مخزن تحت فشار

ﻣﺨزن ﺑﻪ دو دسته اصلی ﺗﻘﺴﻴﻢ می‌ﺷﻮﻧﺪ

  • ﻣﺨزن ذﺧﻴﺮه (فاقد هرگونه فشار)
  • ﻣﺨزن ﺗﺤﺖ ﻓﺸﺎر (غیر استمسفریک)

انواع دیزاین کلی مخزن تحت فشار

  • افقی Horizontal برای ابعاد بزرگ و کوچک مناسب است
  • عمودی Vertical معمولا در طراحی های کلی محدودیت ارتفاع داریم (بغیر از راکتور ها و مخزن میعان)
  • کروی (فشار خیلی بالا)

ضخامت جداره مخزن

  • عملا وابسته به فشار مخزن است
  • متریال در محاسبات آن تاثیرگذار است
  • همچنین حرارت مخزن پارامتری تاثیرگذار در آن است

انواع مخزن از نظر سیال

  • گاز
  • مایع
  • پودری و گرانوله (در کاربرد های خیلی خاص)

مخزن تحت فشار استوانه ای Cylindrical Pressure Vessel

  • معمولا در دو مدل عمودی و افقی عرضه میشود
  • برای فشار های پایین بهترین گزینه است
  • برای ساخت سختی گیر، Dearator ، دیگ بخار و فیلتر شنی از این مخازن استفاده میشود
  • پرکاربرد ترین نوع از انواع مخازن تحت فشار، زیر 10 bar می باشند
مخزن تحت فشار
مخزن تحت فشار استوانه ای افقی
مخزن تحت فشار
مخزن تحت فشار کروی

مخزن تحت فشار کروی Spherical Pressure Vessel

  • معمولا در صنایع نفت و گاز به مخازنی با فشار خیلی بالا نیاز است
  • برای فشارهای خیلی بالا از مخزن کروی استفاده می شود
  • این مخازن توزیع تنش یکنواختی دارند و در سراسر آن، نقطه ضعیف تر وجود ندارد
  • این مخازن بسیار هزینه بر بوده و تولید آن سخت تر از مخازن استوانه ای است
  • توزیع تنش در سطح داخلی و خارجی کره یکنواخت است بنابراین نمی توان هیچ نقطه ضعفی را برای آن متصور بود
  • کره سطح کوچکتری بر واحد حجم نسبت به بقیه اشکال هندسی مخازن دارد و این به بدان معنی است که انتقال حرارت از محیط های گرمتر به سیال داخل مخزن نسبت به مخازن مخازن استوانه ای یا مکعبی بسیار کمتر است

استاندارد های جهانی مخزن تحت فشار

  • EN 13445: استاندارد طراحی مخازن در اروپا
  • ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII: قوانین ساخت مخازن تحت فشار
  • BS 5500: استاندارد قدیمی انگلیسی که با EN 13445 جایگزین شده‌است
  • AD Merkblätter: استاندارد آلمانی ساخت مخازن
  • EN 286(قسمت ۱ تا ۴): استاندارد اروپایی برای ساخت مخازن ساده (تانکر هوا)
  • BS4994: مشخصات طراحی و ساخت مخازن و تانکرهای پلاستیکی مسلح
  • ASME PVHO: استاندارد آمریکایی برای ساخت مخازن در تصرف انسان
  • CODAP: استاندارد فرانسوی برای ساخت مخازن تحت فشار بدون آتش
  • API 510: استاندارد آمریکایی برای بازرسی مخازن تحت فشار

دسته بندی مخازن تحت فشار

  • چیدمان:  افقی یا عمودی
  • نوع سیال ذخیره شده: گاز یا مایع
  • هندسه مخزن کروی، استوانه ای، مخروطی
  • ضخامت جداره مخازن جدار نازک یا جدار ضخیم
مخزن تحت فشار
مدلسازی مخزن تحت فشار

صنایع هدف مخزن تحت فشار

  • مخازن تحت فشار صنعتی معمولا در صنایع نفت و گاز کاربرد دارند
  • پتروشیمی ها یکی از خریداران برج های تقطیر هستند

کاربردهای مخزن تحت فشار

  • نگهداری گاز های مختلف مثل LPG، پروپان، آمونیاک، گاز کلر، بوتان
  • ذخیره سازی انواع گاز های مایع مانند آمونیاک، کلر، پروپان
  • نگهداری باد یا هوای فشرده
  • برج تقطیر
  • نگه دارنده هوای فشرده
  • منبع ذخیره آب
  • بویلر
  • اتاقک تحت فشار
  • مخزن هوای فضاپیما
  • وسل هوای زیردریایی
  • مخزن هیدرولیک تحت فشار
  • مخازن راکتور هسته ای
  • تانک های ذخیره آبگرم خانگی
  • کپسول های اکسیژن

تست هیدرو استاتیک مخزن تحت فشار

  • تست متداول برای مخازن تولید شده، تست هیدرو استاتیک است
  • معمولا با فشار 1.5 برابر فشار اسمی، مخازن تست میشود

مخزن تحت فشار

معرفی مخزن تحت فشار

  • مخزن تحت فشار یا Pressure vessel مخزنی معمولاً استوانه‌ای یا کروی است
  • برای نگهداری مایعات و گازها در فشاری بالاتر از اتمسفر استفاده می‌شود
  • مخازن تحت فشار غیر استاندارد بسیار حادثه ساز هستند و فجایع منجر به مرگ زیادی را تا بحال ساخته اند
  • به همین دلیل، طراحی، ساخت و بهره‌برداری از مخازن تحت فشار توسط مقامات مهندسی و توسط قانون حمایت می‌شود
  • تعریف مخزن فشار از کشوری به کشور دیگر متفاوت است
  • استاندارد اصلی برای طراحی این مخازن ASME Section VIII می‌باشد که توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا تدوین شده و هر چهار سال یکبار مورد بازنگری قرار می‌گیرد
  • کاربرد عمده این مخازن در صنایع نفت و گاز می‌باشد
  • طراحی آن شامل پارامترهایی مانند حداکثر فشار عملیاتی و درجه حرارت ایمن، ضریب ایمنی، میزان خوردگی مجاز و حداقل دمای طراحی (برای شکست ترد) می‌باشد
  • سازه با استفاده از تست‌های غیر مخرب مانند تست اولتراسونیک، رادیوگرافی و آزمایش فشار انجام می‌شود. در آزمایش هیدرواستاتیک از آب استفاده می‌کنند، و در آزمایش پنوماتیکی از هوا یا گاز دیگری استفاده می‌کنند
  • معمولاً تست هیدرواستاتیک ترجیح داده می‌شود، زیرا این روش یک روش ایمن تر است، در صورتی که شکست بدنه در طول آزمایش اتفاق بیفتد، حجم ناچیزی از انرژی آزاد می‌شود (آب به دلیل تراکم پذیری ناچیز برخلاف گازها در هنگام شکست بدنه سریعاً منبسط نمی‌شود در حالیکه در گازها این اتفاق باعث انفجار می‌شود)

مخزن تحت فشار

شکل مخزن تحت فشار

  • به صورت تئوری، مخازن تحت فشار می‌توانند تقریباً هر شکلی داشته باشند، اما بیشتر به شکل بخش‌هایی از کره‌ها، سیلندرها و مخروط‌ها ساخته می‌شود
  • شکل متداول آن یک استوانه با دو عدسی یا کلاهک در دو انتها است. شکل این کلاهک‌ها معمولاً یا به شکل نیمکره یا به شکل بشقابی (torispherical) است
  • تجزیه و تحلیل و ساخت شکل‌های پیچیده‌تر از گذشته تاکنون برای ساخت راحت و ایمن دشوار بوده‌است
  • در تئوری، مخازن تحت فشار کروی با ضخامت جدار یکسان دوبرابر مخازن تحت فشار استوانه ای استحکام دارند و ایده‌آل‌ترین شکل برای ساخت مخازن تحت فشار هستند
  • ولی ساخت این مخازن دشوارتر و پرهزینه‌تر است به همین دلیل اکثر مخازن، شکل استوانه ای با کلاهک‌های نیمه-بیضوی با نسبت ۲:۱ دارند
  • مخازن کوچکتر را از یک لوله و دو کلاهک می‌سازند

فشار کاری مخزن تحت فشار

  • سیلندرهای معمولی استوانه ای فشار بالا برای گازهای دائمی (گازهایی که در فشار ذخیره‌سازی، کندانس نمی‌شوند مانند هوا، اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، آرگون، هلیوم) با فرایند فورج گرم دوران و پرس می‌شوند تا یک مخزن فولادی بدون‌درز ساخته شود
  • تا سال ۱۹۵۰ در اروپا فشار کار سیلندرها برای استفاده در صنعت، صنایع دستی، غواصی و پزشکی تنها دارای ۱۵۰ بار فشار کار استاندارد (WP) بود. از زمان ۱۹۷۵ تاکنون فشار استاندارد ۲۰۰ بار است. آتش نشانان نیاز به سیلندرهای باریک (و سبک) برای حرکت در فضاهای محدود دارند، در حدود ۱۹۹۵ سیلندرهایی با فشار کاری ۳۰۰ بار بیرون آمد – ابتدا فقط با فولاد خالص
  • تلاش برای رسیدن به وزن‌های سبک‌تر منجر به تولید نسل‌های مختلفی از سیلندرهای کامپوزیتی (فیبر و ماتریس، بر روی یک لایه آستری) شد که توسط ضربه از بیرون راحت‌تر آسیب می‌بینند تا از داخل. برای مقابله با این آسیب‌پذیری ضخامت جدا را افزایش می‌دهند
  • سیلندرهای کامپوزیت – آتش‌نشانی یک بازار مهم است – که معمولاً برای فشار کاری ۳۰۰ بار ساخته می‌شوند
  • فشار تست هیدرواستاتیک (مخزن پرشده از آب) تقریباً از همان ابتدا تا به امروز ۵۰٪ بیشتر از ماکزیمم فشار کاری بوده‌است

متریال ساخت مخزن تحت فشار

  • اکثر مخازن تحت فشار از فولاد ساخته می‌شوند. برای ساخت یک مخزن استوانه ای یا کروی، اجزای نوردشده و احتمالاً فورج شده باید به هم جوشکاری شوند. خواص مکانیکی بدست آمده توسط نورد یا فورج ممکن است توسط فرایند جوشکاری کاهش پیدا کند به همین دلیل باید اقدامات لازم جهت مقابله و رفع این پدیده در نظر گرفته شود. علاوه بر استحکام مکانیکی کافی، استانداردها استفاده از فولادی با مقاومت در برابر ضربه بالا را تعیین می‌کنند، مخصوصاً برای مخازن با دماهای کاری پایین
  • دیگر مواد رایج برای ساخت مخازن شامل پلیمرهایی مانند PET در ظروف نوشابه‌های گازدار و مس در تجهیزات لوله‌کشی می‌شود
  • سطوح داخلی مخازن تحت فشار را می‌توان با مواد فلزی، سرامیکی و پلیمری برای محافظت در برابر سیال داخل محفظه پوشش داد. این پوشش می‌تواند همچنین درصد زیادی از فشار محفظه را تحمل کند.

تاریخچه

  • اولین طراحی دارای سند ثبت شده از مخازن تحت فشار در سال ۱۴۹۵ در کتاب لئوناردو داوینچی، Codex Madrid I، که در آن ظروف هوای تحت فشار، به منظور افزایش وزنه‌های سنگین زیر آب مورد آزمایش قرار گرفت، شرح داده شد.
  • با این حال، مخازنی شبیه به آنهایی که امروزه استفاده می‌شود تا سال‌های ۱۸۰۰ ساخته نشد، زمانی که بخار در دیگهای بخار تولید شده بود که باعث تحریک انقلاب صنعتی شد
  • با این حال، با کیفیت ضعیف مواد و تکنیک‌های تولید همراه با دانش نادرست طراحی، بهره‌برداری و تعمیر و نگهداری ضعیف، تعداد زیادی از انفجارهای مخرب و اغلب کشنده مرتبط با این دیگهای بخار و مخازن تحت فشار به صورت تقریباً روزانه فقط در ایالات متحده اتفاق می‌افتاد

امروزه

  • پیشرفت‌های زیادی در زمینه مهندسی مخازن تحت فشار وجود دارد مانند تست‌های غیر مخرب پیشرفته، تست اولتراسونیک Phase Array و رادیوگرافی، گریدهای مواد جدید با افزایش مقاومت به خوردگی و مواد قوی‌تر و راه‌های جدید برای اتصال مواد به یکدیگر مانند جوشکاری انفجاری یک ورق فلزی به دیگری (معمولا یک فلز مقاوم در برابر خوردگی نازک مانند فولاد زنگ‌نزن به یک فلز قوی تر مانند فولاد کربنی)، جوش کاری اصطکاکی (که فلزات را به هم متصل می‌کند بدون ذوب فلز)، نظریه‌های پیشرفته و ابزار دقیق‌تر ارزیابی تنش‌ها در مخازن مانند استفاده از تجزیه و تحلیل عناصر محدود (FEM)، اجازه می‌دهد که مخازن ایمن‌تر و کارآمدتر ساخته شوند. امروزه سازندگان مخازن در ایالات متحده نیاز به نصب علامت استاندارد BPVC بر روی مخازن خود دارند اما BPVC فقط یک کد (استاندارد) داخلی نیست، بسیاری از کشورهای دیگر BPVC را به عنوان کد رسمی خود پذیرفته‌اند. با این حال، دیگر کشورها مانند ژاپن، استرالیا، کانادا، انگلیس و اروپا دارای کدهای خود هستند (بعضی از آنها به بخش‌هایی از BPVC ارجاع می‌دهند)
  • صرف نظر از کشور سازنده، امروزه تقریباً همه با خطرات بالقوه ذاتی مخازن تحت فشار و نیاز به استانداردها و کدهای تنظیم کننده طراحی و ساخت آنها را تشخیص می‌دهند

فشار بیش از حد در مقابل تجمع

هر مخزن تحت فشار نصب شده در اتحادیه اروپا و SRV(هایی) که از آن محافظت می کنند، باید با PED مطابقت داشته باشند. در واقع، در اروپا آنها باید با هر یک از دستورالعمل‌های اروپایی که ممکن است اعمال شود، مطابقت داشته باشند، به عنوان مثال، دستورالعمل ATEX، که در فصل 4 در مورد «کدها» با جزئیات بیشتر بحث خواهیم کرد.

مانند سایر کدهای مخازن تحت فشار، PED تشخیص می دهد که اکثر SRV ها به مقداری افزایش فشار بالاتر از فشار تنظیم شده خود نیاز دارند تا کاملاً باز شوند و ظرفیت نامی کامل خود را کاهش دهند. این همان چیزی است که ما به آن فشار بیش از حد می گوییم.

PED، مانند ASME VIII، می پذیرد که SRV در MAP یا PS تنظیم شده است که دقیقا معادل MAWP در کد ASME است. همچنین در PED، MAP یا PS فشار طراحی ضعیف‌ترین جزء تجهیزات مورد استفاده در یک مخزن تحت فشار است که نیاز به محافظت در برابر فشارهای بیش از حد بالقوه دارد.

این مخزن فشار ممکن است مجموعه ای از اجزای مختلف باشد – لوله ها، فلنج ها، نازل ها، پوسته ها و غیره – و هر کدام ممکن است فشار طراحی متفاوتی داشته باشند. این محدودیت مخزن تحت فشار را برای افزایش بسیار کوتاه و استثنایی فشار بالاتر از MAP تعیین می کند، به ویژه برای اینکه SRV به درستی کار کند و به ظرفیت نامی خود برسد. این افزایش استثنایی انباشت نامیده می شود. بنابراین انباشتگی مختص مخزن تحت فشار فردی است و به SRV مربوط نمی شود. افزایش فشار SRV به جریان اسمی را فشار بیش از حد می گویند.

اصول مهندسی مخزن تحت فشار

مخازن تحت فشار، مبدل های حرارتی و سایر تجهیزات فرآیندی که در فشارهای بیشتر از 15 psig (1 بارگ) کار می کنند باید به گونه ای طراحی شوند که در برابر همه حالت های خرابی تحت هر ترکیبی از بارهای داخلی و خارجی که ظرف تحت شرایط عملیاتی معمولی متحمل می شود، مقاومت کنند.

مخازن تحت فشار معمولاً مطابق با آیین نامه انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME)، بخش VIII، بخش 1 طراحی می شوند. “طراحی بر اساس قوانین” که نیازی به ارزیابی دقیق همه تنش ها ندارد. در حالی که این آئین نامه فرمول هایی را برای ضخامت و تنش اجزا ارائه می دهد، این بر عهده مهندس است که روش های تحلیلی مناسب را برای تعیین تنش ناشی از بارگذاری های دیگر انتخاب کند و باید ترکیب مناسبی از بارها را برای دستیابی به یک طراحی اقتصادی و ایمن انتخاب کند.

بخش VIII، بخش 1، پاراگراف (UG-239c) بیان می کند که حداکثر تنش عمومی غشاء اولیه باید کمتر از تنش های مجاز ارائه شده در بخش های ماده کد باشد. این آئین نامه همچنین ایجاب می کند که حداکثر تنش غشا اولیه به اضافه تنش خمشی اولیه نباید از 1.5 برابر تنش مجاز ارائه شده در بخش های مواد تجاوز کند. مهندس باید درک اولیه ای از انواع مختلف تنش ها و بارگذاری ها داشته باشد تا نتایج تجزیه و تحلیل را به طور دقیق اعمال کند. پاراگراف های زیر دانش اولیه مورد نیاز برای به کارگیری نتایج تجزیه و تحلیل را ارائه می کنند.

انواع مخازن تحت فشار

مخازن تحت فشار، که از بطری های کوچک با قطر چند سانتی متر تا مخازن ذخیره سازی بزرگ با قطر چند متر متغیر است، در چندین کاربرد صنعتی، تجاری، هوافضا و حمل و نقل کاربرد گسترده ای دارند. کاربردهای معمول مخازن تحت فشار در شکل 2 نشان داده شده است.

35 مگاپاسکال) به موادی با استحکام بالاتر نیاز دارند تا ضخامت دیواره خود را در سطوح عملی نگه دارند. البته باید توجه داشت که فولادهای با استحکام بالا به دلیل تخریب احتمالی یکپارچگی مکانیکی آنها از طریق شکنندگی هیدروژنی، کاربرد محدودی دارند.

در اواسط دهه 1960، نیاز به مخازن تحت فشار سبک وزن برای پشتیبانی حیات و کاربردهای هوافضا منجر به استفاده از مواد تقویت کننده با مقاومت بالا و چگالی کم مانند شیشه و فیبر کربن شد. برای مثال، «حلقه‌بندی» ساده آسترهای فلزی با چنین موادی، عملکرد را از طریق کاهش 30 تا 40 درصدی وزن کلی در مقایسه با کشتی‌های نوع I افزایش می‌دهد. تقویت حلقه در این مخازن به اصطلاح نوع II همچنین می تواند طول عمر خستگی آستر فلزی را افزایش دهد زیرا یک تنش فشاری پسماند می تواند در طول فرآیند تولید در آستر وارد شود و در نتیجه باعث کاهش تنش های کششی در طول تحت فشار سیلندر شود.

مخزن تحت فشار نوع III

ساختارهایی دارند که با یک «پیچ‌بندی کامل» از الیاف تقویت‌کننده بهینه‌سازی شده‌اند. این نسخه ها معمولاً دارای آسترهای فولادی یا آلومینیومی هستند که تقریباً 20٪ بار فشار را تحمل می کنند، در حالی که بقیه توسط روکش کامپوزیت تقویت شده با الیاف تحمل می شود. پوشش کامپوزیت همچنین می تواند برای اعمال تنش فشاری باقیمانده در آستر فلزی به عنوان ابزاری برای افزایش عمر خستگی تحت سیکل های مکرر فشار-کاهش فشار استفاده شود. کشتی های نوع III برای اولین بار برای وزن بحرانی توسعه یافتند

ماموریت های فضایی و همچنین در کاربردهای پزشکی، تفریحی، آتش نشانی و تجاری رایج شده است.

مخازن نوع IV مشابه مخازن نوع III هستند

با این تفاوت که آستر فلزی با یک لاینر پلیمری غیر باربر جایگزین می شود. در کاربردهای خاص، ساخت و ساز “تمام کامپوزیت” ممکن است در مقایسه با استفاده از آسترهای فلزی مزایای هزینه و عملکرد را ارائه دهد. ساختار معمولی یک مخزن نوع IV به صورت شماتیک در شکل 3 نشان داده شده است. آسترهای پلیمری باعث افزایش عمر خستگی و مقاومت در برابر خوردگی می شوند.