مخازن تحت فشار، کاربردی ترین یا خطرناک ترین!!!

اگر همه تجهیزات موجود در سایت های پالایشگاهی و پتروشیمی را به دو دسته تجهیزات ثابت و تجهیزات دوار تقسیم بندی کنیم، مخازن تحت فشار از اصلی ترین تجهیزات ثابت به شمار می روند.

مخازن تحت فشار، در کلی ترین تعریف مخازنی هستند که برای نگهداری سیالات (مایعات یا گازها) در فشاری بالاتر از فشار اتمسفر استفاده می‌شوند. البته الزاما نیاز نیست فشار بالایی در مخزن وجود داشته باشد، هر سیالی حتما در پایین خودش یک فشار هیدرواستاتیکی ایجاد می کند که بالاتر از فشار اتمسفر است

کاربردهای مخازن تحت فشار در صنایع

البته علاوه بر این مخازن تحت فشار در محدوده وسیعی از صنایع کاربرد دارند. مخازن گیرنده هوای فشرده، بویلرها، تانک های ذخیره آب داغ، محفظه های فشرده سازی، برج های تقطیر، راکتورهای هسته ای، مخازن مورد استفاده در عملیات معدنی، سایت های پتروشیمی، پالایشگاه های نفت، زیستگاه های زیر دریایی، مخازن هیدرولیک و پنوماتیک و ... از دیگر کاربردهای این مخازن هستند و یکی از ویژگی های خاص این مخازن، کابین مسافرها در خطوط هوایی است.

تاریخچه مخازن تحت فشار

قدیمی ترین اسناد از مخازن تحت فشار در کتاب لئوناردو داوینچی دیده شده است، اما اولین تجربه ساخت چنین تجهیزی در اوایل 1800 میلادی (در آستانه انقلاب صنعتی) بود که به عنوان دیگ بخار استفاده شد. اگرچه به دلیل عدم وجود دانش کافی در زمینه مواد و تکنیک های ساخت، اغلب به انفجارهای مهیبی منجر می شود.

بعد از سالها اولین مرجع و استاندارد در زمینه طراحی این مخازن در سال 1914 توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا (ASME) با نام Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) منتشر شد. در اولین تلاش ها مخازنی با ضخامت (Inch) 6 و تحمل فشار (PSI) 10.000 تولید شد. اما مخازن مورد استفاده در پالایشگاه های نفت و سایت های شیمیایی به تحمل فشار و دمای بالاتری نیاز داشت که منجر به پیشرفت هایی در زمینه مواد و روش های ساخت شد.

ویژگی ها و پارامترهای طراحی مخازن تحت فشار

شکل

اشکال رایج برای مخازن تحت فشار ، معمولا کروی، استوانه ای یا مخروطی است که از بین همین انواع هم مخازن استوانه ای با دو کلاهک (عدسی) به شکل نیم کره در ابتدا و انتها معمول ترین نوع به شمار میروند.

مواد

جنس اغلب مخازن تحت فشار از فولاد است که در بیشتر مواقع باید تحت عملیات نورد، فورج، جوشکاری و .... قرار گیرد. معمولا به دلیل فرآیندهای ذکر شده، خواص مکانیکی قطعه تغییر می کند، پس دقت در انتخاب فولاد مناسب اهمیت زیادی دارد.

بعضی مخازن تحت فشار از مواد کامپوزیتی ساخته می شود. استفاده از کامپوزیت ها، امکان تولید مخازنی بسیار سبک تر را ایجاد می کند، اما دشواری فرآیندهای ساخت در هنگام استفاده از این مواد از موانعی است که همچنان وجود دارد.

پلیمرها از دیگر موادی هستند که در ساخت مخازن تحت فشار استفاده می شوند. مانند PET که در محفظه نوشابه های گازدار به کار می رود.

فشار کاری در مخازن تحت فشار

امروزه فشار کاری استاندارد برای مخازن تحت فشار 200 بار است. البته برای استفاده های خاص مثل آتش نشانان که به مخازن سیلندر شکل سبک و باریک نیاز دارند و با استفاده از فولاد خاص، میتوان فشار کاری 300 بار نیز در نظر گرفت. در گذشته تا سال 1975، 150 بار بیشترین فشار مورد قبول استانداردها بود.

استانداردهای مربوط به طراحی مخازن

تعاریف مربوط به مخازن تحت فشار از کشوری به کشور دیگر متفاوت است. اما معتبرترین و اصلی ترین استاندارد برای طراحی این مخازن ASME Boiler & Pressure Vessel Code (BPVC) می‌باشد که توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا تدوین شده و هر چهار سال یکبار مورد بازنگری قرار می‌گیرد.

انجمن مهندسان مکانیک آمریکا (ASME) یک انجمن تخصصی آمریکایی است که به گفته خودش: " هنر، علم و تمرین های عملی را در شاخه های مختلف مهندسی ترویج می دهد و علوم را از روش های مختلف در سراسر دنیا متحد می کند. ASME همچنین یک جامعه مهندسی، سازمان استاندارد، سازمان تحقیق و توسعه است که در ابتدا بر مهندسی مکانیک و در آمریکای شمالی متمرکز بوده و امروزه به طور چند رشته ای و در تمام دنیا فعالیت دارد.

ASME Boiler & Pressure Vessel Code (BPVC) :

این کد یکی از استانداردهای ASME است که طراحی و ساخت بویلرها و مخازن تحت فشار را کنترل می کند. این سند توسط متخصصان داوطلب تدوین شده است و دارای 12 بخش است. بخش 8 (section VIII) به طور خاص به طراحی مخازن تحت فشار پرداخته است. این بخش از استاندارد دارای 3 بخش جزیی تر (Division) است.

دیویژن 1 : قوانین و الزامات مرتبط با مواد، عایق بندی، بازرسی، تست، فروش و .... برای مخازن تحت فشار با فشار داخلی یا خارجی بالاتر از (psi) 15

دیویژن 2 : قوانین و الزامات مرتبط با مواد، عایق بندی، بازرسی، تست، فروش و .... برای مخازن تحت فشار با فشار داخلی یا خارجی بالاتر از (psi) 3000 و کمتر از (psi) 10.000

دیویژن 3 : قوانین و الزامات مرتبط با مواد، عایق بندی، بازرسی، تست، فروش و .... برای مخازن تحت فشار با فشار داخلی یا خارجی بالاتر از (psi) 10.000

در دیویژن 1، ضریب اطمینان (safety factor) 3.5 در برابر تنش تسلیم ماده در نظر گرفته می شود و در دیویژن 2 به دلیل بازرسی های سخت گیرانه تر، ضریب اطمینان تا 2.4 کاهش می یابد و در نتیجه طراحی بهینه تری انجام خواهد شد چرا که بالا بردن ضریب اطمینان منجر به بالارفتن وزن و در نتیجه هزینه می شود و با پایین آوردن ضریب اطمینان ، این امکان را داریم که با وزن و هزینه کمتری طراحی انجام شود.

برای روشن تر شدن اختلاف بین دیویژن ها می توان اینگونه توضیح داد که در دیویژن 1 با مجموعه ای از روابط و فرمول ها مواجه هستیم.در واقع خروجی های بخش فرآیند در اختیار طراح قرار داده می شود و طراح با استفاده از این داده ها بعنوان ورودی و روابط موجود در کد طراحی را انجام می دهد و در نتیجه به خروجی ضخامت های مخزن می رسد. رایج ترین نرم افزار برای این رویکرد، طراحی مخازن تحت فشار در نرم افزار PV elite است.

محدودیت این روش در هندسه های پیچیده یا بارگذاری های پیچیده مشخص می شود، چون طبیعی است که روابط و فرمول ها همه شرایط و موارد خاص و پیچیده رو شامل نمی شود. بنابراین طراح مجبور به بالا بردن ضریب اطمینان است.

در دیویژن 2 طراح با رویکرد طراحی بر اساس تحلیل (design by analysis)رو به رو هست . به طور مثال در پارت 5 این دیویژن استاندارد به طراح این امکان را می دهد که از رویکرد المان محدود استفاده کند و تحلیل ها را در یکی از نرم افزارهای المان محدود مانند آباکوس (ABAQUS)یا انسیس (ANSYS) انجام دهد و المان محدودامکان کار با هندسه های پیچیده و انواع بارگذاری ها را می دهد. بنابراین نتایج دقیق تری به دست خواهد آمد، پس کد این اجازه را به طراح می دهد که با ضریب اطمینان پایین تری کار کند.

ماحصل این رویکرد ضریب اطمینان پایین تر ، وزن و ضخامت کمتر و هزینه کمتر و در نتیجه محصول بهینه تر است. البته استفاده از روش المان محدود، نیز دشواری هایی دارد. یکی از دشواری ها این است که به خیلی از جزییات این روش در کد اشاره ای نشده و به تجربه و دانش طراح در رویکرد المان محدود نیاز است.

با وجود این، دیویژن 1 استاندارد سالها در صنایع مختلف بخصوص صنایع نفت و گاز مورد استفاده قرار گرفته و موفق هم بوده است اما از آنجایی که نیاز دنیای صنعتی امروز طراحی و ساخت بهینه همه محصولات است باید به سمت کاهش هزینه ها حرکت کنیم، پس استفاده از دیویژن 2 به مرور جایگزین دیویژن قبلی می شود.

روش های ساخت

پرچ : روش استاندارد ساخت بویلرها و مخازن تحت فشار آهنی و فولادی، قبل از جوش های گاز و الکتریکی، پرچ صفحات خم شده و فورج شده بود.

ساخت یکپارچه: اکستروژن سرد و داغ که به ترتیب برای ماده آلومینیوم و فولاد به کار می روند، از متدهای متداول ساخت مخازن هستند.

جوش: یکی دیگر از روش های ساخت جوش دادن صفحات فرم گرفته به یکدیگر است.