دستور العمل طراحی مخازن تحت فشار
مقدمه
همانطور که می دانیم مخازن تحت فشار از جمله تجهیزاتی هستند که در شاخه 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 .
1-1مخازن تحت فشارچیست
مخزن تحت فشار طبق استاندارد ASME SEC VIII به مخازني گفته مي شود كه فشار طراحي داخل آن بيش 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 دارامی‌باشند.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.کاربرد عمده این مخازن در صنایع نفت و گاز می باشد.
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.
1- 2 روش ساخت مخازن تحت فشار
طبق استاندارد ASMEVIII (Division1)روش های ساخت مخازن تحت فشار به دو دسته زیر طبقه بندی می شوند،که به توضیح مختصری از برخی از آن ها می پردازیم.
1-جوشکاری
2-فورجینگ
1-2-1روش جوشکاری
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(.شكل1-1)
شکل1-1: روش جوشکاری در ساخت مخازن1-2-2 روش فورجینگ
ساخت مخازن 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.
1-3 مواد مورد استفاده برای ساخت مخازن
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 ساختASME BPVC Section Ii لیستی از بهترین مواد و محدودیت دما و فشار آن ها را مشخص کرده است.
بسیاری از منابع 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 و 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 منابع 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 با شد .
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.
1-4 طبقه بندی مخازن تحت فشار
1-4-1طبقه بندی بر اساس شکل
الف - مخازن استوانه ای
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.(شكل1-2)
شکل1-2 : نمونه یک مخزن تحت فشار استوانه ايب - مخازن کروی
به علت استحکام ذاتی شکل کروی این مخازن اصولا برای فشارهای بالا بکار می روند.مخازن ذخیره بزرگ که تحت فشار متوسط قرار دارند معمولا شکل کروی یا شبه کروی دارند.(شكل1-3)
شکل1-3: نمونه یک مخزن تحت فشار کروی
الف - مخزن تحت فشار داخلی
در این نوع مخزن معمولا سیالی با فشار بالاتر از فشار اتمسفر وجود دارد.
ب - مخزن تحت فشار خارجی
مخازن تحت فشاری که با شرایط خلاء مرتبط هستند باید برای فشار خارجی طراحی شوند در غیر این صورت متلاشی خواهند شد.
1-4-3 طبقه بندی بر اساس ضخامت جداره
الف - مخازن جدار نازک
یکی از متداولترین انواع مخازن است.در این مخازن نسبت ضخامت پوسته به قطر کمتر از 10% است.
ب - مخازن جدار ضخیم
در این نوع مخازن نسبت ضخامت پوسته به قطر بیشتر از 10% است.
1-5 کاربردها
مخازن تحت فشار درانواع کاربردهای گوناگون،هم در بخش صنعتی و هم در بخش خصوصی استفاده می شود.این مخازن برای ذخیره هوای فشرده ومخازن آب داغ خانگی کاربرد دارد.نمونه های دیگر از کاربرد آن می توان مخازن تحت فشاراستوانه غواصی،برج های تقطیر، اتوکلاو، درپالایشگاه های نفت و پتروشیمی، راکتورهای هسته ای، زیر دریایی وکشتی فضایی،مخازن پنوماتیکی وهیدرولیکی تحت فشار، مخازن کیسه هوای خودرو ومخازن ذخیره سازی گازمایع، مانند آمونیاک،کلر،پروپان، بوتان وLPG نام برد.(شكل 1-4)
شکل 1-4 : مخزن LPG در خودرو
1-6 تعاریف اولیه در ساخت مخازن تحت فشار
1-6-1فشار و دمای کاری : فشار و دمایی است که مخزن،تحت آن به عملکرد عادی خود می پردازد .
1-6-2 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 اشافه 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 .
1-6-3 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 درجه فارنهایت 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 دمايي 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 درجه فارنهایت برای فولادهای کربنی و 1200 درجه فارنهایت برای فولادهای کم آلیاژ را نمی دهد .
1-6-4 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 .
عبارت MAWP (new & cold) یکی از رایج ترین اصطلاحات در این زمینه بوده و اشاره به شرایط زير دارد :
· New ( بدون خوردگی )
· Cold ( فاقد شرایط دمای طراحی – در دمای اتاق )
بنابراین با توجه به تعریف اصلی MAWP خواهیم داشت :
MAWP [SUB]new&cold[/SUB] < MAWP
1-6-5 فشار تست هیدرواستاتیک : فشار این تست 5/1 برابر فشار طراحی و یا مساوی با MAWP در نظر گرفته می شود .1-6-6ماکزیمم 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.
1-6-7 استحکام اتصالات: مقداراین پارامتر (E) بستگی به نحوه اتصالات و درصد رادیوگرافی آنها دارد . در مورد مخزنی که قرار است بطور کامل رادیوگرافی شود ، لازم است تا کلیه خطوط A و D بصورت صد در صد و خطوط C و B ( به شرط اینکه از لوله 10in و یا ضخامت 1.2in فراتر رفته باشد ) رادیوگرافی شوند . اما اگر قرار باشد که مخزنی بصورت موضعی رادیوگرافی شود ، آنگاه محلهای اتصال خطوط B و C با خطوط دسته A ( شامل نازلهای با قطر بیش از از 10 in و ضخامت 1in ) و محل تماس مقاطع بدون درز مخزن یا عدسی ها وقتیکه طراحی جوشهای A و D بر مبنای استحکام 1.00 یا 0.9 صورت می پذیرد، باید بطور موضعی رادیوگرافی شوند.(شکل1-5)
شکل (1-5) نام گذاری انواع جوشهای طولی و عرضی بر روی یک مخزنچنان چه مخزنی فاقد هرگونه رادیوگرافی طراحی شده باشد آنگاه باید حائز یکی از شرایط زیر باشد :
الف – تنها فشار خارجی وجود داشته باشد .
ب- طراحی اتصالات بدون در نظر گرفتن تست رادیوگرافی صورت پذیرفته باشد .
در اینجا لازم است تا با انواع بارگذاریهای ممکن بر روی یک مخزن تحت فشار آشنا شده و از این راه اهداف طراحی و چگونگی آن جهت نیل به مقاصد اصلی را شناسائی کنیم . خلاصه ای از انواع بارگذاری هايي که میتواند بر مخزن تحت فشار اعمال شود در زیر مشاهده میگردد
1- فشار داخلی ( یا خارجی )
2- وزن مخزن
3- بارهای استاتیکی ناشی از لوله های اتصال ، تجهیزات متصل به مخزن ، ادوات داخلی و ...
4- بارهای دینامیکی مربوط به تغییرات فشار یا دمای مخزن
5- نیروهای ناشی از اثرات باد و زمین لرزه
6- بارهای ضربه ای ناشی از پدیده ضربه قوچ
7- تنش ناشی از گرادیان دمائی وابسته به زمان (اثر خزش)
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 :
1- تنش کششی
2- تنش فشاری
3- تنش پوسته ای اولیه ( تنش پسماند )
با این مقدمه ، هدف از طراحی یک مخزن 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 .
آخرین ویرایش:
