ถังแรงดันสูง (HP) ใช้สําหรับจัดเก็บและขนส่งก๊าซอัด (เช่น,ออกซิเจนไฮโดรเจนก๊าซธรรมชาติ) หรือของเหลวแรงดัน (เช่น,ของเหลวไฮดรอลิก, เคมีอุตสาหกรรม) - เป็นส่วนประกอบที่สําคัญในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศพลังงานการแพทย์และเคมีการออกแบบตัวถังของพวกเขาเป็นความสมดุลที่ได้รับการออกแบบอย่างแม่นยําของความสมบูรณ์ของโครงสร้างประสิทธิภาพของวัสดุและการปฏิบัติตามความปลอดภัยเนื่องจากความล้มเหลวอาจส่งผลร้ายแรง (เช่นการบีบอัดระเบิดการปนเปื้อนสิ่งแวดล้อม)บทความนี้สํารวจหลักการหลักของการออกแบบตัวถังของ HP รวมถึงการพิจารณาทางเรขาคณิตการเลือกวัสดุข้อ จํากัด ในการออกแบบที่สําคัญโปรโตคอลการทดสอบและนวัตกรรมที่เกิดขึ้นใหม่ซึ่งทั้งหมดสอดคล้องกับมาตรฐานระดับโลก (เช่นASME BPVC, ISO 11119-3, DOT 39)

 

 

1.ฟังก์ชั่นหลักและเหตุผลทางเรขาคณิต: ทําไม กระบอกสูบ?

รูปร่างทรงกระบอกไม่ได้เป็นแบบพลการ - มันเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่เหมาะสมที่สุดสําหรับเรือความดันเนื่องจากกระจายความดันภายในอย่างสม่ําเสมอทั่วร่างกายลดความเข้มข้นของความเครียดเพื่อทําความเข้าใจเรื่องนี้เปรียบเทียบการกระจายความเครียดในรูปร่างทั่วไป:

 

| รูปร่างเรือ|ลักษณะการกระจายความเครียด|ข้อ จํากัด สําหรับความดันสูง|

|--------------|------------------------------------|-------------------------------|

| กระบอกทรงกระบอก|ความเครียดของห่วง (วงกลม) = ความเครียดตามยาว 2 × ไม่มีมุมคมเพื่อมุ่งเน้นความเครียด| ไม่มี (เหมาะสําหรับ HP หากออกแบบอย่างถูกต้อง) |

| รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า|ความเครียดเข้มข้นที่มุม (ความเข้มของความเครียด 3-5 × สูงกว่าพื้นผิวแบน) | มีแนวโน้มที่จะแตกที่มุมภายใต้ความดันสูง|

| สูตรทรงกลม | ความเครียดแบบสม่ําเสมอ (ห่วง = ยาว); รูปร่างทางเรขาคณิตที่แข็งแกร่งที่สุด| ต้นทุนการผลิตสูง อัตราส่วนปริมาณต่อน้ําหนักที่ จํากัด สําหรับการใช้งานส่วนใหญ่|

 

สําหรับกระบอกสูบ HP ตัวถังทรงกระบอกที่มีหัวทรงซีกทรงกลมหรือรูปไข่เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมหัว (หมวกปลาย) มีความสําคัญ:

- หัวซีกทรงกลม: ตรงกับการกระจายความเครียดของกระบอกสูบ (ไม่มีความเข้มข้นของความเครียดเพิ่มเติม) เหมาะสําหรับการใช้งานความดันสูงพิเศษ (UHP) (≥10,000 psi / 690 บาร์)

- หัวไข่: ประหยัดค่าใช้จ่ายในการผลิตมากกว่าหัวซีกทรงกลม; สามารถยอมรับได้สําหรับ HP ปานกลาง (3,000-10,000 psi/207-690 บาร์) ถ้าอัตราส่วนแกนหลักต่อแกนเล็ก ≤2: 1 (เพื่อหลีกเลี่ยงความเครียดที่มากเกินไปที่จุดแยกศีรษะ - ร่างกาย)

 

 

