Un cilindro de gas es un recipiente a presión para almacenar y contener gases a una presión superior a la atmosférica . Los cilindros de gas a alta presión también se denominan botellas . Dentro del cilindro, el contenido almacenado puede estar en estado de gas comprimido, vapor sobre líquido, fluido supercrítico o disuelto en un material de sustrato, según las características físicas del contenido. Un diseño típico de cilindro de gas es alargado, de pie sobre un extremo inferior aplanado, con la válvula y el accesorio en la parte superior para conectarlo al aparato receptor.
El término cilindro en este contexto no debe confundirse con tanque , siendo este último un recipiente abierto o ventilado que almacena líquidos por gravedad, aunque el término tanque de buceo se usa comúnmente para referirse a un cilindro utilizado para el suministro de gas respirable a un aparato de respiración bajo el agua.
En los Estados Unidos, el término "gas envasado" se refiere generalmente al gas licuado de petróleo . El término "gas envasado" se utiliza a veces en el suministro médico, especialmente para los tanques de oxígeno portátiles . Los gases industriales envasados se denominan con frecuencia "gas de cilindro", aunque a veces se utiliza "gas envasado". El término tanque de propano también se utiliza para los cilindros con propano.
En el Reino Unido y otras partes de Europa, se suele hablar de "gas envasado" cuando se habla de cualquier uso, ya sea industrial, médico o de petróleo licuado. Por el contrario, lo que se denomina gas licuado de petróleo en los Estados Unidos se conoce de forma genérica en el Reino Unido como "LPG" y se puede pedir utilizando uno de varios nombres comerciales , o específicamente como butano o propano , según la potencia calorífica requerida. [ cita requerida ]
El tamaño de un recipiente de gas presurizado que puede clasificarse como cilindro de gas es, por lo general, de 0,5 a 150 litros. Los recipientes más pequeños pueden denominarse cartuchos de gas, mientras que los más grandes pueden denominarse tubos de gas, tanques u otro tipo específico de recipiente a presión. Un cilindro de gas se utiliza para almacenar gas o gas licuado a presiones superiores a la presión atmosférica normal. [1]
Los cilindros de gas pueden agruparse según varias características, como el método de construcción, el material, el grupo de presión, la clase de contenido, la transportabilidad y la reutilización. [1]
Los códigos de diseño y las normas de aplicación, así como el coste de los materiales, determinaron la elección de acero sin soldaduras para la mayoría de los cilindros de gas; el acero está tratado para resistir la corrosión . Algunos cilindros de gas ligeros de reciente desarrollo están fabricados con acero inoxidable y materiales compuestos. Debido a la altísima resistencia a la tracción del polímero reforzado con fibra de carbono , estos recipientes pueden ser muy ligeros, pero son más difíciles de fabricar. [2]
Los cilindros reforzados o construidos con un material de fibra generalmente deben inspeccionarse con mayor frecuencia que los cilindros de metal, por ejemplo , cada 5 años en lugar de 10, y deben inspeccionarse más a fondo que los cilindros de metal. Pueden tener una vida útil limitada. [ cita requerida ]
El intervalo de inspección de los cilindros de acero ha aumentado de 5 o 6 años a 10 años. [ cita requerida ] Los cilindros de buceo que se utilizan en el agua deben inspeccionarse con mayor frecuencia. Cuando se descubrió que tenían problemas estructurales inherentes, se retiraron del servicio ciertas aleaciones de acero y aluminio. [ cita requerida ]
Los cilindros compuestos de fibra se especificaron originalmente para una vida útil limitada de 15, 20 o 30 años, mientras que hoy en día los cilindros de acero generalmente se retiran del mercado después de 70 años, o pueden continuar utilizándose indefinidamente siempre que pasen inspecciones y pruebas periódicas. [ cita requerida ] Desde hace algunos años [ aclaración necesaria ] existen cilindros compuestos que están designados para una vida útil no limitada (NLL), siempre y cuando no se observen daños. [ cita requerida ]
Desde que se han utilizado materiales compuestos de fibra para reforzar cilindros, existen varios tipos de construcción de recipientes de alta presión: [ cita requerida ]
Los recipientes a presión para el almacenamiento de gas también pueden clasificarse por volumen. En Sudáfrica, un cilindro de almacenamiento de gas implica un contenedor recargable y transportable con una capacidad de agua de hasta 150 litros. Los contenedores cilíndricos recargables y transportables con una capacidad de agua de entre 150 y 3000 litros se denominan tubos. [3]
El recipiente a presión es un cilindro sin costuras normalmente hecho de aluminio extruido en frío o acero forjado . [4] Los cilindros compuestos de filamento enrollado se utilizan en aparatos de respiración contra incendios y equipos de primeros auxilios de oxígeno debido a su bajo peso, pero rara vez se utilizan para buceo, debido a su alta flotabilidad positiva . Ocasionalmente se utilizan cuando la portabilidad para acceder al sitio de buceo es crítica, como en el buceo en cuevas . [5] [6] Los cilindros compuestos certificados según ISO-11119-2 o ISO-11119-3 solo se pueden usar para aplicaciones submarinas si se fabrican de acuerdo con los requisitos para uso submarino y están marcados "UW". [7] El recipiente a presión comprende una sección cilíndrica de espesor de pared uniforme, con una base más gruesa en un extremo y un hombro abovedado con un cuello central para conectar una válvula de cilindro o colector en el otro extremo.
Ocasionalmente, se pueden utilizar otros materiales. El Inconel se ha utilizado para contenedores de gas esféricos de alta presión, compatibles con oxígeno, no magnéticos y altamente resistentes a la corrosión, para los rebreathers de gas mixto Mk-15 y Mk-16 de la Marina de los EE. UU. y algunos otros rebreathers militares.
La mayoría de los cilindros de aluminio tienen fondo plano, lo que les permite mantenerse en posición vertical sobre una superficie nivelada, pero algunos se fabricaron con fondo abovedado.
Los cilindros de aluminio se fabrican generalmente mediante extrusión en frío de piezas de aluminio en un proceso que primero prensa las paredes y la base, luego recorta el borde superior de las paredes del cilindro, seguido por la formación en prensa del hombro y el cuello. El proceso estructural final es el mecanizado de la superficie exterior del cuello, perforando y cortando las roscas del cuello y la ranura de la junta tórica . Luego, el cilindro se trata térmicamente, se prueba y se estampa con las marcas permanentes requeridas. [8]
Los cilindros de acero se utilizan a menudo porque son más duros y más resistentes a los impactos superficiales externos y a los daños por abrasión, y pueden tolerar temperaturas más altas sin afectar las propiedades del material. También pueden tener una masa menor que los cilindros de aluminio con la misma capacidad de gas, debido a una resistencia específica considerablemente mayor . Los cilindros de acero son más susceptibles que los de aluminio a la corrosión externa, especialmente en agua de mar, y pueden estar galvanizados o recubiertos con pinturas de barrera contra la corrosión para resistir el daño por corrosión. No es difícil controlar la corrosión externa y reparar la pintura cuando se daña, y los cilindros de acero que se mantienen bien tienen una vida útil prolongada, a menudo más larga que los cilindros de aluminio, ya que no son susceptibles a daños por fatiga cuando se llenan dentro de sus límites de presión de trabajo seguros.
Los cilindros de acero se fabrican con fondos abovedados (convexos) y cóncavos (cóncavos). El perfil cóncavo les permite permanecer en posición vertical sobre una superficie horizontal y es la forma estándar de los cilindros industriales. Los cilindros utilizados para el suministro de gas de emergencia en las campanas de buceo suelen tener esta forma y, por lo general, tienen una capacidad de agua de unos 50 litros ("J"). Los fondos abovedados proporcionan un mayor volumen para la misma masa del cilindro y son el estándar para los cilindros de buceo de hasta 18 litros de capacidad de agua, aunque se han comercializado algunos cilindros con fondo cóncavo para buceo. Los cilindros industriales con extremo abovedado pueden estar equipados con un anillo de pie ajustado a presión para permitir su posición vertical. [9] [10]
Las aleaciones de acero utilizadas para la fabricación de cilindros de gas están autorizadas por la norma de fabricación. Por ejemplo, la norma estadounidense DOT 3AA exige el uso de acero de hogar abierto, de oxígeno básico o eléctrico de calidad uniforme. Las aleaciones aprobadas incluyen 4130X, NE-8630, 9115, 9125, carbono-boro y manganeso intermedio, con componentes específicos, incluidos manganeso y carbono, y molibdeno, cromo, boro, níquel o circonio. [11]
Los cilindros de acero pueden fabricarse a partir de discos de chapa de acero, que se estiran en frío hasta obtener una forma de copa cilíndrica, en dos o tres etapas, y generalmente tienen una base abovedada si están destinados al mercado de buceo, por lo que no pueden sostenerse por sí solos. Después de formar la base y las paredes laterales, la parte superior del cilindro se recorta a la longitud adecuada, se calienta y se centrifuga 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. Los cilindros se mecanizan para proporcionar la rosca del cuello y el asiento de la junta tórica (si corresponde), luego se limpian químicamente o se granallan por dentro y por fuera para eliminar la cascarilla de laminación. Después de la inspección y la prueba hidrostática, se estampan con las marcas permanentes requeridas, seguido de un recubrimiento externo con una pintura de barrera contra la corrosión o galvanización por inmersión en caliente y una inspección final. [12]
Un método relacionado consiste en empezar con un tubo de acero sin costura de un diámetro y un espesor de pared adecuados, fabricado mediante un proceso como el proceso Mannesmann , y cerrar ambos extremos mediante el proceso de hilado en caliente. Este método es especialmente adecuado para los tubos de almacenamiento de gas a alta presión, que suelen tener una abertura de cuello roscada en ambos extremos, de modo que ambos extremos se procesan de la misma manera.
Un método de producción alternativo es la extrusión hacia atrás de un tocho de acero calentado, similar al proceso de extrusión en frío para cilindros de aluminio, seguido de un estirado en caliente y un conformado de la base para reducir el espesor de la pared, y el recorte del borde superior en preparación para la formación del hombro y el cuello mediante hilado en caliente. Los demás procesos son muy similares para todos los métodos de producción. [13]
El cuello del cilindro es la parte del extremo que tiene forma de cilindro concéntrico estrecho y está roscado internamente para adaptarse a la válvula del cilindro. Existen varias normas para las roscas del cuello.
Un cilindro de gas soldado consta de uno o más componentes de la carcasa unidos mediante soldadura. El material más utilizado es el acero, pero también se pueden utilizar acero inoxidable, aluminio y otras aleaciones cuando se adecúen mejor a la aplicación. El acero es fuerte, resistente a los daños físicos, fácil de soldar, de coste relativamente bajo y, por lo general, adecuado para la resistencia a la corrosión, y proporciona un producto económico.
Los componentes de la carcasa suelen ser extremos abovedados y, a menudo, una sección central cilíndrica laminada. Los extremos suelen estar abovedados mediante prensado en frío a partir de una pieza bruta circular y pueden estirarse en dos o más etapas para obtener la forma final, que generalmente tiene una sección semielíptica. La pieza bruta del extremo normalmente se perfora a partir de una chapa, se estira hasta la sección requerida, se recortan los bordes a medida y se les hace un corte para que se superpongan cuando sea necesario, y se perforan los orificios para el cuello y otros accesorios. [14]
Los cilindros más pequeños se ensamblan típicamente a partir de una cúpula superior e inferior, con una costura de soldadura ecuatorial. Los cilindros más grandes con un cuerpo cilíndrico más largo comprenden extremos abombados soldados circunferencialmente a una sección cilíndrica central laminada con una sola costura soldada longitudinal. La soldadura es típicamente soldadura por arco metálico con gas automatizada . [14]
Los accesorios típicos que se sueldan al exterior del cilindro incluyen un anillo de pie, un protector de válvula con manijas de elevación y un resalte de cuello roscado para la válvula. Ocasionalmente, también se sueldan otros accesorios externos y pasantes. [14]
Después de la soldadura, el conjunto puede ser tratado térmicamente para aliviar tensiones y mejorar las características mecánicas, limpiado mediante granallado y recubierto con un revestimiento protector y decorativo. Se realizarán pruebas e inspecciones para el control de calidad en varios puntos. [14]
El transporte de cilindros de alta presión está regulado por muchos gobiernos en todo el mundo. Por lo general, la autoridad competente del país en el que se transportarán los cilindros exige varios niveles de pruebas. En los Estados Unidos, esta autoridad es el Departamento de Transporte de los Estados Unidos (DOT). De manera similar, en el Reino Unido, las normas de transporte europeas (ADR) las implementa el Departamento de Transporte (DfT). En Canadá, esta autoridad es Transport Canada (TC). Los cilindros pueden tener requisitos adicionales en cuanto al diseño o el rendimiento por parte de agencias de pruebas independientes, como Underwriters Laboratories (UL). Cada fabricante de cilindros de alta presión debe contar con un agente de calidad independiente que inspeccione el producto para comprobar su calidad y seguridad.
En el Reino Unido, la " autoridad competente ", el Departamento de Transporte (DfT), implementa las regulaciones y la designación de probadores de cilindros autorizados la realiza el Servicio de Acreditación del Reino Unido (UKAS), que hace recomendaciones a la Agencia de Certificación de Vehículos (VCA) para la aprobación de organismos individuales.
Existen diversas pruebas que se pueden realizar en varios cilindros. Algunos de los tipos de pruebas más comunes son la prueba hidrostática , la prueba de ruptura, la resistencia máxima a la tracción , la prueba de impacto Charpy y el ciclo de presión.
Durante el proceso de fabricación, se suele estampar o marcar de forma permanente en el cilindro información vital. Esta información suele incluir el tipo de cilindro, la presión de trabajo o de servicio, el número de serie, la fecha de fabricación, el código de registro del fabricante y, en ocasiones, la presión de prueba. También se puede estampar otra información, según los requisitos de la normativa.
Los cilindros de alta presión que se utilizan varias veces (como la mayoría) pueden probarse hidrostáticamente o ultrasónicamente y examinarse visualmente cada pocos años. [15] En los Estados Unidos, se requieren pruebas hidrostáticas/ultrasónicas cada cinco o cada diez años, según el cilindro y su servicio.
Los cilindros de gas suelen tener una válvula de cierre en ángulo en un extremo y el cilindro suele estar orientado de modo que la válvula quede en la parte superior. Durante el almacenamiento, el transporte y la manipulación cuando no se utiliza el gas, se puede enroscar una tapa sobre la válvula saliente para protegerla de daños o roturas en caso de que el cilindro se caiga. En lugar de una tapa, los cilindros a veces tienen un collar protector o un anillo de cuello alrededor del conjunto de la válvula.
Las válvulas de los cilindros industriales, médicos y de buceo suelen tener roscas o geometrías de conexión de diferente orientación, tamaño y tipo que dependen de la categoría del gas, lo que dificulta el uso incorrecto de un gas. Por ejemplo, la salida de la válvula de un cilindro de hidrógeno no encaja en un regulador y una línea de suministro de oxígeno, lo que podría provocar una catástrofe. Algunos accesorios utilizan una rosca a la derecha, mientras que otros utilizan una rosca a la izquierda ; los accesorios con rosca a la izquierda suelen identificarse por las muescas o ranuras cortadas en ellos.
