Recipiente a presión

Recipiente para gases o líquidos a presión

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 el centro inferior.

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

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.

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 ASME (BPVC) . En Europa, el código es la Directiva de equipos a presión . La información de esta página es mayoritariamente válida solo en ASME. ^{[ aclaración necesaria ]} 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 del metal de diseño , 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.

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 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. ^[1] Sin embargo, los recipientes parecidos a los que se usan hoy en día no aparecieron hasta el siglo XIX, cuando se generó vapor en calderas que ayudaron a impulsar la Revolución Industrial . ^[1] 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. ^[1] 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 recipientes a presión y calderas ASME (BPVC) . ^[1] En un esfuerzo temprano por 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 alambre de acero de alta resistencia a la tracción para evitar la ruptura de las paredes laterales, y las tapas de los extremos se reforzaron longitudinalmente con varillas longitudinales de alta resistencia. ^[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 para unir recipientes de metal en la actualidad. ^[1]

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. Hoy en día, los recipientes 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 riesgos potenciales inherentes de 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 normalmente se emplean formas formadas por secciones de esferas, cilindros y conos. Un diseño común es un cilindro con tapas en los extremos llamadas cabezas . Las formas de las cabezas suelen ser hemisféricas o cóncavas (torisférico). 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.

• 
  Contenedor de gas esférico.
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  Recipiente de presión cilíndrico.
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  Imagen de la parte inferior de una lata de aerosol.
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  Extintor de incendios con recipiente a presión de forma rectangular redondeada

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 ^[3] , y es la forma ideal para soportar 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 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 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 abovedados semielípticos 2:1.

Materiales de construcción

Recipiente a presión con envoltura compuesta y revestimiento de titanio.

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. ^{[4] [5]}

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". ^[6] 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.

Presión de trabajo

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 de acero sin costura.

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 sólo 150 bares (2200 psi) en Europa. Desde aproximadamente 1975 hasta ahora, la presión estándar es de 200 bares (2900 psi). Los bomberos necesitan cilindros delgados y ligeros 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 ha llevado a la aparición de distintas generaciones de cilindros compuestos (fibra y matriz, sobre un revestimiento) que se dañan con mayor facilidad por un golpe desde el exterior. Por ello, los cilindros compuestos suelen fabricarse para 300 bares (4.400 psi).

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

Hilo de buque

Hasta 1990, los cilindros de alta presión se fabricaban con roscas cónicas (ahusadas). Dos tipos de roscas han dominado los cilindros totalmente 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 a la derecha con un 12% de conicidad, forma Whitworth estándar de 55° con un paso de 14 roscas por pulgada (5,5 roscas 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. ^[8] Para atornillar la válvula, se necesita un par elevado de 200 N⋅m (150 lbf⋅ft) para la rosca cónica más grande 25E, ^[9] y 100 N⋅m (74 lbf⋅ft) para la rosca más pequeña 17E. Hasta alrededor de 1950, se utilizaba cáñamo como sellador. Más tarde, se utilizó una lámina fina de plomo prensada sobre 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 permite un montaje sencillo, pero requiere un alto par de torsión para la conexión y genera altas fuerzas radiales en el cuello del recipiente. Todos los cilindros fabricados 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 realizan según varios estándares:

• Rosca paralela ISO M25x2 , sellada mediante una junta tórica y ajustada a un par de 100 a 130 N⋅m (74 a 96 lbf⋅ft) en acero, y de 95 a 130 N⋅m (70 a 96 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio; ^[8]
• Rosca paralela M18x1,5, sellada mediante una junta tórica y ajustada a un par de 100 a 130 N⋅m (74 a 96 lbf⋅ft) en cilindros de acero, y de 85 a 100 N⋅m (63 a 74 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio; ^[8]
• Rosca paralela BSP de 3/4" x 14  , ^[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 roscas por pulgada (1,814 mm);
• Rosca paralela NGS ^[11] (NPSM) de 3/4" x 14, sellada con una junta tórica, ajustada a un torque de 40 a 50 N⋅m (30 a 37 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio, ^[12] que tiene una forma de rosca de 60°, 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 con una junta tórica, apretado a 40 a 50 N⋅m (30 a 37 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio. ^[12]
• 7/8" x 14 UNF, sellado con una junta tórica. ^[13]

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.

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 tipo cinturón con resina reforzada con fibra.
• Tipo 3: revestimiento metálico completamente envuelto: las fibras envueltas en diagonal forman la carcasa que soporta la carga en la sección cilíndrica y en la parte inferior y el hombro alrededor del cuello metálico. El revestimiento metálico es delgado y proporciona una barrera hermética al gas.
• Tipo 4 – Totalmente envuelto, sobre un revestimiento no metálico: 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 de acero inoxidable resistente.

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 ]}

Características de seguridad

Fuga antes de estallar

Una 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.

Muchas normas sobre recipientes a presión, incluido el Código de recipientes a presión y calderas de ASME ^[14] y la norma de recipientes a presión metálicos de 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 demuestra que tengan fugas antes de estallar. ^[15]

Válvulas de seguridad

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

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.

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 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 comúnmente utilizada es elíptica, que permite que el cierre pase a través de la abertura y gire a 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.

Usos

Conservado HK Porter, Inc. No. 3290 de 1923 alimentado por aire comprimido almacenado en un recipiente de 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 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 ).

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

• 
  Ilustración de un autoclave de investigación cilíndrico
• 
  Cámara de descompresión de la NASA
• 
  Un tanque de presión conectado a un pozo de agua y al 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
• Depósito de gas

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:

• Sistemas controlados por gravedad ^[16] que normalmente consisten en un tanque de agua sin presión a una altura superior al punto de uso. La presión en el punto de uso es el resultado de la presión hidrostática causada por la diferencia de altura. Los sistemas de gravedad producen 0,43 libras por pulgada cuadrada (3,0 kPa) por pie de altura de agua (diferencia de altura). Un suministro de agua municipal o agua bombeada normalmente tiene alrededor de 90 libras por pulgada cuadrada (620 kPa).
• Controladores de bombas en línea o bombas sensibles a la presión . ^[17]
• En los reactores nucleares, los recipientes a presión se utilizan principalmente para mantener el refrigerante (agua) líquido a altas temperaturas para aumentar la eficiencia de Carnot . Otros refrigerantes pueden mantenerse a altas temperaturas con mucha menos presión, lo que explica el interés en los reactores de sales fundidas , los reactores rápidos refrigerados con plomo y los reactores refrigerados por gas . Sin embargo, los beneficios de no necesitar un recipiente a presión o uno de menor presión se compensan en parte con los inconvenientes exclusivos de cada enfoque alternativo.

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 entre la resistencia y el peso del material de construcción (la masa mínima disminuye a medida que aumenta la resistencia ^[18] ).

Escala de tensión en las paredes del vaso

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. ^[19] 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).

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 con respecto a la temperatura ambiente ( presión manométrica ), (Pa)
• ${\displaystyle V}$es volumen,
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad del material del recipiente a presión, (kg/ ^m3 )
• ${\displaystyle \sigma }$es la tensión máxima de trabajo que el material puede tolerar. (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 enrollados no esféricos, pueden aproximarse a esto.

Vaso cilíndrico con extremos hemisféricos

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,

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

dónde

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

Vaso cilíndrico con extremos semielípticos

En un recipiente 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 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

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

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 . ${\displaystyle \rho /\sigma }$ ${\displaystyle M/{pV}}$

Estrés en recipientes a presión de paredes delgadas

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

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

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. ^[22] ${\displaystyle \sigma _{\theta }}$ ${\displaystyle \sigma _{long}}$

Estrés 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 la tensión circunferencial o la tensión en dirección circunferencial?
• ${\displaystyle \sigma _{long}}$es 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 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: ^[23]

Carcasas esféricas: el espesor debe ser menor a 0,356 veces el radio interior

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

Carcasas cilíndricas: el espesor debe ser menor 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 cuando se resuelve la presión o el espesor.