2.การเลือกวัสดุ: สมดุลความแข็งแรงน้ําหนักและสิ่งแวดล้อม

ตัวถังกระบอก HP ต้องการวัสดุที่มีความต้านแรงดึงสูงทนต่อความเมื่อยล้าและเข้ากันได้กับสื่อที่เก็บไว้ในขณะที่ตรงตามความต้องการน้ําหนักหรือการกัดกร่อนวัสดุหลักสามประเภทคือ:

 

 

2.1วัสดุโลหะ (กระบอก HP แบบดั้งเดิม)

โลหะครอบงําการออกแบบกระบอกสูบของ HP สําหรับความทนทานที่พิสูจน์แล้วและความคุ้มค่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานในอุตสาหกรรมและยานยนต์

 

| ประเภทวัสดุ | เกรดที่สําคัญ | คุณสมบัติทางกล | การใช้งานที่เหมาะ |

|---------------------|-------------------------------------|------------------------------------------------|-----------------------------------------------------------------------------------|

| เหล็กกล้าความแรงสูง| AISI 4130 (เหล็กโครโมลี่), AISI 4340, API 5L X80| ความต้านแรงดึง: 800-1,500 MPa; ความต้านทานผลผลผลิต: 600-1,200 MPa; ความต้านทานความเมื่อยล้าที่ดีเยี่ยม| การเก็บก๊าซอุตสาหกรรม (เช่นไนโตรเจน, อาร์กอน), สะสมไฮดรอลิกอุปกรณ์บ่อน้ํามัน|

| อลูมิเนียมโลหะผสม | 6061-T6,7075-T6 | ความต้านแรงดึง: 310-570 MPa; ความต้านแรงผลิต: 276-503 MPa; 1/3 ความหนาแน่นของเหล็ก| อวกาศ (เช่น,ถังออกซิเจนเครื่องบิน) ถังก๊าซทางการแพทย์แบบพกพา (น้ําหนักที่สําคัญ) |

| เหล็กกล้าไร้สนิม | AISI 316L AISI 304L | ความต้านแรงดึง: 515-620 MPa; ความต้านทานผลผลิต: 205-240 MPa; ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม| การประมวลผลทางเคมี (การจัดเก็บกรด / เบส), การใช้งานทางทะเล (การสัมผัสกับน้ําเค็ม), ของเหลวเกรดอาหาร|

 

คําพิจารณาที่สําคัญ: สําหรับสื่อที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (เช่น,ไฮโดรเจนซัลไฟด์, น้ําทะเล), สแตนเลสหรือโลหะผสมที่ทนต่อการกัดกร่อน (CRAs เช่น Inconel 625) เป็นเหล็กกล้าคาร์บอนบังคับจะย่อยสลายผ่านการแตกกัดกร่อนของความเครียด (SCC) ภายใต้ความดัน

 

 

2.2วัสดุคอมโพสิต (กระบอกสูบ HP ขั้นสูง)

กระบอกสูบคอมโพสิต (โพลิเมอร์เสริมแรงด้วยเส้นใย, FRP) กําลังปฏิวัติการใช้งานของ HP ที่มีน้ําหนักเป็นสิ่งสําคัญ (เช่นยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน, การบินและอวกาศ)พวกเขาประกอบด้วยซับโพลิเมอร์ (เช่นHDPE, PA6) สําหรับความแน่นของก๊าซและเส้นใยขดลวด (เช่น,คาร์บอนไฟเบอร์, ใยแก้ว) สําหรับความแข็งแรงของโครงสร้าง

