مخزن تحت فشار

مخزن تحت فشار طبق استاندارد ASME SEC VIII به مخازنی گفته می شود که فشار طراحی داخل آن بیش از psi15 و کمتر ازpsi3000 باشد. این مخازن فلزی معمولاً استوانه‌ای یا کروی برای نگه داری و یا انجام فرآیند های شیمیایی مایعات و یا گازها می باشند که توانایی مقاومت در برابر بارگذاری‌های مختلف (فشار داخلی، و یا فشار خارجی و خلا در داخل) را دارا می‌باشند.

منابع تحت فشار از جمله تجهیزاتی هستند که در شاخه آب و فاضلاب، نفت و پتروشیمی و در اغلب صنایع اصلی نظیر نیروگاه و حمل و نقل از کاربرد ویژه و قابل توجهی برخوردار بوده و از اینرو توجه به مقوله طراحی و ساخت آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

استاندارد اصلی برای طراحی این مخازن ASME SECTION VIII می باشد که توسط انجمن مهندسین مکانیک آمریکا تدوین شده و هر چهار سال یکبار مورد بازنگری قرار می گیرد. معیار تبعیت از این استاندارد بیشتر بودن فشار داخلی مخزن ازpsi15 میباشد. مخازن تحت فشار برای اینکه کارکردی ایمن داشته باشند در فشار و دمای ویژه ای طراحی میشوند که اصطلاحا فشار طراحی و دمای طراحی گفته می شود.

طراحی و ساخت اینگونه تجهیزات تحت فشار بدون اصول و استفاده از کدها و استانداردهای طراحی بسیار خطرناک و حادثه آفرین خواهد بود. در ساخت مخازن تحت فشار به روش جوشکاری از روش های متعددی متناسب با متریال فلز پایه، نوع کاربری، میزان حساسیت در ساخت مخزن و تجهیزات کارگاه می توان استفاده کرد که از آن جمله می توان به روش جوشکاری الکترود دستی، جوشکاری میگ،جوشکاری زیر پودری و جوشکاری تیگ اشاره کرد. در این روش پس از رول کردن بدنه ی مخزن و ساختن کلاهک آن،آن ها را به هم جوش می دهند.

ساخت مخزن تحت فشار

ساخت مخزن تحت فشار به روش فورجینگ قابل اجرا برای مخازنی خواهد بود که در آن ها جوش های طولی وجود ندارد. همچنین این روش قابل اجرا در فولادهای کم کربن، فولادهای کم آلیاژ است. در تئوری هر ماده ای با تحمل تنش کششی بالا وخاصیت های کششی مناسب میتواند در ساخت مخازن به کار گرفته شود اما استاندارد های ساخت ASME BPVC Section Ii لیستی از بهترین مواد و محدودیت دما و فشار آن ها را مشخص کرده است.

بسیاری از انواع منبع تحت فشار از آهن تشکیل شده اند که ورق های آهنی به صورت رول در آمده و به عدسی ها و به همدیگر جوش داده میشوند. اما این جوش ممکن است بر بسیاری از خواص آ هن رول شده تاثیر منفی بگذارد مگر این که توجه هایی قبل از جوش کاری صورت بگیرد. علاوه بر استحکام مکانیکی مناسب، استاندارد های حال حاضر دنیا، شرکت ها را موظف می کند تا از آهنی با مقاومت بالایی در مقابل ضربه استفاده شود. همچنین برای محیط ها و سیالاتی که موجب خوردگی کربن استیل می شوند لازم است که از موادی با قابلیت مقاومت در برابر خوردگی استفاده کرد.

برخی از مخازن تحت فشار از کمپوزیت ها ساخته شده اند مانند فیبر های کربن با توجه به استحکام بالای فیبر کربن در برابر کشش، این نوع از مخازن تحت فشار میتوانند بسیار سبک باشند اما ساخت آن ها بسیار بسیار سخت می باشد. منابع تحت فشار برای جلوگیری از خرابی می توانند با پلیمر ها یا سرامیک ها محافظت بشوند، علاوه بر این، این پوشش خودش می تواند میزان زیادی از فشار را تحمل کند و یک پشتیبان خوب برای لایه ی اصلی می باشد.

مخزن تحت فشار اغلب به صورت یک استوانه ای با دو سر عدسی ساخته می شوند. این نوع مخازن رایج ترین نوع مخازن هستند. مخازن استوانه ای بلند ممکن است عمودی یا افقی باشند. اصولا نیاز عملیاتی یک برج تعیین کننده نوع افقی یا عمودی بودن آن است. برای مثال برج ها که نیاز به ثقل جهت جداسازی فازها دارند به صورت عمودی نصب می شوند در حالی که مبدل های حرارتی هم می توانند به صورت افقی و هم عمودی نصب گردند. در مورد مبدلهای حرارتی این انتخاب عموما بوسیله روش انتقال گرما وسیر سیال صورت می گیرد. در مخازن ذخیره محل نصب عمدتا عامل انتخاب می باشد.

تعاریف اولیه در ساخت مخزن تحت فشار

فشار و دمای کاری : فشار و دمایی است که مخزن تحت آن به عملکرد عادی خود می پردازد.

فشار طراحی: فشاری است که جهت تعیین حداقل ضخامت مجاز برای اجزاء مختلف مخزن تحت فشار در نظر گرفته می شود و معمولا 10% و یا 30 psi (هر کدام که بزرگتر باشد) بیشتر از فشار عملیاتی آن می باشد. چنانچه مخزن دارای ارتفاع قابل توجهی باشد (بیشتر از 10 متر) لازم است که فشار استاتیکی ناشی از وزن سیال نیز به رقم مزبور اضافه گردد. در مورد مخازنی که بطور معمول در شرایط خلاء کار می کنند و یا این که امکان خلاء برای آنها محتمل است باید طراحی با در نظر گرفتن پدیده خلاء کامل صورت پذیرد.

درجه حرارت طراحی : این پارامتر نقش مهمی در طراحی یک مخزن تحت فشار ایفا می کند چرا که مستقیما با مقدار تنش مجاز فلز بکار رفته در ساخت مخزن ارتباط دارد. به عنوان یک پیشنهاد می توان برای مخازنی که فعالیت آنها در محدوده قرار دارد بر اساس RATING فلنجهای بکار رفته در آنها اقدام به تعیین درجه حرارت طراحی نمود چرا که حداکثر تنش مجاز برای فولادهای کربنی و کم آلیاژ در محدوده فوق عمدتا ثابت است. برای مخازن با فولاد کربنی که شرایط دمایی بهره برداری از آنها نزدیک به محیط اطراف می باشد تعیین حداقل درجه حرارت شکست ترد همواره وجود خواهد داشت. یادآوری میشود که آیین نامه در هیچ حالتی اجازه استفاده از درجه حرارت بالاتر از 1000 برای فولادهای کربنی و 1200 برای فولادهای کم آلیاژ را نمی دهد.

حداکثر فشار کاری مجاز: فشاری است که تحت آن فشار، ضعیف ترین عضو مجموعه به نقطه نهائی تنش تسلیم خود می رسد. معمولا سازندگان مخازن تحت فشار مقدارM.A.W.P را با توجه به پوسته مخزن تخمین می زنند و اجزاء کوچک مثل فلنج یا دریچه ها را مبنای محاسبه قرار نمی دهند.

فشار تست هیدرواستاتیک: فشار این تست 5/1 برابر فشار طراحی و یا مساوی با MAWP در نظر گرفته می شود.

ماکزیمم تنش مجاز: مقدار این کمیت بستگی به جنس ماده بکار رفته در ساخت مخزن داشته و مستقیما با خواص مکانیکی ماده تشکیل دهنده مخزن در ارتباط است.

معمولا در فرآیند طراحی یک مخزن تحت فشار، چنانچه مخزن درشرایط خاصی قرار نداشته باشد میتوان برای راحتی کار، اثرات بارهای استاتیکی، دینامیکی، ضربه ای و همچنین پدیده خزش را نادیده گرفته و بدین ترتیب فقط تنش ناشی از فشار داخلی (یا خارجی) و نیز وزن مخزن به همراه اثرات باد و زمین لرزه در طراحی یک مخزن تحت فشار نقش اساسی ایفا می کنند. با توجه به گوناگونی شرایط بارگذاری و همچنین فرآیندهای تولید ورق و دیگر اجزاء مورد نیاز یک مخزن تحت فشار، تنش های ایجاد شده را می توان به 3 گروه عمده دسته بندی نمود :

• تنش کششی
• تنش فشاری
• تنش پوسته ای اولیه (تنش پسماند)

هدف از طراحی یک منبع تحت فشار را می توان بطور خیلی ساده غلبه بر انواع تنشهای ایجاد شده با توجه به شرایط عملکردی آن دانست به گونه ای که شکل فیزیکی مخزن از قابلیت های عملکردی مطلوب برخوردار باشد.

طراحی منبع تحت فشار

با توجه به روابط موجود (از مقاومت مصالح) در رابطه با محاسبه ضخامت مورد نیاز جهت پوسته و عدسی یک مخزن تحت فشار استوانه ای شکل , می توان از روابط زیر بهره گرفت :

که در آنها :

t ضخامت: Shell Thickness (in)

P فشار : Pressure (psi)

R شعاع : Internal Radius

S تنش: Stress Value (psi)

E مدول: Joint Efficiency

بعد از اینکه شل ها به هم مونتاژ شد مطابق نقشه معمولاً سوراخ manhole ( opening) در زاویه 180 درجه یا 90 درجه با خط محور مخزن قرار دارد. پس ابتدا بایستی از روی نقشه زاویه خط جوش طولی نزدیک به manhole را از نقشه بر حسب زاویه داده شده است را تبدیل به میلیمتر کرده و بر روی شل با سنبه زدن ایجاد کنیم و بعد توسط هوا برش دایره ای مطابق با نقشه به روی شل ایجاد می کنیم.

در واقع همانطور که گفته شد معمولاً manhole در زاویه 90, 180 و 270 قرار دارد. از روی همان خط سنبه محیط را به چهار قسمت مساوی تقسیم می کنیم و بعد از تقسیم محیط توسط خط کشی خط محور را در طول مخزن امتداد می دهیم این کار را در هر چهار طرف مخزن انجام می دهیم. این خطوط محور بطور عامیانه به خطوط آکس معروف می باشد. دلیل اکس بندی کردن مخزن بخاطر مونتاژ نازل ها و اتصالاتی است که روی مخزن سوار می شوند چون مطابق با نقشه اندازه نازل ها را تا خط اکس مخزن می دهند که به projection معروف است.

یکی از استفاده های مخازن تحت فشار کاربرد آن ها در تولید فیلترهای شنی و سختی گیر در کنار منبع کویل دار می باشد.