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1. Definición de recipiente a presión
A recipiente a presión es un contenedor sellado capaz de resistir diferenciales de presión interna o externa. Se utilizan ampliamente para almacenar varios medios, como líquidos, gases y vapor, particularmente en procesos industriales que requieren operación bajo alta o baja presión. Los recipientes a presión son equipos indispensables en las industrias químicas, de petróleo, gas natural, energía y farmacéutica.
En muchas aplicaciones industriales, los buques a presión no solo almacenan sustancias sino que también llevan a cabo operaciones de proceso complejas como reacciones, evaporación y separaciones. Debido a que la presión dentro de los vasos de presión es a menudo significativamente mayor que la presión atmosférica, su diseño, fabricación y mantenimiento deben adherirse estrictamente a los estándares nacionales y las especificaciones de la industria relevantes.
2. Estructura básica de los vasos a presión
El diseño estructural de un recipiente a presión debe considerar múltiples factores, incluida su capacidad de presión, las características de los medios utilizados y las condiciones de temperatura. Su estructura básica consiste principalmente en la carcasa, las tapas finales, las estructuras de soporte, las juntas y los dispositivos de seguridad. La siguiente es una explicación detallada de cada componente:
a) caparazón
La carcasa es el cuerpo principal del recipiente a presión, principal responsable de llevar la presión interna. El diseño de la carcasa varía según la forma del recipiente.
Concha cilíndrica: esta es la forma más común del vaso a presión. Es adecuado para la mayoría de las aplicaciones, como tanques de almacenamiento y reactores. Los vasos cilíndricos son relativamente fáciles de fabricar, tienen una estructura estable y distribuyen efectivamente la presión.
Concha esférica: las conchas esféricas ofrecen la distribución de presión más uniforme y pueden soportar mayores presiones internas y externas. Por lo tanto, a menudo se usan en embarcaciones que deben soportar presiones extremadamente altas, como contenedores de almacenamiento de gas licuados. Sin embargo, los contenedores esféricos son más caros de fabricar y son menos comunes que los contenedores cilíndricos.
Concha elipsoidal o hemisférica: este diseño combina las ventajas de los contenedores cilíndricos y esféricos, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta presión y ofrece una mayor resistencia a la presión. Se usan comúnmente en calderas de vapor de alta presión o ciertos reactores químicos especializados.
b) cabezas
Las cabezas son los extremos de un recipiente a presión, sellando y absorben parcialmente la presión. El diseño y la forma de una cabeza generalmente coinciden con la forma del recipiente en sí. El grosor y la forma de la cabeza varían dependiendo de la presión que se lleva a cargo.
Cabeza hemisférica: esta forma de la cabeza distribuye uniformemente la presión interna y se usa comúnmente en los extremos de los vasos esféricos o cilíndricos para minimizar las concentraciones de estrés. Cabezas ovales: adecuado para recipientes de baja y media presión. Su forma ayuda a distribuir uniformemente el estrés en el recipiente, y se encuentra comúnmente en los tanques de almacenamiento en las industrias químicas y petroleras.
Cabezas cónicas: las cabezas cónicas a menudo se usan en el fondo de los vasos, particularmente para recipientes de baja presión o donde se requiere drenaje líquido.
c) estructuras de soporte
Las estructuras de soporte admiten el peso de todo el recipiente a presión y generalmente se instalan en la parte inferior o lado del recipiente. Aseguran la estabilidad y evitan la inclinación o el desplazamiento debido a la gravedad o la vibración.
Las estructuras de soporte incluyen piernas, marcos de elevación y bases. Las estructuras de soporte deben diseñarse en función del tamaño del buque y el entorno operativo para garantizar la seguridad y la estabilidad.
d) boquillas
Las boquillas son las partes de un recipiente a presión que conecta tuberías, válvulas, instrumentos y otros equipos. Los tipos comunes incluyen puertos de alimentación, puertos de escape, puertos de drenaje y salidas de gas.
Las boquillas deben estar diseñadas para garantizar una conexión a prueba de fugas y evitar fugas cuando el recipiente esté bajo presión. Por lo general, están conectados al cuerpo del recipiente soldando o roscando. e) Válvula de alivio de seguridad
Para evitar la explosión o la ruptura debido a la presión interna excesiva, los vasos de presión deben estar equipados con un dispositivo de seguridad, el más común de la cual es una válvula de seguridad. Una válvula de seguridad detecta automáticamente la presión interna y, cuando la presión excede un valor establecido, se abre para liberar el exceso de presión, protegiendo así la embarcación del daño.
Además de las válvulas de seguridad, otros dispositivos de alivio de presión incluyen explosiones de discos y válvulas de descarga de emergencia.
