آشنایی با مخازن تحت فشار و کاربردها

اگر تجهیزات موجود در واحدهای صنعتی بزرگ مانند پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها را به دو دسته‌ اصلی تجهیزات ثابت و دوار تقسیم کنیم، مخازن تحت فشار بدون شک یکی از کلیدی‌ترین و فراوان‌ترین تجهیزات ثابت به شمار می‌روند. در مقاله مهندسی نفت چیست؟ (گرایش ها، بازار کار و درآمد) این نکته گفته شد که مهندسی مخازن یکی از زیرشاخه‌های مهندسی نفت است که به مدیریت و بهره‌برداری بهینه از مخازن نفت و گاز می‌پردازد.

این مخازن که برای نگهداری سیالات در فشاری متفاوت از فشار محیط طراحی شده‌اند، همزمان که نقشی حیاتی و کاربردی در قلب فرآیندها ایفا می‌کنند، به دلیل انرژی ذخیره‌شده در آن‌ها، پتانسیل خطرآفرینی بالایی نیز دارند. از این رو، طراحی، ساخت، بازرسی و بهره‌برداری از آن‌ها نیازمند دانش فنی عمیق و رعایت استانداردهای سخت‌گیرانه است. در این مقاله به معرفی این تجهیزات، تاریخچه، اصول طراحی، استانداردها و چالش‌های مرتبط با آن‌ها می‌پردازیم.

مخازن تحت فشار چیست؟ (تعریف و تاریخچه)

مخازن تحت فشار، در کلی‌ترین تعریف، محفظه‌ بسته‌ای است که برای نگهداری سیالات (مایعات یا گازها) در فشاری بالاتر از فشار اتمسفر طراحی و ساخته می‌شوند. این فشار می‌تواند ناشی از فرآیند یا صرفاً فشار هیدرواستاتیکی خود سیال باشد.

اگرچه اولین طرح‌های مفهومی از این مخازن در دست ‌نوشته‌های لئوناردو داوینچی دیده شده است، اما اولین تجربه‌ی ساخت عملی آن‌ها به اوایل قرن نوزدهم میلادی و آستانه‌ی انقلاب صنعتی بازمی‌گردد. این مخازن ابتدایی عمدتاً به‌عنوان دیگ بخار (Boiler) برای به حرکت درآوردن ماشین‌آلات استفاده می‌شدند. با این حال، به دلیل نبود دانش کافی در زمینه‌ی علم مواد، تکنیک‌های ساخت و اصول طراحی، انفجارهای مهیب و فاجعه‌بار امری رایج بود. این حوادث مرگبار، نیاز به یک مجموعه‌ی مدون از قوانین را آشکار ساخت. سرانجام، پس از سال‌ها تلاش، اولین مرجع و استاندارد جامع در این زمینه در سال ۱۹۱۴ توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا (ASME) با نام Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) منتشر شد که انقلابی در ایمنی و طراحی این تجهیزات ایجاد کرد. از آن زمان، پیشرفت در علم مواد و روش‌های ساخت، امکان طراحی مخازن با فشارها و دماهای بسیار بالاتر را برای صنایع مدرن فراهم کرده است.

کاربردهای گسترده مخازن تحت فشار

مخازن تحت فشار در محدوده‌ی وسیعی از صنایع و حتی در زندگی روزمره کاربرد دارند. جدول زیر برخی از مهم‌ترین کاربردهای این تجهیزات را نشان می‌دهد:

آشنایی با استاندارد ASME BPVC

اگرچه هر کشور ممکن است استانداردهای داخلی خود را داشته باشد، اما معتبرترین و پرکاربردترین استاندارد جهانی برای طراحی و ساخت مخازن تحت فشار، ASME Boiler & Pressure Vessel Code -BPVC است. این کد توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا (ASME) تدوین شده و هر چهار سال یکبار مورد بازنگری و به‌روزرسانی قرار می‌گیرد.

این کد جامع دارای ۱۲ بخش (Section) است که هر بخش به جنبه‌ی خاصی از طراحی، مواد، ساخت، بازرسی و تست می‌پردازد. بخش ۸ (Section VIII) این استاندارد به طور ویژه به طراحی مخازن تحت فشار اختصاص دارد و خود به سه بخش جزئی‌تر (Division) تقسیم می‌شود:

• Division 1: این بخش قوانین و الزامات طراحی برای مخازن تحت فشار با فشار داخلی یا خارجی بیشتر از 15 psi را پوشش می‌دهد. طراحی در این بخش عمدتاً بر اساس روابط و فرمول‌های مشخص (Design by Rule) انجام می‌شود. این روش برای هندسه‌های استاندارد بسیار رایج و موفق است اما برای هندسه‌های پیچیده، طراح را مجبور به استفاده از ضرایب اطمینان بالاتر می‌کند.
• Division 2 -Alternative Rules: این بخش استاندارد جایگزین برای طراحی مخازن با فشار تا 10,000 psi را ارائه می‌دهد. این دیویژن، علاوه بر روش فرمولی، رویکرد طراحی بر اساس تحلیل (Design by Analysis) را معرفی می‌کند که امکان استفاده از روش‌های عددی مانند المان محدود (FEA) را فراهم می‌سازد. به دلیل تحلیل‌های دقیق‌تر و الزامات بازرسی سخت‌گیرانه‌تر، ضریب اطمینان در این بخش پایین‌تر است که منجر به طراحی بهینه‌تر و سبک‌تر می‌شود.
• Division 3 -Alternative Rules for High Pressure: این بخش الزامات طراحی برای مخازن با فشار بسیار بالا (معمولاً بالاتر از 10,000 psi) را پوشش می‌دهد.

برای مطالعه دقیق‌تر این استاندارد، می‌توانید به سایت asme.org مراجعه نمایید.

اصول طراحی مخازن تحت فشار

طراحی یک مخزن تحت فشار شامل بررسی پارامترهای مختلفی است که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌شود:

• شکل (Shape):
  • رایج‌ترین اشکال برای مخازن تحت فشار، کروی، استوانه‌ای و مخروطی است.
  • مخازن کروی از نظر توزیع تنش بهترین عملکرد را دارند اما ساخت آن‌ها دشوار و پرهزینه است.
  • متداول‌ترین نوع، مخازن استوانه‌ای با دو کلاهک (عدسی) در ابتدا و انتها می‌باشند که معمولاً به شکل نیم‌کره یا بیضوی ساخته می‌شوند.
• مواد (Materials):
  • اغلب مخازن تحت فشار از فولاد کربنی یا فولاد آلیاژی ساخته می‌شوند که باید قابلیت شکل‌دهی (نورد)، فورج و جوشکاری خوبی داشته باشند. انتخاب دقیق گرید فولاد بر اساس دما، فشار و نوع سیال بسیار حیاتی است.
  • در کاربردهای خاص که وزن اهمیت دارد (مانند صنایع هوافضا)، از مواد کامپوزیتی استفاده می‌شود که بسیار سبک‌تر است اما فرآیند ساخت پیچیده‌تری دارند.
  • برای برخی کاربردهای سبک مانند بطری نوشابه‌های گازدار، از پلیمرهایی مانند PET استفاده می‌شود.
• روش‌های ساخت (Fabrication Methods):
  • جوشکاری: رایج‌ترین روش ساخت، جوش دادن صفحات فرم‌داده‌شده به یکدیگر است. کیفیت جوشکاری تأثیر مستقیمی بر ایمنی و عمر مخزن دارد.
  • پرچ‌کاری: این روش قبل از توسعه‌ی جوشکاری مدرن استفاده می‌شد و امروزه کاربرد ندارد.
  • ساخت یکپارچه: برای مخازن کوچک‌تر، از روش‌هایی مانند اکستروژن سرد (برای آلومینیوم) یا اکستروژن داغ (برای فولاد) برای ساخت بدنه‌ی یکپارچه استفاده می‌شود.

طراحی با روش المان محدود (FEA) در مخازن تحت فشار

همانطور که اشاره شد، رویکرد Design by Analysis که در ASME Sec. VIII, Div. 2 معرفی شده، به طراحان اجازه می‌دهد تا از ابزارهای قدرتمند تحلیل المان محدود (FEA) با نرم‌افزارهایی مانند ABAQUS یا ANSYS استفاده کنند. این رویکرد مزایا و معایب خاص خود را دارد:

با وجود دشواری‌ها، نیاز روزافزون صنایع به طراحی‌های بهینه و کاهش هزینه‌ها، حرکت به سمت استفاده از Division 2 و روش‌های تحلیلی را تسریع کرده است.از جمله دوره‌های گروه آموزشی پارس‌ پژوهان می‌توان به دوره آموزش آباکوس مقدماتی (ABAQUS) و دوره آموزش Ansys CFX مقدماتی اشاره کرد که به مهندسان کمک می‌کند تا مهارت‌های لازم برای ورود به این حوزه‌ی پیشرفته از طراحی را کسب کنند. بعد از شرکت در دوره آباکوس پیشنهاد می‌شود حتما برای آشنایی و کار با مثال‌های واقعی و صنعتی دوره آموزش طراحی مخازن تحت فشار بر اساس ASME Sec.8 Div.2 در آباکوس (ABAQUS) و تحلیل در ABAQUS را نیز در رزومه خود داشته باشید. این مهارت به جذب شما توسط پیمانکارهای معتبر کشور کمک زیادی خواهد کرد.

کاربردها و چالش‌ها در صنعت

علاوه بر تنوع گسترده‌ی کاربردها، بهره‌برداری از مخازن تحت فشار با چالش‌هایی نیز همراه است که مهم‌ترین آن‌ها به فشار کاری و ایمنی مربوط می‌شود.

• فشار کاری (Working Pressure):
  • امروزه فشار کاری استاندارد برای بسیاری از مخازن صنعتی حدود 200 بار (تقریباً 3000 psi) است.
  • برای کاربردهای خاص مانند سیلندرهای تنفسی آتش‌نشانان که نیاز به وزن کم و فشار بالا دارند، با استفاده از فولادهای خاص و کامپوزیت‌ها، فشار کاری تا 300 بار و حتی بالاتر نیز قابل دستیابی است. این در حالی است که تا قبل از سال ۱۹۷۵، فشار ۱۵۰ بار به‌عنوان یک حد بالا در استانداردها شناخته می‌شد.
• چالش‌های ایمنی و بازرسی:
  • مهم‌ترین چالش، اطمینان از ایمنی مخزن در طول عمر آن است. هرگونه نقص در طراحی، ساخت یا بهره‌برداری می‌تواند منجر به گسیختگی فاجعه‌بار شود.
  • پدیده‌هایی مانند خوردگی، خستگی، خزش و ترک‌های ناشی از تنش، باید به‌طور مداوم از طریق بازرسی‌های دوره‌ای (مانند تست‌های غیرمخرب - NDT) کنترل شوند.
  • هرگونه تعمیر یا اصلاح بر روی مخزن باید مطابق با استانداردها و توسط افراد متخصص انجام شود.

جمع‌بندی

مخازن تحت فشار، تجهیزاتی ضروری و در عین حال بالقوه خطرناک است که ستون فقرات بسیاری از فرآیندهای صنعتی را تشکیل می‌دهند. تاریخچه این تجهیزات، داستان تلاش بشر برای مهار انرژی و افزایش ایمنی است؛ تلاشی که منجر به تدوین استانداردهای جامعی مانند ASME BPVC شد. امروزه، یک مهندس طراح موفق در این حوزه، نه تنها باید با اصول کلاسیک و روش‌های فرمولی (Division 1) آشنا باشد، بلکه باید به رویکردهای نوین طراحی بر اساس تحلیل (Division 2) و ابزارهای قدرتمند المان محدود نیز تسلط یابد تا بتواند محصولی ایمن، کارآمد و بهینه ارائه دهد. درک عمیق از مواد، روش‌های ساخت و الزامات بازرسی، تضمین‌کننده عملکرد ایمن این تجهیزات حیاتی در طول عمرشان خواهد بود.

نویسنده: علی بهرام، کارشناسی ارشد مهندسی فرآیند.