a diferencia de los gases, que se expanden de forma explosiva). 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. Se pueden instalar dispositivos de alivio de presión si se mejora lo suficiente la seguridad general del sistema.
En la mayoría de los países, los recipientes que superan un cierto tamaño y presión deben construirse de acuerdo con un código formal. En los Estados Unidos, ese código es el Código de calderas y recipientes a presión de ASME (BPVC) . En Europa, el código es la Directiva de equipos a presión . Estos recipientes también requieren que un inspector autorizado firme cada recipiente nuevo construido y cada recipiente tiene una placa con información pertinente sobre el recipiente, como la presión de trabajo máxima permitida, la temperatura máxima, la temperatura mínima de diseño del metal , qué empresa lo fabricó, la fecha, su número de registro (a través de la Junta Nacional) y el sello oficial de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos para recipientes a presión (sello 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 destinados a ocupación humana , para los que se aplican normas de seguridad más estrictas.
La definición ASME de un recipiente a presión es un contenedor diseñado para contener gases o líquidos a una presión sustancialmente diferente de la presión ambiente . [2]
La norma australiana y neozelandesa “AS/NZS 1200:2000 Equipos a presión” define un recipiente a presión como un recipiente sujeto a presión interna o externa, incluidos los componentes y accesorios conectados hasta la conexión a tuberías externas. [3]
Este artículo puede incluir información sobre recipientes a presión en sentido amplio y no está restringido a ninguna definición única.
Un recipiente a presión comprende una carcasa y, por lo general, uno o más componentes adicionales necesarios para presurizar, retener la presión, despresurizar y proporcionar acceso para mantenimiento e inspección. Puede haber otros componentes y equipos proporcionados para facilitar el uso previsto, y algunos de ellos pueden considerarse partes del recipiente a presión, como las penetraciones de la carcasa y sus cierres, y las mirillas y las esclusas de aire en un recipiente a presión para ocupación humana, ya que afectan la integridad y la resistencia de la carcasa, también son parte de la estructura que retiene la presión. Los manómetros y los dispositivos de seguridad como las válvulas de alivio de presión también pueden considerarse parte del recipiente a presión. [3] También puede haber componentes estructurales unidos permanentemente al recipiente para levantarlo, moverlo o montarlo, como un anillo de pie, patines, manijas, asas o soportes de montaje.
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 de presión , autoclaves y muchos otros recipientes en operaciones mineras , refinerías de petróleo y plantas petroquímicas , recipientes de reactores nucleares , hábitats de submarinos y naves espaciales , trajes de buceo atmosféricos , depósitos neumáticos , depósitos hidráulicos bajo presión, depósitos de frenos de aire de vehículos ferroviarios , depósitos de frenos de aire de vehículos de carretera y recipientes de almacenamiento para gases permanentes de alta presión y gases licuados como amoníaco , cloro y GLP ( propano , butano ).
Un recipiente a presión también puede soportar cargas estructurales. La cabina de pasajeros del revestimiento exterior de un avión de pasajeros soporta tanto las cargas estructurales y de maniobra de la aeronave como las cargas de presurización de la cabina . El casco a presión de un submarino también soporta las cargas estructurales y de maniobra del casco.
La presión de trabajo, es decir, la diferencia de presión entre el interior del recipiente a presión y el entorno, es la característica principal que se tiene en cuenta para el diseño y la construcción. Los conceptos de alta presión y baja presión son algo flexibles y pueden definirse de forma diferente según el contexto. También está la cuestión de si la presión interna es mayor o menor que la presión externa y su magnitud en relación con la presión atmosférica normal. Un recipiente con una presión interna inferior a la atmosférica también puede denominarse recipiente hipobárico o recipiente de vacío. Un recipiente a presión con una presión interna alta puede hacerse fácilmente estructuralmente estable y, por lo general, fallará en tensión, pero la falla debido a una presión externa excesiva suele ser por pandeo, inestabilidad y colapso.
Los recipientes a presión pueden tener teóricamente casi cualquier forma, pero normalmente se emplean formas formadas por secciones de esferas, cilindros, elipsoides de revolución y conos con secciones circulares, aunque algunas otras superficies de revolución también son inherentemente estables. Un diseño común es un cilindro con tapas en los extremos llamadas cabezas . Las formas de las cabezas suelen ser hemisféricas o cóncavas ( torisfericas ). 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.