 

| ชนิดคอมโพสิต | วัสดุซับ|เสริมไฟเบอร์|คุณสมบัติที่สําคัญ | การใช้งานที่เหมาะ |

|----------------------|----------------|---------------------|-------------------------------------------------|-----------------------------------------------------------------------------------|

| คาร์บอนไฟเบอร์ / อีพ็อกซี่ | HDPE, PA6 | Toray T700, Hexcel T800 คาร์บอนไฟเบอร์|ความต้านแรงดึง: 1,800-2,500 MPa; 70% เบากว่าเหล็ก; ความต้านทานต่อความเมื่อยล้าสูง| ยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (การจัดเก็บ H2 ที่ 70 MPa / 10,000 psi), ถัง UHP สําหรับการบินและอวกาศ|

| ไฟเบอร์แก้ว / โพลีเอสเตอร์| HDPE | ไฟเบอร์กลาส E | ความต้านแรงดึง: 800-1,200 MPa; ต้นทุนต่ํากว่าคาร์บอนไฟเบอร์; ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี| การจัดเก็บก๊าซแรงดันต่ํา (เช่นโพรเพน) การขนส่งสารเคมี (สื่อที่ไม่กัดกร่อน) |

 

ประโยชน์ที่สําคัญ: คอมโพสิตมีภูมิคุ้มกันต่อ SCC และมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ําหนักที่สูงกว่าโลหะที่สําคัญสําหรับยานพาหนะไฟฟ้า (EVs) และโดรนซึ่งน้ําหนักส่งผลกระทบโดยตรงต่อช่วง

 

 

3.ข้อ จํากัด ในการออกแบบที่สําคัญสําหรับตัวถัง HP

การออกแบบกระบอกสูบของ HP ต้องปฏิบัติตามหลักการทางวิศวกรรมที่เข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวข้อ จํากัด ที่สําคัญที่สุดสี่ประการคือ:

 

 

3.1การคํานวณความเครียดและความหนาของผนัง

ความหนาของผนังของกระบอกสูบจะถูกกําหนดโดยสมการของ Lame (สําหรับกระบอกสูบผนังหนาที่มีความหนาของผนัง≥ 1/10 ของรัศมีภายใน) หรือสูตรของ Barlow (สําหรับกระบอกสูบผนังบางความหนาของผนัง <1/10 ของรัศมีภายใน)สมการเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่ากระบอกสูบสามารถทนต่อความดันในการทํางานสูงสุด (MOP) โดยมีอัตรากําไรขั้นต้นความปลอดภัย

 

- สูตรของ Barlow (ผนังบาง):

t = (P × D) / (2 × S × F)

ที่ไหน:

- t = ความหนาของผนังขั้นต่ํา (mm / in)

- P = ความดันในการทํางานสูงสุด (MPa / psi)

- D = เส้นผ่าศูนย์กลางภายในของกระบอกสูบ (mm / in)

- S = ความเครียดที่อนุญาตของวัสดุ (MPa / psi; โดยปกติ 1/3 ถึง 1/4 ของความแข็งแรงผลิตของวัสดุต่อ ASME BPVC)

- F = ปัจจัยความปลอดภัย (ขั้นต่ํา 1.5 สําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม; 2.0 สําหรับการบินและอวกาศ / การแพทย์)

 

- ตัวอย่าง: สําหรับกระบอกเหล็ก (S = 400 MPa) ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางภายใน 100 มม. และ MOP 30 MPa (4,350 psi) ความหนาของผนังขั้นต่ําคือ

t = (30 × 100) / (2 × 400 × 1.5) = 2.5 มม

 

การพิจารณาผนังหนา: สําหรับกระบอกสูบ UHP (เช่น, 100 MPa / 14,500 psi), สมการของ Lame บัญชีสําหรับความเครียดรัศมี (นอกเหนือจากความเครียดห่วง / ยาว) ต้องใช้ผนังหนาหรือวัสดุที่มีความแข็งแรงผลิตสูงขึ้น

 

 

3.2ความเข้ากันได้ของอุณหภูมิ

ความผันผวนของอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุและความดันภายใน (ตามกฎหมายของชาร์ลส์: ความดัน - อุณหภูมิที่ปริมาตรคงที่)การออกแบบจะต้องคํานึงถึง:

- อุณหภูมิต่ํา: โลหะอาจเปราะ (เช่นเหล็กกล้าคาร์บอนสูญเสียความเหนียวต่ํากว่า -40 °C / -40 °F); คอมโพสิตอาจพบการแตกของเมทริกซ์พอลิเมอร์วิธีการแก้ปัญหา: ใช้เกรดอุณหภูมิต่ํา (เช่นAISI 4130 LT, สแตนเลส cryogenic 304LN) หรือเมทริกซ์ที่ยืดหยุ่น (เช่น,ผสมผสานอีพ็อกซี่โพลีอะไมด์สําหรับคอมโพสิต)

