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1. Definizione della nave a pressione
UN nave a pressione è un contenitore sigillato in grado di resistere ai differenziali di pressione interni o esterni. Sono ampiamente utilizzati per immagazzinare vari media, come liquidi, gas e vapore, in particolare nei processi industriali che richiedono funzionamento ad alta o bassa pressione. I vasi a pressione sono attrezzature indispensabili nelle industrie chimiche, petrolifere, gas naturale, energia e farmaceutica.
In molte applicazioni industriali, i vasi di pressione non solo archiviano sostanze, ma eseguono anche operazioni di processo complesse come reazioni, evaporazione e separazioni. Poiché la pressione all'interno dei vasi di pressione è spesso significativamente più alta della pressione atmosferica, la loro progettazione, produzione e manutenzione deve aderire rigorosamente agli standard nazionali e alle specifiche del settore pertinenti.
2. Struttura di base dei vasi a pressione
La progettazione strutturale di un recipiente a pressione deve considerare molteplici fattori, tra cui la capacità di pressione, le caratteristiche dei media utilizzati e le condizioni di temperatura. La sua struttura di base è costituita principalmente da guscio, tappi terminali, strutture di supporto, giunti e dispositivi di sicurezza. Quella che segue è una spiegazione dettagliata di ciascun componente:
a) Shell
Il guscio è il corpo principale del recipiente di pressione, principalmente responsabile del trasporto della pressione interna. Il design del guscio varia a seconda della forma della nave.
Shell cilindrico: questa è la forma del vaso a pressione più comune. È adatto per la maggior parte delle applicazioni, come serbatoi di stoccaggio e reattori. I vasi cilindrici sono relativamente facili da produrre, hanno una struttura stabile e distribuiscono efficacemente la pressione.
Shell sferico: i gusci sferici offrono la distribuzione della pressione più uniforme e possono resistere a pressioni interne ed esterne più elevate. Pertanto, sono spesso utilizzati in vasi che devono resistere a pressioni estremamente elevate, come i contenitori di stoccaggio di gas liquefatto. Tuttavia, i contenitori sferici sono più costosi da produrre e sono meno comuni dei contenitori cilindrici.
Guscio ellissoidale o emisferico: questo design combina i vantaggi dei contenitori cilindrici e sferici, rendendolo adatto a applicazioni estremamente ad alta pressione e offrendo una maggiore resistenza alla pressione. Sono comunemente usati nelle caldaie a vapore ad alta pressione o in alcuni reattori chimici specializzati.
b) teste
Le teste sono le estremità di un recipiente a pressione, sigillando e assorbendo parzialmente la pressione. Il design e la forma di una testa in genere corrispondono alla forma della nave stessa. Lo spessore e la forma della testa variano a seconda della pressione che viene sopportata.
Testa emisferica: questa forma della testa distribuisce uniformemente la pressione interna ed è comunemente usata alle estremità dei vasi sferici o cilindrici per ridurre al minimo le concentrazioni di stress. Teste ovali: adatte a vasi a bassa e media pressione. La loro forma aiuta a distribuire uniformemente lo stress attraverso la nave e si trovano comunemente sui serbatoi di stoccaggio nelle industrie chimiche e petrolifere.
Teste coniche: le teste coniche sono spesso utilizzate nella parte inferiore dei vasi, in particolare per i vasi a bassa pressione o in cui è richiesto il drenaggio del liquido.
c) Strutture di supporto
Le strutture di supporto supportano il peso dell'intero recipiente a pressione e sono in genere installate sul lato inferiore o sul lato della nave. Garantiscono stabilità e impediscono l'inclinazione o lo spostamento a causa della gravità o delle vibrazioni.
Le strutture di supporto includono gambe, cornici di sollevamento e basi. Le strutture di supporto devono essere progettate in base alle dimensioni della nave e all'ambiente operativo per garantire sicurezza e stabilità.
d) ugelli
Gli ugelli sono le parti di una nave a pressione che collegano tubi, valvole, strumenti e altre attrezzature. I tipi comuni includono porte di alimentazione, porte di scarico, porte di scarico e prese di gas.
Gli ugelli devono essere progettati per garantire una connessione a prova di perdite e prevenire perdite quando la nave è sotto pressione. Sono in genere collegati al corpo della nave mediante saldatura o threading. e) valvola di sicurezza
Per prevenire l'esplosione o la rottura a causa dell'eccessiva pressione interna, i vasi di pressione devono essere dotati di un dispositivo di sicurezza, il più comune dei quali è una valvola di sicurezza. Una valvola di sicurezza rileva automaticamente la pressione interna e, quando la pressione supera un valore impostato, si apre per rilasciare la pressione in eccesso, proteggendo così la nave dai danni.
Oltre alle valvole di sicurezza, altri dispositivi di scarico della pressione includono dischi di scoppio e valvole di scarico di emergenza.
3. Principio di lavoro delle navi da pressione
Il principio di lavoro dei vasi di pressione ruota principalmente attorno alle fluttuazioni di pressione e temperatura all'interno del mezzo interno, nonché la resistenza del materiale della nave stessa. Di seguito sono riportati diversi principi di lavoro chiave:
a) Effetti di pressione interna
La funzione primaria di un recipiente di pressione è resistere ai differenziali di pressione interni o esterni. Durante il funzionamento, il gas o il mezzo liquido all'interno della nave subisce una certa pressione. Maggiore è la pressione, maggiore è lo stress sulla nave. Per garantire la sicurezza della nave, lo spessore, il materiale e altri componenti chiave della parete della nave devono essere progettati in base alla massima pressione che può resistere.
b) trasmissione della pressione
In un recipiente di pressione, la pressione viene trasmessa attraverso la struttura attraverso la parete del vaso. Mentre la pressione interna viene distribuita uniformemente in tutta la parete del vaso, possono verificarsi concentrazioni di stress significative in settori come il limite e le articolazioni. Pertanto, queste aree richiedono in genere un rinforzo aggiuntivo.
c) Effetto della temperatura sui vasi di pressione
La temperatura all'interno di una nave influenza la densità e la viscosità del mezzo, influenzando così la pressione all'interno della nave. Le temperature aumentate possono causare l'angolo o l'ammorbiditura del materiale della parete del vaso, quindi gli effetti della temperatura sulla resistenza del materiale della nave devono essere considerati durante il design. I vasi a pressione utilizzati ad alte temperature usano spesso materiali resistenti ad alta temperatura.
d) distribuzione dello stress nei vasi
La distribuzione dello stress all'interno dei vasi di pressione è irregolare. In genere, le estremità (estremità) della nave sperimentano un maggiore stress. Per prevenire crack o deformazioni in queste aree, il design richiede un aumento dello spessore della parete o caratteristiche strutturali specializzate.
4. Funzioni di vasi a pressione
Le funzioni dei vasi a pressione non si limitano alla conservazione o al trasporto di sostanze; Comprendono anche una varietà di processi industriali complessi. Funzioni specifiche sono le seguenti:
a) archiviazione
Una delle funzioni più comuni è lo stoccaggio di gas, liquidi o vapori. Ad esempio, nell'industria petrolchimica, i vasi a pressione vengono spesso utilizzati per immagazzinare gas naturale liquefatto (GNL) o altri liquidi chimici. Nei sistemi di aria compressa, i vasi a pressione archiviano gas ad alta pressione per un uso pronto.
b) reazione
I vasi a pressione sono usati come reattori in molti settori, come le industrie chimiche, petrolifere, gas e farmaceutiche. Le reazioni chimiche o fisiche vengono eseguite ad alta pressione per produrre sostanze chimiche o intermedi desiderati. L'alta pressione durante la reazione aiuta ad accelerare la velocità di reazione o ad aumentare la resa.
c) funzioni di riscaldamento e raffreddamento
Alcuni vasi a pressione hanno anche funzioni di riscaldamento o raffreddamento. Ad esempio, in un sistema di scambio di calore, un recipiente a pressione può essere utilizzato come parte di uno scambiatore di calore per trasferire il calore da un mezzo all'altro. Anche le caldaie e gli scaldabagni rientrano in questa categoria e sono comunemente usati per generare vapore o acqua calda.
d) funzioni di compressione ed espansione
I vasi a pressione sono anche comunemente usati per comprimere o espandere i gas. Ad esempio, il gas naturale viene spesso compresso in vasi ad alta pressione per lo stoccaggio e il trasporto. I sistemi d'aria compressi sono anche un'importante applicazione per i vasi a pressione.
5. Sicurezza della nave a pressione
Poiché i vasi di pressione sono spesso esposti ad alta pressione e ad alta temperatura, assicurando che la loro sicurezza sia fondamentale. I punti chiave nella progettazione della sicurezza delle navi a pressione includono:
Selezione del materiale: devono essere selezionati materiali ad alta resistenza, resistenza alla corrosione e resistenza alla fatica. I materiali comunemente usati includono acciaio al carbonio, acciaio inossidabile e acciaio in lega, che possono resistere a temperature e pressioni elevate.
Specifiche di progettazione: il design deve aderire rigorosamente alle specifiche e agli standard di progettazione pertinenti. Gli standard internazionali comuni includono la caldaia ASME e il codice della nave a pressione (BPVC), che specifica i requisiti per la progettazione, la produzione e l'ispezione delle navi a pressione.
Ispezione e test: l'ispezione regolare dei vasi a pressione è cruciale, tra cui ispezione esterna, ispezione endoscopica e test non distruttivi (come test ad ultrasuoni e test a raggi X). Questi test possono rilevare prontamente pericoli nascosti come crepe e corrosione, prevenendo gli incidenti.
Dispositivi di sicurezza: i vasi a pressione devono essere dotati di valvole di sicurezza o dispositivi di scarico della pressione. Quando la pressione all'interno della nave supera una soglia di sicurezza, questi dispositivi si aprono automaticamente per rilasciare la pressione in eccesso e impedire alla nave di esplodere o rotture.
6. Applicazioni di vasi a pressione
I recipienti di pressione sono ampiamente utilizzati, principalmente in settori che richiedono operazioni in condizioni di alta o bassa pressione:
Industria petrolchimica: utilizzato per lo stoccaggio di gas petrolifera liquefatto, gas naturale, sostanze chimiche e prodotti petroliferi.
Industria energetica: caldaie, generatori di vapore e scambiatori di calore richiedono recipienti a pressione per conservare e trasferire il calore.
Industria farmaceutica: i vasi a pressione vengono utilizzati per reazioni farmacologiche, sterilizzazione e conservazione del gas.
Industria alimentare e delle bevande: i vasi a pressione vengono utilizzati per il riscaldamento, il raffreddamento e la lavorazione degli alimenti liquidi.
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