圧力容器

圧力容器は、シェルと、加圧、圧力保持、減圧、保守および検査のためのアクセスを提供するために必要な1つ以上のその他のコンポーネントで構成されます。意図された使用を容易にするために他のコンポーネントや機器が提供される場合があり、これらの一部は圧力容器の一部とみなされる場合があります。たとえば、シェル貫通部とその閉鎖部、および人が居住するための圧力容器のビューポートとエアロックは、シェルの完全性と強度に影響を与えるため、圧力を保持する構造の一部でもあります。圧力計や圧力逃がし弁などの安全装置も、圧力容器の一部とみなされる場合があります。^{[ 3 ]}また、フットリング、スキッド、ハンドル、ラグ、または取り付けブラケットのように、容器を持ち上げたり、移動したり、取り付けたりするために、容器に恒久的に取り付けられた構造コンポーネントがある場合もあります。

作動圧力、すなわち運転時の圧力容器内部と周囲との圧力差は、設計および製造において最も重要な特性です。高圧と低圧の概念はやや柔軟性があり、文脈によって異なる定義が用いられる場合があります。また、内部圧力が外部圧力よりも大きいか小さいか、そしてその大きさが通常の気圧に対してどの程度かという点も考慮する必要があります。内部圧力が大気圧よりも低い容器は、低圧容器または真空容器とも呼ばれます。内部圧力が高い圧力容器は構造的に安定させるのが容易であり、通常は引張破壊を起こしますが、過剰な外部圧力による破壊は通常、座屈不安定性および崩壊によって生じます。

圧力容器は理論的にはほぼどんな形状でも構わないが、球、円筒、回転楕円体、円錐の断面で構成された形状が一般的に用いられる。ただし、回転面の中には本質的に安定しているものもある。一般的な設計は、ヘッドと呼ばれる端部キャップが付いた円筒である。ヘッドの形状は、半球形、楕円形、皿形（トーラス球形）であることが多い。^{[ 4 ]}より複雑な形状は、歴史的に安全な運用を解析するのがはるかに難しく、通常は構築もはるかに困難である。

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  球形のガス容器。
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  円筒形の圧力容器。
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  エアゾールスプレー缶の底部の写真。
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  丸みを帯びた長方形の圧力容器を備えた消火器

理論的には、球形圧力容器は同じ肉厚の円筒形圧力容器の約2倍の強度を持ち、^{[ 5 ]}内部圧力を保持するのに理想的な形状です。^{[ 6 ]}しかし、球形は製造が難しく、そのため高価になるため、ほとんどの圧力容器は両端に2:1の半楕円形のヘッドまたはエンドキャップが付いた円筒形です。小型の圧力容器は、パイプと2つのカバーから組み立てられます。直径が最大600  mm (NPS 24インチ) の円筒形容器の場合、シェルにシームレスパイプを使用することが可能で、これにより、多くの検査および試験の問題、主に必要に応じて長い継ぎ目の放射線の非破壊検査を回避できます。これらの容器の欠点は、直径が大きいほど高価になることです。例えば、1,000リットル（35立方フィート^）、 250バール（3,600psi ）の圧力容器の最も経済的な形状は、直径91.44センチメートル（36インチ）、長さ1.7018メートル（67インチ）で、2:1の半楕円ドーム型エンドキャップを含むものになります。    

圧力容器の形状に関わらず、圧力容器の最小質量は、容器内の圧力と体積に比例し、構造材料の強度対重量比に反比例します（強度が増加すると最小質量は減少します^{[ 7 ]}）。

球状の薄肉圧力容器内の応力は

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

どこ$\displaystyle \sigma _{\theta }}$周方向応力とは、円周方向の応力のことです。$\displaystyle \sigma _{long}}$は長手方向の応力、pは内部ゲージ圧力、rは球の内半径、tは球壁の厚さです。直径が壁の厚さの少なくとも 10 倍 (場合によっては 20 倍) 大きい場合、容器は「薄肉」とみなされます。^{[ 11 ]}

円筒形の薄肉圧力容器内の応力は

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

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

どこ：

• $\displaystyle \sigma _{\theta }}$周方向応力とは、円周方向の応力のことです。
• $\displaystyle \sigma _{long}}$縦方向の応力
• pは内部ゲージ圧力です。
• rは円筒の内半径である。
• tは円筒壁の厚さです。

ほぼすべての圧力容器設計規格には、厚さ方向の応力の変動、溶接部の品質管理、および使用中の腐食代を考慮するための追加の経験項を含む、これら2つの式のバリエーションが含まれています。上記のすべての式は、膜応力がシェルの厚さ方向に均一に分布していることを前提としていますが、実際にはそうではありません。より詳細な解析は、均質で等方性の材料でできた厚肉円筒の壁における応力分布を示すラメの定理によって行われます。圧力容器設計規格の式は、内径と厚さの比に制限を設けることでラメの定理を拡張したものです。

例えば、ASMEボイラーおよび圧力容器規格（BPVC）（UG-27）の式は次のとおりです。^{[ 12 ]}

球殻：厚さは内半径の0.356倍未満でなければならない。

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

円筒シェル：厚さは内半径の0.5倍未満でなければならない。

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

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

ここで、Eは結合効率であり、その他の変数は上記のとおりです。

安全率はこれらの式にも含まれることが多く、ASME BPVCの場合、圧力や厚さを求める際に、この項は材料応力値に含まれます。

文脈によっては船体貫通部とも呼ばれるシェル貫通部は、シェルの構造的完全性を意図的に破壊するものであり、通常は局所的に大きな応力集中点となるため、設計段階で考慮して破壊点とならないようにする必要があります。通常、このような貫通部のすぐ近くでシェルを補強する必要があります。シェル貫通部は、内容物を外部から内部へ、そして内部から外部へと通過させるなど、さまざまな機能を実現するために必要です。また、特殊な用途では、シェルを通して電気、光、その他のサービスを伝送するためにも必要です。最も単純な例はガスボンベで、バルブに適合するねじ山付きのネック貫通部のみが必要ですが、潜水艦や宇宙船では、多数の機能のために多数の貫通部が必要になる場合があります。

圧力容器の材料の選択は、圧力定格、使用温度、内容物、重量制限、作業環境、材料と加工のコストと入手可能性、外部荷重、必要な耐用年数、再検証、保守、検査の実現可能性、容易さ、コストなど、多くの要因に依存します。場合によっては、さまざまな既製品の中から選択するだけで済みますが、他の場合は、包括的な分析と設計プロセスが必要になる場合があります^{[ 21 ] [ 22 ]。}

多くの圧力容器は鋼でできており、さまざまな鋼合金が使用されることがあります。選択は、強度、重量、耐食性、冷間加工性能、延性、溶接性、コスト、および入手可能性によって決まります。^{[ 22 ]}円筒形または球形の圧力容器を製造するには、圧延され、場合によっては鍛造された部品を溶接する必要があります。圧延または鍛造によって得られる鋼の機械的特性の一部は、特別な予防措置を講じない限り、溶接によって悪影響を受ける可能性があります。現在の規格では、十分な機械的強度に加えて、特に低温で使用される容器には、高い耐衝撃性を持つ鋼の使用が規定されています。炭素鋼が腐食する用途では、特別な耐食性材料も使用する必要があります。

アルミニウムは、継ぎ目のないガスボンベによく使用される。

チタンは、 DSV Limiting Factorのような深海潜水艇の耐圧船体に使用されています。

圧力容器の中には、ポリマーで固定された炭素繊維を用いたフィラメントワインディング複合材などの複合材料で作られているものがあります。炭素繊維は非常に高い引張強度を持つため、これらの容器は非常に軽量ですが、製造ははるかに困難です。複合材料は金属ライナーの周りに巻き付けられ、複合材オーバーラップ圧力容器を形成します。

その他、非常に一般的な材料としては、炭酸飲料容器に使われるPETなどのポリマーや、配管に使われる銅などが挙げられる。

圧力容器は、漏洩を防ぎ、容器の構造を内容物から保護するために、さまざまな金属、セラミック、またはポリマーで内張りされることがあります。この内張りは、圧力負荷のかなりの部分を支えることもあります。^{[ 23 ] [ 24 ]}

圧力容器は、コンクリート（PCV）や引張強度の弱い他の材料で構築されることもあります。容器の周囲または壁内、あるいは容器自体に巻き付けられたケーブルが、内部圧力に耐えるために必要な張力を提供します。容器の内壁には「漏れのない鋼鉄製の薄い膜」が張られています。このような容器はモジュール部品から組み立てることができ、「固有のサイズ制限はありません」。^{[ 25 ]}また、内部圧力に耐える多数の個々のケーブルのおかげで、高い冗長性も確保されています。

液体ブタンを燃料とするライターの製造に使用される非常に小さな容器は、周囲温度にもよりますが、約2バールの圧力にさらされます。これらの容器は、断面が楕円形（1×2cm  ～1.3×2.5cm  ）であることが多いですが、円形の場合もあります。楕円形の容器には、一般的に1本または2本の内部張力支柱があり、これはバッフルのように見えますが、シリンダーの強度を高める役割も果たしています。この形状は、圧力荷重を支えるには比較的非効率的です。

信頼性の高いガス溶接や電気溶接が普及する以前は、ボイラー、圧縮空気タンク、その他の鉄鋼製圧力容器の標準的な製造方法はリベット接合でした。圧延および鍛造によって成形された板材をリベットで接合し、接合部に沿って突き合わせストラップを使用することがよくありました。また、リベット接合部の重なり部分の端を鈍いノミで変形させて接合部に沿って連続した高接触圧力の線を作ることで、リベット接合部に沿ってコーキングを行いました。熱間リベット接合では、冷却時にリベットが収縮し、より密着した接合部が形成されます。 ^{[ 29 ] [ 30 ]} 熱間リベットを取り付けると、冷却時に収縮し、突き合わせストラップとシェルを圧縮する予荷重が発生します。リベットは冷却中に塑性変形し、予荷重応力は降伏点付近で安定します。^{[ 30 ]}

リベット接合は新しい圧力容器の製造にはもはや使用されていませんが、リベット接合された容器はまだ使用されており、有限要素解析によってそれらの一部を再検証することが可能で、使用応力レベルが依然として許容範囲内であることが示されています。^{[ 30 ]}

大型および低圧容器は、一般的に成形された板材を溶接して製造されます。人が居住する圧力容器においては、溶接の品質が安全性にとって極めて重要です。

溶接の品質保証は安全のために重要であり、バッチからのサンプルテストからすべての溶接の完全なX線検査まで多岐にわたります。非破壊検査方法には、内部欠陥の放射線検査や超音波検査が含まれる場合があります。^{[ 31 ]}

品質保証には、手動溶接の溶接士資格（認定溶接士）、溶接手順仕様、材料仕様、および完成した溶接部の検査と試験が含まれます。溶接部は最初に目視検査され、アンダーカット、オーバーラップ、表面高さの不均一性などの多くの欠陥を迅速に特定できます。溶接部が目視検査に合格したら、超音波検査やX線検査など、特定の圧力容器に適した非破壊検査にも合格する必要があります。検査を容易にするために圧力容器を回転させる装置を使用することも、自動化された装置で実施することもできます。放射線検査では、ボイド、内部亀裂、多孔性、スラグ介在物、材料厚さのばらつき、不完全な溶融または不完全な浸透、その他の溶接欠陥を検出できます。大量生産される品目は、製品の各バッチから代表的な溶接部のサンプルに対して破壊的な機械試験を受けることもあります。^{[ 31 ]}

磁粉探傷検査は強磁性材料の欠陥の一部を特定でき、浸透探傷検査は表面欠陥の一部を検出するのに役立つ。^{[ 31 ]}

高圧用途向けのすべての製品には、静水圧試験が必要となる場合があります。 ^{[ 31 ]}

圧力容器の製造に一般的に用いられる溶接プロセス

• 被覆アーク溶接（SMAW ）– 手動アーク溶接プロセス^{[ 32 ]} 
• フラックス入りアーク溶接（FCAW ）– 半自動または自動アーク溶接プロセス^{[ 32 ]} 
• ガス金属アーク溶接（GMAW ）– 工業用溶接プロセス^{[ 32 ]} 
• ガスタングステンアーク溶接（GTAW ）– 溶接プロセス^{[ 32 ]} 
• サブマージアーク溶接（SAW ）– 粒状フラックス材料の下で電気を使用して金属を接合する^{[ 32 ]} 

軌道溶接は、クリーンで強固な溶接が不可欠な用途において、GTAWプロセスで一貫して高い品質の溶接を維持するために頻繁に使用されます。^{[ 32 ]}

永久ガス（空気、酸素、窒素、水素、アルゴン、ヘリウムなど、貯蔵圧力下で液化しないガス）用の一般的な円筒形高圧ガスボンベは、熱間鍛造によるプレスと圧延によって製造され、材料特性が均一で応力集中が最小限に抑えられた継ぎ目のない容器となっている。

産業、熟練技能、ダイビング、​​医療で使用されるシリンダーの作動圧力は、1950 年頃まではヨーロッパでは約150 バール (2,200 psi)の標準作動圧力 (WP) でした。1975 年頃から、標準圧力は約200 バール (2,900 psi)に上昇しました。消防士は狭い場所でも移動できるように、細くて軽量なシリンダーを必要とします。1995 年頃から、 300 バール (4,400 psi) WPのシリンダー(最初は純鋼製) が使用されるようになりました。   

軽量化への要求により、複合材（ライナーの上に繊維とマトリックスを重ねた構造）シリンダーの様々な世代が開発されましたが、これらは衝撃による損傷を受けやすくなっています。呼吸用ガス用の複合材シリンダーは通常、300バール（4,400psi ）の作動圧力に対応するように設計されています。 

継ぎ目のない金属製圧力容器の製造方法は、機械設備や工具に多額の初期投資が必要となるため、比較的小径の円筒形容器を大量生産する場合に一般的に用いられます。これらの方法は、高圧ガスの輸送および貯蔵用途に適しており、一貫して高品質の製品を提供します。

描かれた

シームレスシリンダーは、直径とシリンダー長さの最終的な比率に応じて、鋼板ディスクから2～4段階の冷間引抜き加工によって円筒カップ形状に成形することもできます。底部と側壁を成形した後、シリンダーの上部を所定の長さにトリミングし、加熱して熱間スピニング加工を行い、肩部を形成して首部を閉じます。スピニング加工により肩部の材料が厚くなります。シリンダーは、最高の強度と靭性を得るために、焼入れと焼き戻しによる熱処理が施されます。 ^{[ 35 ]}

継ぎ目のないチューブから紡績

継ぎ目のない鋼管の両端を熱間スピニング加工して閉じることによって、継ぎ目のない鋼製円筒を成形することもできる。まず底部を完全に閉じ、肩部と首部を成形する前に、滑らかな内面を形成するようにトリミングする。^{[ 36 ]}

シリンダーの成形方法に関わらず、ネックの仕上げとネックねじの切削、熱処理、洗浄、表面仕上げ、刻印、テスト、品質保証のための検査が行われます。^{[ 35 ] [ 34 ] [ 33 ] [ 36 ]}

複合圧力容器は一般的に、熱硬化性ポリマーマトリックスにフィラメントワインディングロービングを積層して作られます。マンドレルは硬化後に取り外せる場合もあれば、完成品の一部として残る場合もあり、樹脂マトリックスよりも信頼性の高い気密または液密ライナー、あるいは意図する内容物に対する優れた耐薬品性を提供することがよくあります。バルブやパイプなどのねじ込み式付属品を取り付けるために、金属製のインサートが設けられる場合があります。^{[ 37 ]} 複合圧力容器の利点として挙げられるのは、比較的軽量であること、耐腐食性、設計の柔軟性、および一部の用途における製造コストの低減です。^{[ 21 ]}

Surface treatment may include cleaning, deburring, and passivation to remove any impurities and improve corrosion resistance. The vessel may be finished with a paint system or other coatings to protect it from environmental conditions.^[40]

After completion, a pressure vessel is inspected to ensure that it complies with all the relevant standards, codes, and specifications, by designated and qualified inspectors, who check dimensional accuracy, weld quality, and structural integrity before issuing the certifications and documentation needed to comply with the relevant regulations.^[40]

As the pressure vessel is designed to a pressure, there is typically a safety valve or relief valve to ensure that this pressure is not exceeded in operation.