- อุณหภูมิสูง: โลหะอ่อนตัว (ความแข็งแรงของผลผลิตลดลง); พอลิเมอร์ย่อยสลายวิธีการแก้ปัญหา: ใช้โลหะผสมทนความร้อน (เช่นInconel 718) หรือคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิค (CMCs) สําหรับอุณหภูมิ > 300 ° C / 572 ° F

 

 

3.3การกัดกร่อนและความเข้ากันได้ทางเคมี

ตัวถังต้องเฉื่อยกับสื่อที่เก็บไว้เพื่อป้องกัน:

- การกัดกร่อนแบบสม่ําเสมอ: วัสดุที่บางลงเมื่อเวลาผ่านไป (เช่นเหล็กในก๊าซที่เป็นกรด)วิธีแก้ปัญหา: ใช้วัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน (สแตนเลส, คอมโพสิต) หรือเคลือบ (เช่น,ชุบสังกะสี, ซับ PTFE)

- การกัดกร่อนความเครียด (SCC): การแตกภายใต้ความเครียดรวมและสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (เช่นเหล็กคาร์บอนในไฮโดรเจนซัลไฟด์)วิธีการแก้ปัญหา: หลีกเลี่ยงวัสดุที่อ่อนไหว ใช้โลหะผสมที่ทนต่อ SCC (เช่นสแตนเลส 316L) หรือเพิ่มสารยับยั้งในสื่อที่เก็บไว้

 

 

3.4ความต้านทานต่อความเมื่อยล้า

กระบอกสูบ HP มักจะผ่านการเปลี่ยนแปลงความดันแบบวงจร (เช่นการบรรจุ / การปล่อย) ซึ่งทําให้เกิดความเสียหายจากความเหนื่อยล้าการลดการออกแบบรวมถึง:

- พื้นผิวภายใน / ภายนอกเรียบ: หลีกเลี่ยงรอยขีดข่วนหรือเครื่องจักรกล (เครื่องเข้มข้นความเครียด) ผ่านการขัด (Ra≤0.8μm) หรือขัด

- การเลือกวัสดุ: เลือกวัสดุที่มีความแข็งแรงต่อความเมื่อยล้าสูง (เช่นเหล็กกล้า AISI 4340, คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์)

- วงจรชีวิตการออกแบบ: ASME BPVC ต้องการกระบอกสูบ HP ที่จะทนต่อ ≥ 10,000 รอบแรงดัน (เติม / ปล่อย) โดยไม่ล้มเหลว

 

 

4.การทดสอบและรับรองความปลอดภัยที่บังคับใช้

ไม่มีกระบอกสูบ HP เข้าสู่การใช้งานโดยไม่มีการทดสอบอย่างเข้มงวดเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการออกแบบและวัสดุการทดสอบที่สําคัญรวมถึง:

 

 

4.1การทดสอบ Hydrostatic

การทดสอบที่พบมากที่สุด: กระบอกสูบเต็มไปด้วยน้ํา (ไม่สามารถอัดได้ปลอดภัยหากเกิดความล้มเหลว) และแรงดัน 1.5 × MOP เป็นเวลา 30-60 นาทีผู้ตรวจสอบตรวจสอบ:

- การรั่วซึมภายนอก (ผ่านการตรวจสอบด้วยสายตาหรือการตรวจสอบการสลายตัวของความดัน)

- การเปลี่ยนรูปถาวร (ผ่านการวัดมิติก่อน / หลังการทดสอบการเปลี่ยนรูป> 0.1% ของเส้นผ่าศูนย์กลางภายในเป็นความล้มเหลว)

 

 

