КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТЕЙНЕРА
CONTAINER FOR TRANSPORTATION AND STORAGE OF HARMFUL SUBSTANCES AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Настоящее изобретение относится к транспортировочным резервуарам высокого давления, а именно - к контейнерам для транспортирования и хранения находящихся под давлением опасных материалов.
Общеизвестны контейнеры для хранения токсичных или опасных химических материалов. Уже многие годы производители и потребители различных химических материалов покупают контейнеры для их транспортирования и хранения. Примерами таких химических веществ являются хлор, сернистый ангидрид, а также многие другие. Известно, что в то время как такие материалы являются полезными при использовании их в тех целях, для которых они предназначены, их контакт с человеком, когда они находятся в определенном состоянии, представляется опасным.
Одним из типов контейнеров, предназначенных для транспортирования опасных материалов, является мультимодульная автоцистерна. Контейнеры могут изготавливаться в размерах и с конфигурацией для хранения предназначенного для транспортирования определенного количества химических материалов. Контейнеры такого типа обычно изготавливаются из углеродистой стали. В целях безопасности некоторые характеристики контейнеров для опасных веществ, такие как толщина стенок и тип используемого материала, могут определяться специальными нормами, контролируемыми правительством. Контейнеры, в общем, чрезвычайно долговечны и имеют полезный срок службы, исчисляемый многими годами или даже десятилетиями.
По мере производства все большего количеств контейнеров, и поскольку их срок службы относительно велик, необходимость в контейнерах такого вида может уменьшаться. Поэтому важно, чтобы новые контейнеры могли эффективно конкурировать по стоимости с ценами, сложившимися в этом сегменте производства. Таким образом, существует необходимость в контейнере для хранения опасных веществ, а также в таком способе производства контейнеров, который уменьшил бы их стоимость при соответствии стандартам, в соответствии с которыми эти контейнеры должны производиться.
В одном из вариантов исполнения настоящее изобретение включает способ производства сварного резервуара, работающего под давлением, который заключается в изготовлении обычно цилиндрического корпуса, имеющего торцевую часть с периферийным краем, изготовлении, по меньшей мере, первого торцевого элемента, имеющего периферийную кромку, причем первый торцевой элемент имеет выпуклую конфигурацию и направлен выпуклой стороной навстречу внутреннему давлению резервуара, позиционировании периферийной кромки первого торцевого элемента внутри периферийного края цилиндрического корпуса, образовывая при этом соединение внахлест, и сваривании периферийной кромки первого торцевого элемента с периферийным краем цилиндрического корпуса.
Один из вариантов способа производства сварного резервуара, работающего под давлением, включает такое позиционирование первого торцевого элемента, при котором выпуклый участок первого торцевого элемента "смотрит" внутрь обычно цилиндрического корпуса.
Другой вариант способа производства сварного резервуара, работающего под давлением, включает изготовление обычно цилиндрического корпуса, имеющего торцевую часть, причем эта торцевая часть имеет периферийный край, в которой этот периферийный край загнут внутрь под углом к центральной оси цилиндрического корпуса.
Еще один вариант способа производства сварного резервуара, работающего под давлением, включает угловую сварку соединения внахлест с формированием по внутренней окружности стяжки сварного шва между цилиндрическим корпусом и торцевым элементом.
Следующий вариант способа производства сварного резервуара, работающего под давлением, включает изготовление обычно цилиндрического корпуса, имеющего торцевую часть, причем эта торцевая часть имеет периферийный край, при котором цилиндрический корпус изготавливается из стали 516 марки 70.
Следующий вариант способа производства сварного резервуара, работающего под давлением, включает подготовку предохранительного устройства для снятия давления и установку этого предохранительного устройства для снятия давления, по меньшей мере, первый торцевой элемент.
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения грузовой контейнер для транспортирования соответствующих веществ под давлением включает в себя обычно трубчатый корпус, имеющий внутреннюю поверхность и центральную ось, причем первый и второй торцевые элементы прочно прикреплены к удаленным концам корпуса. Данный грузовой контейнер включает также, по меньшей мере, один вентиль для перемещения в него соответствующих веществ. Толщина корпуса и рабочее давление этого грузового контейнера вычисляются из уравнения:
где:
P - рабочее давление контейнера;
S - допустимое напряжение материала контейнера;
R - расстояние от оси контейнер до его внутренней поверхности;
t - толщина трубчатого корпуса.
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения первый и второй торцевые элементы приварены к корпусу, а минимальная толщина корпуса и рабочее давление грузового контейнера связаны формулой:
где:
P - рабочее давление контейнера;
S - допустимое напряжение материала контейнера;
Е - эффективность сварочного соединения;
R - внутренний радиус корпуса;
t - минимальная толщина корпуса.
2
2
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения максимальное рабочее давление составляет величину, по существу равную 350 фунтам/кв.дюйм (24,6 кг/см), а в определенном случае равную или меньшую 342 фунтов/кв.дюйм (24 кг/см).
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения минимальная толщина оболочки по существу равна 0,276 дюйма (7 мм).
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения корпус выполнен из углеродистой стали ASME SA-516 марки 70.
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения корпус образован валковым профилированием плоского стального листа в, обычно, цилиндрический контейнер, в котором термической сваркой образован продольный шов. Кроме того, первый и второй торцевые элементы могут быть изогнутыми, причем их ориентация такова, что их выпуклые стороны обращены в направлении внутреннего рабочего давления контейнера, при этом первый и второй торцевые элементы приварены термической сваркой к корпусу.
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения первый и второй торцевые элементы образуют с соответствующими удаленными концами корпуса соединение внахлестку.
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения грузовой контейнер для транспортирования соответствующих опасных веществ под давлением может включать в себя обычно трубчатый корпус, имеющий первый и второй торцевые элементы, приваренные к удаленным концам корпуса, и, по меньшей, мере один вентиль для подачи жидкости в грузовой контейнер под давлением, в котором минимальная толщина корпуса и рабочее давление грузового контейнера связаны между собой уравнением:
где:
P - рабочее давление контейнера;
S - допустимое напряжение материала контейнера;
Е - эффективность сварочного соединения;
R - внутренний радиус корпуса контейнера; и
t - минимальная толщина корпуса.
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения минимальная толщина корпуса и рабочее давление грузового контейнера связаны между собой комбинацией первого уравнения:
и, по меньшей мере, второго уравнения:
где:
P - рабочее давление контейнера;
S - допустимое напряжение материала контейнера;
Е - эффективность сварочного соединения;
R - внутренний радиус корпуса контейнера; и
t - минимальная толщина корпуса.
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения первое и, по меньшей мере, второе уравнения определяют диапазон толщины корпуса для данного рабочего давления.
В еще одном варианте исполнения настоящего изобретения толщина первого и второго торцевых элементов может быть вычислена из уравнения:
где:
P - рабочее давление контейнера;
S - допустимое напряжение материала конструкции;
E - эффективность сварного соединения;
s
R- внутренний радиус контейнера (1), а
t - минимальная толщина первого и второго торцевых элементов;
М - скалярный коэффициент, а
o
o
L - радиус кривизны первого и второго торцевых элементов, причем значение радиуса кривизны L изменяется в диапазоне от 27 до 33 дюймов (736,6 до 838,2 мм).
Фиг.1 представляет собой перспективное изображение контейнера для хранения опасных веществ в соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой частичное сечение, на котором показаны компоненты контейнера для хранения опасных веществ в соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения.
Фиг.3 представляет собой частичное сечение контейнера для хранения опасных веществ в соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Переходя теперь к чертежам, изображения на которых выполнены только лишь с целью иллюстрации вариантов исполнения настоящего изобретения и ни в коем случае не имеют целью ограничения этих вариантов, рассмотрим фиг.1, на которой показан контейнер для хранения и перевозки, обозначенный в целом поз. 1. Контейнер (1) может быть изготовлен для содержания одного или нескольких различных веществ. В одном из исполнений контейнер может быть предназначен для опасных веществ, таких как хлор, сернистый ангидрид, безводный аммиак и др. Может быть изготовлен типичный контейнер такого рода, предназначенный для содержания 2000 фн хлора. Как таковое, выражение "тонный контейнер" появилось применительно именно к контейнерам такого типа. Контейнер (1) может быть выполнен обычно в цилиндрическом виде, как показано на чертежах. В таком его виде корпус (3) контейнера (1) может быть искривлен относительно оси Х и может иметь круговое сечение. Кроме того, контейнер (1) может иметь торцевые стенки или торцевые элементы (6). Торцевой элемент (6) может быть скреплен с корпусом (3) таким образом, чтобы в контейнере (1) во время транспортирования и хранения опасных веществ можно было создавать повышенное давление. В одном исполнении изобретения торцевой элемент (6), как это будет рассмотрено в последующих абзацах, может быть приварен к корпусу (3). В соответствии с этим контейнер (1) может содержать также один или несколько вентилей (15), которые могут быть оперативными вентилями 15'. Вентили (15) могут быть вентилями любых типов, наиболее удобных для работы с хранящимися опасными веществами. Вентили (15) по желанию могут использоваться для наполнения контейнера (1) хранящимися материалами или его опустошения. В контейнер могут быть установлены и иные, дополнительные устройства, например предохранительные клапаны (17), используемые для стравливания давления из контейнера в случае его избыточности. Способы использования вентилей (15) или предохранительных клапанов (17) могут быть выбраны в соответствии с конкретным исполнением настоящего изобретения.
Далее, как показано на фиг.1, корпус (3) или оболочка могут быть выполнены из листовой стали, которой придана прямая цилиндрическая конфигурация. В одном из вариантов исполнения настоящего изобретения корпус (3) или оболочка (3) могут иметь минимальную толщину 7 мм при номинальном диапазоне длины от 80 s дюймов до 89 j дюймов (от 2050 до 2267 мм). В другом варианте исполнения настоящего изобретения диапазон длины контейнера может быть по существу увеличен с 50 до 125 дюймов (от 1265 до 3175 мм). При цилиндрической форме внутренний диаметр корпуса может быть примерно 29 j дюймов (743 мм), в то время как внутренний диаметр может изменяться в диапазоне от 25 до 35 дюймов (от 635 до 889 мм). Для изготовления корпуса (3) может использоваться углеродистая сталь ASME SA-516 марки 70. Однако для этого можно применять и другие марки стали, которые, наряду с другими условиями, удовлетворяют соответствующим регулирующим ограничениям или разрешениям, включенным в раздел 49 Кодекса Федеральных нормативов (Code of Federal Regulations). Минимальная толщина корпуса (3) может быть определена исходя из следующего уравнения:
где:
P - рабочее давление контейнера (1);
S - допустимое напряжение материала конструкции;
E - эффективность сварного шва;
s
R- внутренний радиус контейнера (1), а
t - минимальная толщина оболочки.
2
2
2
2
В рассматриваемом варианте исполнения настоящего изобретения рабочее давление контейнера может составлять 350 фн/д (24,6 кг/см). Но значение рабочего давления может быть выбрано - включая величину 342 фн/д (24 кг/см), которая не является лимитирующей, - в соответствии с конкретной реализацией настоящего изобретения. При данном внутреннем диаметре и, полагая эффективность сварного шва равной 1, можно легко вычислить толщину оболочки t для одной или нескольких марок стали или для материала оболочки контейнера иного типа. Для других вариантов исполнения настоящего изобретения толщина оболочки может определяться исходя из уравнений (но ими не ограничиваться), подобных следующему:
Следует отметить, что при расчете минимальной толщины оболочки (3) контейнера (1) приведенные выше уравнения могут рассматриваться совместно.
Минимальная толщина торцевого элемента (6) может быть определена на основании следующего уравнения:
где:
P - рабочее давление контейнера (1);
S - допустимое напряжение материала конструкции;
E - эффективность сварного соединения;
t - минимальная толщина торцевого элемента после его формирования;
o
k
М - скалярный коэффициент, который может, по меньшей мере, в определенной степени учитывать радиус купола торцевого элемента L, а также радиус изгиба торцевого элемента r;
o
L - радиус купола торцевого элемента.
o
В рассматриваемом варианте исполнения настоящего изобретения конкретная величина радиуса купола торцевого элемента L может быть равна по существу 29,9 дюйма (759,5 мм). Но вообще радиус купола торцевого элемента может изменяться в диапазоне от 27 до 33 дюймов (от 736,6 до 838,2 мм). Однако при надежном инженерном обосновании для торцевого элемента контейнера могут быть выбраны и другие значения радиуса. Для других вариантов исполнения настоящего изобретения толщина торцевого элемента контейнера может определяться исходя из уравнений (но ими не ограничиваться), подобных следующему:
o
P = В/(R/t),
где:
В - скалярный коэффициент;
o
R - внешний радиус торцевого элемента (6) контейнера;
t - минимальная толщина торцевого элемента после его формирования.
Как и в предыдущем случае, следует отметить, что при расчете минимальной толщины торцевого элемента (6) контейнера (1) приведенные выше уравнения могут рассматриваться совместно. По окончании формирования цилиндрической формы стального корпуса (3) можно сваркой соединить продольные края заготовки, в результате чего получится сварочный шов (7). В описываемом исполнении изобретения необходимое соединение может быть выполнено кузнечной сваркой. В другом варианте исполнения настоящего изобретения этот шов (7) может быть образован термической сваркой. Более конкретно, это соединение может представлять собой контактное сварное соединение с двумя швами. По завершении изготовления контейнера (1) можно выполнить также и послесварочные операции, такие как операция по снятию внутренних напряжений.
Обращаясь теперь и к фиг.1, и к фиг.2, отметим, что торцевой элемент (6), называемый также днищем, может быть изготовлен из такого же материала, что и корпус (3), то есть из углеродистой стали ASME SA-516 марки 70. Однако толщина торцевого элемента (6) может быть больше толщины корпуса (3). В рассматриваемом варианте исполнения настоящего изобретения номинальная толщина торцевого элемента может быть равной примерно 0,8125 дюйма (20,6 мм). При этом минимальная толщина может составлять 0,6875 дюйма (11/16 дюйма) (17,46 мм). Но при обоснованных инженерных расчетах в соответствии с конкретным исполнением настоящего изобретения может быть выбрано любое значение толщины торцевого элемента, больше минимального. Торцевому элементу (6) контейнера может быть придана форма диска или тарелки, имеющей внешний диаметр, соответствующий внутреннему диаметру корпуса (3). Это необходимо, поскольку место соединения между корпусом (3) и торцевым элементом (6) будет заварено для образования резервуара, работающего под давлением, что далее будет описано более подробно. Центральная область (9) торцевого элемента (6) может быть изогнута, приобретя куполообразную форму соответствующего радиуса. Когда торцевой элемент (6) вставлен в корпус (3), его центральная часть может быть выпуклой относительно воздействия на него внутреннего давления контейнера (1). Это обстоятельство может быть использовано как "предохранительный механизм" для уменьшения давления в контейнере (1). В том случае, когда давление в контейнере (1) доходит до определенной пороговой величины, центральная область (9) торцевого элемента (6) может вывернуться таким образом, что станет вогнутой относительно внутреннего давления контейнера (1). При этом, очевидно, "вывернутый" торцевой элемент (6) увеличивает общий объем контейнера (1), тем самым уменьшая его давление. Следует отметить, что контейнер (1) может иметь два торцевых элемента (6), каждый из которых расположен по концам корпуса (3). Каждый из торцевых элементов (6) может быть вставлен в корпус (3) в выпуклом положении относительно давления контейнера (1) или в выпуклом положении относительно его внутреннего пространства. Кроме того, торцевые элементы (6) могут включать периферийную кромку (8), идущую соответственно параллельно осевой линии, соединяющей торцевые элементы (6). Поскольку торцевые элементы (6) обычно круговые, то внешний диаметр периферийной кромки (8) может соответствовать внутреннему диаметру корпуса (3). В рассматриваемом варианте настоящего изобретения торцевые элементы (6) могут удобно вставляться во внутренний диаметр корпуса (3) и затем по месту свариваться.
Торцевой элемент (6) - мы по-прежнему ссылаемся на фиг.1 и 2 - может быть помещен внутрь корпуса (3) таким образом, чтобы периферийная кромка (4) корпуса выступала вперед относительно его периферийной кромки (8). Таким образом, периферийные кромки (8) и (4) могут быть наложены одна на другую таким образом, чтобы их можно было сварить внахлестку или угловым швом. Как уже отмечалось, торцевые элементы (6) могут быть приварены к корпусу (3). То есть, более конкретно, периферийная кромка (8) может быть приварена к кромке (4) корпуса (3). Следует отметить, что сварное соединение профилировано относительно внешней поверхности корпуса (3). Это значит, что в случае удара с другим объектом это сварное соединение не будет подвергнуто внешним повреждениям. Описываемые компоненты могут быть соединены вместе с использованием электродуговой сварки погружением, что соответствует практике работы с углеродистыми сталями. Хотя сварка внахлестку может быть произведена в атмосфере инертного газа или каким-либо еще способом, выбранным исходя из обоснованных инженерных соображений.
По завершении соединения воедино конструктивных составляющих контейнера - торцевых элементов (6) корпуса (3) (см. фиг.2 и 3), концы (5) корпуса для еще большей защиты сварного шва могут быть загнуты на конус внутрь, в направлении центральной оси корпуса, что выполняется с использованием процесса, известного под названием стяжки. Периферийная кромка (8) может иметь предварительно подготовленный для стяжки контур, по существу параллельный корпусу (3). Тем не менее, следует понимать, что эта периферийная кромка может иметь любую предварительную конфигурацию в соответствии с назначением контейнера (1).
Теперь рассмотрим процесс производства контейнера (1) со ссылками на все чертежи. Контейнер (1) может быть образован валковым профилированием плоского стального листа в прямой цилиндрический корпус с отверстиями на противоположных концах. Цилиндрический корпус затем может быть сварен с образованием продольного сварочного шва с последующей - при необходимости - операцией по снятию внутренних напряжений. Затем в соответствующие концы корпуса вставляются первый и второй торцевые элементы, имеющие куполообразную конфигурацию, направленную выпуклостью внутрь корпуса. Эти торцевые элементы прикладываются к кромкам корпуса таким образом, что их периферийные кромки образуют с кромками корпуса угловое соединение, внутреннее по отношению к полости корпуса. После этого полученное соединение может быть сварено - наиболее удобным способом, герметизируя, таким образом, границу раздела между этими торцевыми элементами и корпусом контейнера. В процессе изготовления контейнера в любом месте его компонентов могут быть выполнены резьбовые отверстия, которые затем могут быть использованы для установки приемных вентилей, пробок или иных других элементов, необходимых для работы контейнера для хранения опасных материалов.
Данное изобретение было описано здесь со ссылками на наиболее предпочтительное исполнение. Очевидно, что другим лицам, понявшим изложенное детальное описание изобретения по его прочтении, придут в голову иные варианты и модификации его воплощения. Настоящее изобретение включает в себя все такие варианты и модификации или им эквивалентные, в той мере, в которой они охватываются объемом прилагаемой формулы.