Recipiente a presión

Un recipiente a presión consta de una carcasa y, por lo general, uno o más componentes necesarios para presurizar, mantener la presión, despresurizar y proporcionar acceso para mantenimiento e inspección. Puede haber otros componentes y equipos que faciliten el uso previsto, y algunos de ellos pueden considerarse partes del recipiente a presión, como las penetraciones de la carcasa y sus cierres, y las mirillas y esclusas de aire en un recipiente a presión para ocupación humana, ya que afectan la integridad y resistencia de la carcasa, también son parte de la estructura que retiene la presión. Los manómetros y dispositivos de seguridad como las válvulas de alivio de presión también pueden considerarse parte del recipiente a presión. ^{[ 3 ]} También puede haber componentes estructurales fijados permanentemente al recipiente para levantarlo, moverlo o montarlo, como un anillo de apoyo, patines, asas, orejetas o soportes de montaje.

La presión de trabajo, es decir, la diferencia de presión entre el interior del recipiente a presión y el entorno durante su funcionamiento, es la característica principal que se considera para el diseño y la construcción. Los conceptos de alta y baja presión son algo flexibles y pueden definirse de manera diferente según el contexto. También influye si la presión interna es mayor o menor que la presión externa, y su magnitud en relación con la presión atmosférica normal. Un recipiente con una presión interna inferior a la atmosférica también puede denominarse recipiente hipobárico o recipiente de vacío . Un recipiente a presión con alta presión interna puede ser fácilmente estable estructuralmente y, por lo general, fallará por tracción, pero la falla debida a una presión externa excesiva suele producirse por inestabilidad de pandeo y colapso.

Los recipientes a presión pueden tener teóricamente casi cualquier forma, pero generalmente se emplean formas formadas por secciones de esferas, cilindros, elipsoides de revolución y conos con secciones circulares, aunque otras superficies de revolución también son inherentemente estables. Un diseño común es un cilindro con tapas en los extremos llamadas cabezales . Las formas de los cabezales suelen ser hemisféricas, elipsoidales o cóncavas ( torisféricos ). ^{[ 4 ]} Históricamente, las formas más complejas han sido mucho más difíciles de analizar para garantizar un funcionamiento seguro y, por lo general, son mucho más difíciles de construir.

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  Contenedor de gas esférico.
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  Recipiente a presión cilíndrico.
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  Imagen de la parte inferior de un bote de aerosol.
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  Extintor de incendios con recipiente a presión de forma rectangular redondeada.

Teóricamente, un recipiente a presión esférico tiene aproximadamente el doble de resistencia que un recipiente a presión cilíndrico con el mismo espesor de pared, ^{[ 5 ]} y es la forma ideal para contener la presión interna. ^{[ 6 ]} Sin embargo, una forma esférica es difícil de fabricar y, por lo tanto, más costosa, por lo que la mayoría de los recipientes a presión son cilíndricos con cabezas o tapas semielípticas 2:1 en cada extremo. Los recipientes a presión más pequeños se ensamblan a partir de un tubo y dos tapas. Para recipientes cilíndricos con un diámetro de hasta 600  mm (NPS de 24 in), es posible utilizar tubería sin costura para la carcasa, evitando así muchos problemas de inspección y prueba, principalmente el examen no destructivo de radiografía para la costura larga si fuera necesario. Una desventaja de estos recipientes es que los diámetros mayores son más caros, de modo que, por ejemplo ^, la forma más económica de un recipiente a presión de 1000 litros (35 pies³ ) y 250 bares (3600 psi ) podría ser un diámetro de 91,44 centímetros (36 pulgadas) y una longitud de 1,7018 metros (67 pulgadas) , incluyendo las tapas de los extremos semielípticas abovedadas de relación 2:1.    

No importa la forma que adopte, la masa mínima de un recipiente a presión se escala con la presión y el volumen que contiene y es inversamente proporcional a la relación resistencia-peso del material de construcción (la masa mínima disminuye a medida que aumenta la resistencia ^{[ 7 ]} ).

La tensión en un recipiente a presión de paredes delgadas con forma de esfera es

${\displaystyle \sigma _{\theta }=\sigma _{\rm {long}}={\frac {pr}{2t}}}$,

dónde${\displaystyle \sigma _{\theta }}$es la tensión circunferencial, o tensión en la dirección circunferencial,${\displaystyle \sigma _{long}}$es la tensión en la dirección longitudinal, p es la presión manométrica interna, r es el radio interior de la esfera y t es el espesor de la pared de la esfera. Un recipiente puede considerarse de "pared delgada" si el diámetro es al menos 10 veces (a veces se cita como 20 veces) mayor que el espesor de la pared. ^{[ 11 ]}

La tensión en un recipiente a presión de paredes delgadas con forma de cilindro es

${\displaystyle \sigma _{\theta }={\frac {pr}{t}}}$,

${\displaystyle \sigma _{\rm {long}}={\frac {pr}{2t}}}$,

dónde:

• ${\displaystyle \sigma _{\theta }}$es la tensión circunferencial , o tensión en la dirección circunferencial
• ${\displaystyle \sigma _{long}}$es la tensión en la dirección longitudinal
• p es la presión manométrica interna
• r es el radio interior del cilindro
• t es el espesor de la pared del cilindro.

Casi todas las normas de diseño de recipientes a presión incluyen variaciones de estas dos fórmulas con términos empíricos adicionales para tener en cuenta la variación de las tensiones a lo largo del espesor, el control de calidad de las soldaduras y los márgenes de corrosión en servicio . Todas las fórmulas mencionadas anteriormente presuponen una distribución uniforme de las tensiones de membrana a lo largo del espesor de la carcasa, pero en realidad, esto no es así. El teorema de Lamé ofrece un análisis más profundo , ya que describe la distribución de tensiones en las paredes de un cilindro de paredes gruesas de un material homogéneo e isotrópico. Las fórmulas de las normas de diseño de recipientes a presión son una extensión del teorema de Lamé, al establecer un límite para la relación entre el radio interior y el espesor.

Por ejemplo, las fórmulas del Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión (BPVC) (UG-27) son: ^{[ 12 ]}

Cáscaras esféricas: El espesor debe ser menor que 0,356 veces el radio interior.

${\displaystyle \sigma _{\theta }=\sigma _{\rm {long}}={\frac {p(r+0.2t)}{2tE}}}$

Casquillos cilíndricos: El espesor debe ser inferior a 0,5 veces el radio interior.

${\displaystyle \sigma _{\theta }={\frac {p(r+0.6t)}{tE}}}$

${\displaystyle \sigma _{\rm {long}}={\frac {p(r-0.4t)}{2tE}}}$

donde E es la eficiencia conjunta, y todas las demás variables son las indicadas anteriormente.

El factor de seguridad también suele incluirse en estas fórmulas; en el caso de la norma ASME BPVC, este término se incluye en el valor de la tensión del material al calcular la presión o el espesor.

También llamadas penetraciones en el casco, según el contexto, las penetraciones en la estructura son rupturas intencionales en la integridad estructural de la misma y suelen ser concentradores de tensión locales significativos, por lo que deben tenerse en cuenta en el diseño para evitar que se conviertan en puntos de falla. Generalmente es necesario reforzar la estructura en las inmediaciones de dichas penetraciones. Estas penetraciones son necesarias para diversas funciones, como el paso del contenido del exterior al interior y viceversa, y en aplicaciones especiales para la transmisión de electricidad, luz y otros servicios a través de la estructura. El caso más simple son los cilindros de gas, que solo requieren una penetración en el cuello roscada para la válvula, mientras que un submarino o una nave espacial pueden tener un gran número de penetraciones para diversas funciones.

La elección del material para un recipiente a presión depende de varios factores, como la presión nominal, la temperatura de servicio, el contenido, las limitaciones de peso, el entorno de trabajo, el costo y la disponibilidad de los materiales y su procesamiento, las cargas externas, la vida útil requerida y la viabilidad, facilidad y costo de la revalidación, el mantenimiento y la inspección. En algunos casos, se trata de elegir entre una variedad de opciones disponibles en el mercado, y en otros puede ser necesario un proceso integral de análisis y diseño ^{[ 21 ] [ 22 ].}

Muchos recipientes a presión están hechos de acero, y se puede utilizar una variedad de aleaciones de acero. La elección depende de la resistencia, el peso, la resistencia a la corrosión, el rendimiento en trabajo en frío, la ductilidad, la soldabilidad, el costo y la disponibilidad. ^{[ 22 ]} Para fabricar un recipiente a presión cilíndrico o esférico, se tendrían que soldar piezas laminadas y posiblemente forjadas. Algunas propiedades mecánicas del acero, obtenidas mediante laminación o forja, podrían verse afectadas negativamente por la soldadura, a menos que se tomen precauciones especiales. Además de una resistencia mecánica adecuada, las normas actuales exigen el uso de acero con alta resistencia al impacto, especialmente para recipientes utilizados a bajas temperaturas. En aplicaciones donde el acero al carbono sufriría corrosión, también se debe utilizar un material especial resistente a la corrosión.

El aluminio se utiliza habitualmente para cilindros de gas sin costura .

El titanio se ha utilizado en cascos de presión de sumergibles profundos, como el DSV Limiting Factor.

Algunos recipientes a presión están fabricados con materiales compuestos , como el compuesto enrollado con filamentos, que utiliza fibra de carbono sujeta con un polímero. Debido a la altísima resistencia a la tracción de la fibra de carbono, estos recipientes pueden ser muy ligeros, pero su fabricación es mucho más compleja. El material compuesto puede enrollarse alrededor de un revestimiento metálico, formando así un recipiente a presión recubierto de material compuesto .

Otros materiales muy comunes incluyen polímeros como el PET en los envases de bebidas carbonatadas y el cobre en las tuberías.

Los recipientes a presión pueden revestirse con diversos metales, cerámicas o polímeros para evitar fugas y proteger la estructura del recipiente del medio contenido. Este revestimiento también puede soportar una parte significativa de la carga de presión. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Los recipientes a presión también pueden construirse con hormigón (PCV) u otros materiales que son débiles a la tracción. El cableado, enrollado alrededor del recipiente o dentro de la pared o del propio recipiente, proporciona la tensión necesaria para resistir la presión interna. Una "membrana delgada de acero estanca" recubre la pared interna del recipiente. Dichos recipientes pueden ensamblarse a partir de piezas modulares y, por lo tanto, "no tienen limitaciones de tamaño inherentes". ^{[ 25 ]} También existe un alto grado de redundancia gracias a la gran cantidad de cables individuales que resisten la presión interna.

Los pequeños recipientes utilizados para fabricar encendedores de cigarrillos de butano líquido están sometidos a una presión de aproximadamente 2 bares, dependiendo de la temperatura ambiente. Estos recipientes suelen tener una sección transversal ovalada (de 1 x 2  cm a 1,3 x 2,5  cm), aunque a veces son circulares. Las versiones ovaladas generalmente incluyen uno o dos puntales de tensión internos que, si bien parecen deflectores, también proporcionan mayor resistencia al cilindro. Esta geometría resulta relativamente ineficiente para soportar cargas de presión.

El remachado era el método de construcción estándar para calderas, depósitos de aire comprimido y otros recipientes a presión de hierro o acero antes de que la soldadura por gas y eléctrica de calidad fiable se generalizara. Las láminas o placas, laminadas y forjadas, se remachaban entre sí, a menudo utilizando flejes a lo largo de las juntas, y se calafateaban a lo largo de las costuras remachadas deformando los bordes de la superposición con un cincel romo para crear una línea continua de alta presión de contacto a lo largo de la junta. El remachado en caliente provocaba que los remaches se contrajeran al enfriarse, formando una junta más ajustada. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Cuando los remaches se instalan en caliente, se contraen al enfriarse y generan una precarga que comprime los flejes y la carcasa. Los remaches se deforman plásticamente durante el enfriamiento y las tensiones de precarga se estabilizan aproximadamente en el punto de fluencia. ^{[ 30 ]}

Aunque el remachado ya no se utiliza para construir nuevos recipientes a presión, todavía hay recipientes remachados en servicio, y ha sido posible revalidar algunos de ellos mediante análisis de elementos finitos, lo que puede demostrar que los niveles de tensión de servicio siguen siendo aceptables. ^{[ 30 ]}

Los recipientes a presión, tanto grandes como pequeños, se fabrican habitualmente a partir de placas conformadas y soldadas entre sí. La calidad de la soldadura es fundamental para la seguridad en los recipientes a presión destinados a la ocupación humana .

El control de calidad de las soldaduras es importante para la seguridad y puede abarcar desde pruebas de muestras de un lote hasta la inspección radiográfica completa de todas las soldaduras. Los métodos de ensayo no destructivos pueden incluir pruebas radiográficas o ultrasónicas para detectar defectos internos: ^{[ 31 ]}

El control de calidad incluye la cualificación del soldador (soldador certificado) para soldaduras manuales, la especificación del procedimiento de soldadura, las especificaciones del material y la inspección y prueba de las soldaduras terminadas. Las soldaduras se inspeccionan visualmente en primer lugar, lo que permite identificar rápidamente muchos defectos como socavaduras, solapamientos y alturas superficiales irregulares. Una vez que las soldaduras han superado la inspección visual, también deben superar las pruebas no destructivas (END) adecuadas para el recipiente a presión específico, como la inspección ultrasónica o por rayos X. Se puede utilizar equipo para rotar el recipiente a presión para facilitar la inspección, o bien, esta puede realizarse con equipo automatizado. Las pruebas radiográficas pueden detectar huecos, grietas internas, porosidad, inclusiones de escoria, variaciones en el espesor del material, fusión incompleta o penetración incompleta y otros defectos de soldadura . Los artículos que se producen en masa también pueden someterse a pruebas mecánicas destructivas de una muestra representativa de soldaduras de cada lote de productos. ^{[ 31 ]}

La inspección por partículas magnéticas puede identificar algunos defectos en materiales ferromagnéticos, mientras que la inspección por líquidos penetrantes puede ser útil para detectar algunos tipos de defectos superficiales. ^{[ 31 ]}

Es posible que se requieran pruebas hidrostáticas para todos los productos destinados a aplicaciones de alta presión. ^{[ 31 ]}

Procesos de soldadura de uso general en la construcción de recipientes a presión.

• Soldadura por arco metálico protegido ( SMAW ) – Proceso de soldadura por arco manual ^{[ 32 ]} 
• Soldadura por arco con núcleo fundente ( FCAW ) – Proceso de soldadura por arco semiautomático o automático ^{[ 32 ]} 
• Soldadura por arco metálico con gas ( GMAW ) – Proceso de soldadura industrial ^{[ 32 ]} 
• Soldadura por arco de tungsteno con gas ( GTAW ) – Proceso de soldadura ^{[ 32 ]} 
• Soldadura por arco sumergido ( SAW ) : unión de metales mediante electricidad, debajo de un material fundente granulado ^{[ 32 ].} 

La soldadura orbital se utiliza con frecuencia para mantener una alta calidad constante de soldadura con el proceso GTAW para aplicaciones donde son esenciales soldaduras limpias y resistentes. ^{[ 32 ]}

Los típicos cilindros de gas de alta presión, de forma circular-cilíndrica, para gases permanentes (que no se licúan a la presión de almacenamiento, como el aire, el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno, el argón y el helio) se fabrican mediante forjado en caliente, prensado y laminado para obtener un recipiente sin costuras con características de material uniformes y concentraciones de tensión minimizadas.

La presión de trabajo de los cilindros utilizados en la industria, la artesanía, el buceo y la medicina tenía una presión de trabajo estandarizada (PT) de aproximadamente 150 bares (2200 psi) en Europa hasta alrededor de 1950. A partir de 1975, la presión estándar aumentó a unos 200 bares (2900 psi) . Los bomberos necesitan cilindros delgados y ligeros para poder moverse en espacios confinados; desde aproximadamente 1995 se utilizan cilindros con una PT de 300 bares (4400 psi) (inicialmente de acero puro).   

La demanda de reducir el peso dio lugar a diferentes generaciones de cilindros compuestos (fibra y matriz, sobre un revestimiento) que son más vulnerables a los daños por impacto. Los cilindros compuestos para gas respiratorio suelen estar diseñados para una presión de trabajo de 300 bares (4400 psi) . 

Los métodos de fabricación de recipientes a presión metálicos sin costura se utilizan habitualmente para cilindros de diámetro relativamente pequeño, donde se producen grandes cantidades, ya que la maquinaria y las herramientas requieren una importante inversión. Estos métodos son idóneos para aplicaciones de transporte y almacenamiento de gases a alta presión y garantizan productos de alta calidad de forma constante.

Estirado

Los cilindros sin costura también pueden estirarse en frío a partir de discos de chapa de acero hasta obtener una forma de copa cilíndrica, en dos a cuatro etapas, según la relación final entre el diámetro y la longitud del cilindro. Tras formar la base y las paredes laterales, la parte superior del cilindro se recorta a la longitud deseada, se calienta y se hila en caliente para formar el hombro y cerrar el cuello. El proceso de hilado aumenta el espesor del material del hombro. El cilindro se somete a un tratamiento térmico mediante temple y revenido para lograr la máxima resistencia y tenacidad. ^{[ 35 ]}

Confeccionado a partir de un tubo sin costuras.

También se puede formar un cilindro de acero sin costura mediante el conformado en caliente de un cierre en ambos extremos de un tubo sin costura. Primero se cierra completamente la base y se recorta para formar una superficie interna lisa antes de formar el hombro y el cuello. ^{[ 36 ]}

Independientemente del método utilizado para formar el cilindro, se mecanizará para terminar el cuello y cortar las roscas del cuello, se someterá a tratamiento térmico, se limpiará y se le dará un acabado superficial, se marcará con un sello, se probará y se inspeccionará para garantizar la calidad. ^{[ 35 ] [ 34 ] [ 33 ] [ 36 ]}

Los recipientes a presión de material compuesto generalmente se fabrican a partir de mechas enrolladas con filamentos en una matriz de polímero termoestable. El mandril puede ser extraíble después del curado o puede permanecer como parte del producto terminado, proporcionando a menudo un revestimiento más fiable a gases o líquidos, o una mejor resistencia química al contenido previsto que la matriz de resina. Se pueden proporcionar insertos metálicos para la fijación de accesorios roscados, como válvulas y tuberías. ^{[ 37 ]} Las ventajas que se atribuyen a los recipientes a presión de material compuesto son su peso relativamente ligero, resistencia a la corrosión, flexibilidad de diseño y menor coste de fabricación para algunas aplicaciones. ^{[ 21 ]}

El tratamiento superficial puede incluir limpieza, desbarbado y pasivación para eliminar impurezas y mejorar la resistencia a la corrosión. El recipiente puede terminarse con un sistema de pintura u otros recubrimientos para protegerlo de las condiciones ambientales. ^{[ 40 ]}

Una vez finalizada su construcción, un recipiente a presión es inspeccionado por inspectores designados y cualificados para garantizar que cumple con todas las normas, códigos y especificaciones pertinentes. Estos inspectores verifican la precisión dimensional, la calidad de la soldadura y la integridad estructural antes de emitir las certificaciones y la documentación necesarias para cumplir con las normativas aplicables. ^{[ 40 ]}

Dado que el recipiente a presión está diseñado para soportar una presión determinada, normalmente dispone de una válvula de seguridad o de alivio para garantizar que dicha presión no se supere durante su funcionamiento.

Es posible que el recipiente o la válvula del cilindro lleven un disco de ruptura o un tapón fusible para proteger en caso de sobrecalentamiento.

La presión de la prueba hidrostática (llena de agua) suele ser 1,5 veces la presión de trabajo, pero la presión de prueba del DOT de EE. UU. para cilindros de buceo es 5/3 (1,67) veces la presión de trabajo. ^{[ 43 ]}

Los recipientes a presión están diseñados para operar de forma segura a una presión y temperatura específicas, denominadas técnicamente "Presión de Diseño" y "Temperatura de Diseño". Un recipiente diseñado de forma inadecuada para soportar alta presión representa un riesgo de seguridad muy significativo. Por ello, el diseño y la certificación de recipientes a presión se rigen por códigos de diseño como el Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión en Norteamérica, la Directiva de Equipos a Presión de la UE (PED), la Norma Industrial Japonesa (JIS), la norma CSA B51 en Canadá , las normas australianas en Australia y otras normas internacionales como Lloyd's , Germanischer Lloyd , Det Norske Veritas , Société Générale de Surveillance (SGS SA), Lloyd's Register Energy Nederland (anteriormente conocida como Stoomwezen), etc.

Cabe señalar que, cuando el producto presión-volumen forma parte de una norma de seguridad, cualquier líquido incompresible presente en el recipiente puede excluirse, ya que no contribuye a la energía potencial almacenada en el mismo; por lo tanto, solo se utiliza el volumen de la parte compresible, como por ejemplo el gas.

• EN 13445 : Norma europea vigente, armonizada con la Directiva de Equipos a Presión (originalmente "97/23/CE", desde 2014 "2014/68/UE"). Ampliamente utilizada en Europa.
• Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión, Sección VIII: Reglas para la Construcción de Recipientes a Presión.
• BS 5500 : Antigua norma británica, sustituida en el Reino Unido por la norma BS EN 13445 , pero que se mantiene con el nombre PD 5500 para el diseño y la construcción de equipos de exportación.
• AD Merkblätter: Norma alemana, armonizada con la Directiva de Equipos a Presión .
• EN 286 (Partes 1 a 4): Norma europea para recipientes a presión simples (tanques de aire), armonizada con la Directiva 87/404/CEE del Consejo.
• BS 4994 : Especificación para el diseño y construcción de recipientes y tanques de plásticos reforzados .
• ASME PVHO: Norma estadounidense para recipientes a presión para ocupación humana .
• CODAP: Código francés para la construcción de recipientes a presión sin combustión.
• AS/NZS 1200 : Norma australiana y neozelandesa para los requisitos de equipos a presión, incluidos recipientes a presión, calderas y tuberías a presión. ^{[ 44 ]}
• AS 1210: Norma australiana para el diseño y construcción de recipientes a presión.
• AS/NZS 3788 : Norma australiana y neozelandesa para la inspección de recipientes a presión ^{[ 45 ]}
• API 510. ^{[ 46 ]}
• ISO 11439: Cilindros de gas natural comprimido (GNC) ^{[ 47 ]}
• IS 2825–1969 (RE1977)_código_recipientes_a_presión_sin_calentar.
• Tanques y recipientes de PRFV (plástico reforzado con fibra de vidrio) .
• AIAA S-080-1998: Norma AIAA para sistemas espaciales: recipientes metálicos a presión, estructuras presurizadas y componentes a presión.
• AIAA S-081A-2006: Norma AIAA para sistemas espaciales: recipientes a presión de material compuesto con envoltura (COPV).
• ECSS-E-ST-32-02C Rev.1: Ingeniería espacial – Diseño estructural y verificación de equipos presurizados
• B51-09 Código canadiense para calderas, recipientes a presión y tuberías a presión.
• Directrices de seguridad y salud laboral para sistemas a presión.
• Stoomwezen: Antiguo código de recipientes a presión en los Países Bajos, también conocido como RToD: Regels voor Toestellen onder Druk (Reglas holandesas para recipientes a presión).
• SANS 10019:2021 Norma Nacional Sudafricana: Recipientes a presión transportables para gases comprimidos, disueltos y licuados: diseño básico, fabricación, uso y mantenimiento.
• SANS 1825:2010 Edición 3: Norma Nacional Sudafricana: Estaciones de prueba de cilindros de gas ― Requisitos generales para la inspección y prueba periódicas de recipientes de presión de gas recargables y transportables. ISBN 978-0-626-23561-1