4.2การทดสอบการระเบิด

การทดสอบการทําลายเพื่อหาแรงดันระเบิดที่เกิดขึ้นจริงของกระบอกสูบ (เมื่อเทียบกับการคาดการณ์การออกแบบ)กระบอกสูบตัวอย่างถูกดันจนกว่าจะล้มเหลว ความดันการระเบิดจะต้อง ≥2.5 × MOP (ตาม ISO 11119-3)การทดสอบนี้ตรวจสอบความแข็งแรงของวัสดุและอัตรากําไรขั้นต้นความปลอดภัยในการออกแบบ

 

 

4.3การทดสอบแบบไม่ทําลาย (NDT)

ใช้เพื่อตรวจจับข้อบกพร่องภายใน (เช่นรอยแตกรวม) โดยไม่ทําลายกระบอก:

- การทดสอบอัลตราโซนิก (UT): ตรวจสอบความแตกต่างของความหนาของผนังและรอยแตกภายใน

- การทดสอบด้วยรังสี (RT): ตรวจจับการรวมวัสดุหรือข้อบกพร่องในการเชื่อม (สําหรับร่างกายกระบอกสูบที่เชื่อม)

- การทดสอบกระแสน้ําวน (ECT): ระบุรอยแตกบนพื้นผิวในกระบอกโลหะ

 

 

4.4การรับรอง

กระบอกสูบของ HP ต้องเป็นไปตามมาตรฐานระดับโลกเพื่อให้มั่นใจว่าสามารถทํางานร่วมกันได้และปลอดภัย:

- อเมริกาเหนือ: DOT 39 (กรมการขนส่ง), ASME BPVC มาตรา VIII (หม้อไอน้ําและรหัสเรือแรงดัน)

- ยุโรป: EN 1975, ISO 11119-3

- การบินและอวกาศ: SAE AS 8019, ISO 11119-2.

 

 

5.นวัตกรรมที่เกิดขึ้นใหม่ในการออกแบบตัวถัง HP

ความก้าวหน้าในด้านวัสดุและการผลิตกําลังขยายความสามารถของกระบอกสูบ HP:

 

5.1กระบอกสูบอัจฉริยะ

การรวมเซ็นเซอร์เข้ากับตัวถังเพื่อให้สามารถตรวจสอบแบบเรียลไทม์:

- เซ็นเซอร์ความดัน: ติดตามความดันภายในเพื่อป้องกันการเติมมากเกินไป

- เครื่องวัดความเครียด: ตรวจสอบระดับความเครียดเพื่อทํานายชีวิตความเหนื่อยล้า

- เซ็นเซอร์ตรวจจับการกัดกร่อน: ตรวจจับการย่อยสลายของวัสดุในระยะแรก (สําคัญสําหรับการจัดเก็บสารเคมี)

 

5.2การผลิตเสริม (การพิมพ์ 3 มิติ)

การพิมพ์ 3 มิติ (เช่นเลเซอร์ผงเตียงฟิวชั่น, LPBF) ช่วยให้:

- รูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน: การเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อศีรษะและร่างกายเพื่อลดความเข้มข้นของความเครียด

- ประสิทธิภาพการใช้วัสดุ: การผลิตแบบเกือบสุทธิ (ลดของเสีย 50-70% เมื่อเทียบกับเครื่องจักรกลแบบดั้งเดิม)

- การปรับแต่ง: การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วของถัง HP ชุดเล็กสําหรับการใช้งานเฉพาะ (เช่นอุปกรณ์การแพทย์)

 

5.3คอมโพสิตไฮบริด

การรวมคาร์บอนไฟเบอร์กับซับโลหะ (เช่นไทเทเนียม) เพื่อใช้ประโยชน์จากวัสดุที่ดีที่สุดของทั้งสอง:

- ไทเทเนียมซับ: ปรับปรุงความแน่นของก๊าซ (ดีกว่าซับพอลิเมอร์) และความต้านทานต่อสารเคมี

- คาร์บอนไฟเบอร์คดเคี้ยว: ลดน้ําหนัก (เบากว่ากระบอกไทเทเนียมทั้งหมด 30%)

- เหมาะสําหรับการใช้งาน UHP (เช่นระบบขับเคลื่อนอวกาศ, การจัดเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูง)