Drukvaten zijn containers die ontworpen zijn om vloeistoffen en gassen op te slaan voor industrieel gebruik. Het vasthouden van gassen en vloeistoffen speelt een belangrijke rol in vele soorten industrieën, waardoor het efficiënt en veilig maken van deze gassen en vloeistoffen één van de hoogste prioriteiten van technische ontwerp- en onderzoeksgebieden is geworden. Om de moderne ontwerpen en het gebruik van drukvaten te begrijpen, samen met de functies ervan, wordt in het artikel kort de geschiedenis van de bouwkunde van drukvaten over de hele wereld gegeven voordat de functies, het ontwerp en de gebruiksgebieden worden uitgelegd.
1. GESCHIEDENIS
De vroegste documentatie van een drukvat ontwerp was in de Codex Madrid I van Leonardo da Vinci, die hij in 1495 schreef. Dit ontwerp had echter niet hetzelfde gebruiksgebied of vergelijkbare kenmerken als wat een modern drukvat kan worden genoemd. De eerste voorouders van de huidige drukvaten werden voornamelijk ontworpen in de jaren 1800, waar de industriële revolutie begon. Toch ontbraken deze vroege drukvaten en ketels aan materiaalkwaliteit naast een gebrek aan productietechnieken. Ze waren gevaarlijk en hadden tot veel dodelijke ongelukken geleid tot ze eindelijk in de VS in regelgeving kwamen met de vrijlating van ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC).
Na de vrijlating van de codes in ontwikkelde landen zoals de VS, Japan en Europese landen, hebben zich vorderingen voorgedaan op het gebied van de ontwerpen en bouwkunde van drukvaten die hebben geleid tot veiliger gebruik en betere materiaalkwaliteit.
2. FUNCTIES
2.1. VORMEN
Drukvaten kunnen theoretisch allerlei vormen hebben, maar twee hoofdstijlen zijn de sferische (bolvormige) en cilindrische (cilindervormige) modellen.
Sferische (bolvormige) drukvaten:
Hoewel ze in staat zijn om meer externe druk te weerstaan dan zijn alternatieven, zijn bolvormige drukvaten op de een of andere manier minder efficiënt en hebben daarom slechts een beperkt toepassingsgebied. Het vereist echter een kleinere wanddikte dan de cilindervormige vaten. Deze worden voornamelijk gebruikt als een ontwerp voor mini-onderzeeërs. Maar ook als grote vloeistof- en gascontainers.
Cilindrische (cilindervormige) drukvaten:
Hoewel de mini-onderzeeërs zijn gemaakt als bolvormige vaten, is bijna elke moderne onderzeeër ontworpen als een cilindrisch drukvat. Hoewel ze relatief inefficiënt zijn in het weerstaan van externe druk in tegenstelling tot de bolvormige schepen, hebben onderzeeërs ontworpen met een
vorm van een cilinder betere manoeuvreer mogelijkheden. Cilindervormige drukvaten hebben in theorie de helft van de sterkte van een bolvormig drukvat met dezelfde wanddikte, maar ze hebben de voorkeur omdat bolvormige vaten moeilijker te vervaardigen zijn en meer kosten dan de cilindrische drukvaten.
2.2. MATERIAAL
De sleutel voor het bouwen van een goed drukvat is het kiezen van het juiste materiaal. Om het juiste materiaal te kiezen dat optimaal is voor het vaartuig, moet de verwachte externe druk worden berekend terwijl de verschillende scenario’s worden geanalyseerd die het vaartuig tijdens zijn missie zou kunnen tegenkomen. De eenvoudigste manier om een romp of een vaartuig de meeste druk op de maximale diepte te laten weerstaan, is de wanddikte vergroten met harde materialen zoals zeer sterk constructiestaal.
Als het schip echter niet zo diep hoeft te gaan, kan een minder sterk maar goedkoper constructiemateriaal zoals zacht staal gekozen worden om de productiekosten te verlagen. Er zijn ook veel alternatieven voor zacht staal, hoewel sterkte niet de enige parameter is die moet worden vergeleken bij het kiezen van het materiaal. Omdat één materiaal meestal niet optimaal is voor alle omgevingen en omstandigheden, zijn de opties in bouwmateriaal zeer breed voor drukvaten.
Het materiaal moet voldoen aan de factoren zoals hoge corrosieweerstand, lage kosten, lange levensduur, sterkte tot gewicht en sterkte/dichtheidverhoudingen. Hoewel de meeste drukvaten van staal zijn gemaakt, worden ook non-ferro legeringen zoals titanium legeringen en aluminium legeringen gebruikt. Composiet en polymeer materialen kunnen ook worden gebruikt als bouwmaterialen in drukvaten.
Eventuele problemen:
Corrosie (wegvreting) is één van de meest voorkomende problemen in een onderzeeër omgeving. Omdat de productie van roestvrij staal als bouwmateriaal in een drukvat duur en moeilijk is, kunnen structurele en milde staalsoorten die worden gebruikt tot corrosieproblemen leiden in het water. Om deze mogelijkheid te verkleinen en de levensduur van het oppervlaktemateriaal te verlengen, kunnen andere corrosiebestendige materialen zoals aluminium, dat een hogere corrosieweerstand in een zeeomgeving heeft dan staal, worden gekozen voor langdurige werkzaamheden onder water.
Een ander veel voorkomend probleem, is spanningscorrosie, wat meestal gebeurt wanneer het materiaal tegelijkertijd met corrosie en spanning tegenkomt. Om dit probleem op te lossen, moet de trekspanning en de samenstelling van het materiaal geschikt zijn voor de geplande werkomgeving.
Fabricageproblemen als gevolg van slecht lassen kunnen ook voorkomen, maar ze komen zeldzamer voor in vergelijking met andere mogelijke problemen.
3. GEBRUIK
Drukvaten worden vaak gebruikt in gebieden met verschillende toepassingen in zowel de industrie als de particuliere sector. Terwijl onderzeeërs historisch de meest voorkomende en bekende voorbeelden zijn van drukvaten, kunnen moderne opslagtanks en persluchtontvangers ook
gegeven worden als gebruiksmogelijkheden van een drukvat. Vele andere voorbeelden van gebruik van drukvaten kunnen worden genoemd, zoals; destillatietorens, drukreactoren, kernreactoren, olieraffinaderijen en petrochemische industrie.
4. ONTWERP
Het ontwerpen van een drukvat is de belangrijkste taak van ingenieurs en wetenschappers die op dat gebied van de industrie werken. Hoewel het kiezen van de materialen de belangrijkste factor is, zijn het ontwerpen voor een aangewezen werkgebied, het plannen van oplossingen voor mogelijke problemen, het waarborgen van de veiligheid van werknemers en het drukvat zelf de hoofddoelen van het ontwerpen van een drukvat samen met het economische productie doel.
Nadat het werkgebied van een vaartuig is bepaald, moeten eerst geschikte materialen worden gekozen. Het is belangrijk om de mechanische (werktuigkundige) belastingen te voorzien die het drukvat tijdens zijn missie zal doorstaan, dus materiaalingenieurs moeten de belangrijkste problemen bij het kiezen van het materiaal berekenen, namelijk spanning en vermoeidheid.
Spanning en vermoeidheid zijn de belangrijkste redenen voor het falen van een industriële machine, maar alleen in drukvaten kunnen deze fouten fataal zijn. Daarom moet men de mechanische eigenschappen van het gekozen materiaal kennen voordat het op het werkontwerp wordt toegepast. De belangrijkste mechanische eigenschappen zijn vloeigrens, ultieme treksterkte, oppervlaktevermindering, breuktaaiheid en weerstand tegen corrosie.
Het gekozen materiaal moet bestand zijn tegen mechanische belastingen zoals externe en interne druk, dood gewicht en ook seismische (aardbevings) activiteit, wat meestal verrassend gebeurt. Andere omgevingsmoeilijkheden zoals wind, buitensporige sneeuwval en zware regenval moeten ook in aanmerking worden genomen.
Bronnen
- Hearn, E.J. (1997). Mechanica van materialen 1. Een inleiding tot de mechanica van elastische en plastische vervorming van vaste stoffen en structurele materialen – derde editie. Hoofdstuk 9: Butterworth-Heinemann. pp. 199–203. ISBN 0-7506-3265-8.
- Ross, C. T. (27 maart 2014). Een overzicht van drukvaten onder externe druk. Ontvangen van https://doi.org/10.1533/9780857092496.1
- Chattopadhyay, S. (2005). Drukvaten: ontwerp en praktijk. Boca Raton: CRC Press.
