Recipiente a presión

Recipiente para gases o líquidos a presión

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

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

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

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

El diseño implica 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 fracturas frágiles). 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 explosivamente). Los productos de producción en masa o por lotes a menudo tendrán una muestra representativa analizada hasta su destrucción en condiciones controladas para garantizar la calidad. Se podrán instalar dispositivos de alivio de presión si se mejora suficientemente la seguridad general del sistema.

En la mayoría de los países, los recipientes que superan un cierto tamaño y presión deben construirse según un código formal. En los Estados Unidos, ese código es el Código ASME para calderas y recipientes a presión (BPVC) . En Europa el código es la Directiva sobre equipos a presión . La información contenida en esta página es mayoritariamente válida únicamente en ASME. ^{[ se necesita aclaración ]} Estos recipientes también requieren que un inspector autorizado apruebe cada nuevo recipiente construido y cada recipiente tiene una placa de identificación con información pertinente sobre el recipiente, como la presión de trabajo máxima permitida, la temperatura máxima, la temperatura mínima del metal de diseño , qué empresa fabricó. él, 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 la embarcación sea rastreable y oficialmente una embarcación con código ASME.

Una aplicación especial son los recipientes a presión para ocupación humana , para los cuales 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 diseño más antiguo documentado de recipientes a presión se describió en 1495 en el libro de Leonardo da Vinci, el Códice Madrid I, en el que se teorizaba que los recipientes de aire presurizado podían levantar pesos pesados ​​bajo el agua. ^[1] Sin embargo, los recipientes parecidos a los que se utilizan hoy en día no surgieron hasta el siglo XIX, cuando se generaba vapor en calderas que ayudaron a impulsar la revolución industrial . ^[1] Sin embargo, debido a la mala calidad de los materiales y las técnicas de fabricación, junto con un conocimiento inadecuado del diseño, operación y mantenimiento, hubo una gran cantidad de explosiones dañinas y a menudo mortales asociadas con estas calderas y recipientes a presión, con muertes ocurriendo casi a diario. en los Estados Unidos. ^[1] Las provincias y estados locales de EE. UU. comenzaron a promulgar reglas para la construcción de estas embarcaciones después de que ocurrieran fallas particularmente devastadoras que mataron a docenas de personas a la vez, lo que dificultó a los fabricantes mantenerse al día con las diversas reglas de un lugar a otro. . El primer código de recipientes a presión se desarrolló a partir de 1911 y se publicó en 1914, iniciando el Código ASME para calderas y recipientes a presión (BPVC) . ^[1] En un esfuerzo inicial 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 alta resistencia a la tracción. alambre de acero para evitar la ruptura de las paredes laterales y las tapas de los extremos reforzadas 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 los años 1920 y 1930 el BPVC incluyó la soldadura como un medios de construcción aceptables; La soldadura es el principal medio para unir recipientes metálicos en la actualidad. ^[1]

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

Características

Forma

En teoría, los recipientes a presión pueden tener casi cualquier forma, pero generalmente se emplean formas hechas de secciones de esferas, cilindros y conos. Un diseño común es un cilindro con tapas en los extremos llamadas cabezas . La forma de la cabeza suele ser hemisférica o abombada (torisférica). 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 a presión cilíndrico.
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  Imagen del fondo de una lata de aerosol.
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  Extintor de incendios con recipiente a presión rectangular redondeado

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

Materiales de construcción

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

Muchos recipientes a presión están hechos de acero. Para fabricar un recipiente a presión cilíndrico o esférico, habría que soldar entre sí piezas laminadas y posiblemente forjadas. Algunas propiedades mecánicas del acero, obtenidas 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 exigen el uso de acero con una alta resistencia al impacto, especialmente para recipientes utilizados a bajas temperaturas. En aplicaciones donde el acero al carbono sufriría corrosión, también se debe utilizar un material especial resistente a la corrosión.

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

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

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

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

Los recipientes muy pequeños utilizados para fabricar encendedores de cigarrillos que funcionan con butano líquido están sujetos a una presión de aproximadamente 2 bares, dependiendo de la temperatura ambiente. Estos vasos suelen tener una sección transversal ovalada (1 x 2 cm ... 1,3 x 2,5 cm), pero a veces circular. Las versiones ovaladas generalmente incluyen uno o dos puntales de tensión internos que parecen deflectores pero que también brindan resistencia adicional al cilindro.

Presión laboral

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

La presión de trabajo de los cilindros para uso en la industria, artesanía especializada, buceo y medicina tenía una presión de trabajo estandarizada (WP) de sólo 150 bares (2200 psi) en Europa hasta aproximadamente 1950. Desde aproximadamente 1975 hasta ahora, la presión estándar es de 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 necesaria ]}

La demanda de peso reducido dio lugar a diferentes generaciones de cilindros compuestos (fibra y matriz, sobre una camisa) que se dañan más fácilmente con un golpe desde el exterior. Por lo tanto, los cilindros compuestos generalmente se construyen para 300 bares (4400 psi).

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

Hilo del recipiente

Hasta 1990, los cilindros de alta presión se producían con roscas cónicas (cónicas). 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 rosca derecha de 12% de conicidad, 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 roscada y se aprietan entre 120 y 150 newton-metro (89 y 111 lbf⋅ft) en cilindros de acero, y entre 75 y 140 N⋅m (55 y 103 lbf⋅ft) en cilindros de aluminio. ^[8] Para atornillar la válvula, se necesita un par alto de normalmente 200 N⋅m (150 lbf⋅ft) para la rosca cónica 25E más grande, ^[9] y 100 N⋅m (74 lbf⋅ft) para la rosca más pequeña. Hilo 17E. Hasta aproximadamente 1950, el cáñamo se utilizaba como sellador. Posteriormente se utilizó una fina lámina de plomo prensada sobre un sombrero con un agujero en la parte superior. Desde 2005 se utiliza cinta de PTFE para evitar el uso de plomo. ^{[ se necesita aclaración ]}

Una rosca cónica proporciona un montaje sencillo, pero requiere un par elevado para la conexión y genera fuerzas radiales elevadas en el cuello del vaso. 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 fabrican según varios estándares:

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

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

Todas las válvulas de rosca paralela se sellan 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 cilindros con diferentes principios estructurales se definen 4 tipos. ^{[ cita necesaria ]}

• Tipo 1 – Totalmente metálico: el cilindro está fabricado íntegramente de metal.
• Tipo 2 – Envoltura de aro: Cilindro metálico, reforzado por una envoltura de aro en forma de cinturón con resina reforzada con fibra.
• Tipo 3 – Totalmente envuelto, sobre revestimiento metálico: Las fibras envueltas diagonalmente forman la carcasa de soporte de 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 liviano proporciona una barrera hermética al gas y el mandril para envolver las fibras y la matriz de resina. Sólo el cuello que lleva la rosca del cuello y su anclaje al revestimiento es de metal, que puede ser de aluminio liviano o de acero inoxidable resistente.

Los cilindros de tipo 2 y 3 se producen desde aproximadamente 1995. Los cilindros de tipo 4 están disponibles comercialmente al menos desde 2016. ^{[ cita necesaria ]}

Caracteristicas de seguridad

Fuga antes de estallar

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

Muchas normas para recipientes a presión, incluido el Código ASME para calderas y recipientes a presión ^[14] y la norma para recipientes a presión metálicos AIAA, requieren que los diseños de los 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 ha demostrado que haya fugas antes de estallar. ^[15]

Válvulas de seguridad

Ejemplo de válvula utilizada para cilindros de gas. ^{[ se necesita aclaración ]}

Como el recipiente a presión está diseñado para una presión, normalmente hay una válvula de seguridad o una válvula de alivio para garantizar que no se exceda esta presión 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 cerdos, filtros y sistemas de filtración. Normalmente, los cierres de recipientes a presión permiten el acceso del personal de mantenimiento. Una forma de orificio de acceso comúnmente utilizada es la elíptica, que permite pasar el cierre a través de la abertura y girarlo 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 accidentalmente bajo carga.

Usos

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

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

Una aplicación única de un recipiente a presión es la cabina de pasajeros de un avión de pasajeros: el revestimiento exterior soporta tanto las cargas de maniobra del avión como las cargas de presurización de la cabina . ^{[ se necesita aclaración ]}

• 
  Ilustración de autoclave de investigación cilíndrico
• 
  Cámara de descompresión de la NASA
• 
  Un tanque de presión conectado a un pozo de agua y sistema de agua caliente sanitaria.
• 
  Algunos tanques de presión, aquí utilizados para contener propano .
• 
  Un recipiente a presión utilizado como kier .
• 
  Un recipiente a presión utilizado para la nave espacial CST-100 de The Boeing Company.

Alternativas

• Almacenamiento de gas natural
• Contenedor de gas

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

• 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 elevación. Los sistemas de gravedad producen 0,43 libras por pulgada cuadrada (3,0 kPa) por pie de altura de agua (diferencia de elevación). Un suministro de agua municipal o agua bombeada suele ser de 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 líquido refrigerante (agua) 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 enfriados por plomo y los reactores enfriados 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 únicos de cada enfoque alternativo.

Diseño

Escalada

No importa la forma que adopte, la masa mínima de un recipiente a presión aumenta con la presión y el volumen que contiene y es inversamente proporcional a la relación resistencia-peso del material de construcción (la masa mínima disminuye a medida que aumenta la resistencia ^[18] ).

Escalado de tensiones en las paredes del recipiente.

Los recipientes a presión se mantienen unidos contra la presión del gas debido a las fuerzas de tracción dentro de las paredes del recipiente. La tensión normal (de tracción) en las paredes del recipiente 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 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 aumenta con el radio del tanque, la masa de un tanque (que aumenta como la longitud por el radio por el espesor de la pared para un tanque cilíndrico) aumenta con el volumen del gas. sostenido (que escala como longitud por radio al cuadrado). La fórmula exacta varía según la forma del tanque, pero depende de la densidad, ρ, y la tensión máxima permitida σ del material, además de la presión P y el volumen V del recipiente. (Consulte a continuación las ecuaciones exactas 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 ambiental (la presión manométrica ), (Pa)
• ${\displaystyle V}$es volumen,
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad del material del recipiente a presión, (kg/m ³ )
• ${\displaystyle \sigma }$es el esfuerzo de trabajo máximo 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 acercarse a esto.

Vaso cilíndrico con extremos semiesféricos.

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 semiesféricos,

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

dónde

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

Vaso cilíndrico con extremos semielípticos.

En 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 SI, está en unidades de energía (presurización). Para un gas almacenado, PV es proporcional a la masa de gas a una temperatura determinada, 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 vasija determinados. Entonces 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 de gas almacenado. Para almacenar gases, la "eficiencia del tanque" es independiente de la presión, al menos para la misma temperatura.

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

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

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

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

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

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

dónde:

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

Casi todos los estándares 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 los márgenes de corrosión en servicio . Todas las fórmulas mencionadas anteriormente suponen una distribución uniforme de las tensiones de la membrana a lo largo del espesor de la cubierta, pero en realidad ese no es el caso. Un análisis más profundo lo proporciona el teorema de Lamé , que da la distribución de tensiones en las paredes de un cilindro de paredes gruesas de un material homogéneo e isotrópico. Las fórmulas de las normas de diseño de recipientes a presión son una extensión del teorema de Lamé al poner algún límite a la relación entre el radio interior y el espesor.

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

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

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

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

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

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

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

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

Ángulo de bobinado de vasijas de fibra de carbono.

Lo óptimo es enrollar infinitas formas cilíndricas con un ángulo de enrollado de 54,7 grados con respecto al eje cilíndrico, ya que esto proporciona el doble de fuerza necesaria en la dirección circunferencial respecto a la longitudinal. ^[24]

Métodos de construcción

remachado

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

Sin costura

Los métodos de fabricación de recipientes a presión metálicos sin costura se utilizan comúnmente para cilindros de diámetro relativamente pequeño donde se producirán grandes cantidades, ya que la maquinaria y las herramientas requieren un gran desembolso de capital. Los métodos son muy adecuados para aplicaciones de transporte y almacenamiento de gas a alta presión y proporcionan productos de alta calidad 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 palanquilla insertada
• 
  Proceso de extrusión hacia atrás, que muestra el material que sale del troquel y regresa a lo largo del mandril.
• 
  Producto de extrusión antes del recorte.
• 
  Sección después del cierre del extremo superior.
• 
  Sección que muestra en detalle las áreas mecanizadas del cuello.

Extrusión en frío (aluminio):

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

Extrusión en caliente (acero):

En el proceso de extrusión en caliente, se corta una pieza de acero al tamaño adecuado, se calienta por inducción a la temperatura correcta para la aleación, se desincrusta y se coloca en la matriz. El metal se extruye hacia atrás forzando el mandril hacia su interior, lo que hace que fluya a través del espacio anular hasta que se forma una copa profunda. Esta copa se estira aún más para reducir el diámetro y el espesor de la pared y se forma el fondo. Después de inspeccionar y recortar el extremo abierto, el cilindro se hace girar en caliente para cerrar el extremo y formar el cuello. ^[27]

Dibujado:

Animación que muestra dos etapas de embutición profunda de una placa de acero en una copa y una copa similar en una probeta de buceo con fondo abovedado.

Los cilindros sin costura también se pueden estirar en frío a partir de discos de placa de acero hasta darles 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 medida, se calienta y se hila en caliente para formar el hombro y cerrar el cuello. Este proceso espesa el material del hombro. El cilindro se trata térmicamente mediante enfriamiento y revenido para proporcionar la mejor resistencia y tenacidad. ^[28]

Prueba hidrostática de cilindro estructuralmente completo.

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

soldado

Los recipientes grandes y de baja presión se fabrican comúnmente a partir de placas conformadas soldadas entre sí. La calidad de la soldadura es fundamental para la seguridad en recipientes a presión para ocupación humana .

Compuesto

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

Estándares de operación

Los recipientes a presión están diseñados para funcionar de forma segura a una presión y temperatura específicas, técnicamente denominadas "presión de diseño" y "temperatura de diseño". Un recipiente que no está diseñado adecuadamente para soportar una presión alta constituye un peligro de seguridad muy importante. Por eso, el diseño y la certificación de recipientes a presión se rigen por códigos de diseño como el Código ASME de calderas y recipientes a presión en América del Norte, la Directiva de equipos a presión de la UE (PED), la Norma industrial japonesa (JIS), CSA B51 en Canadá , 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.

Tenga en cuenta que cuando el producto presión-volumen es parte de una norma 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 considera el volumen de la parte comprimible, como el gas. usado.

Lista de estándares

• EN 13445 : La norma europea actual, armonizada con la Directiva de Equipos a Presión (Originalmente "97/23/EC", desde 2014 "2014/68/EU"). Ampliamente utilizado en Europa.
• Código ASME 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 conservada bajo el nombre 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 del Consejo 87/404/CEE.
• 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. ^[29]
• 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 ^[30]
• API 510. ^[31]
• ISO 11439: Cilindros de gas natural comprimido (GNC) ^[32]
• IS 2825–1969 (RE1977)_code_unfired_Pressure_vessels.
• Tanques y recipientes de FRP .
• AIAA S-080-1998: Estándar AIAA para sistemas espaciales: recipientes a presión metálicos, estructuras presurizadas y componentes a presión.
• AIAA S-081A-2006: Estándar AIAA para sistemas espaciales: recipientes a presión envueltos en compuestos (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 de 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 a presión de gas recargables y transportables. ISBN 978-0-626-23561-1