There may be a rupture disc fitted to the vessel or the cylinder valve or a fusible plug to protect in case of overheating.

Hydrostatic test (filled with water) pressure is usually 1.5 times working pressure, but US DOT test pressure for scuba cylinders is 5/3 (1.67) times working pressure.^[43]

圧力容器は、特定の圧力と温度（技術的には「設計圧力」および「設計温度」と呼ばれる）で安全に運転できるように設計されています。高圧に対応するように適切に設計されていない容器は、非常に重大な安全上の危険をもたらします。そのため、圧力容器の設計と認証は、北米のASMEボイラーおよび圧力容器規格、 EUの圧力機器指令（PED）、日本工業規格（JIS）、カナダのCSA B51 、オーストラリアのオーストラリア規格、およびLloyd's、Germanischer Lloyd、Det Norske Veritas、Société Générale de Surveillance（SGS SA）、Lloyd's Register Energy Nederland（旧Stoomwezen）などの国際規格といった設計コードによって規定されています。

圧力と体積の積が安全基準の一部である場合、容器内の非圧縮性液体は容器内に蓄積される位置エネルギーに寄与しないため除外することができ、ガスなどの圧縮性部分の体積のみが使用されます。

• EN 13445 ：圧力機器指令（当初は「97/23/EC」、2014年以降は「2014/68/EU」）に準拠した現行の欧州規格。ヨーロッパで広く使用されている。
• ASMEボイラーおよび圧力容器規格第VIII部：圧力容器の構造に関する規則。
• BS 5500：旧英国規格。英国ではBS EN 13445に置き換えられたが、輸出機器の設計および製造に関してはPD 5500という名称で維持されている。
• AD Merkblätter:圧力機器指令に準拠したドイツ規格。
• EN 286（パート1～4）：欧州理事会指令87/404/EECに準拠した、単純な圧力容器（空気タンク）に関する欧州規格。
• BS 4994 :強化プラスチック製の容器およびタンクの設計および製造に関する仕様。
• ASME PVHO：人が居住する圧力容器に関する米国規格。
• CODAP：フランスの非加熱圧力容器の構造に関する規格。
• AS/NZS 1200：圧力容器、ボイラー、圧力配管を含む圧力機器の要件に関するオーストラリアおよびニュージーランド規格。^{[ 44 ]}
• AS 1210：圧力容器の設計および製造に関するオーストラリア規格
• AS/NZS 3788 : 圧力容器の検査に関するオーストラリアおよびニュージーランド規格^{[ 45 ]}
• API 510. ^{[ 46 ]}
• ISO 11439:圧縮天然ガス(CNG) シリンダー^{[ 47 ]}
• IS 2825–1969 (RE1977)_コード_非加熱_圧力容器。
• FRP製タンクおよび容器。
• AIAA S-080-1998: 宇宙システムに関するAIAA規格 - 金属製圧力容器、加圧構造物、および圧力コンポーネント。
• AIAA S-081A-2006: 宇宙システムに関するAIAA規格 -複合材オーバーラップ圧力容器（COPV）。
• ECSS-E-ST-32-02C Rev.1: 宇宙工学 – 加圧機器の構造設計および検証
• B51-09 カナダのボイラー、圧力容器、および圧力配管に関する規格。
• 圧力システムに関するHSEガイドライン。
• Stoomwezen: オランダの旧圧力容器規則。RToD: Regels voor Toestellen onder Druk (圧力容器に関するオランダ規則) としても知られています。
• SANS 10019:2021 南アフリカ国家規格：圧縮ガス、溶解ガス、液化ガス用の可搬式圧力容器 - 基本設計、製造、使用および保守。
• SANS 1825:2010 第3版：南アフリカ国家規格：ガスボンベ試験ステーション ― 可搬式再充填ガス圧力容器の定期検査及び試験に関する一般要求事項。ISBN 978-0-626-23561-1