Что такое сосуд под давлением?

01 Определение сосуда под давлением

Определение сосуда под давлением, используемое почти во всех нормах машиностроения, простое: это закрытый контейнер, предназначенный для хранения газов или жидкостей под давлением, которое значительно отличается от давления снаружи контейнера. Большинство норм устанавливает пороговое значение, обычно около 15 фунтов на квадратный дюйм манометрического давления или примерно на 1 бар выше атмосферного давления, выше которого контейнер формально классифицируется как сосуд под давлением и должен соответствовать правилам проектирования и строительства, а не более мягким требованиям, применяемым к обычным резервуарам для хранения.

Чтобы правильно определить оборудование сосуда под давлением, всегда играют роль три фактора: внутреннее давление, которое удерживает контейнер, температура, при которой он работает, и природа жидкости внутри него. Баллон с пропаном, барабан котла, ресивер сжатого воздуха, автоклав и дистилляционная колонна — все это сосуды под давлением, поскольку каждый из них удовлетворяет одному и тому же основному условию, хотя их формы, размеры и функции совершенно различны.

Понимание этого определения важно по очень практической причине. Как только контейнер классифицируется как сосуд под давлением, на него распространяются строгие нормы проектирования, правила отслеживания материалов, требования к квалификации сварщиков и обязательства по периодическим проверкам. Пропуск любого из этих шагов является одной из основных причин инцидентов с промышленными сосудами под давлением, поэтому само определение является отправной точкой для каждой программы безопасности.

02 Значение сосуда под давлением и описание ядра

Помимо формального определения, это помогает взглянуть на значение сосуда под давлением простыми словами. Думайте о сосуде под давлением как о прочной оболочке, созданной для сопротивления силе, пытающейся вытолкнуть его наружу изнутри. Газ или жидкость, хранящиеся под давлением, оказывают нагрузку на каждый квадратный дюйм внутренней стенки. Корпус сосуда, торцевые крышки и каждое сопло или отверстие должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять этому напряжению с запасом прочности, даже после многих лет термоциклирования, коррозии и механических нагрузок.

Хорошее описание сосуда под давлением охватывает четыре вещи: форму корпуса, материал, из которого он изготовлен, давление и температуру, на которые он рассчитан, а также нормы, в соответствии с которыми он был изготовлен. Например, типичный воздухоприемник можно описать как вертикальный цилиндрический резервуар из углеродистой стали с выпуклыми днищами, рассчитанный на 150 фунтов на квадратный дюйм при температуре 350 градусов по Фаренгейту, построенный в соответствии с нормами ASME по котлам и сосудам под давлением, раздел VIII, раздел 1. Это единственное описание сообщает инженеру почти все, что нужно, чтобы знать, как резервуар будет вести себя в эксплуатации.

Само слово «сосуд» означает просто «контейнер», но определитель давления меняет все, что касается конструкции этого контейнера. Обычные резервуары, удерживающие жидкость при атмосферном давлении, можно изготовить из тонкого листового металла с простыми швами. Для резервуара, работающего под давлением, напротив, необходима расчетная толщина стенок, сварные швы с полным проплавлением, радиографический или ультразвуковой контроль сварных швов, а также паспортная табличка, на которой записано его расчетное давление, максимально допустимое рабочее давление и давление гидростатических испытаний.

03 Что представляет собой сосуд под давлением

Люди часто спрашивают, что представляет собой сосуд под давлением с юридической точки зрения или в смысле кодекса, потому что ответ определяет, какие правила применяются к проекту. Большинство национальных и международных кодексов используют аналогичный набор критериев, хотя точные числовые пороговые значения различаются в зависимости от региона.

Коды, которые подробно отвечают на вопрос о том, что представляет собой сосуд под давлением, включают Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением в США, Директиву по оборудованию, работающему под давлением, в Европейском Союзе, а также национальные стандарты, такие как GB 150 в Китае и АС 1210 в Австралии. В каждом из этих документов изложены расчетные формулы, допустимые значения напряжений, характеристики материалов, процедуры сварки и необходимые испытания, чтобы инженеры разных компаний и стран могли достичь последовательного и поддающегося проверке уровня безопасности.

Судно не обязательно должно быть огромным, чтобы соответствовать требованиям. Небольшой баллон со сжатым воздухом на компрессоре в мастерской, баллон с пропаном на гриле для барбекю или лабораторный автоклав — все они могут соответствовать определению сосуда под давлением, и на каждый из них распространяются правила проектирования, соответствующие его размеру и способу эксплуатации, даже несмотря на то, что документация и частота проверок масштабируются с учетом связанного с этим риска.

Также стоит понимать, что классификация обычно происходит на этапе проектирования, а не после постройки судна. Инженер проверяет предполагаемое рабочее давление, максимально возможную температуру, группу жидкости и внутренний объем, а затем выбирает правильную кодовую категорию, прежде чем вырезать одну пластину. Неправильная классификация с самого начала может означать, что судно недостаточно спроектировано для выполнения своих реальных задач или что оно несет ненужные затраты из-за перепроектирования для выполнения задач, которые оно на самом деле никогда не увидит. В спецификациях на закупку всегда должны быть четко указаны расчетное давление и расчетная температура, поскольку эти два числа определяют почти каждое последующее инженерное решение.

Чем региональные коды отличаются на практике

Несмотря на то, что числа и форматы различаются, каждый из этих кодов отвечает на один и тот же основной вопрос: что представляет собой сосуд под давлением и какой запас прочности он должен иметь. Судно, экспортируемое на международный рынок, часто необходимо спроектировать, испытать и проштамповать более чем одним кодом одновременно, поэтому опытные производители организуют пакеты проектирования в соответствии с конкретным рынком, на который отправляет клиент.

04 Ключевые компоненты резервуара сосуда под давлением

Каждый резервуар высокого давления, независимо от отрасли, имеет общий набор конструктивных элементов. Понимание этих деталей значительно облегчает чтение производственных чертежей или составление отчета об осмотре.

Паспортная табличка сама по себе является небольшим, но важным компонентом. Он постоянно прикреплен к корпусу и записывает производителя, код конструкции, расчетное давление и температуру, максимально допустимое рабочее давление, год постройки и серийный номер сосуда. Инспекторы полагаются на данные паспортной таблички на протяжении всего срока службы судна, поэтому они должны оставаться разборчивыми и никогда не должны изменяться без надлежащего разрешения.

Толщина не одинакова во всех частях резервуара, работающего под давлением, и понимание того, почему, помогает объяснить некоторые конструктивные решения, которые в противном случае выглядят непоследовательными. Цилиндрическая оболочка обычно подвергается наибольшему окружному напряжению и рассчитывается в первую очередь. Головки имеют специальную форму, позволяющую уменьшить изгибающее напряжение, которое в противном случае плоская пластина испытывала бы под давлением, поэтому так распространены выпуклые и полусферические головки, хотя их изготовление обходится дороже, чем изготовление плоской пластины. Каждое сопло, врезанное в корпус, удаляет несущий материал, поэтому вокруг отверстия добавляется усиливающая подкладка или более толстая кованая шейка сопла, чтобы восстановить утраченную прочность. Ни один из этих вариантов не является косметическим. Каждый из них напрямую отражает расчет, привязанный к расчетному давлению и допустимому напряжению выбранного материала.

05 Типы сосудов под давлением и общие области применения

Сосуды под давлением бывают разных форм, поскольку они служат для самых разных процессов. Наиболее распространенная классификация — по геометрии и по функциям.

Классификация по форме

• Цилиндрические сосуды с выпуклыми или полусферическими головками - наиболее широко используемая форма, поскольку цилиндр легко изготавливается и хорошо выдерживает внутреннее давление.
• Сферические сосуды , используется для хранения очень больших объемов, таких как хранение сжиженного нефтяного газа, поскольку сфера распределяет нагрузку равномерно и требует более тонкой оболочки, чем цилиндр равной вместимости.
• Конические или комбинированные сосуды , используется там, где процесс требует конического перехода, например, в некоторых конструкциях реакторов и сепараторов.

Классификация по функциям

Выбор материала также зависит от обязанности. Углеродистая сталь остается наиболее распространенным материалом для общепромышленного применения, поскольку она экономична и хорошо изучена. Нержавеющую сталь выбирают, когда важны коррозионная стойкость или чистота продукта, например, в фармацевтических или пищевых емкостях. Дуплексная нержавеющая сталь, никелевые сплавы и плакированная пластина предназначены для агрессивных химических операций, тогда как сосуды с композитной обмоткой используются там, где вес имеет решающее значение, например, в мобильных или аэрокосмических приложениях.

Масштаб варьируется так же, как форма и материал. Лабораторный автоклав может вмещать всего несколько литров и стоять на столе, тогда как сферический резервуар нефтеперерабатывающего завода может вмещать несколько тысяч кубических метров и быть выше пятиэтажного здания. Между этими крайностями находятся резервуары, работающие под давлением, с которыми большинство инженеров сталкивается изо дня в день, объемом от нескольких сотен литров до нескольких сотен кубических метров, которые обычно перевозятся грузовиком или по железной дороге и устанавливаются на бетонный фундамент или стальную платформу на площадке завода. Независимо от масштаба, применяется одно и то же определение сосуда под давлением и та же дисциплина проектирования, меняются только цифры в расчетах.

Ориентация при монтаже — еще одно практическое отличие, которое следует учитывать покупателям. Горизонтальные сосуды, поддерживаемые седлами, обычно используются для умеренных объемов, поскольку к ним легче получить доступ для внутреннего осмотра и их проще прокладывать по трубам. Вертикальные сосуды, опирающиеся на юбку или ножки, предпочтительны в тех случаях, когда пространство на полу ограничено или где важен гравитационный поток в процессе, например, в дистилляционных колоннах или гравитационных сепараторах. Выбор между горизонтальной и вертикальной ориентацией зависит как от схемы процесса, так и от самого номинального давления.

06 Как производятся сосуды под давлением

Изготовление сосуда под давлением, соответствующего нормам, представляет собой контролируемую последовательность, а не отдельный этап изготовления, поскольку на каждом этапе предоставляется документация, которая понадобится сосуду на протяжении всего оставшегося срока его службы.

1. Проектный расчет. Инженеры рассчитывают необходимую толщину стенок, геометрию головки и усиление сопла на основе расчетного давления, расчетной температуры и допустимого напряжения выбранного материала в соответствии с действующими нормами.
2. Закупка материалов. Листы, поковки и трубы поставляются с заводскими сертификатами, в которых химический состав и механические свойства определяются плавкой стали, из которой они были получены.
3. Формирование. Пластину раскатывают в цилиндрические пластины, а головки прессуют или вращают, придавая им вогнутую или полусферическую форму.
4. Сварка. Продольные и кольцевые швы свариваются с использованием заранее проверенных процедур сварщиками, сертифицированными для выполнения конкретного типа соединения и материала.
5. Неразрушающий контроль. Сварные швы проверяются рентгенографией, ультразвуковым контролем или другими методами, соответствующими категории соединения и классу эксплуатации.
6. Термическая обработка. Многие суда требуют термообработки после сварки для снятия остаточных напряжений и восстановления прочности материала после сварки.
7. Испытание давлением. Готовое судно проходит гидростатические или пневматические испытания, прежде чем оно будет одобрено к отправке.
8. Сертификация и штамповка. Уполномоченный по нормам инспектор проверяет всю производственную документацию, прежде чем судно получит паспортную табличку и кодовую печать.

На каждом из этих этапов создается документ, и вместе они формируют отчет о производственных данных, который передается вместе с судном на протяжении всего его срока службы. Эта запись — именно то, что инспектор попросит просмотреть во время последующих периодических проверок сосудов под давлением, поэтому хорошо организованный производитель значительно упрощает постоянное соблюдение требований для конечного пользователя.

Контроль качества осуществляется параллельно с каждым из этих этапов производства, а не представляет собой единственную проверку в конце линии. Проверка размеров подтверждает, что диаметр корпуса, некруглость и расположение сопла находятся в пределах допуска. Сварка постоянно контролируется с помощью записей о аттестации процедур и записей о квалификации сварщиков, которые должны поддерживаться в актуальном состоянии и быть доступными для проверки. Многие производители также перед началом изготовления проводят внутреннюю проверку конструкции, которую иногда называют проверкой опасностей и стиля работоспособности, в частности, для выявления конфликтов арматуры, опор или сопел, которые было бы гораздо дороже исправить, если сталь уже разрезана и прокатана.

07 Объяснение методов испытания сосудов под давлением

Испытание сосуда под давлением — это этап, который доказывает, что изготовленный сосуд действительно может выдерживать давление, для которого он был спроектирован, еще до того, как он будет введен в эксплуатацию. Испытания проводятся на заводе в рамках сертификации и периодически повторяются на протяжении всего срока службы судна.

Как обычно проводится гидростатическое испытание сосуда под давлением

1. Подготовка. Сосуд полностью заполняется водой, и весь воздух удаляется, чтобы избежать образования сжимаемого воздушного кармана, который может накапливать опасную энергию во время испытания.
2. Герметизация. Давление повышается постепенно и постепенно с помощью калиброванного насоса, в то время как технические специалисты контролируют манометры на безопасном расстоянии.
3. Период удержания. Давление поддерживается на требуемом испытательном значении в течение установленного периода, обычно от десяти до тридцати минут, в то время как сосуд проверяется на предмет утечек, растекания или видимой деформации.
4. Осмотр. Сварные швы, патрубки и фланцевые соединения тщательно проверяются на наличие признаков утечек во время периода выдержки.
5. Разгерметизация и осушка. Давление сбрасывают медленно, сосуд опорожняют и тщательно высушивают, чтобы предотвратить внутреннюю коррозию после испытания.
6. Документация. Испытательное давление, время выдержки, условия окружающей среды и результаты регистрируются и подписываются ответственным инспектором.

Пневматические испытания заслуживают особого внимания, поскольку сжатый газ сохраняет гораздо больше энергии, чем вода при том же давлении и объеме. Вода по существу несжимаема, поэтому, если гидростатическое испытание обнаруживает утечку или трещину, давление падает почти сразу же и выделяется очень мало накопленной энергии. Сжатый воздух или азот ведут себя совершенно по-разному, и сбой во время пневматического испытания может привести к внезапному высвобождению накопленной энергии. По этой причине нормы обычно рассматривают пневматические испытания как запасной вариант, используемый только тогда, когда гидростатические испытания нецелесообразны, и они требуют более низкого коэффициента испытательного давления, а также письменной процедуры, запретных зон и дистанционного мониторинга во время испытания.

Испытательное давление обычно рассчитывается как фиксированное кратное расчетному давлению, обычно в 1,3 раза превышающее расчетное давление для гидростатического испытания при температуре окружающей среды, с поправкой на любую разницу между допустимым напряжением при температуре испытания и расчетной температуре. Этот запас существует для того, чтобы продемонстрировать реальный буфер безопасности за пределами нормальных условий эксплуатации, а не просто для подтверждения того, что сосуд удерживает номинальное давление, не имея свободного места.

08 Осмотр сосудов под давлением: требования и периодичность

Испытания проводятся один раз при изготовлении и повторно во время основной реквалификации, но проверка сосудов под давлением — это постоянная программа, которая продолжается до тех пор, пока сосуд находится в эксплуатации. Регулярный осмотр выявляет коррозию, растрескивание и механические повреждения задолго до того, как они поставят под угрозу целостность корпуса.

Общие методы проверки сосудов под давлением

• Внешний визуальный осмотр. Проверка коррозии, разрушения покрытия, утечек и состояния опор обычно выполняется чаще всего, поскольку не требует остановки.
• Внутренний визуальный осмотр. Вход на судно во время планового простоя для непосредственной проверки внутренней поверхности, сварных швов и внутренних устройств.
• Измерение толщины стен. Ультразвуковые измерения в фиксированных точках сетки для отслеживания скорости коррозии или эрозии с течением времени.
• Проверка сварных швов. Повторное применение радиографических, ультразвуковых или магнитопорошковых методов к критическим сварным швам, имеющим высокий риск.
• Тестирование предохранительных устройств. Проверка того, что предохранительные клапаны и разрывные мембраны по-прежнему активируются при установленном давлении.
• Пригодность к служебной оценке. Инженерная оценка, используемая при обнаружении неисправности, чтобы решить, может ли судно продолжать работу, нуждается в ремонте или должно быть выведено из эксплуатации.

Типичные интервалы проверки

Проверки сосудов под давлением обычно проводятся уполномоченным инспектором, имеющим признанную квалификацию и независимым от повседневной эксплуатации установки. Их подпись вместе с письменным отчетом, описывающим выводы и любые корректирующие действия, становится частью постоянного файла истории судна. Многие операторы теперь совмещают плановые проверки с проверками на основе рисков, которые корректируют интервалы проверок для отдельных сосудов в соответствии с их фактической скоростью коррозии, серьезностью процесса и последствиями отказа, вместо того, чтобы применять один фиксированный интервал для каждого судна на площадке.

Пропуск проверки сосудов под давлением является одной из наиболее частых причин, выявляемых после промышленных аварий. Судно, которое снаружи выглядело исправным, может иметь значительные потери внутренней стенки из-за коррозии, которые можно выявить только при надлежащем внутреннем осмотре или обследовании толщины, поэтому регулирующие органы в большинстве стран делают эту программу проверок юридическим требованием, а не факультативной передовой практикой.

Ведение полезной истории проверок

Ценность любой отдельной проверки ограничена, если она не сравнивается с предыдущими результатами. Значение толщины в восемь миллиметров в данной точке сетки само по себе мало что значит, но то же самое значение по сравнению с показанием в десять миллиметров, полученным пятью годами ранее, сразу показывает скорость коррозии, которую можно прогнозировать для оценки оставшегося безопасного срока службы. По этой причине каждая серьезная программа проверки сосудов под давлением ведет текущий файл для каждого сосуда, помеченный его уникальным серийным номером на паспортной табличке, содержащий исходный отчет о производственных данных, каждый отчет о прошлых проверках, все записи о ремонте и каждый сертификат испытаний предохранительного клапана. Когда судно меняет владельца или переезжает на новое место, этот файл должен путешествовать вместе с ним, поскольку без этой истории у нового инспектора нет надежной основы, позволяющей судить, деградирует ли оборудование быстрее, чем ожидалось.

Ремонт, переделка и переоценка

Когда проверка обнаруживает дефект, возможны три исхода. Незначительные поверхностные дефекты в допустимых пределах можно просто задокументировать и отслеживать при следующей проверке. Более существенный дефект может потребовать ремонта, выполненного в соответствии с утвержденной процедурой, с последующим неразрушающим обследованием отремонтированного участка и, во многих случаях, последующим испытанием под давлением. В некоторых ситуациях сосуд с уменьшенной толщиной стенок может быть переоценен на более низкое максимально допустимое рабочее давление, а не сдаваться в металлолом, при условии, что новый рейтинг подтвержден надлежащими расчетами и одобрен органом по нормам. Каждый из этих путей зависит от точных данных проверки, что является еще одной причиной, по которой описанную выше программу проверки нельзя рассматривать как второстепенную мысль.

09 Распространенные виды отказов и соображения безопасности

Понимание того, почему сосуды под давлением выходят из строя, помогает объяснить, почему программы испытаний и проверок структурированы именно так.

Поскольку герметичный корпус хранит значительную энергию, отказ может быть внезапным и серьезным. Именно поэтому каждый этап, обсуждаемый в этом руководстве, от первоначального определения сосуда под давлением и норм проектирования, через испытания сосуда под давлением при изготовлении до текущих проверок сосудов под давлением в эксплуатации, существует как взаимосвязанная цепочка. Удаление любого отдельного звена в этой цепочке увеличивает риск, который зачастую незаметен, пока что-то не пойдет не так.

Расследования инцидентов с сосудами под давлением во многих отраслях промышленности, как правило, указывают на небольшое количество повторяющихся коренных причин, а не на экзотические или непредсказуемые события. Предохранительный клапан, который никогда не подвергался испытаниям и незаметно застрял в закрытом положении, измерение толщины, которое пропускалось несколько лет подряд, чтобы сэкономить время на остановку, ремонт, который проводился без квалифицированных сварочных процедур, или сосуд, который был вынужден выполнять новую функцию за пределами первоначальной проектной основы без надлежащего инженерного анализа - все это снова и снова появляется в отчетах о происшествиях. Ни одна из этих причин не требует необычного невезения. Каждый из них представляет собой сбой в управлении процессом, для предотвращения которого специально создана строгая программа проектирования, испытаний и проверок, что является самым сильным практическим аргументом в пользу того, чтобы рассматривать каждый этап, описанный в этом руководстве, как обязательный, а не необязательный.

10 Выбор надежного производителя сосудов под давлением

Выбор подходящего производителя так же важен, как и понимание технической основы, описанной выше. Квалифицированный поставщик должен быть в состоянии предоставить проектные расчеты, сертификаты на материалы, квалификацию сварщика, отчеты о неразрушающем обследовании и протоколы испытаний под давлением для каждого строящегося им сосуда, а также должен оказывать поддержку покупателю посредством полной проверки процесса изготовления сосудов под давлением после ввода оборудования в эксплуатацию.

11 Часто задаваемые вопросы

12 Собираем все вместе

Возвращая каждый раздел этого руководства к одной точке, можно сказать, что сосуд высокого давления определяется давлением и температурой, на которые он рассчитан, а не только его размером или формой. Этот единственный факт определяет проектные расчеты, выбор материалов, квалификацию сварки, испытания сосудов под давлением перед вводом в эксплуатацию и структурированный график проверок сосудов под давлением на протяжении всего времени эксплуатации оборудования. Независимо от того, включает ли проект небольшой ресивер сжатого воздуха, большой сферический резервуар для хранения или специализированный технологический резервуар, применяется одна и та же основная дисциплина. Покупатели, которые понимают эту цепочку, от определения до тестирования и постоянного контроля, гораздо лучше подготовлены к написанию четкой спецификации покупки, оценке такого производителя, как Beloni (Jiangsu) Pump Manufacturing Co., Ltd, на справедливой и технической основе, а также безопасному управлению оборудованием после его установки и эксплуатации.