En teoría, un recipiente a presión esférico tiene aproximadamente el doble de resistencia que un recipiente a presión cilíndrico con el mismo espesor de pared [4] , y es la forma ideal para soportar la presión interna. [5] 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 cabezales o tapas de extremo semielípticos 2:1 en cada extremo. Los recipientes a presión más pequeños se ensamblan a partir de un tubo y dos tapas. Para recipientes cilíndricos con un diámetro de hasta 600 mm (NPS de 24 pulgadas), es posible utilizar un tubo sin costura para la carcasa, evitando así muchos problemas de inspección y prueba, principalmente el examen no destructivo de la radiografía para la costura larga si es necesario. Una desventaja de estos recipientes es que los diámetros mayores son más caros, de modo que, por ejemplo, la forma más económica de un recipiente a presión de 1.000 litros (35 pies cúbicos) y 250 bares (3.600 psi ) podría ser un diámetro de 91,44 centímetros (36 pulgadas) y una longitud de 1,7018 metros (67 pulgadas) incluyendo las tapas de los extremos en forma de cúpula semielíptica 2:1.
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 entre la resistencia y el peso del material de construcción (la masa mínima disminuye a medida que aumenta la resistencia [6] ).
Los recipientes a presión se mantienen unidos contra la presión del gas debido a las fuerzas de tracción dentro de las paredes del contenedor. La tensión normal (de tracción) en las paredes del contenedor es proporcional a la presión y al radio del recipiente e inversamente proporcional al espesor de las paredes. [7] Por lo tanto, los recipientes a presión están diseñados para tener un espesor proporcional al radio del tanque y a la presión del tanque e inversamente proporcional a la tensión normal máxima permitida del material particular utilizado en las paredes del contenedor.
Debido a que (para una presión dada) el espesor de las paredes se escala con el radio del tanque, la masa de un tanque (que se escala como la longitud por el radio por el espesor de la pared para un tanque cilíndrico) se escala con el volumen del gas contenido (que se escala como la longitud por el radio al cuadrado). La fórmula exacta varía con la forma del tanque, pero depende de la densidad, ρ, y la tensión máxima admisible σ del material, además de la presión P y el volumen V del recipiente. (Vea a continuación las ecuaciones exactas para la tensión en las paredes).
Para una esfera , la masa mínima de un recipiente a presión es
dónde:
Otras formas además de una esfera tienen constantes mayores que 3/2 (los cilindros infinitos toman 2), aunque algunos tanques, como los tanques compuestos enrollados no esféricos, pueden aproximarse a esto.
A esto a veces se le llama "bala" [ cita requerida ] por su forma, aunque en términos geométricos es una cápsula .
Para un cilindro con extremos hemisféricos,
dónde
En un recipiente con una relación de aspecto entre el ancho del cilindro medio y el radio de 2:1,
Al observar la primera ecuación, el factor PV, en unidades del SI, está en unidades de energía (de presurización). Para un gas almacenado, PV es proporcional a la masa del gas a una temperatura dada, por lo tanto
Los demás factores son constantes para una forma y un material de recipiente determinados. 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 el almacenamiento de 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 presurizante) en un cohete utilizaría una cámara esférica para una constante de forma mínima, fibra de carbono para la mejor φ posible y helio muy frío para la mejor φ posible .
La tensión en un recipiente a presión de paredes delgadas con forma de esfera es
donde es la tensión 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. Se puede considerar que un recipiente tiene "paredes delgadas" si el diámetro es al menos 10 veces (a veces se dice 20 veces) mayor que el espesor de la pared. [10]
La tensión en un recipiente a presión de paredes delgadas en forma de cilindro es
dónde:
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 en el espesor, el control de calidad de las soldaduras y las tolerancias de corrosión en servicio . Todas las fórmulas mencionadas anteriormente suponen una distribución uniforme de las tensiones de la membrana en el espesor de la carcasa, pero en realidad ese no es el caso. El teorema de Lamé proporciona un análisis más profundo , que proporciona la distribución de la tensión en las paredes de un cilindro de paredes gruesas de un material homogéneo e isótropo. Las fórmulas de las normas de diseño de recipientes a presión son una extensión del teorema de Lamé al poner algún límite en la relación entre el radio interior y el espesor.
Por ejemplo, las fórmulas del Código de calderas y recipientes a presión ASME (BPVC) (UG-27) son: [11]
Carcasas esféricas: el espesor debe ser menor a 0,356 veces el radio interior
Carcasas cilíndricas: el espesor debe ser menor a 0,5 veces el radio interior
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 cuando se resuelve la presión o el espesor.
También llamadas a veces penetraciones del casco, dependiendo del contexto, las penetraciones de la carcasa son roturas intencionales en la integridad estructural de la carcasa y suelen ser importantes generadores de tensión local, por lo que deben tenerse en cuenta en el diseño para que no se conviertan en puntos de falla. Por lo general, es necesario reforzar la carcasa en las inmediaciones de dichas penetraciones. Las penetraciones de la carcasa son necesarias para proporcionar una variedad de funciones, incluido el paso del contenido desde el exterior hacia el interior y de regreso hacia afuera, y en aplicaciones especiales para la transmisión de electricidad, luz y otros servicios a través de la carcasa. El caso más simple son los cilindros de gas, que solo necesitan una penetración de cuello roscada para ajustar una válvula, mientras que un submarino o una nave espacial pueden tener una gran cantidad de penetraciones para una gran cantidad de funciones.
Las roscas utilizadas para las perforaciones en la carcasa de los recipientes a alta presión están sujetas a cargas elevadas y no deben tener fugas. Los cilindros de alta presión se fabrican con roscas cónicas (ahusadas) y roscas paralelas. Dos tamaños de roscas ahusadas han dominado los cilindros totalmente metálicos en uso industrial de 0,2 a 50 litros (0,0071 a 1,7657 pies cúbicos) de volumen. [12]
Para conexiones más pequeñas, se utiliza la rosca cónica estándar 17E [13] , con una rosca a la derecha cónica del 12 %, forma Whitworth estándar 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 pulgadas). Estas conexiones se sellan con cinta para roscas y se aprietan a un par de torsión de entre 120 y 150 newton-metros (89 y 111 lbf⋅ft) en cilindros de acero, y de entre 75 y 140 N⋅m (55 y 103 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio. [14]
Para accesorios más grandes, se utiliza la rosca cónica estándar 25E. Para atornillar la válvula, se necesita un par de torsión más alto, normalmente de unos 200 N⋅m (150 lbf⋅ft), [15] Hasta alrededor de 1950, se utilizaba cáñamo como sellador. Más tarde, se utilizó una lámina fina de plomo prensada en forma de sombrero que se ajustaba perfectamente a las roscas externas, con un orificio en la parte superior. El instalador apretaba la cuña blanda de plomo para que se ajustara mejor a las ranuras y crestas del accesorio antes de atornillarlo en el orificio. El plomo se deformaba para formar una capa fina entre la rosca interna y externa, y así rellenaba los huecos para crear el sello. Desde 2005, se ha utilizado cinta de PTFE para evitar el uso de plomo. [ aclaración necesaria ]
Una rosca cónica permite un montaje sencillo, pero requiere un par elevado para la conexión y genera fuerzas radiales elevadas en el cuello del recipiente, y se puede utilizar un número limitado de veces antes de que se deforme excesivamente. Esto se podría ampliar un poco si siempre se devuelve el mismo accesorio al mismo orificio y se evita apretarlo demasiado.
Todos los cilindros están fabricados para una presión de trabajo de 300 bar (4400 psi), todos los cilindros de buceo, [ aclaración necesaria ] y todos los cilindros compuestos utilizan roscas paralelas. [ cita requerida ]
Las roscas paralelas para cuellos de cilindros y penetraciones similares de recipientes a presión se fabrican según varias normas:
Las roscas 3/4"NGS y 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 pulgadas), pero no son compatibles, ya que las formas de rosca son diferentes.
Todas las válvulas de rosca paralela están selladas mediante 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.
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 raspadores, filtros y sistemas de filtración. Por lo general, los cierres de recipientes a presión permiten el acceso del personal de mantenimiento.
Una forma de orificio de acceso de mantenimiento que se utiliza con frecuencia es la elíptica, que permite pasar el cierre a través de la abertura y girarlo hasta la posición de trabajo, y se mantiene en su lugar mediante una barra en el exterior, asegurada por un perno central. La presión interna evita que se abra inadvertidamente bajo carga.
La colocación del cierre en el lado de alta presión de la abertura aprovecha la diferencia de presión para bloquear el cierre cuando se encuentra bajo presión de servicio. Cuando esto no sea posible, puede ser necesario un enclavamiento de seguridad.
Una esclusa de aire [a] es una habitación o compartimento que permite el paso entre ambientes de diferente presión atmosférica o composición, al tiempo que minimiza el cambio de presión o composición entre los diferentes ambientes. Consiste en una cámara con dos puertas o escotillas herméticas dispuestas en serie, que no se abren simultáneamente. Las esclusas de aire pueden ser pequeñas o lo suficientemente grandes como para que pasen una o más personas, que pueden adoptar la forma de una antecámara .
Una esclusa de aire también se puede utilizar bajo el agua para permitir el paso entre el ambiente de aire en un recipiente a presión, como un submarino o una campana de buceo , y el ambiente de agua en el exterior. En tales casos, la esclusa de aire puede contener aire o agua . Esto se llama esclusa de aire inundable o esclusa de aire submarina, y se utiliza para evitar que el agua entre en un recipiente sumergible o un hábitat submarino . Una disposición similar se utiliza en las naves espaciales para facilitar la actividad extravehicular .
Muchos recipientes a presión están hechos de acero. Para fabricar un recipiente a presión cilíndrico o esférico, se deben soldar piezas laminadas y posiblemente forjadas. Algunas propiedades mecánicas del acero, logradas mediante laminado o forjado, podrían verse afectadas negativamente por la soldadura, a menos que se tomen precauciones especiales. Además de una resistencia mecánica adecuada, las normas actuales dictan el uso de acero con una alta resistencia al impacto, especialmente para recipientes utilizados a bajas temperaturas. En aplicaciones en las que el acero al carbono se corroería, también se debe utilizar un material especial resistente a la corrosión.
Algunos recipientes a presión están hechos de materiales compuestos , como por ejemplo, un compuesto de filamentos enrollados que utiliza fibra de carbono unida mediante un polímero. Debido a la altísima 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 puede enrollarse alrededor de un revestimiento metálico, formando un recipiente a presión envuelto en material compuesto .
Otros materiales muy comunes incluyen polímeros como el PET en envases de bebidas carbonatadas y el cobre en tuberías.
Los recipientes a presión pueden estar revestidos con diversos metales, cerámicas o polímeros para evitar fugas y proteger la estructura del recipiente del medio contenido. Este revestimiento también puede soportar una parte importante de la carga de presión. [20] [21]
Los recipientes a presión también pueden construirse de hormigón (PCV) u otros materiales que sean débiles a la tensión. El cableado, envuelto 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. Estos recipientes se pueden ensamblar a partir de piezas modulares y, por lo tanto, no tienen "limitaciones de tamaño inherentes". [22] También existe un alto nivel 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 cigarrillos alimentados con butano líquido están sometidos a una presión de aproximadamente 2 bares, dependiendo de la temperatura ambiente. Estos recipientes suelen tener una sección transversal ovalada (1 x 2 cm... 1,3 x 2,5 cm), pero a veces son circulares. Las versiones ovaladas generalmente incluyen uno o dos puntales de tensión internos que parecen deflectores pero que también proporcionan resistencia adicional al cilindro.
Antes de que se generalizara la soldadura a gas y eléctrica de calidad fiable, el método estándar de construcción de calderas, receptores de aire comprimido y otros recipientes a presión de hierro o acero consistía en láminas remachadas que se habían enrollado y forjado para darles forma y luego se habían remachado entre sí, a menudo utilizando correas de tope a lo largo de las juntas, y calafateando a lo largo de las costuras remachadas deformando los bordes de la superposición con un cincel romo para crear una línea continua de alta presión de contacto a lo largo de la junta. El remachado en caliente hacía que los remaches se contrajeran al enfriarse, formando una junta más hermética. [23]
Los recipientes de gran tamaño y baja presión suelen fabricarse a partir de placas formadas soldadas entre sí. La calidad de la soldadura es fundamental para la seguridad de los recipientes a presión destinados a la ocupación humana .
Los cilindros de gas de alta presión, típicos de forma cilíndrica circular para gases permanentes (que no se licúan a presión de almacenamiento, como aire, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, argón, helio) se han fabricado mediante forjado en caliente mediante prensado y laminado para obtener un recipiente sin costuras con características de material consistentes y concentraciones de tensión minimizadas.
Hasta aproximadamente 1950, la presión de trabajo de los cilindros para uso industrial, artesanal, de buceo y médico tenía una presión de trabajo estandarizada (WP) de aproximadamente 150 bares (2200 psi) en Europa. A partir de 1975, la presión estándar aumentó a aproximadamente 200 bares (2900 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 reducción de peso dio lugar a distintas generaciones de cilindros compuestos (fibra y matriz, sobre un revestimiento) que son más vulnerables a los daños por impacto. Los cilindros compuestos para gases respirables suelen estar fabricados para una presión de trabajo de 300 bares (4400 psi).
Los métodos de fabricación de recipientes a presión de metal sin costura se utilizan habitualmente para cilindros de diámetro relativamente pequeño de los que se producirán grandes cantidades, ya que la maquinaria y las herramientas requieren una gran inversión de capital. Los métodos son adecuados para aplicaciones de transporte y almacenamiento de gas a alta presión y proporcionan productos de alta calidad de forma constante.
La extrusión hacia atrás es un proceso mediante el cual se fuerza al material a fluir hacia atrás a lo largo del mandril entre el mandril y la matriz.
Extrusión en frío (aluminio):
Los cilindros de aluminio sin costura se pueden fabricar mediante extrusión en frío hacia atrás de piezas de aluminio en un proceso que primero presiona las paredes y la base, luego recorta el borde superior de las paredes del cilindro y, a continuación, prensa el hombro y el cuello. [24]
Extrusión en caliente (acero):
En el proceso de extrusión en caliente, se corta un tocho de acero a medida, se calienta por inducción a la temperatura correcta para la aleación, se descascara y se coloca en la matriz. El metal se extruye hacia atrás forzando el mandril hacia él, lo que hace que fluya a través del espacio anular hasta que se forma una copa profunda. Esta copa se estira aún más hasta el diámetro y se reduce el espesor de la pared y se forma la parte inferior. Después de la inspección y el recorte del extremo abierto, el cilindro se centrifuga en caliente para cerrar el extremo y formar el cuello. [25]
Los cilindros sin costura también pueden estirarse en frío a partir de discos de chapa de acero hasta obtener una forma de copa cilíndrica, en dos a cuatro etapas, dependiendo de la relación final entre el diámetro y la longitud del cilindro. Después de formar la base y las paredes laterales, la parte superior del cilindro se recorta a la longitud deseada, se calienta y se hila en caliente para formar el hombro y cerrar el cuello. El proceso de hilado espesa el material del hombro. El cilindro se trata térmicamente mediante temple y revenido para proporcionar la mejor resistencia y tenacidad. [26]
También se puede formar un cilindro de acero sin costuras mediante el hilado en caliente de un cierre en ambos extremos. Primero se cierra completamente la base y se recorta para formar una superficie interna lisa antes de formar el hombro y el cuello. [27]
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 le dará un acabado superficial, se marcará con sello, se probará y se inspeccionará para garantizar la calidad. [26] [25] [24] [27]
Los recipientes a presión compuestos generalmente se construyen a partir de fibras de filamento enrolladas en una matriz de polímero termoendurecible. El mandril puede ser extraíble después del curado, o puede permanecer como parte del producto terminado, lo que a menudo proporciona un revestimiento hermético a gases o líquidos más confiable, o una mejor resistencia química al contenido previsto que la matriz de resina. Se pueden proporcionar insertos metálicos para unir accesorios roscados, como válvulas y tuberías. [28]
Para clasificar los diferentes principios estructurales de los cilindros de almacenamiento de gas, se definen 4 tipos. [27]
Los cilindros de tipo 2 y 3 se fabrican desde aproximadamente 1995. Los cilindros de tipo 4 están disponibles comercialmente al menos desde 2016. [ cita requerida ]
Las formas cilíndricas infinitas enrolladas toman óptimamente un ángulo de enrollamiento de 54,7 grados con respecto al eje cilíndrico, ya que esto proporciona el doble de resistencia necesaria en la dirección circunferencial que en la longitudinal. [29]
El refuerzo de fibra enrollada en aro se enrolla en un ángulo de casi 90° con respecto al eje del cilindro.
Como el recipiente a presión está diseñado para una cierta presión, normalmente hay una válvula de seguridad o válvula de alivio para garantizar que esta presión no se exceda durante el funcionamiento.
Es posible que haya un disco de ruptura instalado en el recipiente o en la válvula del cilindro o un tapón fusible para proteger en caso de sobrecalentamiento.
Una fuga antes de la ruptura 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 catastrófica a la presión de operación.
Muchas normas sobre recipientes a presión, incluido el Código de recipientes a presión y calderas de ASME [30] y la norma sobre recipientes a presión metálicos de AIAA, exigen que los diseños de recipientes a presión tengan fugas antes de estallar o que cumplan con requisitos más estrictos de fatiga y fractura si no se demuestra que tengan fugas antes de estallar. [31]
La presión de prueba hidrostática (llena de agua) normalmente es 1,5 veces la presión de trabajo, pero la presión de prueba DOT para cilindros de buceo es 5/3 (1,66) veces la presión de trabajo.
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 no está diseñado adecuadamente para soportar una alta presión constituye un riesgo de seguridad muy importante. Por ello, el diseño y la certificación de recipientes a presión se rigen por códigos de diseño como el Código de calderas y recipientes a presión de ASME en América del Norte, la Directiva de equipos a presión de la UE (PED), la Norma industrial japonesa (JIS), CSA B51 en Canadá , las Normas australianas en Australia y otras normas internacionales como Lloyd's , Germanischer Lloyd , Det Norske Veritas , Société Générale de Surveillance (SGS SA), Lloyd's Register Energy Nederland (antes conocida como Stoomwezen), etc.
Téngase en cuenta que cuando el producto presión-volumen es parte de un estándar de seguridad, cualquier líquido incompresible en el recipiente puede excluirse ya que no contribuye a la energía potencial almacenada en el recipiente, por lo que solo se utiliza el volumen de la parte compresible, como el gas.
El primer diseño documentado de recipientes a presión fue descrito en 1495 en el libro de Leonardo da Vinci , el Códice Madrid I , en el que se teorizaba que los contenedores de aire presurizado levantaban pesos pesados bajo el agua. [5] Sin embargo, los recipientes parecidos a los que se usan hoy en día no aparecieron hasta el siglo XIX, cuando se generó vapor en las calderas, lo que ayudó a impulsar la Revolución Industrial . [5] Sin embargo, con la mala calidad del material y las técnicas de fabricación junto con un conocimiento inadecuado del diseño, el funcionamiento y el mantenimiento, hubo una gran cantidad de explosiones dañinas y a menudo mortales asociadas con estas calderas y recipientes a presión, y se produjo una muerte casi a diario en los Estados Unidos. [5] Las provincias y los estados locales de los EE. UU. comenzaron a promulgar reglas para la construcción de estos recipientes después de que ocurrieran algunas fallas de recipientes particularmente devastadoras que mataron a docenas de personas a la vez, lo que dificultó que los fabricantes se mantuvieran al día con las variadas reglas de un lugar a otro. El primer código de recipientes a presión se desarrolló a partir de 1911 y se publicó en 1914, dando inicio al Código de calderas y recipientes a presión ASME (BPVC) . [5]
En un esfuerzo temprano por diseñar un tanque capaz de soportar presiones de hasta 10,000 psi (69 MPa), se desarrolló en 1919 un tanque de 6 pulgadas (150 mm) de diámetro que estaba enrollado en espiral con dos capas de alambre de acero de alta resistencia a la tracción para evitar la ruptura de la pared lateral, y las tapas de los extremos se reforzaron longitudinalmente con varillas longitudinales de alta resistencia a la tracción. [36] 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, la BPVC incluyó la soldadura como un medio aceptable de construcción; la soldadura es el principal medio para unir recipientes de metal en la actualidad. [5]
Se han producido muchos avances en el campo de la ingeniería de recipientes a presión, como el examen no destructivo avanzado, las pruebas ultrasónicas de matriz en fase y la radiografía , nuevos grados de materiales con mayor resistencia a la corrosión y materiales más fuertes, y nuevas formas de unir materiales como la soldadura por explosión , la soldadura por fricción y 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 , lo que permite que los recipientes se construyan de manera más segura y eficiente. Los recipientes a presión 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. [ cita requerida ] Sin embargo, existen otros códigos oficiales en algunos países, como Japón, Australia, Canadá, Gran Bretaña y otros países de la Unión Europea. Casi todos reconocen los riesgos potenciales inherentes de los recipientes a presión y la necesidad de normas y códigos que regulen su diseño y construcción. [ cita requerida ] [ aclaración necesaria ]
Dependiendo de la aplicación y las circunstancias locales, existen alternativas a los recipientes a presión. Se pueden ver ejemplos en los sistemas de recolección de agua doméstica, donde se pueden utilizar los siguientes:
