نحوه کار مخازن تحت فشار: اصول، اجزاء و ملاحظات مهندسی

فیزیک بنیادی: فشار چگونه استرس ایجاد می کند

هنگامی که یک سیال در داخل یک ظرف بسته تحت فشار قرار می گیرد، در هر جهت به طور مساوی به بیرون فشار می آورد. این فشار داخلی باعث ایجاد استرس مکانیکی در دیواره رگ می شود - در درجه اول دو نوع: استرس حلقه (محیطی) و تنش طولی (محوری).

برای یک مخزن استوانه ای دیواره نازک، این تنش ها با استفاده از روابط زیر محاسبه می شوند:

• تنش حلقه = (P × r) / t - جایی که P فشار داخلی، r شعاع داخلی و t ضخامت دیواره است. این همیشه دو برابر تنش طولی است، به همین دلیل است که کشتی‌های استوانه‌ای معمولاً در امتداد یک درز طولی شکست می‌خورند.
• تنش طولی = (P × r) / (2t) - در امتداد طول سیلندر عمل می کند، که بیشترین اهمیت را در سرپوش های انتهایی دارد.

یک مثال عملی: یک ظرف استوانه ای با شعاع داخلی 500 میلی متر، ضخامت دیواره 20 میلی متر، که در 10 بار (1 مگاپاسکال) استرس حلقه ای ایجاد می کند 25 مگاپاسکال . برای فولاد کربنی با استحکام تسلیم 250 مگاپاسکال، این یک حاشیه ایمنی 10× را در چارچوب الزامات طراحی معمولی باقی می‌گذارد. فراتر رفتن از فشار طراحی، حتی برای مدت کوتاه، این حاشیه را به سرعت از بین می برد.

اجزای اصلی یک مخزن تحت فشار

هر مخزن تحت فشار - صرف نظر از کاربرد - از مجموعه ای از اجزای ساختاری اصلی تشکیل شده است که هر کدام عملکرد مهندسی خاصی دارند.

پوسته

پوسته بدنه اصلی حاوی فشار است. پوسته های استوانه ای رایج ترین هستند زیرا تنش حلقه را به طور یکنواخت توزیع می کنند. پوسته های کروی از نظر ساختاری کارآمدتر هستند - برای فشار داخلی و حجم یکسان، یک کره نیاز دارد تقریبا نصف ضخامت دیواره یک سیلندر - اما ساخت آنها گرانتر و پیچیده تر است.

سر (کلاه انتهایی)

سرها انتهای رگ های استوانه ای را مهر و موم می کنند. چهار نوع اصلی هر کدام تعادل متفاوتی از هزینه، قدرت و کارایی فضا را ارائه می دهند:

• سر نیمکره ای : قوی ترین و کارآمدترین ضخامت دیواره می تواند نصف پوسته سیلندر باشد. در کاربردهای فشار بالا بالای 150 بار استفاده می شود.
• سر بیضوی (نیمه بیضوی 2:1) : رایج ترین انتخاب صنعتی. استحکام خوبی را با هزینه ساخت متوسط ​​ارائه می دهد.
• سر توریسفریک (کلوپر یا کوربوژن) : هزینه کمتر از بیضی; به طور گسترده در کاربردهای فشار پایین زیر 15 بار استفاده می شود.
• سر صاف : ساده ترین برای ساخت اما به ضخامت قابل توجهی بیشتر نیاز دارد. معمولاً به کاربردهای با قطر کم و فشار کم محدود می شود.

نازل ها و دهانه ها

نازل ها نفوذهایی از طریق دیواره پوسته برای لوله های ورودی/خروجی، ابزار دقیق، منهول ها و وسایل ایمنی هستند. هر دهانه یک تمرکز تنش ایجاد می کند - دیوار پوسته باید به صورت موضعی با مواد اضافه شده (تقویت لنت یا صفحات درج) تقویت شود تا جبران شود. بخش هشتم ASME مستلزم این است که سطح مقطع فلز حذف شده در یک منطقه تقویتی تعریف شده در اطراف هر نازل جایگزین شود.

ساختارهای پشتیبانی

نحوه پشتیبانی یک کشتی بر توزیع تنش در پوسته آن تأثیر می گذارد. کشتی های افقی معمولا از تکیه گاه های زین استفاده می کنند. رگ های عمودی از دامن، پاها یا بند استفاده می کنند. طراحی پشتیبانی باید وزن مرده، بارگذاری باد، نیروهای لرزه ای و انبساط حرارتی را در نظر بگیرد.

دستگاه های امداد ایمنی

یک شیر کاهش فشار (PRV) یا دیسک پارگی تقریباً در هر مخزن تحت فشار اجباری است. PRV معمولاً با فشار تنظیم شده باز می شود 10٪ بالاتر از حداکثر فشار کاری مجاز (MAWP) - تخلیه فشار اضافی قبل از وقوع خرابی سازه. دیسک های پارگی عناصر انفجاری یک بار مصرف هستند که سریعتر از PRV ها پاسخ می دهند و در برنامه هایی استفاده می شوند که نشتی دریچه غیرقابل قبول است.

انواع متداول مخازن تحت فشار و کاربرد آنها

مخازن تحت فشار تقریباً در هر بخش صنعتی ظاهر می شوند. الزامات طراحی بسته به کاربرد بسیار متفاوت است.

انتخاب مواد: تطبیق فلز با شرایط

انتخاب مواد یکی از مهم ترین تصمیمات مهندسی در طراحی مخازن تحت فشار است. انتخاب نادرست مواد منجر به خوردگی، شکنندگی یا شکست فاجعه‌بار می‌شود. انتخاب باید دمای کار، فشار، شیمی سیال و بارگذاری چرخه ای را در نظر بگیرد.

فولاد کربن

اسب کار ساخت مخازن تحت فشار. فولاد کربنی (به عنوان مثال، ASTM A516 درجه 70) استحکام کششی را ارائه می دهد. 485-620 مگاپاسکال ، به راحتی قابل جوش است و برای دماهای بین سرویس مقرون به صرفه است -29 درجه سانتی گراد و 343 درجه سانتی گراد . حساس به خوردگی است و برای محیط های بسیار اسیدی یا غنی از کلرید بدون پوشش محافظ مناسب نیست.

فولاد ضد زنگ

ضد زنگ درجه 316L استانداردی برای خدمات خورنده - دارویی، فرآوری مواد غذایی و محیط های دریایی است. محتوای مولیبدن آن باعث بهبود مقاومت در برابر حفره های کلرید می شود. حق بیمه هزینه نسبت به فولاد کربنی معمولاً است 3-5× ، که باید با هزینه کمک هزینه خوردگی، آسترها و بازرسی در خدمات تهاجمی سنجیده شود.

فولادهای آلیاژی برای دمای بالا

فولادهای کروم مولیبدن (مانند ASTM A387 Gr. 11 و Gr. 22) در خدمات با دمای بالا و فشار بالا مانند راکتورهای هیدروکراکری که در بالا کار می کنند استفاده می شود. 400 درجه سانتی گراد و 150 بار . این آلیاژها در برابر خزش مقاومت می کنند - تغییر شکل تدریجی فلز تحت تنش پایدار در دمای بالا - که در فولاد کربنی بالاتر از 370 درجه سانتیگراد قابل توجه است.

مواد غیر فلزی و کامپوزیت

مخازن پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) در جایی که مقاومت در برابر خوردگی حیاتی است و فشارهای عملیاتی متوسط (معمولاً زیر 20 بار) استفاده می شود. وزن می کنند 60-75٪ کمتر نسبت به کشتی های فولادی معادل مخازن تحت فشار کامپوزیت کامپوزیت فیبر کربن (COPVs) در هوافضا و ذخیره‌سازی گاز فشار بالا استفاده می‌شوند و به فشار بالای 700 بار در کسری از وزن طرح‌های تمام فلزی دست می‌یابند.

استانداردهای طراحی و گواهینامه های جهانی

هیچ مخزن تحت فشاری نباید بدون انطباق با استانداردهای شناخته شده طراحی، ساخته یا راه اندازی شود. این کدها حداقل ضخامت دیوار، مقادیر تنش مجاز، راندمان اتصالات جوش، الزامات بازرسی و مستندات را تعریف می کنند.

بخش 2 ASME بخش VIII تنش های مجاز بالاتری را نسبت به بخش 1 در ازای الزامات طراحی با تحلیل و بازرسی دقیق تر می دهد. برای کشتی هایی که در بالا کار می کنند 350 بار ، بخش 3 (قوانین جایگزین برای ساخت کشتی های فشار قوی) اعمال می شود.

حالت های رایج شکست و نحوه جلوگیری از آنها توسط مهندسی

درک چگونگی خرابی مخازن تحت فشار برای طراحی مخازن تحت فشار بسیار مهم است. رایج ترین مکانیسم های شکست عبارتند از:

خوردگی

علت اصلی خرابی مخازن تحت فشار در سرویس. کدهای ASME از طراحان می خواهند که a را مشخص کنند کمک هزینه خوردگی - ضخامت دیوار اضافی فراتر از حداقل نیاز محاسبه شده اضافه شده است. برای فولاد کربنی در سرویس ملایم، 1.5-3 میلی متر معمول است. برای خدمات شیمیایی تهاجمی، ممکن است 6 میلی متر یا بیشتر مورد نیاز باشد. کشتی ها باید به طور دوره ای آزمایش اولتراسونیک شوند تا ضخامت دیواره باقی مانده تایید شود.

