Устойчивость контейнеров при высоком давлении: конструкция испытательных камер

Будучи студентом Штутгартского университета, я был впечатлён испытанием воздействия разрывного давления на контейнеры на территории бундесвера в Меппене. Контейнеры толщиной в несколько сантиметров взорвались и были неузнаваемыми. Эксперименты проводились с соблюдением техники безопасности. Разрывное давление составляло около 170 бар.

Erstellt von Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle

28.03.2017

Это было приблизительно 35 лет назад.

Требования к прочности при сжатии контейнеров с того времени повысились. Максимальное давление в настоящее время составляет немыслимые когда-то 25.000 бар, правда при очень малых диаметрах контейнеров.

Но и водородные баллоны для автомобилей уже выдерживают испытание до 1200 бар. Размеры здесь находятся в диапазоне около 1 м. В буровых штангах при добыче нефти и газа возникает давление до 1000 бар. Исследуемые образцы имеют длину до 15 м. Здесь преобладают значительно бо́льшие размеры, такие как в системе впрыска под высоким давлением.

Для того чтобы гарантировать, что давление не достигает предельных значений при сжатии или разрывном давлении, из-за которого компонент может разрушиться, необходимо провести эксперимент. Для этого испытываемое устройство погружают в испытательную камеру с водой под высоким давлением. Если использовать воздух, то это приведёт к выходу образца из строя, так как накопленная энергия из-за сжатия воздуха увеличивается, что подтвердили мои ранние опыты в Меппене.

Но даже вода, несжимаемая при этих давлениях, сжимается, чем нельзя пренебречь и таким образом накапливает большое количество энергии, которое приблизительно равно энергии, запасаемой в самом контейнере. Суммарная энергия варьируется в количестве, достигаемом малолитражным автомобилем при 120 км/час.

Испытание должно проводиться таким образом, чтобы в первую очередь не подвергались опасности люди. Кроме того, оно должно проводиться в испытательной камере, чтобы не нанести ущерб объектам, зданиям или сооружениям. Если не разбираться в этой области, может случиться так, что даже при испытаниях с водой исследуемый образец разрушится или не удастся найти заслонку весом в 100 кг. Здесь и мешки с песком могут не помочь.

Испытательные камеры дожны быть сконструированы таким образом, чтобы они как можно дольше продолжали работать даже после разрыва образца (будь то корпус насоса, бак, шланг, труба или буровая штанга). Уже определение величины и направления энергии осколков – это то условие, без которого рациональный рассчет испытательной камеры едва ли возможен.

Merkle & Partner специализируется на рассчетах испытательных камер и является здесь мировым лидером в области моделирования, вычисления размеров и конструкции различных концептов безопасности. Мы можем смоделировать разрыв насоса весом 25 тонн под действием внутреннего давления 300 бар так же, как и поведение газового резервуара. Не имеет значения, используем мы для этого воду или газ.

Данное видео демонстрирует имитацию разрыва цилиндрического контейнера с водой:

Разрыв контейнера, поведение фрагментов, а также гидроудар на стенки контейнера будет физически точным. Поскольку тесты благополучно проведены на нашем компьютере, необязательно проводить их в Меппене.

Мы можем рассчитать размеры испытательной камеры и концепции так, чтобы обойтись без лишнего расхода материалов. Это экономит средства и даёт гарантии!

Мой опыт в расчете испытательных камер, которые были построены компаниями без соответствующих знаний показывает, что риски бывают недооценены.

Вопросы Вы можете задать руководителю в области строительной механики в Хайденхайме-на-Бренце, доктору Майку Брему (m.brehm@merkle-partner.de).

Я с нетерпением жду ваших отзывов!
Stefan Merkle

PS:
Проектированием и проверкой резервуаров высокого давления на соответствие различным стандартам (AD 2000, EN 13445, ASME Sect. 8 Div. 1+2, ASME Sect. 3, EN 1591, PD 5500, KTA, RCC-M) мы занимаемся в нашем филиале в Гамбурге. Здесь Вы можете найти контактные данные руководителя филиала, Александра Хааса (a.haas@hh.merkle-partner.de).