고압 실린더 본체 설계 이해 -무석시등업기계유한공사

고압 (HP) 실린더 - 압축 가스를 저장하고 운송하는 데 사용됩니다 (예:산소, 수소, 천연 가스) 또는 가압 액체 (예를 들어,유압 유체, 산업 화학 물질) - 항공 우주, 에너지, 의료 및 화학 산업에서 중요한 구성 요소입니다.본체 디자인은 구조적 무결성, 재료 성능 및 안전 준수에 대한 정밀 엔지니어링 균형이며, 실패가 재앙적인 결과를 초래할 수 있기 때문에 (예:폭발적인 감축, 환경 오염)이 문서에서는 기하학적 고려 사항, 재료 선택, 주요 설계 제약 조건, 테스트 프로토콜 및 신흥 혁신을 포함하여 HP 실린더 본체 설계의 핵심 원칙을 살펴봅니다. ASME BPVC, ISO 11119 - 3, DOT 39).

1.핵심 함수 및 기하학적 이유: 왜 원통?

원통형 모양은 임의의가 아닙니다. 내부 압력을 몸체 전체에 균일하게 분배하여 응력 농도를 최소화하기 때문에 압력 용기에 최적의 형상입니다.이를 이해하려면 일반적인 모양의 응력 분포를 비교하십시오.

| 선박 모양| 응력 분포 특성| High Pressure 에 대한 제한|

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| 원통형| 후프 응력 (주기) = 2 × 종강 응력; 응력이 집중되는 날카로운 모서리가 없습니다. | 없음 (정확하게 설계된 경우 HP 에 최적화) |

| 사각형| 응력은 모서리에 집중됩니다 (응력 강도는 평평한 표면보다 3 - 5 배 높습니다). | 고압으로 모퉁이에서 균열이 생기기 쉽다. |

| 구형 (spherical) | 균일 응력 (후프 = 종); 가장 강한 형상. | 높은 제조 비용; 대부분의 응용 분야에서 부피 대 중량 비율이 제한되어 있습니다. |

HP 실린더의 경우 반구형 또는 타원형 헤드가 있는 원통형 본체가 업계 표준입니다.헤드 (엔드 캡) 는 매우 중요합니다.

- 반구형 헤드: 실린더의 응력 분포와 일치 (추가 응력 농도 없음) 하여 초고압 (UHP) 응용 (≥ 10, 000 psi / 690 bar) 에 적합합니다.

- Ellipsoidal 머리: 반구형 헤드보다 제조 비용 효율성이 높으며, 주 - 주 축 비율이 ≤ 2: 1 인 경우 중간 HP (3, 000 - 10, 000 psi / 207 - 690 bar) 에 적합합니다 (헤드 - 본체 접합에 과도한 응력을 방지하기 위해).

2.재료 선택: 강도, 무게 및 환경의 균형

HP 실린더 본체에는 높은 인장 강도, 피로 저항성 및 저장된 매체와의 호환성을 나타내면서도 무게 또는 부식 요구 사항을 충족하는 재료가 필요합니다.세 가지 주요 재료 범주는 다음과 같습니다.

2.1금속 재료 (전통적인 HP 실린더)

금속은 특히 산업 및 자동차 애플리케이션에서 검증된 내구성과 비용 효율성 때문에 HP 실린더 디자인을 지배합니다.

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주요 고려 사항: 부식성 매체의 경우 (예:황화수소, 바닷물), 스테인레스 스틸 또는 내식성 합금 (인코넬 625 과 같은 CRA) 은 필수 - 탄소 강철은 압력 하에서 응력 부식 균열 (SCC) 을 통해 분해됩니다.

2.2고급 HP 실린더 (Advanced HP Cylinders)

복합 실린더 (FRP, fiber - reinforced polymer) 는 무게가 중요한 HP 애플리케이션에 혁명을 일으켰습니다 (예:수소 연료 전지 차량 (Hydrogen Fuel Cell Vehicles, Aerospace)그들은 폴리머 라이너 (예:가스 밀봉 및 섬유 감기에 대한 HDPE, PA 6) (예:탄소 섬유, 유리 섬유) 를 사용하여 구조적 강도를 제공합니다.

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주요 이점: 복합 재료는 SCC 에 면역적이며 무게가 직접적으로 범위에 영향을 미치는 전기 자동차 (EV) 및 드론에 중요한 금속보다 높은 강도 대 중량 비율을 제공합니다.

3. HP 실린더 본체의 중요한 설계 제약 조건

HP 실린더 설계는 고장을 방지하기 위해 엄격한 엔지니어링 원칙을 준수해야 합니다.가장 중요한 제약 조건은 다음과 같습니다.

3.1응력 계산 및 벽 두께

실린더의 벽 두께는 두꺼운 벽 실린더의 경우 벽 두께가 내부 반지름의 1 / 10 이상인 Lame 의 방정식 또는 Barlow 의 공식 (얇은 벽 실린더의 경우 벽 두께가 내부 반지름의 1 / 10 이하인 경우) 으로 결정됩니다.이러한 방정식은 실린더가 최대 작동 압력 (MOP) 에 대한 안전 마진을 견딜 수 있도록 보장합니다.

- Barlow 's Formula (얇은 벽)

t = (P × D) / (2 × S × F)

위치:

- t = 최소 벽 두께 (mm / in)

- P = 최대 작동 압력 (MPa / psi)

- D = 실린더의 내부 지름 (mm / in)

- S = 재료의 허용 응력 (MPa / psi; 일반적으로 ASME BPVC 에 따라 재료의 항복 강도의 1 / 3 ~ 1 / 4)

- F = 안전계수 (산업용 최소 1. 5 개, 항공우주 / 의료용 최소 2. 0 개)

- 예: 내지름 100 mm 및 MOP 30 MPa (4, 350 psi) 의 강철 실린더 (S = 400 MPa) 의 경우 최소 벽 두께는 다음과 같습니다.

t = (30 × 100) / (2 × 400 × 1. 5) = 2. 5 mm

두꺼운 벽 고려 사항: UHP 실린더 (예: 100 MPa / 14, 500 psi), 라임의 방정식은 반지름 응력 (후프 / 경도 응력 외에도) 을 설명하며, 더 두꺼운 벽이나 더 높은 항복 강도를 가진 재료를 필요로 합니다.

3.2온도 호환성

온도 변동은 재료의 특성과 내부 압력을 변경합니다 (찰스의 법칙에 따라: 압력 - 일정한 볼륨에서의 온도).디자인은 다음을 고려해야 합니다.

- 낮은 온도: 금속은 깨지기 쉽다 (예:탄소 강은 - 40 ° C / - 40 ° F 아래에서 가연성을 잃습니다); 복합 재료는 중합체 매트릭스 균열을 경험할 수 있습니다.솔루션: 저온 등급 (예: AISI 4130 LT, 저온성 스테인레스 스틸 304 LN) 또는 유연한 매트릭스 (예:복합물용 에폭시 - 폴리아미드 혼합물 (Epoxy - Polyamide blends for composites)

- 고온: 금속이 부드러워지고 (내역 강도가 감소); 중합체가 분해됩니다.해결책: 내열성 합금 (예: Inconel 718) 또는 세라믹 매트릭스 복합 (CMCs) 의 온도 > 300 ° C / 572 ° F.

3.3부식 및 화학적 호환성 (Corrosion & Chemical Compatibility)

다음을 방지하기 위해 실린더 본체는 저장된 매체에 비활성화되어야 합니다.

- 균일 부식 (Uniform Corrosion): 시간이 지남에 따라 재료가 얇아지는 것 (예:산성 가스에 있는 강철 (Steel in Acid Gas)솔루션: 내식성 재료 (스테인레스 스틸, 복합) 또는 코팅 (예:아연 도금, PTFE 라이닝)

- 응력 부식 Cracking (SCC): 응력과 부식성 환경 (예:탄소 강철 (carbon steel in hydrogen sulfide)해결책: 민감한 재료를 피하십시오; SCC 내성 합금 (예: 316 L 스테인레스 스틸) 또는 저장된 매체에 억제제를 첨가합니다.

3.4피로 저항성 (Fear Resistance)

HP 실린더는 종종 순환적인 압력 변화를 겪습니다 (예:충전 / 방출), 피로 손상을 유발합니다.설계 완화에는 다음이 포함됩니다.

- 부드러운 내부 / 외부 표면: 연마 (Ra ≤ 0. 8 μ m) 또는 연마를 통해 긁힌 또는 가공 마크 (응력 집중기) 를 피하십시오.

- 재료 선택: 피로 강도가 높은 재료를 선택합니다 (예: AISI 4340 강철, 탄소 섬유 복합)

- 설계 수명주기: ASME BPVC 는 HP 실린더가 고장 없이 ≥ 10, 000 개의 압력주기 (충전 / 방출) 를 견딜 수 있도록 요구합니다.

4.안전에 대한 의무적인 테스트 및 인증

설계 및 재료 성능을 검증하기 위한 엄격한 테스트가 없는 어떤 HP 실린더도 서비스를 시작할 수 없습니다.주요 테스트는 다음을 포함합니다.

4.1 Hydrostatic 테스트

가장 일반적인 테스트: 실린더는 물 (압축 불가능, 고장이 발생할 경우 안전) 으로 채워지고 30 - 60 분 동안 1. 5 × MOP 로 압력을 가합니다.검사자는 다음과 같은 점검을 수행합니다.

- 외부 누출 (시각 검사 또는 압력 붕괴 모니터링을 통해)

- 영구적 변형 (테스트 전 / 후 치수 측정 - 변형 > 내부 지름의 0. 1% 는 실패입니다).

4.2버스트 테스트 (Burst Test)

실린더의 실제 파열 압력을 결정하기 위한 파괴 테스트 (설계 예측과 비교)샘플 실린더는 실패할 때까지 가압됩니다; 파열 압력은 ≥ 2. 5 × MOP (ISO 11119 - 3 에 따라) 이어야합니다.이 테스트는 재료 강도 및 설계 안전 마진을 확인합니다.

4.3비파괴 테스트 (NDT)

내부 결함을 탐지하는 데 사용됩니다 (예:실린더를 손상시키지 않고 균열, 포함물) :

- Ultrasonic Testing (UT): 벽 두께 변동 및 내부 균열을 검사합니다.

- 방사선 검사 (RT): 재료 포함물 또는 용접 결함을 탐지합니다 (용접된 실린더 본체의 경우).

- Eddy Current Testing (ECT): 금속 실린더의 표면 균열을 식별합니다.

4.4인증서

HP 실린더는 상호 운용성과 안전을 보장하기 위해 세계 표준을 준수해야 합니다.

- 북미: DOT 39 (운수부), ASME BPVC 섹션 VIII (보일러 및 압력 용기 코드)

- 유럽: EN 1975, ISO 11119 - 3

- 항공 우주: SAE AS 8019, ISO 11119 - 2.

5. HP 실린더 바디 디자인의 새로운 혁신

재료 및 제조의 발전으로 HP 실린더의 기능이 확장되었습니다.

5.1스마트 실린더

실린더 본체에 센서를 통합하여 실시간 모니터링을 가능하게 함:

- 압력 센서: 내부 압력을 추적하여 과충을 방지합니다.

- 스트레인 게이지: 스트레스 수준을 모니터링하여 피로 수명을 예측합니다.

- 부식 센서: 초기 단계 재료 분해 (화학 저장에 필수) 를 감지합니다.

5.2첨가제 제조 (3 D 프린팅)

3 D 프린팅 (예를 들어,레이저 분말 침대 융합 (LPBF) 을 통해 다음을 수행할 수 있습니다.

- 복잡한 형상: 헤드 - 바디 접합을 최적화하여 응력 농도를 줄일 수 있습니다.

- 재료 효율성: 거의 순형 제조 (전통 가공에 비해 폐기물 50 - 70% 감소).

- 맞춤형: 틈새 애플리케이션을 위한 소배치 HP 실린더의 신속한 프로토타이핑 (예:의료기구 (Medical Devices)

5.3하이브리드 복합체

탄소 섬유와 금속 라이너를 결합하는 것 (예:두 재료의 최고를 활용하기 위해:

- 티타늄 라이너: 가스 밀봉성 (폴리머 라이너보다 더 나은) 및 화학 저항성을 향상시킵니다.

- 탄소섬유 감전: 무게를 줄여줍니다 (모든 티타늄 실린더보다 30% 가볍습니다).

- UHP 어플리케이션에 이상적입니다 (예:우주 추진 시스템 (Space Propulsion Systems), 고압 수소 저장 (High Pressure Hydrogen Storage)