خستگی

کشتی‌هایی که تحت بارگذاری چرخه‌ای فشار قرار می‌گیرند - تحت فشار و کاهش فشار مکرر - حتی در تنش‌های بسیار پایین‌تر از تسلیم، آسیب خستگی را جمع می‌کنند. کشتی طراحی شده برای فشار استاتیک اما چرخه بیش از 1000 بار در طول عمر مفید آن معمولاً به تجزیه و تحلیل خستگی رسمی تحت قوانین بخش 2 ASME نیاز دارد. کاربردهای چرخه بالا مانند باتری های هیدرولیک ممکن است برای میلیون ها چرخه طراحی شوند.

خزش

در دماهای بالا، فلزات به آرامی تحت تنش حتی زیر نقطه تسلیم خود تغییر شکل می دهند. فولاد کربنی شروع به خزش قابل اندازه گیری در بالا می کند 370 درجه سانتی گراد ; فولادهای زنگ نزن آستنیتی بالاتر از حدود 550 درجه سانتیگراد. سرویس در دمای بالا نیازمند انتخاب آلیاژ و مقادیر تنش طراحی است که از داده‌های گسیختگی خزشی به جای ویژگی‌های کششی دمای اتاق گرفته شده است.

تردی هیدروژنی

در خدمات هیدروژنی (معمولاً در فرآیندهای آبی پالایشگاهی)، هیدروژن اتمی در شبکه فولادی پخش می شود و شکل پذیری را کاهش می دهد و باعث ایجاد ترک می شود. منحنی های نلسون (منتشر شده توسط API 941) محدودیت های عملیاتی ایمن دما در مقابل فشار جزئی هیدروژن را برای درجه های مختلف فولاد تعریف می کند. فراتر از این محدودیت ها منجر به حمله هیدروژنی با دمای بالا (HTHA) می شود - یکی از جدی ترین حالت های شکست در عملیات پالایشگاه.

بازرسی، آزمایش و نظارت در حین خدمت

یکپارچگی مخزن تحت فشار باید هم در زمان ساخت و هم در طول عمر مفید تأیید شود. کشتی‌ای که بازرسی اولیه را پشت سر می‌گذارد همچنان می‌تواند در طول زمان به دلیل خوردگی، خستگی یا اختلالات فرآیند تخریب شود.

1. تست فشار هیدرواستاتیک : در زمان ساخت و پس از تعمیرات اساسی انجام شده است. ASME نیاز به تست در 1.3× MAWP (بخش 1) یا 1.25× (بخش 2) استفاده از آب برای به حداقل رساندن انرژی ذخیره شده در صورت خرابی.
2. تست رادیوگرافی (RT) : تصویربرداری با اشعه ایکس یا گاما از اتصالات جوش برای تشخیص حفره های داخلی، تخلخل و عدم همجوشی. ASME دسته های اتصالات جوش (A، B، C، D) را با الزامات RT مختلف بسته به شدت سرویس مشخص می کند.
3. تست اولتراسونیک (UT) : هم در ساخت (برای بازرسی جوش) و هم در حین سرویس (برای اندازه گیری ضخامت) استفاده می شود. آرایه فازی UT (PAUT) می تواند هندسه های پیچیده را بازرسی کند و تصویر مقطعی از عیوب جوش ارائه دهد.
4. بازرسی مبتنی بر ریسک (RBI) : یک روش سازگار با API 580/581 که منابع بازرسی را بر اساس احتمال و پیامد شکست اولویت بندی می کند. RBI می تواند فواصل بازرسی طولانی را توجیه کند - صرفه جویی در هزینه خرابی قابل توجه - در حالی که حاشیه های ایمنی را حفظ یا بهبود می بخشد.
5. نظارت بر انتشار آکوستیک : حسگرهای متصل به کشتی سیگنال های موج تنش ایجاد شده توسط رشد ترک فعال یا خوردگی را تشخیص می دهند. این امکان نظارت مداوم در حین خدمت را بدون آفلاین کردن کشتی فراهم می کند.

خلاصه ملاحظات مهندسی

طراحی یا تعیین یک مخزن تحت فشار مستلزم متعادل کردن چندین فاکتور مهندسی به طور همزمان است. از این خلاصه به عنوان چک لیست مرجع استفاده کنید: