圧力容器

圧力容器は、周囲の圧力とは大きく異なる圧力でガスや液体を保持するように設計された容器です。^[1]

構造方法と材料は圧力用途に合わせて選択できますが、容器のサイズ、内容物、動作圧力、質量制約、必要なアイテムの数によって異なります。

圧力容器は危険を伴う可能性があり、その開発と運用の歴史の中で致命的な事故が発生しています。そのため、圧力容器の設計、製造、運用は、法律に裏打ちされた技術当局によって規制されています。これらの理由から、圧力容器の定義は国によって異なります。^{[引用が必要]}

設計には、最大安全動作圧力および温度、安全係数、腐食余裕度、および最低設計温度（脆性破壊の場合）などのパラメータが含まれます。構造は、超音波検査、放射線検査、圧力試験などの非破壊検査を使用してテストされます。静水圧試験では通常水を使用しますが、空気圧試験では空気または別のガスを使用します。静水圧試験の方が安全な方法であり、試験中に破損が発生した場合に放出されるエネルギーがはるかに少ないため好まれます（爆発的に膨張するガスとは異なり、水は急激な減圧が発生しても体積が大幅に増加することはありません）。大量生産またはバッチ生産製品では、品質保証のために、制御された条件下で代表的なサンプルが破壊されるまでテストされることがよくあります。システム全体の安全性が十分に強化されている場合は、 圧力解放装置を取り付けることができます。

ほとんどの国では、特定のサイズと圧力を超える容器は、正式な規格に従って建造する必要があります。米国では、その規格はASME ボイラおよび圧力容器規格 (BPVC)です。欧州では、その規格は圧力機器指令です。これらの容器では、新しく建造されるすべての容器に認定検査官の承認が必要であり、各容器には、最大許容作動圧力、最大温度、最小設計金属温度、製造会社、製造日、登録番号 (国家委員会経由)、米国機械学会の圧力容器公式スタンプ (U スタンプ) など、容器に関する関連情報を記載した銘板が付いています。銘板により、容器は追跡可能となり、正式に ASME 規格容器となります。

特殊な用途としては、人間が居住するための圧力容器があり、この場合にはより厳しい安全規則が適用されます。

ASMEの定義による圧力容器は、周囲圧力とは大幅に異なる圧力でガスまたは液体を保持するように設計された容器である。^[2]

オーストラリアとニュージーランドの規格「AS/NZS 1200:2000 圧力機器」では、圧力容器を、外部配管への接続までの接続部品や付属品を含む、内部または外部の圧力を受ける容器と定義しています。^[3]

この記事には、広義の圧力容器に関する情報が含まれる場合があり、単一の定義に限定されるものではありません。

圧力容器は、シェルと、通常、加圧、圧力保持、減圧、保守点検のためのアクセスに必要な 1 つ以上の他のコンポーネントで構成されています。意図された使用を容易にするために提供される他のコンポーネントや機器がある場合があり、これらの一部は圧力容器の一部と見なされる場合があります。たとえば、シェルの貫通部とその閉鎖部、圧力容器上の人が使用する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。圧力ゲージや圧力リリーフバルブなどの安全装置も、圧力容器の一部と見なされる場合があります。^[3]フットリング、スキッド、ハンドル、ラグ、取り付けブラケットなど、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。

• エアロゾルスプレーディスペンサー – エアロゾルミストのディスペンシングシステム
• オートクレーブ – 加圧加熱装置
• ボイラー – 液体を加熱する密閉容器
  • ガス貯蔵シリンダー – 加圧ガスを貯蔵するための容器
  • ガス貯蔵管 – 大容量、高圧ガス貯蔵シリンダー
  • 油圧アキュムレータ – 流体圧力を貯蔵し安定させるリザーバ
    • 膨張タンク – 温水システムで使用されるタンク
    • ハイドロフォア（システム） - 高層ビルや海洋環境で水圧を維持するために使用されるシステム。
    • 圧力タンク – 水道システムで圧力を維持するために使用されるタンク
  • 冷凍プラント – 冷却された領域から熱を取り除き、より高温の領域に排出する装置
• 圧力鍋 – 食品を調理するための装置
• 圧力配管
• パイプライン – パイプを通して液体やガスを送り込む
• 逆浸透プラント – 浄水プラントの種類
• 化学プロセスリアクター – 化合物の相互変換が行われる密閉空間
• バキュームトラック – 吸引ラインを通して物質を積み込むように設計されたポンプを備えたタンクローリー
• 人間が居住するための圧力容器 - 内部の圧力が外部と異なる、1 人以上の人が居住する容器
  • 大気潜水服 – 水中ダイバーのための関節式耐圧擬人化ハウジング
  • 有人宇宙船 – 生命維持システムを備えた宇宙船
  • 潜水室 – 潜水作業で使用される人間用の高圧容器
  • 高圧室 – 人間が居住するための高圧容器
  • 高圧ストレッチャー – 圧力をかけた状態で人を輸送するためのポータブル圧力容器。
  • 低圧チャンバー – 高高度をシミュレートするためのチャンバー
  • 与圧航空機 – 高高度で機内の気圧を外気より高く維持する航空機
  • 潜水艦の耐圧殻 – 潜水艦にかかる圧力に耐える構造
  • 潜水艦救助室 – 沈没した潜水艦の乗組員を救助するための潜水室
  • 潜水圧力船体 - 水中を航行できる小型船舶
• 溶解ガス貯蔵
• 燃焼圧力容器
• 液化ガス（液体上気体）貯蔵
• 永久ガス貯蔵
• 超臨界流体貯蔵
• 内部圧力と外部圧力
• 工法による種類
• 建築材料による種類

圧力容器は、産業界と民間部門の両方でさまざまな用途に使用されています。これらの分野では、圧力容器は、産業用圧縮空気レシーバー、ボイラー、家庭用温水貯蔵タンクとして使用されています。圧力容器の他の例としては、ダイビングシリンダー、再圧縮チャンバー、蒸留塔、圧力リアクター、オートクレーブ、および採掘作業、石油精製所および石油化学プラント、原子炉容器、潜水艦および宇宙船の居住区、大気圧潜水服、空気圧リザーバー、圧力下の油圧リザーバー、鉄道車両空気ブレーキリザーバー、道路車両空気ブレーキリザーバー、およびアンモニア、塩素、LPG（プロパン、ブタン）などの高圧永久ガスおよび液化ガスの貯蔵容器などがあります。

圧力容器は構造荷重も支えます。旅客機の外皮の客室は、航空機の構造荷重と操縦荷重、および客室の加圧荷重の両方を支えます。潜水艦の耐圧殻も船体構造荷重と操縦荷重を支えます。

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  円筒形研究用オートクレーブのイラスト
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  NASA減圧室
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  井戸水と家庭用給湯システムに接続された圧力タンク。
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  いくつかの圧力タンク。ここではプロパンを保管するために使用されます。
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  圧力容器として使用される。
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  ボーイング社のCST-100宇宙船に使用されている圧力容器。
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  水素燃料電池自動車用複合圧力容器

作動圧力、つまり圧力容器の内部と周囲の圧力差は、設計と建設で考慮される主な特性です。高圧と低圧の概念は多少柔軟性があり、状況に応じて異なる定義がされることがあります。また、内部圧力が外部圧力より大きいか小さいか、およびその大きさが通常の大気圧に相対的であるかという問題もあります。内部圧力が大気圧より低い容器は、低圧容器または真空容器と呼ばれることもあります。内部圧力が高い圧力容器は構造的に安定するように簡単に作ることができ、通常は引張で破損しますが、過度の外部圧力による破損は通常、座屈不安定性と崩壊によって起こります。

圧力容器は理論上はほぼどのような形状でも構いませんが、通常は球、円筒、回転楕円体、円錐の断面でできた形状が採用されます。ただし、他の回転面も本質的に安定しています。一般的な設計は、ヘッドと呼ばれるエンド キャップが付いた円筒です。ヘッドの形状は、半球形または皿形 (トーラス球形) であることが多いです。より複雑な形状は、歴史的に安全な操作を分析するのが非常に難しく、通常は構築がはるかに困難です。

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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の写真。
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  角丸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壁厚の円筒形圧力容器の約2倍の強度を持ち、^[4]内部圧力を保持するのに理想的な形状です。^[5]しかし、球形は製造が難しく、したがって高価になるため、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を備えた円筒形です。 小型の圧力容器は、パイプと2つのカバーで組み立てられます。 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でき、多くの検査およびテストの問題（主に必要に応じて長い継ぎ目の非破壊検査による放射線検査）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。たとえば、1,000 リットル (35 立方フィート)、250バール(3,600  psi ) の圧力容器の最も経済的な形状は、2:1 半楕円形ドーム型エンド キャップを含めて、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) になります。

どのような形状であっても、圧力容器の最小質量は容器内の圧力と容積に応じて変化し、構造材料の強度と重量の比に反比例します（強度が増すと最小質量は減少します^[6]）。

圧力容器は、容器の壁内の張力によってガス圧に抗して保持されます。容器の壁の法線（引張）応力は、容器の圧力と半径に比例し、壁の厚さに反比例します。 ^[7]したがって、圧力容器は、タンクの半径とタンクの圧力に比例し、容器の壁に使用される特定の材料の最大許容法線応力に反比例する厚さになるように設計されています。

（与えられた圧力に対して）壁の厚さはタンクの半径に比例するため、タンクの質量（円筒形タンクの場合、長さ×半径×壁の厚さ）は保持されるガスの容積（長さ×半径の2乗）に比例します。正確な式はタンクの形状によって異なりますが、容器の圧力 P と容積 V に加えて、材料の密度 ρ と最大許容応力 σ によって決まります。（壁の応力の正確な式については以下を参照してください。）

球の場合、圧力容器の最小質量は

${\displaystyle M={3 \over 2}PV{\rho \over \sigma }}$、

どこ：

• ${\displaystyle M}$質量（kg）
• ${\displaystyle P}$は周囲圧力（ゲージ圧）との差圧（Pa）
• ${\displaystyle V}$音量は
• ${\displaystyle \rho}$圧力容器材料の密度（kg/m ³）
• ${\displaystyle \sigma}$材料が耐えられる最大の作業応力です。（Pa） ^[8]

球体以外の形状では定数は 3/2 より大きくなります (無限円筒の場合は 2)。ただし、非球形の巻き複合タンクなど、一部のタンクではこれに近づくことがあります。

これは幾何学的にはカプセルですが、その形状から「弾丸」と呼ばれることもあります^[要出典]。

半球形の端を持つ円筒の場合、

${\displaystyle M=2\pi R^{2}(R+W)P{\rho \over \sigma }}$、

どこ

• Rは半径（m）
• Wは中央のシリンダーの幅のみで、全体の幅はW + 2R（m）^[9]

中央円筒の幅と半径のアスペクト比が2:1の 容器では、

${\displaystyle M=6\pi R^{3}P{\rho \over \sigma }}$。

最初の式を見ると、SI単位の係数PVは（加圧）エネルギーの単位です。貯蔵ガスの場合、PVは与えられた温度でのガスの質量に比例するため、

${\displaystyle M={3 \over 2}nRT{\rho \over \sigma }}$（気体の法則を参照）

その他の要素は、容器の形状と材質が一定であるため、圧力容器の質量と加圧エネルギーの比率、または圧力容器の質量と貯蔵ガスの質量の比率に関して、理論的な「スケール効率」は存在しないことがわかります。ガス貯蔵の場合、「タンク効率」は、少なくとも同じ温度では圧力とは無関係です。

したがって、たとえば、ロケット上でヘリウム（加圧ガスとして）を保持するための最小質量のタンクの一般的な設計では、形状定数を最小にするために球形のチャンバーを使用し、最高の圧縮性を得るためにカーボンファイバーを使用し、最高の圧縮性を得るために非常に冷たいヘリウムを使用します。 ${\displaystyle \rho /\sigma }$${\displaystyle M/{pV}}$

球形の薄壁圧力容器の応力は

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

ここで、は円周方向の応力、は縦方向の応力、pは内部ゲージ圧、rは球の内半径、tは球壁の厚さです。直径が壁の厚さの10倍以上（20倍と言われることもあります）であれば、容器は「薄壁」とみなすことができます。^[10]${\displaystyle \sigma _{\theta}}$${\displaystyle \sigma _{long}}$

円筒形の薄壁圧力容器の応力は

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

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

どこ：

• ${\displaystyle \sigma _{\theta}}$フープ応力、つまり円周方向の応力である
• ${\displaystyle \sigma _{long}}$縦方向の応力である
• pは内部ゲージ圧力である
• rは円筒の内半径である
• tはシリンダー壁の厚さです。

ほとんどすべての圧力容器設計基準には、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許容値を考慮するための追加の経験的項を含む、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、シェルの厚さ方向の膜応力の均一な分布を前提としていますが、実際にはそうではありません。より深い分析は、均質で等方性の材料でできた厚肉シリンダーの壁の応力分布を与えるラメの定理によって与えられます。圧力容器設計基準の式は、内径と厚さの比に何らかの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ボイラおよび圧力容器規格（BPVC）（UG-27）の式は次の通りである：^[11]

球形シェル: 厚さは内半径の0.356倍未満でなければなりません

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

円筒形シェル: 厚さは内半径の0.5倍未満でなければなりません

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

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

ここで、E は結合効率であり、他のすべての変数は上記のとおりです。

安全係数もこれらの式に含まれることが多く、ASME BPVC の場合、圧力や厚さを計算するときにこの項が材料の応力値に含まれます。

状況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を発生させるため、破損箇所とならないように設計時に考慮する必要があります。通常、このような貫通部のすぐ近くのシェルを強化する必要があります。シェル貫通部は、内容物を外側から内側へ、また内側から外側へ通すなどのさまざまな機能を提供するのに必要です。また、シェルを介した電気、光、その他のサービスの伝送という特殊な用途にも必要です。最も単純なケースはガスシリンダーで、バルブを取り付けるためにネジ山を切ったネック貫通部のみが必要ですが、潜水艦や宇宙船には、さまざまな機能のために多数の貫通部がある場合があります。

高圧容器のシェル貫通部に使用されるねじ山は、高負荷を受けるため、漏れがあってはなりません。高圧シリンダーは、円錐（テーパー）ねじ山と平行ねじ山で製造されています。2種類のテーパーねじ山は、0.2～50リットル（0.0071～1.7657立方フィート）の容積の工業用フルメタルシリンダーで主流となっています。^[12]

より小さな継手には、テーパーねじ規格17Eが使用され、^[13] 12%テーパー右ねじ、標準ウィットワース55°形状、ピッチ14山/インチ（5.5山/cm）、シリンダー上部のねじ山のピッチ直径が18.036ミリメートル（0.71インチ）です。これらの接続はねじテープを使用して密封され、スチールシリンダーでは120〜150ニュートンメートル（89〜111 lbf⋅ft）、アルミニウムシリンダーでは75〜140 N⋅m（55〜103 lbf⋅ft）のトルクで締め付けられます。^[14]

より大きな継手には、テーパーねじ規格 25E が使用されます。バルブをねじ込むには、通常約 200 N⋅m (150 lbf⋅ft) のより高いトルクが必要です。^[15] 1950 年頃までは、麻がシーラントとして使用されていました。その後、上部に穴が開いた帽子型に押し付けられた薄い鉛のシートが使用されました。フィッターは、継手の溝や隆起によく合うように柔らかい鉛のシムを圧迫してから、穴にねじ込みます。鉛は変形して、内ねじと外ねじの間に薄い層を形成し、それによって隙間を埋めてシールを作成します。2005 年以降、鉛の使用を避けるためにPTFEテープが使用されています。^{[説明が必要]}

テーパーねじは組み立てが簡単ですが、接続に高いトルクが必要で、容器の首に高い半径方向の力がかかります。また、過度に変形する前に使用できる回数が限られています。常に同じフィッティングを同じ穴に戻し、締めすぎを避けることで、使用回数を少し延ばすことができます。

300 bar (4,400 psi) の動作圧力用に製造されたすべてのシリンダー、すべてのダイビングシリンダー、^{[説明が必要]}、およびすべての複合シリンダーには平行ねじが使用されています。^{[引用が必要]}

シリンダーネックや圧力容器の同様の貫通部用の平行ねじは、いくつかの規格に従って作られています。

• M25x2 ISO平行ねじ、Oリングで密封され、鋼鉄シリンダーでは100～130 N⋅m（74～96 lbf⋅ft）、アルミニウムシリンダーでは95～130 N⋅m（70～96 lbf⋅ft）のトルクで締め付けられる。^[14]
• M18x1.5平行ねじ、Oリングで密封され、スチールシリンダーでは100～130N⋅m（74～96lbf⋅ft）、アルミニウムシリンダーでは85～100N⋅m（63～74lbf⋅ft）のトルクで締め付けられる。^[14]
• 3/4"x14  BSP平行ねじ^[16]は、55°ウィットワースねじ形状、ピッチ径25.279ミリメートル（0.9952インチ）、ピッチは1インチあたり14山（1.814ミリメートル）である。
• 3/4"x14 NGS ^[17] (NPSM)平行ねじ、Oリングで密封、アルミニウムシリンダー上で40～50 N⋅m (30～37 lbf⋅ft) のトルクで締め付けられ、^[18]ねじ山の角度は60°、ピッチ径は0.9820～0.9873インチ (24.94～25.08 mm)、ピッチは1インチあたり14山 (1cmあたり5.5山)。
• 3/4"x16  UNF、Oリングで密封され、アルミニウムシリンダーで40〜50 N⋅m（30〜37 lbf⋅ft）のトルクで締め付けられています。^[18]
• 7/8"x14 UNF、Oリングで密封されています。^[19]

3/4"NGS と 3/4"BSP は非常に似ており、ピッチは同じで、ピッチ径も約 0.2 mm (0.008 インチ) しか違いませんが、ねじ山の形状が異なるため互換性はありません。

すべての平行ねじバルブは、ネックねじの上部にあるエラストマーO リングを使用して密閉されており、シリンダー ネックの面取りまたは段差とバルブのフランジを密閉します。

圧力容器クロージャーは、パイプライン、圧力容器、ピグトラップ、フィルター、ろ過システムに素早くアクセスできるように設計された圧力保持構造です。通常、圧力容器クロージャーは保守担当者によるアクセスを可能にします。

一般的に使用されるメンテナンス アクセス ホールの形状は楕円形で、クロージャを開口部に通して作業位置に回転させることが可能で、中央のボルトで固定された外側のバーによって所定の位置に保持されます。内部圧力により、負荷がかかった状態で誤って開くことを防ぎます。

クロージャを開口部の高圧側に配置すると、圧力差を利用して、サービス圧力時にクロージャをロックします。これが実行できない場合は、安全インターロックが必須となる場合があります。

エアロック^{[a]は、異なる}気圧や組成の環境間の通過を可能にし、異なる環境間の気圧や組成の変化を最小限に抑える部屋または区画です。エアロックは、同時に開くことのない、直列に配置された 2 つの気密ドアまたはハッチを備えたチャンバーで構成されます。エアロックは、1 人以上が通過できるほど小さい場合もあれば、控え室の形をとる場合もあります。

エアロックは、潜水艦や潜水鐘などの圧力容器内の空気環境と外部の水環境との間の通路を確保するために、水中で使用されることもあります。このような場合、エアロックには空気または水を入れることができます。これは浸水エアロックまたは水中エアロックと呼ばれ、潜水船や水中居住区への水の浸入を防ぐために使用されます。同様の配置は、宇宙船でも船外活動を容易にするために使用されています。

多くの圧力容器は鋼で作られています。円筒形または球形の圧力容器を製造するには、圧延部品と場合によっては鍛造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。十分な機械的強度に加えて、現在の規格では、特に低温で使用される容器には、耐衝撃性の高い鋼を使用することが規定されています。炭素鋼が腐食する用途では、特別な耐腐食性材料も使用する必要があります。

一部の圧力容器は、炭素繊維をポリマーで固定したフィラメント巻き複合材などの複合材料で作られています。炭素繊維は引張強度が非常に高いため、これらの容器は非常に軽量ですが、製造が非常に困難です。複合材料を金属ライナーに巻き付けて、複合オーバーラップ圧力容器を形成することもできます。

その他の非常に一般的な材料としては、炭酸飲料容器のPETなどのポリマーや配管用の銅などがあります。

圧力容器は、漏れを防ぎ、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、ポリマーで裏打ちされていることがあります。このライナーは、圧力負荷の大部分を支えることもあります。^{[20] [21]}

圧力容器は、コンクリート（PCV）や張力に弱い他の材料で作られることもあります。容器の周囲や壁、容器自体に巻き付けられたケーブルは、内部圧力に耐えるために必要な張力を提供します。「漏れのない薄い鋼鉄膜」が容器の内壁に敷かれています。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るため、「固有のサイズ制限はありません」。^[22]また、内部圧力に耐える多数の個別のケーブルのおかげで、高い冗長性があります。

液体ブタン燃料のライターの製造に使用される非常に小さな容器は、周囲温度に応じて約 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 x 2 cm ... 1.3 x 2.5 cm) であることが多いですが、円形の場合もあります。楕円形のバージョンには通常、バッフルのように見える 1 つまたは 2 つの内部張力支柱が含まれますが、これによってシリンダーの強度も強化されます。

信頼性の高い品質のガス溶接や電気溶接が普及する以前は、ボイラー、圧縮空気受容器、その他の鉄鋼製圧力容器の標準的な製造方法は、圧延され、形に鍛造されたリベット板をリベットで留めるというものだった。接合部にはバットストラップが使われることが多かった。そして、鈍いノミでリベットの重なり部分の端を変形させてリベットの継ぎ目に沿ってかしめ、接合部に沿って連続した高接触圧力の線を作る。高温リベットにより、リベットは冷却時に収縮し、より緊密な接合部を形成する。^[23]

大型および低圧容器は、一般的に成形されたプレートを溶接して製造されます。人が居住する圧力容器の安全性には、溶接品質が非常に重要です。

永久ガス（空気、酸素、窒素、水素、アルゴン、ヘリウムなど、貯蔵圧力で液化しないガス）用の典型的な円筒形の高圧ガスボンベは、一貫した材料特性と最小限の応力集中を備えたシームレスな容器を得るために、プレスと圧延による熱間鍛造で製造されています。

産業、熟練工、ダイビング、​​医療で使用されるシリンダーの作業圧力は、1950 年頃までヨーロッパで約 150 バール (2,200 psi) の標準作業圧力 (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。消防士は狭い空間で移動するためにスリムで軽量なシリンダーを必要としており、1995 年頃から 300 バール (4,400 psi) WP のシリンダーが使用されるようになりました (最初は純鋼製でした)。^{[引用が必要]}

軽量化の要求により、衝撃による損傷を受けやすい複合材（ライナー上の繊維とマトリックス）シリンダーのさまざまな世代が生まれました。呼吸ガス用の複合材シリンダーは通常、300 バール（4,400 psi）の動作圧力で製造されます。

シームレス金属圧力容器の製造方法は、機械や工具に多額の資本支出が必要となるため、比較的小径のシリンダーを大量に生産する場合によく使用されます。この方法は高圧ガスの輸送および保管用途に適しており、一貫して高品質の製品を提供します。

後方押し出しは、材料をマンドレルとダイの間でマンドレルに沿って強制的に後方に流すプロセスです。

• 
  ビレットが挿入されたダイの断面
• 
  後方押し出しプロセス。材料がマンドレルに沿ってダイから後方に流れ出る様子を示します。
• 
  トリミング前の押し出し製品
• 
  上端閉鎖後の断面
• 
  首の機械加工部分を詳細に示す断面図

冷間押し出し（アルミニウム）：

シームレスアルミニウムシリンダーは、アルミニウムビレットを冷間後方押し出し加工することによって製造される。この工程では、まずシリンダーの壁とベースをプレスし、次にシリンダーの壁の上端をトリミングし、最後に肩部と首部をプレス成形する。^[24]

熱間押出し（鋼）:

熱間押し出し工程では、鋼のビレットをサイズに合わせて切断し、合金に適した温度まで誘導加熱し、スケールを除去して金型に入れます。マンドレルを押し込むことで金属が後方に押し出され、環状の隙間を通って流れ、深いカップが形成されます。このカップはさらに直径まで引き伸ばされ、壁の厚さが減り、底が形成されます。開いた端を検査してトリミングした後、シリンダーは熱間スピニングされて端を閉じ、ネックを形成します。^[25]

シームレスシリンダーは、直径とシリンダーの長さの最終的な比率に応じて、2〜4段階で鋼板ディスクから冷間引抜されて円筒形のカップ形状になることもあります。ベースと側壁を形成した後、シリンダーの上部を長さに合わせてトリミングし、加熱して熱間紡糸して肩部を形成し、ネックを閉じます。紡糸プロセスにより、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提供するために、焼き入れと焼き戻しによって熱処理されます。 ^[26]

継ぎ目のない鋼鉄製シリンダーは、両端を熱間スピニングで閉じることによっても形成できる。まずベースを完全に閉じ、肩と首を形成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。^[27]

シリンダーの形成方法にかかわらず、シリンダーは機械加工され、ネックが仕上げられ、ネックのネジが切られ、熱処理、洗浄、表面仕上げが行われ、刻印が押され、テストされ、品質保証のために検査されます。^{[26] [25] [24] [27]}

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巻きロービングを積層して作られる。マンドレルは硬化後に取り外し可能になる場合もあれば、完成品の一部として残る場合もある。マンドレルは、樹脂マトリックスよりも信頼性の高い気密性または液密性のライナー、または意図された内容物に対する優れた耐薬品性を提供することが多い。バルブやパイプなどのねじ付きアクセサリを取り付けるために、金属製のインサートが提供されることもある。^[28]

ガス貯蔵シリンダーの異なる構造原理を分類するために、4つのタイプが定義されています。^[27]

• タイプ 1 - フルメタル: シリンダーは完全に金属で作られています。
• タイプ 2 - フープ ラップ: 繊維強化樹脂を使用したベルト状のフープ ラップで補強された金属製シリンダー。
• タイプ 3 – 金属ライナーの上に完全に巻かれたもの: 斜めに巻かれた繊維が、円筒形セクションと金属ネックの周りの底部と肩部に荷重支持シェルを形成します。金属ライナーは薄く、気密バリアとして機能します。
• タイプ 4 – 非金属ライナーの上に完全に巻き付けられています。軽量の熱可塑性ライナーが気密バリアと、繊維と樹脂マトリックスを巻き付けるマンドレルを提供します。ネック スレッドとライナーへのアンカーを運ぶネック部分のみが金属製です。

タイプ2と3のシリンダーは1995年頃から生産されています。タイプ4のシリンダーは少なくとも2016年から市販されています。^{[引用が必要]}

無限円筒形の巻き付けは、円筒軸に対して54.7度の巻き角度をとるのが最適であり、これにより、縦方向に対して周方向で2倍の強度が得られる。^[29]

フープ巻き繊維強化材は、シリンダー軸に対してほぼ 90° の角度で巻かれています。

圧力容器は圧力に合わせて設計されているため、通常は動作中にこの圧力を超えないようにするための 安全弁または安全弁が設けられています。

過熱した場合の保護のために、 容器またはシリンダーバルブに破裂ディスクが取り付けられていたり、可溶性プラグが取り付けられている場合があります。

破裂前の漏れとは、動作圧力で壊滅的な破損を引き起こすほどに亀裂が大きくなる前に、容器の亀裂が壁を貫通して成長し、内部の流体が漏れて圧力が低下するように設計された圧力容器を指します。

ASMEボイラおよび圧力容器規格^{[30]やAIAA金属圧力容器規格を含む多くの圧力容器規格では、圧力容器の設計において破裂前に漏れがないことを求めているか、破裂前に漏れがないことが確認されない場合は、}疲労や破壊に関するより厳しい要件を満たすことを圧力容器に求めています。^[31]

水圧試験（水で満たされた状態）の圧力は通常、作動圧力の 1.5 倍ですが、スキューバ シリンダーの DOT 試験圧力は作動圧力の 5/3 (1.66) 倍です。

圧力容器は、技術的には「設計圧力」および「設計温度」と呼ばれる特定の圧力および温度で安全に作動するように設計されています。高圧に対応でき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問題を引き起こします。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 (旧称 Stoomwezen) などの 他の国際規格などの設計規格によって管理されています。

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えら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ることに注意してください。

• EN 13445 :圧力機器指令(当初は「97/23/EC」、2014 年以降は「2014/68/EU」)と調和した現在の欧州規格。ヨーロッパで広く使用されています。
• ASME ボイラーおよび圧力容器規格セクション VIII: 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に置き換えられましたが、輸出機器の設計および構築用にPD 5500という名前で保持されています。
• 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): 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構築に関する仕様。
• ASME PVHO:人間居住用圧力容器に関する米国規格。
• CODAP: 非燃焼圧力容器の建造に関するフランスの規格。
• 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の規格。^[32]
• AS 1210: 圧力容器の設計と建設に関するオーストラリア規格
• AS/NZS 3788 : オーストラリアおよびニュージーランドの圧力容器検査規格^[33]
• API510. ^[34]
• ISO 11439:圧縮天然ガス（CNG）シリンダー^[35]
• IS 2825–1969 (RE1977)_コード_非発射_圧力容器。
• FRPタンクおよび容器。
• AIAA S-080-1998: 宇宙システムの AIAA 規格 - 金属圧力容器、加圧構造物、および圧力コンポーネント。
• AIAA S-081A-2006: 宇宙システムの AIAA 規格 -複合オーバーラップ圧力容器(COPV)。
• ECSS-E-ST-32-02C Rev.1: 宇宙工学 – 加圧ハードウェアの構造設計と検証
• B51-09 カナダのボイラー、圧力容器、圧力配管規格。
• 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、液化ガス用の輸送可能な圧力容器 - 基本設計、製造、使用、保守。
• SANS 1825:2010 第 3 版: 南アフリカ国家規格: ガスシリンダー試験ステーション ― 輸送可能な再充填可能なガス圧力容器の定期検査および試験に関する一般要件。ISBN 978-0-626-23561-1

圧力容器の設計に関する記録に残る最古のものは、1495年にレオナルド・ダ・ヴィンチの著書『マドリード手稿』に記載されており、その中で加圧空気の容器が重量物を水中に持ち上げるための理論が立てられている。^{[5]しかし、現在使用されているような容器は、ボイラーで蒸気を発生させて}産業革命を促進させた1800年代まで登場しなかった。^[5] しかし、材料の品質や製造技術が悪く、設計、操作、保守に関する知識が不適切だったため、これらのボイラーや圧力容器に関連して、損傷や死亡を伴う爆発が多数発生し、米国ではほぼ毎日のように死者が出ていた。^[5] 一度に数十人が死亡する特に壊滅的な容器の故障が発生した後、米国の地方自治体や州では、製造業者が場所によって異なる規則についていくのが困難になったため、これらの容器を建造するための規則を制定し始めた。最初の圧力容器規格は1911年に開発が始まり、1914年に公開され、ASMEボイラおよび圧力容器規格（BPVC）が始まりました。^[5]

10,000 psi (69 MPa) までの圧力に耐えられるタンクを設計する初期の取り組みとして、1919 年に直径 6 インチ (150 mm) のタンクが開発されました。このタンクは、側壁の破裂を防ぐために 2 層の高張力鋼線がらせん状に巻かれ、エンド キャップは縦方向の高張力ロッドで縦方向に補強されていました。^[36]石油精製所や化学工場では高圧高温容器が必要になったため、リベット (必要な圧力と温度には不向き) ではなく溶接で接合された容器が生まれ、1920 年代と 1930 年代には BPVC で溶接が許容される建設方法として取り上げられました。現在では、溶接が金属容器の接合の主な手段となっています。^[5]

圧力容器工学の分野では、高度な非破壊検査、フェーズドアレイ超音波検査および放射線検査、耐腐食性が向上した強度の高い新しい材料グレード、爆発溶接、摩擦撹拌溶接などの新しい材料接合方法、有限要素解析の使用など、容器で発生する応力をより正確に評価する高度な理論と手段など、多くの進歩があり、容器をより安全かつ効率的に構築できるようになりました。米国の圧力容器にはBPVCスタンプが必要ですが、BPVCは国内コードだけではなく、他の多くの国でもBPVCを公式コードとして採用しています。^{[引用が必要]} ただし、日本、オーストラリア、カナダ、英国、および欧州連合の他の国など、一部の国では他の公式コードがあります。ほぼすべての国が、圧力容器に固有の潜在的な危険性と、その設計と構造を規制する基準とコードの必要性を認識しています。^{[引用が必要] [説明が必要]}

• 天然ガス貯蔵
• ガスホルダー

用途や地域の状況に応じて、圧力容器の代替品が存在します。例としては、家庭用水収集システムがあり、次のようなものが使用されることがあります。

• 重力制御システム^{[37] [38]}は、通常、使用地点よりも高い標高にある非加圧水タンクで構成されています。使用地点の圧力は、標高差によって生じる静水圧の結果です。重力システムは、水頭（標高差）1フィートあたり0.43ポンド/平方インチ（3.0 kPa）を生成します。市営水道またはポンプ水は通常、約90ポンド/平方インチ（620 kPa）です。
• インラインポンプコントローラまたは圧力感知ポンプ。^[39]
• 原子炉では、圧力容器は主に、カルノー効率を高めるために冷却材（水）を高温で液体に保つために使用されます。他の冷却材は、はるかに低い圧力で高温に保つことができるため、溶融塩炉、鉛冷却高速炉、ガス冷却炉が注目されています。ただし、圧力容器を必要としない、または圧力が低い容器を必要としないという利点は、各代替アプローチに固有の欠点によって部分的に相殺されます。

• AC Ugural、SK Fenster、「Advanced Strength and Applied Elasticity」、第 4 版。
• EP Popov、固体の工学力学、第 1 版。
• Megyesy, Eugene F.「圧力容器ハンドブック、第 14 版」PV Publishing, Inc. オクラホマ州オクラホマシティ

• Megyesy, Eugene F. (2008、第 14 版)圧力容器ハンドブック。PV Publishing, Inc.: オクラホマ州オクラホマシティ、米国。www.pressurevesselhandbook.com ASME コードに基づく圧力容器の設計ハンドブック。

• 石油・ガス産業における圧力容器の使用
• 薄壁圧力容器の基本式と例
• ASME ヘッド、シェル、ノズル設計用の教育用 Excel スプレッドシート
• ASME ボイラーおよび圧力容器のウェブサイト
• Journal of Pressure Vessel Technology は 2012-10-15 にWayback Machineでアーカイブされています
• EU圧力機器指令ウェブサイト
• EU簡易圧力容器指令
• EU分類
• 圧力容器アタッチメント
• 構造の詳細を示す炭素繊維複合材ガスシリンダーの画像
• 工業用呼吸セット用の炭素繊維複合材酸素ボンベの画像