Ángulo de bobinado de los buques de fibra de carbono

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. ^[24]

Métodos de construcción

Remachado

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 sin filo. El remachado en caliente hacía que los remaches se contrajeran al enfriarse, formando una unión más firme. ^[25]

Sin costura

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.

Extrusión hacia atrás: Proceso mediante el cual se fuerza al material a fluir hacia atrás a lo largo del mandril entre el mandril y la matriz.

• 
  Sección de matriz con tocho insertado
• 
  Proceso de extrusión hacia atrás, que muestra el material fluyendo desde la matriz hacia atrás a lo largo del mandril.
• 
  Producto de extrusión antes del recorte.
• 
  Sección después del cierre del extremo superior
• 
  Sección que muestra 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 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. ^[26]

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 reducir el diámetro y 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. ^[27]

Estirado:

Animación que muestra dos etapas de embutición profunda de una placa de acero para formar una copa, y una copa similar para formar un cilindro de buceo en blanco con fondo abovedado.

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 o tres etapas. Después de formar la base y las paredes laterales, la parte superior del cilindro se recorta a la longitud deseada, 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. ^[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 le dará un acabado superficial, se marcará con un sello, se probará y se inspeccionará para garantizar la calidad. ^{[28] [27] [26]}

Soldado

Los recipientes de gran tamaño y baja presión se fabrican habitualmente 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 .

Compuesto

Los recipientes a presión compuestos son generalmente 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. ^[29]

Normas de funcionamiento

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.

Lista de normas

• EN 13445 : Norma europea vigente, armonizada con la Directiva de equipos a presión (originalmente "97/23/EC", desde 2014 "2014/68/EU"). Ampliamente utilizada en Europa.
• Código ASME de calderas y recipientes a presión Sección VIII: Reglas para la construcción de recipientes a presión.
• BS 5500 : antigua norma británica, reemplazada en el Reino Unido por BS EN 13445 pero mantenida con el nombre de PD 5500 para el diseño y construcción de equipos de exportación.
• AD Merkblätter: norma alemana armonizada 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 87/404/CEE del Consejo.
• BS 4994 : Especificación para el diseño y construcción de recipientes y tanques en plásticos reforzados .
• ASME PVHO: Norma estadounidense para recipientes a presión para ocupación humana .
• CODAP: Código francés para la construcción de recipientes a presión sin combustión.
• AS/NZS 1200 : Norma australiana y neozelandesa para los requisitos de equipos a presión, incluidos recipientes a presión, calderas y tuberías a presión. ^[30]
• AS 1210: Norma australiana para el diseño y construcción de recipientes a presión
• AS/NZS 3788 : Norma australiana y neozelandesa para la inspección de recipientes a presión ^[31]
• API 510. ^[32]
• ISO 11439: Cilindros de gas natural comprimido (GNC) ^[33]
• Código IS 2825–1969 (RE1977) para recipientes a presión sin combustión.
• Tanques y recipientes de FRP .
• AIAA S-080-1998: Norma AIAA para sistemas espaciales: recipientes a presión metálicos, estructuras presurizadas y componentes de presión.
• AIAA S-081A-2006: Estándar AIAA para sistemas espaciales: recipientes a presión con envoltura compuesta (COPV).
• ECSS-E-ST-32-02C Rev.1: Ingeniería espacial: diseño estructural y verificación de hardware presurizado
• B51-09 Código canadiense de calderas, recipientes a presión y tuberías a presión.
• Directrices 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 Norma nacional sudafricana: 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 de presión de gas recargables y transportables. ISBN 978-0-626-23561-1

Véase también

• Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos ( ASME ) – Sociedad profesional de ingeniería mecánicaPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Código ASME para calderas y recipientes a presión  : norma técnica
• Gas envasado  : gas comprimido y almacenado en cilindros.
• Recipiente a presión con revestimiento compuesto  : recipiente a presión con un revestimiento no estructural envuelto con un compuesto de fibra estructural
• Almacenamiento de energía mediante aire comprimido  : método para adaptar la producción variable a la demandaPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Gas natural comprimido  : gas combustible compuesto principalmente de metano
• Desempañador  : eliminación de gotas de líquido arrastradas en una corriente de vaporPáginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
• Caldera pirotubular  – Tipo de caldera
• Cilindro de gas  : recipiente cilíndrico para almacenar gas a presión.
• Junta  – Tipo de sello mecánico
• Cabeza (recipiente)  – Tapa del extremo de un recipiente a presión de forma cilíndrica
• Temperatura mínima de diseño del metal ( MDMT )
• Powerlet  : un cilindro de gas metálico pequeño, económico y desechable para proporcionar energía neumática. - un cilindro de gas metálico pequeño, económico y desechable para proporcionar energía neumática.
• Captación de agua de lluvia  : acumulación de agua de lluvia para su reutilización
• Válvula de alivio  : válvula de seguridad que se utiliza para controlar o limitar la presión en un sistema.
• Válvula de seguridad  : Dispositivo para liberar el exceso de presión en un sistema.
• Bomba de presión Scholander  – Instrumento para medir el potencial hídrico del tejido vegetal – un dispositivo para medir el potencial hídrico de las hojas
• Intercambiador de calor de carcasa y tubos  : tipos de diseños de intercambiadores de calorPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Herramienta de tubo
• Separador de vapor-líquido  – Dispositivo para separar una mezcla de líquido-vapor en sus fases componentes o Tambor de separación
• Rompedor de vórtices  : Dispositivo para evitar la formación de un vórtice en la salida de un recipiente.
• Caldera acuotubular  : Tipo de horno generador de vapor.
• Pozo de agua  : Excavación o estructura para proporcionar acceso al agua subterránea.Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento

Notas

1. Nilsen, Kyle. (2011) "Desarrollo de un recipiente de prueba de filtros de baja presión y análisis de membranas de nanofibras electrohiladas para el tratamiento del agua"
2. Ciencia popular. Corporación Bonnier. Enero de 1919.
3. Hearn, EJ (1997). "Capítulo 9". Mecánica de materiales 1. Introducción a la mecánica de la deformación elástica y plástica de sólidos y materiales estructurales (tercera edición). Butterworth-Heinemann. págs. 199–203. ISBN 0-7506-3265-8.
4. NASA Tech Briefs, "Fabricación de un recipiente a presión recubierto de material compuesto y 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. Comité Técnico 58 Cilindros de gas (25 de marzo de 1999). ISO 11116-1: Cilindros de gas – Rosca cónica 17E para conexión de válvulas a cilindros de gas (Primera edición). Ginebra, Suiza: Organización Internacional de Normalización.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
8. 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 (1.ª ed.). Ginebra, Suiza: Organización Internacional de Normalización.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
9. ISO 11363-1:2010 Cilindros de gas — Roscas cónicas 17E y 25E para 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 tubos y accesorios en los que no se realizan uniones herméticas a presión en las roscas (dimensiones métricas) . Londres: British Standards Institution. ISBN 0-580-15212-X. Norma británica 2779.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
11. Metal Cutting Tool Institute (1989). "Sección de machos de roscar y terrajas: roscas de válvulas de cilindros de gas de la norma estadounidense". Manual de herramientas de corte de metales (edición ilustrada). Industrial Press Inc. pág. 447. ISBN 978-0-8311-1177-9. Recuperado el 7 de diciembre de 2016 .
12. Personal de ab. "Válvulas de cilindros de buceo (aire)". Documentos de apoyo . Garden Grove, California: Catalina Cylinders . Consultado el 13 de noviembre de 2016 .
13. Personal. "Luxfer Limited 106". Catálogo . XS Scuba . Consultado el 7 de agosto de 2016 .
14. Sashi Kanta Panigrahi, Niranjan Sarangi (2017). Carcasa de la cámara de combustión del motor aeronáutico: diseño experimental y estudios de fatiga . Prensa CRC. págs. 4–45. ISBN 978-1-351-64283-5.
15. ANSI/AIAA S-080-1998, Sistemas espaciales: recipientes a presión metálicos, estructuras presurizadas y componentes a presión, §5.1
16. Pushard, Doug (2005). "Los sistemas de recolección de agua para uso doméstico 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 (1 de mayo de 2009). "Vidrio reforzado para sistemas de tuberías" (PDF) . Consejo de la industria de fabricación de vidrio . Archivado desde el original (PDF) el 15 de marzo de 2012. Consultado el 17 de abril de 2009 .
19. Beer, Ferdinand P.; Johnston, E. Russel Jr.; DeWolf, John T. (2002). "7.9" . Mecánica de materiales (cuarta edición). McGraw-Hill. pág. 463. ISBN 978-0-07-365935-0.
20. Para una esfera, el espesor d = rP/2σ, donde r es el radio del tanque. El volumen de la superficie esférica es entonces 4πr ² d = 4πr ³ P/2σ. La masa se determina multiplicando por la densidad del material que compone las paredes del recipiente esférico. Además, el volumen del gas es (4πr ³ )/3. Combinando estas ecuaciones se obtienen los resultados anteriores. Las ecuaciones para las otras geometrías se derivan de manera similar.
21. "Masa de presión Recipiente cilíndrico con extremos hemisféricos (cápsula) – calculadora – fxSolver". www.fxsolver.com . Consultado el 11 de abril de 2017 .
22. Richard Budynas, J. Nisbett, Shigley's Mechanical Engineering Design, 8.ª ed., Nueva York: McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-312193-2 , pág. 108 
23. Código internacional 2007 Código ASME para calderas y recipientes a presión. Sociedad Estadounidense 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 (19.ª ed.). Brighton, Inglaterra: Machinery Publishing Co. Inc., págs. 1239–1254.
26. Staff (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. Worthington steel (3 de noviembre de 2007). "Making a Worthington X-Series Steel Scuba Cylinder". YouTube . Archivado desde el original el 21 de diciembre de 2021.
29. Air, Alexander; Shamsuddoha, Md; Prusty, B Gangadhara (2023). "Una revisión de los recipientes a presión compuestos de tipo V y la fabricación automatizada basada en la colocación de fibras". Composites Part B: Engineering . 253 : 110573. doi : 10.1016/j.compositesb.2023.110573 . ISSN  1359-8368.
30. "Recipientes a presión AS 1200". SAI Global. Archivado desde el original el 9 de julio de 2012. Consultado el 14 de noviembre de 2011 .
31. "AS_NZS 3788: 2006 Equipos a presión – Inspección en servicio". SAI Global . Consultado el 4 de septiembre de 2015 .
32. "Código de inspección de recipientes a presión: inspección en servicio, clasificación, reparación y alteración". API. Junio ​​de 2006.
33. . "Cilindros de gas: cilindros de alta presión para el almacenamiento a bordo de gas natural como combustible para vehículos automotores". ISO. 2006-07-18 . Consultado el 2009-04-17 .

Referencias

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

Lectura adicional

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

Enlaces externos

• 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 según ASME
• Sitio web de calderas y recipientes a presión ASME
• Revista de tecnología de recipientes a presión Archivado el 15 de octubre de 2012 en Wayback Machine
• Sitio web de la Directiva de equipos a presión de la UE
• Directiva de la UE sobre recipientes a presión simples
• Clasificación 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