3. Principio de trabajo de los vasos a presión
El principio de funcionamiento de los vasos a presión gira principalmente en torno a las fluctuaciones de presión y temperatura dentro del medio interno, así como la resistencia del material de la embarcación misma. Los siguientes son varios principios de trabajo clave:
a) efectos de presión interna
La función principal de un recipiente de presión es resistir los diferenciales de presión interna o externa. Durante la operación, el medio de gas o líquido dentro del recipiente experimenta una cierta presión. Cuanto mayor sea la presión, mayor es el estrés en el recipiente. Para garantizar la seguridad del recipiente, el grosor, el material y otros componentes clave de la pared del recipiente deben diseñarse en función de la presión máxima que puede soportar.
b) transmisión de presión
En un recipiente de presión, la presión se transmite por toda la estructura a través de la pared del vaso. Si bien la presión interna se distribuye uniformemente en toda la pared del vaso, pueden ocurrir concentraciones de estrés significativas en áreas como la tapa final y las articulaciones. Por lo tanto, estas áreas generalmente requieren refuerzo adicional.
c) Efecto de la temperatura en los vasos a presión
La temperatura dentro de un recipiente afecta la densidad y la viscosidad del medio, afectando así la presión dentro del recipiente. El aumento de las temperaturas puede hacer que el material de la pared del vaso se expandiera o se ablanden, por lo que los efectos de la temperatura sobre la resistencia del material del vaso deben considerarse durante el diseño. Los recipientes a presión utilizados a altas temperaturas a menudo usan materiales resistentes a la temperatura.
d) Distribución de estrés en los vasos
La distribución del estrés dentro de los vasos a presión es desigual. Típicamente, los extremos (extremos) del vaso experimentan un mayor estrés. Para evitar grietas o deformación en estas áreas, el diseño requiere un mayor grosor de la pared o características estructurales especializadas.
4. Funciones de los vasos a presión
Las funciones de los vasos a presión no se limitan al almacenamiento o al transporte de sustancias; También abarcan una variedad de procesos industriales complejos. Las funciones específicas son las siguientes:
a) Almacenamiento
Una de las funciones más comunes es el almacenamiento de gases, líquidos o vapores. Por ejemplo, en la industria petroquímica, los vasos a presión a menudo se usan para almacenar gas natural licuado (GNL) u otros líquidos químicos. En los sistemas de aire comprimido, los recipientes a presión almacenan gases de alta presión para su uso.
b) reacción
Los vasos a presión se utilizan como reactores en muchas industrias, como las industrias químicas, de petróleo, gas y farmacéuticas. Las reacciones químicas o físicas se llevan a cabo a alta presión para producir productos químicos o intermedios deseados. La alta presión durante la reacción ayuda a acelerar la velocidad de reacción o aumentar el rendimiento.
c) Funciones de calefacción y enfriamiento
Algunos recipientes a presión también tienen funciones de calefacción o enfriamiento. Por ejemplo, en un sistema de intercambio de calor, se puede usar un recipiente a presión como parte de un intercambiador de calor para transferir el calor de un medio a otro. Las calderas y los calentadores de agua también entran en esta categoría y se usan comúnmente para generar vapor o agua caliente.
d) Funciones de compresión y expansión
Los vasos a presión también se usan comúnmente para comprimir o expandir los gases. Por ejemplo, el gas natural a menudo se comprime en recipientes de alta presión para el almacenamiento y el transporte. Los sistemas de aire comprimido también son una aplicación importante para los recipientes a presión.
5. Seguridad del recipiente a presión
Debido a que los recipientes a presión a menudo están expuestos a alta presión y alta temperatura, asegurando que su seguridad sea primordial. Los puntos clave en el diseño de seguridad de los recipientes a presión incluyen:
Selección de materiales: se deben seleccionar materiales con alta resistencia, resistencia a la corrosión y resistencia a la fatiga. Los materiales de uso común incluyen acero al carbono, acero inoxidable y acero de aleación, que pueden soportar altas temperaturas y presiones.
Especificaciones de diseño: el diseño debe adherirse estrictamente a las especificaciones y estándares de diseño relevantes. Los estándares internacionales comunes incluyen el Código ASME Boiler y Vessel a presión (BPVC), que especifica los requisitos para el diseño, la fabricación y la inspección de los vasos a presión.
Inspección y prueba: la inspección regular de los vasos a presión es crucial, incluida la inspección externa, la inspección endoscópica y las pruebas no destructivas (como las pruebas ultrasónicas y las pruebas de rayos X). Estas pruebas pueden detectar de inmediato peligros ocultos, como grietas y corrosión, evitando accidentes.
Dispositivos de seguridad: los recipientes a presión deben estar equipados con válvulas de seguridad o dispositivos de alivio de presión. Cuando la presión dentro del recipiente excede un umbral de seguridad, estos dispositivos se abren automáticamente para liberar el exceso de presión y evitar que el recipiente explote o se rompa.
6. Aplicaciones de los vasos a presión
Los recipientes a presión se usan ampliamente, principalmente en industrias que requieren operación en condiciones de alta o baja presión:
Industria petroquímica: utilizado para el almacenamiento de gas licuado de petróleo, gas natural, productos químicos y productos de petróleo.
Industria energética: las calderas, los generadores de vapor y los intercambiadores de calor requieren recipientes a presión para almacenar y transferir calor.
Industria farmacéutica: los vasos a presión se utilizan para reacciones de drogas, esterilización y almacenamiento de gas.
Industria de alimentos y bebidas: los recipientes a presión se utilizan para calentar, enfriar y procesar alimentos líquidos.
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