En los Estados Unidos, las conexiones de válvulas a veces se denominan conexiones CGA , ya que la Asociación de Gas Comprimido (CGA) publica pautas sobre qué conexiones utilizar para qué gases. Por ejemplo, un cilindro de argón tiene una conexión "CGA 580" en la válvula. Los gases de alta pureza a veces utilizan conexiones CGA-DISS ("Sistema de seguridad de índice de diámetro").
Los gases médicos pueden utilizar el sistema de seguridad de índice de pines para evitar la conexión incorrecta de los gases a los servicios.
En la Unión Europea, las conexiones DIN son más comunes que en los Estados Unidos.
En el Reino Unido, la British Standards Institution establece las normas. Entre ellas se incluye el uso de válvulas con rosca a la izquierda para cilindros de gas inflamable (normalmente de latón, BS4, válvulas para contenidos no corrosivos en cilindros o de acero inoxidable, BS15, válvulas para contenidos corrosivos). Los cilindros de gas no inflamable están equipados con válvulas con rosca a la derecha (normalmente de latón, BS3, válvulas para componentes no corrosivos o de acero inoxidable, BS14, válvulas para componentes corrosivos). [16]
Cuando el gas del cilindro se va a utilizar a baja presión, se quita la tapa y se conecta un conjunto regulador de presión a la válvula de cierre. Este accesorio normalmente tiene un regulador de presión con manómetros de presión aguas arriba (entrada) y aguas abajo (salida) y una válvula de aguja aguas abajo y una conexión de salida. Para los gases que permanecen gaseosos en condiciones ambientales de almacenamiento, el manómetro de presión aguas arriba se puede utilizar para estimar cuánto gas queda en el cilindro según la presión. Para los gases que son líquidos durante el almacenamiento, por ejemplo, el propano, la presión de salida depende de la presión de vapor del gas y no cae hasta que el cilindro está casi agotado, aunque variará según la temperatura del contenido del cilindro. El regulador se ajusta para controlar la presión aguas abajo, que limitará el flujo máximo de gas que sale del cilindro a la presión que muestra el manómetro aguas abajo. Para algunos fines, como el gas de protección para soldadura por arco, el regulador también tendrá un medidor de flujo en el lado aguas abajo.
La conexión de salida del regulador se conecta a cualquier lugar donde se necesite el suministro de gas.
Debido a que los contenidos están bajo presión y a veces son materiales peligrosos , la manipulación de gases envasados está regulada. Las regulaciones pueden incluir encadenar las botellas para evitar que se caigan y dañen la válvula, ventilación adecuada para evitar lesiones o la muerte en caso de fugas y señalización para indicar los peligros potenciales. Si un cilindro de gas comprimido se vuelca, causando que el bloque de la válvula se corte, la rápida liberación de gas a alta presión puede hacer que el cilindro se acelere violentamente, lo que puede causar daños a la propiedad, lesiones o la muerte. Para evitar esto, los cilindros normalmente se aseguran a un objeto fijo o un carro de transporte con una correa o cadena. También se pueden almacenar en un armario de seguridad .
En caso de incendio, la presión en un cilindro de gas aumenta en proporción directa a su temperatura . Si la presión interna excede las limitaciones mecánicas del cilindro y no hay medios para ventilar de forma segura el gas presurizado a la atmósfera, el recipiente fallará mecánicamente. Si el contenido del recipiente es inflamable, este evento puede resultar en una "bola de fuego". [17] Los oxidantes como el oxígeno y el flúor producirán un efecto similar al acelerar la combustión en el área afectada. Si el contenido del cilindro es líquido, pero se convierte en gas en condiciones ambientales, esto se conoce comúnmente como explosión de vapor en expansión de líquido hirviendo (BLEVE). [18]
Los cilindros de gas médico en el Reino Unido y algunos otros países tienen un tapón fusible de metal de Wood en el bloque de válvulas entre el asiento de la válvula y el cilindro. [ cita requerida ] Este tapón se derrite a una temperatura comparativamente baja (70 °C) y permite que el contenido del cilindro escape a los alrededores antes de que el cilindro se debilite significativamente por el calor, lo que reduce el riesgo de explosión.