Ver 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 envuelto en material compuesto  : recipiente a presión con un revestimiento no estructural envuelto con un compuesto de fibra estructural
• Almacenamiento de energía en 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.
• Demister  : eliminación de gotas de líquido arrastradas en una corriente de vapor.Páginas 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 final en un recipiente a presión de forma cilíndrica
• Temperatura mínima de diseño del metal ( MDMT )
• Powerlet  : diseñador, fabricante y proveedor estadounidense de productos deportivos de tiro Páginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa: un cilindro de gas metálico desechable, pequeño y económico para proporcionar energía neumática.
• Captación de agua de lluvia  – Acumulación de agua de lluvia para su reutilización
• Válvula de alivio  : válvula de seguridad utilizada para controlar o limitar la presión en un sistema.
• Válvula de seguridad  : dispositivo para liberar el exceso de presión en un sistema.
• 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  : clase 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 eliminación
• Rompevortex  : dispositivo para evitar la formación de un vórtice en la salida de un contenedor.
• Caldera acuotubular  – Tipo de horno que genera 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. , Kyle. (2011) “Desarrollo de recipiente de prueba de filtros de baja presión y análisis de membranas de nanofibras electrohiladas para tratamiento de 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 ed.). Butterworth-Heinemann. págs. 199-203. ISBN 0-7506-3265-8.
4. NASA Tech Briefs, "Fabricación de un recipiente a presión envuelto en material compuesto revestido de metal", 1 de marzo de 2005.
5. Frietas, O., "Mantenimiento y reparación de equipos revestidos de vidrio", Ingeniería Química, 1 de julio de 2007.
6. "Recipientes de alta presión", D. Freyer y J. Harvey, 1998
7. Comité Técnico 58 Bombonas 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 ed.). Ginebra, Suiza: Organización Internacional de Normalización.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: 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 (1ª ed.). Ginebra, Suiza: Organización Internacional de Normalización.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: 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 de roscas de tuberías para tubos y accesorios donde no se realizan juntas estancas en las roscas (dimensiones métricas) . Londres: Institución Británica de Normalización. ISBN 0-580-15212-X. Estándar británico 2779.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
11. Instituto de Herramientas para Corte de Metales (1989). "Sección Grifo y troquel: Roscas de válvulas de cilindros de gas estándar americano". Manual de herramientas para cortar metales (edición ilustrada). Prensa industrial Inc. pág. 447.ISBN​ 978-0-8311-1177-9. Consultado el 7 de diciembre de 2016 .
12. personal ab. "Válvulas de cilindros de SCUBA (aire)". Documentos de soporte . Garden Grove, California: Cilindros Catalina . Consultado el 13 de noviembre de 2016 .
13. Personal. "Luxfer Limitado 106". Catálogo . Buceo XS . 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 recogida de agua doméstica también pueden funcionar a veces por gravedad". Harvesth2o.com . Consultado el 17 de abril de 2009 .^{[ se necesita verificación ]}
17. Pushard, Doug. "Alternativas a los recipientes a presión en 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. Cerveza, Fernando P.; Johnston, E. Russel Jr.; DeWolf, John T. (2002). "7,9" . Mecánica de Materiales (cuarta ed.). McGraw-Hill. pag. 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 entonces es 4πr ² d = 4πr ³ P/2σ. La masa se determina multiplicando por la densidad del material que forma las paredes del recipiente esférico. Además, el volumen del gas es (4πr ³ )/3. La combinación de estas ecuaciones da los resultados anteriores. Las ecuaciones para las otras geometrías se derivan de manera similar.
21. "Masa de presión Recipiente cilíndrico con extremos hemisféricos (cápsula) - calculadora - fxSolver". www.fxsolver.com . Consultado el 11 de abril de 2017 .
22. Richard Budynas, J. Nisbett, Diseño de ingeniería mecánica de Shigley, 8.a ed., Nueva York: McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-312193-2 , página 108 
23. Código internacional 2007 Código ASME para calderas y recipientes a presión. La 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 (19ª ed.). Brighton, Inglaterra: Machinery Publishing Co. Inc. págs. 1239-1254.
26. personal ab (2015). "Procesos de fabricación: cilindros totalmente de aluminio". Salford, Reino Unido: Cilindros de gas Luxfer, Luxfer Holdings PLC. Archivado desde el original el 25 de diciembre de 2015 . Consultado el 25 de diciembre de 2015 .
27. "Cilindros de Vítkovice". www.vitkovice.az . Consultado el 1 de abril de 2021 .
28. Acero Worthington. "Fabricación de un cilindro de buceo de acero Worthington serie X". YouTube . Archivado desde el original el 21 de diciembre de 2021.
29. "Recipientes a presión AS 1200". EFS Global. Archivado desde el original el 9 de julio de 2012 . Consultado el 14 de noviembre de 2011 .
30. "AS_NZS 3788: 2006 Equipos a presión - Inspección en servicio". EFS Global . Consultado el 4 de septiembre de 2015 .
31. "Código de inspección de recipientes a presión: inspección, clasificación, reparación y modificación en servicio". API. Junio ​​de 2006.
32. . "Cilindros de gas - Cilindros de alta presión para el almacenamiento a bordo de gas natural como combustible para vehículos automotores". YO ASI. 2006-07-18 . Consultado el 17 de abril de 2009 .

Referencias

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

Otras lecturas

• Megyesy, Eugene F. (2008, 14ª ed.) Manual de recipientes a presión. PV Publishing, Inc.: Oklahoma City, Oklahoma, Estados Unidos. www. Pressurevesselhandbook.com Manual de diseño de 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 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 la Wayback Machine.
• Sitio web de la Directiva de equipos a presión de la UE
• Directiva de recipientes a presión simples de la UE
• Clasificación de la UE
• Accesorios para recipientes a presión
• Imagen de un cilindro de gas compuesto de fibra de carbono, que muestra detalles de construcción.
• Imagen de un cilindro de oxígeno compuesto de fibra de carbono para un equipo de respiración industrial