Prehľad základov tlakových nádob: štruktúra, princíp a funkcia

1. Definícia tlakovej nádoby
A tlaková nádoba je utesnená nádoba schopná odolať vnútorným alebo vonkajším tlakovým rozdielom. Všeobecne sa používajú na ukladanie rôznych médií, ako sú kvapaliny, plyny a para, najmä v priemyselných procesoch vyžadujúcich prevádzku pri vysokom alebo nízkom tlaku. Tlakové nádoby sú nevyhnutné vybavenie v chemickom, ropnom, zemnom plyne, energii a farmaceutickom priemysle.
V mnohých priemyselných aplikáciách tlakové nádoby nielen ukladajú látky, ale tiež vykonávajú komplexné procesné operácie, ako sú reakcie, odparovanie a separácie. Pretože tlak vo vnútri tlakových ciev je často výrazne vyšší ako atmosférický tlak, ich dizajn, výroba a údržba musia prísne dodržiavať príslušné vnútroštátne normy a špecifikácie priemyslu.

2. Základná štruktúra tlakových nádob
Štrukturálny návrh tlakovej nádoby musí brať do úvahy viac faktorov vrátane jej tlakovej kapacity, charakteristík použitého média a teplotných podmienok. Jeho základná štruktúra pozostáva predovšetkým z škrupiny, koncových uzáverov, podporných štruktúr, spojov a bezpečnostných zariadení. Nasleduje podrobné vysvetlenie každej zložky:
a) škrupina
Škrupina je hlavným telom tlakovej nádoby, ktorá je zodpovedná predovšetkým za prepravu vnútorného tlaku. Dizajn škrupiny sa líši v závislosti od tvaru plavidla.
Valcová škrupina: Toto je najbežnejší tvar tlakovej nádoby. Je vhodný pre väčšinu aplikácií, ako sú skladovacie nádrže a reaktory. Valcovité cievy sa relatívne ľahko vyrábajú, majú stabilnú štruktúru a účinne rozdeľujú tlak.
Sférická škrupina: Sférické škrupiny ponúkajú najjednoduchšie rozloženie tlaku a vydrží vyššie vnútorné a vonkajšie tlaky. Preto sa často používajú v nádobách, ktoré musia vydržať extrémne vysoké tlaky, napríklad skvapalnené nádoby na skladovanie plynu. Výroba sférických kontajnerov sú však drahšie a sú menej bežné ako valcovité nádoby.
Ellipsoidálna alebo hemisférická škrupina: Táto konštrukcia kombinuje výhody valcových a sférických nádob, vďaka čomu je vhodná pre extrémne vysokotlakové aplikácie a ponúka väčší tlakový odpor. Bežne sa používajú vo vysokotlakových parných kotlach alebo v určitých špecializovaných chemických reaktoroch.
b) hlavy
Hlavy sú koncami tlakovej nádoby, utesňujú a čiastočne absorbujú tlak. Dizajn a tvar hlavy sa zvyčajne zhodujú s tvarom samotnej plavidla. Hrúbka a tvar hlavy sa líšia v závislosti od tlaku, ktorý sa prenáša.
Hemisférická hlava: Tento tvar hlavy rovnomerne distribuuje vnútorný tlak a bežne sa používa na koncoch sférických alebo valcovitých ciev, aby sa minimalizovalo koncentrácie stresu. Oválne hlavy: Vhodné pre nádoby s nízkym a stredne tlakovým plavidlám. Ich tvar pomáha rovnomerne rozdeľovať stres v celej nádobe a bežne sa vyskytuje na skladovacích nádržiach v chemickom a ropnom priemysle.
KONICKÉ HEADY: KONICKÉ HLAVY sa často používajú na spodnej časti ciev, najmä pre nízkotlakové nádoby alebo kde sa vyžaduje tekutý odtok.
c) podporné štruktúry
Podporné štruktúry podporujú hmotnosť celej tlakovej nádoby a sú zvyčajne inštalované na spodnej alebo strane plavidla. Zabezpečujú stabilitu a zabraňujú nakláňaniu alebo posunu v dôsledku gravitácie alebo vibrácií.
Podporné štruktúry zahŕňajú nohy, zdvíhacie rámy a základne. Podporné štruktúry musia byť navrhnuté na základe veľkosti plavidla a prevádzkového prostredia, aby sa zaistila bezpečnosť a stabilita.
d) dýzy
Drány sú časti tlakovej nádoby, ktoré spájajú potrubia, ventily, nástroje a iné vybavenie. Bežné typy zahŕňajú prívodné porty, výfukové porty, vypúšťacie porty a zásuvky na plyn.
Drány musia byť navrhnuté tak, aby zabezpečili netesné pripojenie a zabránili úniku, keď je plavidlo pod tlakom. Zvyčajne sú spojené s telom plavidla zváraním alebo závitom. e) Ventil pre bezpečnostný reliéf
Aby sa zabránilo výbuchu alebo prasknutiu v dôsledku nadmerného vnútorného tlaku, tlakové cievy musia byť vybavené bezpečnostným zariadením, z ktorých najbežnejším je bezpečnostný ventil. Bezpečnostný ventil automaticky detekuje vnútorný tlak a keď tlak presahuje stanovenú hodnotu, otvára sa na uvoľnenie prebytočného tlaku, čím chráni plavidlo pred poškodením.

Okrem bezpečnostných ventilov zahŕňajú aj ďalšie zariadenia na odľahčenie tlaku prasknutie a ventily vybíjania núdze.

3. Pracovný princíp tlakových nádob
Pracovný princíp tlakových ciev sa predovšetkým točí okolo kolísania tlaku a teploty v vnútornom médiu, ako aj pevnosť materiálu samotnej cievy. Nasleduje niekoľko kľúčových pracovných princípov:
a) Vnútorné tlakové účinky
Primárnou funkciou tlakovej nádoby je odolávať vnútorným alebo vonkajším tlakovým rozdielom. Počas prevádzky má plynové alebo kvapalné médium v rámci cievy určitý tlak. Čím väčší tlak, tým väčší je napätie na nádobe. Aby sa zabezpečila bezpečnosť plavidla, hrúbka, materiál a ďalšie kľúčové komponenty steny plavidla musia byť navrhnuté na základe maximálneho tlaku, ktorý vydrží.
b) tlakový prenos
V tlakovej nádobe sa tlak prenáša v celej štruktúre cez stenu cievy. Zatiaľ čo vnútorný tlak je rovnomerne rozložený v celej stene ciev, môžu sa vyskytnúť významné koncentrácie napätia v oblastiach, ako je koncová čiapka a kĺby. Preto tieto oblasti zvyčajne vyžadujú ďalšie posilnenie.
c) Vplyv teploty na tlakové nádoby
Teplota vo vnútri cievy ovplyvňuje hustotu a viskozitu média, čím ovplyvňuje tlak v nádobe. Zvýšené teploty môžu spôsobiť, že sa materiál steny ciev rozširuje alebo zjemňuje, takže počas návrhu sa musia zvážiť účinky teploty na pevnosť materiálu plavidla. Tlakové nádoby používané pri vysokých teplotách často používajú materiály odolné voči vysokej teplote.
d) rozdelenie stresu v nádobách
Rozdelenie stresu v tlakových nádobách je nerovnomerné. Konce (konce) nádoby zvyčajne zažívajú väčší stres. Aby sa zabránilo praskaniu alebo deformácii v týchto oblastiach, dizajn vyžaduje zvýšenú hrúbku steny alebo špecializované štrukturálne vlastnosti.

4. Funkcie tlakových nádob
Funkcie tlakových ciev sa neobmedzujú iba na skladovanie alebo transport látok; Zahŕňajú tiež rôzne zložité priemyselné procesy. Konkrétne funkcie sú nasledujúce:
a) ukladanie
Jednou z najbežnejších funkcií je skladovanie plynov, kvapalín alebo výparov. Napríklad v petrochemickom priemysle sa tlakové nádoby často používajú na skladovanie skvapalneného zemného plynu (LNG) alebo iných chemických kvapalín. V systémoch stlačeného vzduchu tlakové nádoby ukladajú vysokotlakové plyny na hotové použitie.
b) reakcia
Tlakové nádoby sa používajú ako reaktory v mnohých odvetviach, ako sú chemické, ropné, plyn a farmaceutický priemysel. Chemické alebo fyzikálne reakcie sa vykonávajú pod vysokým tlakom, aby sa vytvorili požadované chemikálie alebo medziprodukty. Vysoký tlak počas reakcie pomáha urýchliť rýchlosť reakcie alebo zvyšuje výťažok.
c) funkcie vykurovania a chladenia
Niektoré tlakové nádoby majú tiež vyhrievacie alebo chladiace funkcie. Napríklad v systéme výmeny tepla sa môže tlaková nádoba použiť ako súčasť výmenníka tepla na prenos tepla z jedného média do druhého. Do tejto kategórie patria aj kotly a ohrievače vody a bežne sa používajú na vytváranie pary alebo horúcej vody.
d) funkcie kompresie a rozširovania
Tlakové nádoby sa tiež bežne používajú na komprimovanie alebo rozširovanie plynov. Napríklad zemný plyn je často stlačený vo vysokotlakových nádobách na skladovanie a prepravu. Systémy stlačeného vzduchu sú tiež hlavnou aplikáciou pre tlakové nádoby.

5. Bezpečnosť tlakových nádob
Pretože tlakové nádoby sú často vystavené vysokému tlaku a vysokej teplote, čo je prvoradé zaistenie ich bezpečnosti. Kľúčové body v bezpečnostnom návrhu tlakových nádob zahŕňajú:
Výber materiálu: Musia sa vybrať materiály s vysokou pevnosťou, odolnosťou proti korózii a odporom únavy. Bežne používané materiály zahŕňajú uhlíkovú oceľ, nehrdzavejúcu oceľ a zliatinovú oceľ, ktorá vydrží vysoké teploty a tlaky.
Špecifikácie dizajnu: Návrh sa musí prísne dodržiavať príslušné špecifikácie a normy dizajnu. Medzi bežné medzinárodné normy patrí kotol ASME a kód tlakových plavidiel (BPVC), ktorý špecifikuje požiadavky na návrh, výrobu a kontrolu tlakových nádob.
Inšpekcia a testovanie: Pravidelná kontrola tlakových ciev je rozhodujúca, vrátane vonkajšej kontroly, endoskopickej kontroly a nedeštruktívneho testovania (ako je ultrazvukové testovanie a röntgenové testovanie). Tieto testy môžu okamžite zistiť skryté nebezpečenstvá, ako sú praskliny a korózia, čím sa bránia nehodám.
Bezpečnostné zariadenia: Tlakové nádoby musia byť vybavené bezpečnostnými ventilmi alebo zariadeniami na zmiernenie tlaku. Ak tlak v cieve prekročí prah bezpečnosti, tieto zariadenia sa automaticky otvoria, aby uvoľňovali prebytočný tlak a zabránili výbuchu alebo pretrhnutiu nádoby.

6. Aplikácie tlakových nádob
Tlakové nádoby sa široko používajú, predovšetkým v odvetviach, ktoré si vyžadujú prevádzku za vysokých alebo nízkotlakových podmienok:

Petrochemický priemysel: Používa sa na skladovanie skvapalneného ropného plynu, zemného plynu, chemikálií a ropných výrobkov.

Energetický priemysel: Kotly, parné generátory a výmenníky tepla vyžadujú tlakové nádoby na ukladanie a prenos tepla.

Farmaceutický priemysel: Tlakové nádoby sa používajú na reakcie liečiva, sterilizáciu a skladovanie plynu.

Priemysel potravín a nápojov: Tlakové nádoby sa používajú na vykurovanie, chladenie a spracovanie tekutých potravín.