Los dispositivos de alivio de presión más comunes son un disco de ruptura simple instalado en la base de la válvula entre el cilindro y el asiento de la válvula. Un disco de ruptura es una pequeña junta de metal diseñada para romperse a una presión predeterminada. Algunos discos de ruptura están respaldados por un metal de bajo punto de fusión, de modo que la válvula debe estar expuesta a un calor excesivo antes de que el disco de ruptura pueda romperse. [ cita requerida ]
La Asociación de Gas Comprimido publica una serie de folletos y panfletos sobre el manejo y uso seguro de gases envasados.
Existe una amplia gama de normas relacionadas con la fabricación, el uso y las pruebas de cilindros de gas presurizado y componentes relacionados. A continuación se enumeran algunos ejemplos.
Los cilindros de gas suelen tener códigos de colores , pero estos no son uniformes en las distintas jurisdicciones y, a veces, no están regulados. El color de los cilindros no se puede utilizar de forma segura para la identificación positiva del producto; los cilindros tienen etiquetas para identificar el gas que contienen.
La Norma india para el código de colores de los cilindros de gas se aplica a la identificación del contenido de los cilindros de gas destinados a uso médico. Cada cilindro deberá estar pintado externamente con los colores correspondientes a su contenido gaseoso. [24]
Los siguientes son ejemplos de tamaños de cilindros y no constituyen un estándar de la industria. [ cita necesaria ] [ aclaración necesaria ]
(Las especificaciones del DOT de EE. UU. definen el material, la fabricación y la presión máxima en psi. Son comparables a las especificaciones de Transport Canada , que muestran la presión en bares . Un 3E-1800 en la nomenclatura DOT sería un TC 3EM 124 en Canadá. [25] )
Para volúmenes mayores, se encuentran disponibles unidades de almacenamiento de gas a alta presión, conocidas como tubos . Generalmente tienen un diámetro y una longitud mayores que los cilindros de alta presión, y suelen tener un cuello roscado en ambos extremos. Pueden montarse solos o en grupos sobre remolques, bases permanentes o bastidores de transporte intermodal . Debido a su longitud, se montan horizontalmente sobre estructuras móviles. En el uso general, a menudo se agrupan y se gestionan como una unidad. [26] [27]
Se pueden montar grupos de cilindros de tamaño similar y conectarlos a un sistema de colector común para proporcionar una mayor capacidad de almacenamiento que un solo cilindro estándar. Esto se denomina comúnmente banco de cilindros o banco de almacenamiento de gas. El colector puede estar dispuesto para permitir el flujo simultáneo desde todos los cilindros o, para un sistema de llenado en cascada , donde el gas se extrae de los cilindros de acuerdo con la diferencia de presión positiva más baja entre el cilindro de almacenamiento y el de destino, lo que constituye un uso más eficiente del gas presurizado. [28]
Un grupo de cilindros de gas, también conocido como palé de cilindros de gas, es un grupo de cilindros de alta presión montados sobre un bastidor de transporte y almacenamiento. Normalmente hay 16 cilindros, cada uno de unos 50 litros de capacidad, montados en posición vertical en cuatro filas de cuatro, sobre una base cuadrada con un bastidor de planta cuadrada con puntos de elevación en la parte superior y puede tener ranuras para montacargas en la base. Los cilindros suelen estar interconectados como un colector para su uso como una unidad, pero son posibles muchas variaciones en el diseño y la estructura. [29]