Přehled základů tlakové nádoby: Struktura, princip a funkce

1. Definice tlakové nádoby
A tlaková nádoba je uzavřená kontejner schopná odolat diferenciálem vnitřního nebo vnějšího tlaku. Oni se široce používají k ukládání různých médií, jako jsou kapaliny, plyny a pára, zejména v průmyslových procesech vyžadujících provoz pod vysokým nebo nízkým tlakem. Tlakové nádoby jsou nepostradatelným zařízením v chemickém, ropném, zemním plynu, energii a farmaceutickém průmyslu.
V mnoha průmyslových aplikacích tlakové nádoby ukládají nejen látky, ale také provádějí složité procesní operace, jako jsou reakce, odpařování a separace. Vzhledem k tomu, že tlak uvnitř tlaku je často výrazně vyšší než atmosférický tlak, musí jejich návrh, výroba a údržba přísně dodržovat příslušné národní standardy a průmyslové specifikace.

2. Základní struktura tlakových nádob
Strukturální návrh tlakové nádoby musí zvážit více faktorů, včetně jeho tlakové kapacity, charakteristik použitých médií a teplotních podmínek. Jeho základní struktura se skládá především ze skořepiny, koncových uzávěrů, podpůrných struktur, kloubů a bezpečnostních zařízení. Následuje podrobné vysvětlení každé komponenty:
a) Shell
Shell je hlavním tělem tlakové nádoby, primárně zodpovědný za přenášení vnitřního tlaku. Konstrukce skořepiny se liší v závislosti na tvaru plavidla.
Cylindrická skořápka: Toto je nejběžnější tvar nádoby. Je vhodný pro většinu aplikací, jako jsou skladovací nádrže a reaktory. Cylindrické nádoby jsou relativně snadno vyrobitelné, mají stabilní strukturu a efektivně distribuují tlak.
Sférická skořápka: Sférické skořápky nabízejí nejmodernější rozložení tlaku a vydrží vyšší vnitřní a externí tlaky. Proto se často používají v plavidlech, které musí odolávat extrémně vysokým tlakům, jako jsou nádoby na skladování plynu zkapalněných plynů. Výroba sférických kontejnerů je však dražší a jsou méně běžné než válcové nádoby.
Elipsoidní nebo hemisférická skořápka: Tento design kombinuje výhody válcových a sférických nádob, což je vhodné pro extrémně vysokotlaké aplikace a nabízí větší tlakovou odolnost. Obvykle se používají ve vysokotlakých parních kotlích nebo v určitých specializovaných chemických reaktorech.
b) hlavy
Hlavy jsou konce tlakové nádoby, utěsnění a částečně absorbující tlak. Konstrukce a tvar hlavy obecně odpovídají tvaru samotné nádoby. Tloušťka a tvar hlavy se liší v závislosti na nesení tlaku.
Hemisférická hlava: Tento tvar hlavy rovnoměrně distribuuje vnitřní tlak a běžně se používá na koncích sférických nebo válcových cév, aby se minimalizovaly koncentrace napětí. Oválné hlavy: Vhodné pro nízké a středně tlakové nádoby. Jejich tvar pomáhá rovnoměrně distribuovat napětí napříč nádobou a běžně se vyskytuje na skladovacích nádržích v chemickém a ropném průmyslu.
Kuninické hlavy: Kuželové hlavy se často používají na dně cév, zejména pro nízkotlaké cévy nebo kde je vyžadována kapalina.
c) Podpůrné struktury
Podpůrné struktury podporují hmotnost celé tlakové nádoby a jsou obvykle instalovány na dně nebo na straně nádoby. Zajišťují stabilitu a zabraňují naklápění nebo přemístění v důsledku gravitace nebo vibrací.
Mezi podpůrné struktury patří nohy, zvednuté rámy a základny. Podpůrné struktury musí být navrženy na základě velikosti plavidla a provozního prostředí, aby byla zajištěna bezpečnost a stabilitu.
d) trysky
Trysky jsou části tlakové nádoby, které spojují trubky, ventily, nástroje a další zařízení. Mezi běžné typy patří krmné porty, výfukové porty, vypouštěcí porty a vývody plynu.
Trysky musí být navrženy tak, aby zajistily připojení odolné proti úniku a zabránilo úniku, když je nádoba pod tlakem. Obvykle jsou spojeny s tělem nádoby svařováním nebo navléknutím. e) Bezpečnostní pomocný ventil
Aby se zabránilo explozi nebo prasknutí v důsledku nadměrného vnitřního tlaku, musí být tlakové nádoby vybaveny bezpečnostním zařízením, z nichž nejčastější je bezpečnostní ventil. Bezpečnostní ventil automaticky detekuje vnitřní tlak a když tlak překročí nastavenou hodnotu, otevře se k uvolnění nadměrného tlaku, čímž chrání nádobu před poškozením.

Kromě bezpečnostních ventilů zahrnují jiná zařízení pro odlehčení tlaku praskající disky a nouzové vypouštěcí ventily.

3. pracovní princip tlakových nádob
Pracovní princip tlakových cév se primárně točí kolem kolísání tlaku a teploty ve vnitřním médiu a také síly materiálu samotné nádoby. Následuje několik klíčových pracovních principů:
a) Účinky vnitřního tlaku
Primární funkcí tlakové nádoby je odolat vnitřní nebo externí tlakové rozdíly. Během provozu zažívá plynové nebo kapalné médium v nádobě určitý tlak. Čím větší je tlak, tím větší je napětí na nádobě. Pro zajištění bezpečnosti nádoby musí být tloušťka, materiál a další klíčové komponenty stěny nádoby navrženy na základě maximálního tlaku, který vydrží.
b) Přenos tlaku
V tlakové nádobě se tlak přenáší přes strukturu skrz stěnu nádoby. Zatímco vnitřní tlak je rovnoměrně distribuován po celé stěně nádoby, v oblastech, jako je koncový čepice a klouby, se může objevit významné koncentrace napětí. Proto tyto oblasti obvykle vyžadují další posílení.
c) Vliv teploty na tlakové nádoby
Teplota uvnitř nádoby ovlivňuje hustotu a viskozitu média, čímž ovlivňuje tlak v nádobě. Zvýšené teploty mohou způsobit, že se materiál stěny nádoby rozšíří nebo zjemňuje, takže během návrhu je třeba zvážit účinky teploty na sílu materiálu nádoby. Tlakové nádoby používané při vysokých teplotách často používají materiály odolné proti teplotě.
d) Rozložení napětí v plavidlech
Rozložení napětí v tlakových nádobách je nerovnoměrné. Obvykle zažívají konce (konce) cévy větší stres. Aby se zabránilo praskání nebo deformaci v těchto oblastech, návrh vyžaduje zvýšenou tloušťku stěny nebo specializované strukturální prvky.

4. Funkce tlakových nádob
Funkce tlakových nádob nejsou omezeny na ukládání nebo přepravu látek; Zahrnují také řadu složitých průmyslových procesů. Specifické funkce jsou následující:
a) Úložiště
Jednou z nejběžnějších funkcí je skladování plynů, kapalin nebo párů. Například v petrochemickém průmyslu se tlakové cévy často používají k ukládání zkapalněného zemního plynu (LNG) nebo jiných chemických kapalin. V komprimovaných vzduchových systémech ukládají tlakové nádoby pro připravené použití vysokotlaké plyny.
b) Reakce
Tlakové nádoby se používají jako reaktory v mnoha průmyslových odvětvích, jako je chemický, ropný, plynový a farmaceutický průmysl. Chemické nebo fyzikální reakce se provádějí pod vysokým tlakem, aby se vytvořily požadované chemikálie nebo meziprodukty. Vysoký tlak během reakce pomáhá urychlit rychlost reakce nebo zvýšit výnos.
c) Funkce vytápění a chlazení
Některé tlakové nádoby mají také funkce zahřívání nebo chlazení. Například v systému výměny tepla může být tlaková nádoba použita jako součást tepelného výměníku k přenosu tepla z jednoho média do druhého. Kotle a ohřívače vody také spadají do této kategorie a běžně se používají ke generování páry nebo horké vody.
d) Funkce komprese a expanze
Tlakové nádoby se také běžně používají ke stlačení nebo expanzi plynů. Například zemní plyn je často stlačen ve vysokotlakých nádobách pro skladování a přepravu. Systémy stlačeného vzduchu jsou také hlavní aplikací pro tlakové nádoby.

5. Bezpečnost tlakové nádoby
Protože tlakové nádoby jsou často vystaveny vysokému tlaku a vysoké teplotě, což zajišťuje, že jejich bezpečnost je prvořadá. Mezi klíčové body v bezpečnostním návrhu tlakových nádob patří:
Výběr materiálu: musí být vybrány materiály s vysokou pevností, odolností proti korozi a odolností proti únavě. Mezi běžně používané materiály patří uhlíková ocel, nerezová ocel a ocel z slitiny, které vydrží vysoké teploty a tlaky.
Specifikace návrhu: Konstrukce musí přísně dodržovat relevantní specifikace a standardy návrhu. Mezi běžné mezinárodní standardy patří kotle ASME a kód tlakové nádoby (BPVC), který specifikuje požadavky na návrh, výrobu a kontrolu tlakových nádob.
Inspekce a testování: Pravidelná kontrola tlakových cév je zásadní, včetně vnější inspekce, endoskopické inspekce a nedestruktivního testování (jako je ultrazvukové testování a rentgenové testování). Tyto testy mohou okamžitě detekovat skrytá nebezpečí, jako jsou trhliny a koroze, což brání nehodám.
Bezpečnostní zařízení: Tlakové nádoby musí být vybaveny bezpečnostními ventily nebo zařízeními pro odlehčení tlaku. Když tlak v nádobě překročí bezpečnostní prahovou hodnotu, tato zařízení se automaticky otevírají pro uvolnění nadměrného tlaku a zabrání explodování nebo prasknutí nádoby.

6. Aplikace tlakových nádob
Tlakové nádoby jsou široce používány, především v průmyslových odvětvích vyžadujících operaci za podmínek s vysokým nebo nízkým tlakem:

Petrochemický průmysl: Používá se pro skladování zkapalněného ropného plynu, zemního plynu, chemikálií a ropných produktů.

Energetický průmysl: Kotle, paručí generátory a výměníky tepla vyžadují, aby pro ukládání a přenos teplo ukládali tlakové nádoby.

Farmaceutický průmysl: Tlakové nádoby se používají pro reakce na drogy, sterilizaci a skladování plynu.

Průmysl potravin a nápojů: Tlakové nádoby se používají pro vytápění, chlazení a zpracování kapalných potravin.