مخزن تحت فشار چیست؟ انواع، کاربردها و اجزای کلیدی توضیح داده شده است

پاسخ سریع: مخزن تحت فشار چیست؟

A مخزن تحت فشار یک ظرف مهر و موم شده است که برای نگهداری گازها یا مایعات در فشاری متفاوت از فشار اتمسفر اطراف طراحی شده است - اغلب بسیار بیشتر، اما گاهی اوقات بسیار کمتر، مانند مخازن خلاء. ویژگی بارز یک مخزن تحت فشار شکل یا اندازه آن نیست، بلکه این واقعیت است که اختلاف فشار بین داخل و خارج آن باعث ایجاد فشار بر روی دیواره‌های آن می‌شود که سازه باید طوری مهندسی شود که به طور ایمن مقاومت کند. . نمونه‌های متداول شامل مخازن کمپرسور هوا، سیلندرهای پروپان، دیگ‌های بخار، اتوکلاوها و مخازن بزرگ کروی یا استوانه‌ای است که در پالایشگاه‌ها و کارخانه‌های شیمیایی دیده می‌شوند.

مخازن تحت فشار در همه جا در صنعت مدرن و حتی در زندگی روزمره وجود دارند. آبگرمکن خانگی از نظر فنی یک مخزن تحت فشار کوچک است، مانند کپسول آتش نشانی، مخزن غواصی یا بشکه نوشابه. در مقیاس بسیار بزرگتر، مخازن تحت فشار هسته پالایشگاه های نفت، راکتورهای هسته ای، دیگ های نیروگاه و تاسیسات ذخیره سازی گاز طبیعی را تشکیل می دهند. چیزی که همه اینها را متحد می کند - از یک مخزن پروپان 5 گالنی تا یک مخزن ذخیره کروی 500000 گالنی - این است که آنها بر اساس کدهای مهندسی دقیق طراحی، محاسبه، آزمایش و تایید شده اند زیرا خرابی تحت فشار می تواند انرژی ذخیره شده را به شدت و خطرناک آزاد کند.

این راهنما نحوه عملکرد مخازن تحت فشار، انواع اصلی که با آنها مواجه خواهید شد بر اساس شکل و عملکرد، اجزای کلیدی که یک مخزن معمولی را تشکیل می‌دهند، مواد مورد استفاده برای ساخت آنها، جایی که در صنایع به کار می‌روند، و کدهای طراحی و شیوه‌های ایمنی که بر استفاده از آن‌ها حاکم است را توضیح می‌دهد.

همچنین شایان ذکر است که اصطلاح "مخزن تحت فشار" در درجه اول یک طبقه بندی مقرراتی و مهندسی است تا یک اصطلاح توصیفی معمولی. دو ظروف که از بیرون تقریباً یکسان به نظر می رسند - مثلاً یک مخزن پروپان و یک مخزن جوی با اندازه مشابه برای ذخیره آب - بسته به فشاری که برای نگهداری طراحی شده اند، می توانند در دسته های نظارتی کاملاً متفاوت قرار گیرند. این تمایز تعیین می‌کند که کدام کد طراحی اعمال می‌شود، کشتی باید چگونه ساخته و آزمایش شود، چه کسی واجد شرایط بازرسی آن است، و هر چند وقت یک‌بار نیاز به تأیید مجدد در طول عمر کاری آن دارد.

یک مخزن تحت فشار چگونه کار می کند؟ اصول اساسی

یک مخزن تحت فشار در هسته خود با محتوی یک سیال (مایع، گاز یا بخار) در فشاری متفاوت از محیط اطراف خود کار می کند و دیواره های ظرف باید بدون پارگی، تغییر شکل دائمی یا نشتی در برابر تنش ناشی از آن مقاومت کنند. فشار داخل به بیرون فشار می‌آورد (یا در یک ظرف خلاء، اتمسفر به داخل فشار می‌آورد)، و پوسته ظرف باید به اندازه کافی ضخیم باشد و از مواد به اندازه‌ای قوی ساخته شده باشد که بتواند آن نیرو را در سراسر سطح آن تحمل کند.

چرا شکل مهم است

مخازن تحت فشار تقریباً همیشه استوانه ای یا کروی هستند و این یک انتخاب زیبایی شناختی نیست - این یک نتیجه مستقیم فیزیک است. یک کره تنش را به طور مساوی در تمام سطح خود در هر جهت توزیع می کند، به همین دلیل است که مخازن کروی می توانند بالاترین فشارها را نسبت به ضخامت دیواره و وزن مواد خود تحمل کنند. سیلندرها اندکی کارایی کمتری نسبت به کروی دارند، اما ساخت، حمل و نقل و نصب آنها با نازل ها و تکیه گاه ها بسیار آسان تر و ارزان تر هستند، به همین دلیل است که ظروف استوانه ای با سرهای گرد (ظروف) بسیار رایج ترین طراحی در صنعت هستند.

رتبه بندی استرس، ضخامت و فشار

برای یک کشتی استوانه ای، تنش دیواره ای که در اطراف محیط قرار دارد (به نام تنش حلقه ای) معمولاً دو برابر تنشی است که در طول آن (تنش طولی) برای فشار داخلی یکسان است. به همین دلیل است که مخازن استوانه‌ای، در صورت از کار افتادن، تمایل دارند که در طول خود به جای عرضشان شکافته شوند - مهندسان با اطمینان از اینکه ضخامت دیواره و استحکام مواد باعث تنش بیشتر حلقه می‌شوند، اطراف آن را طراحی می‌کنند. هر مخزن تحت فشار دارای حداکثر فشار کاری مجاز (MAWP) است. ، بالاترین فشاری که برای کار در شرایط عادی تایید شده است، و این عدد به همراه سایر داده های کلیدی طراحی روی پلاک کشتی درج شده است.

دما متغیر اصلی دیگر در طراحی کشتی است و به روش های مهمی با فشار در تعامل است. اکثر مواد با افزایش دما استحکام خود را از دست می دهند، به همین دلیل است که فشار کاری مجاز یک ظرف معمولاً در دمای عملیاتی بالاتر کاهش می یابد - ظرفی که برای 300 psi در دمای اتاق تعیین شده است، ممکن است تنها با استفاده از ضخامت دیواره 200 psi در 500 درجه فارنهایت رتبه بندی شود. از طرف دیگر، برخی از مواد در دماهای بسیار پایین شکننده می‌شوند، به همین دلیل است که ظروف برودتی که گازهای مایع مانند نیتروژن یا LNG را ذخیره می‌کنند، به فولادها یا آلیاژهای با دمای پایین خاصی نیاز دارند که چقرمگی خود را در سرما حفظ می‌کنند. بنابراین هر پلاک مخازن تحت فشار، هم فشار طراحی و هم محدوده دمای طراحی را فهرست می‌کند، نه فقط یک عدد فشار.

انواع مخازن تحت فشار بر اساس شکل و جهت

وقتی مردم در مورد "انواع" مخازن تحت فشار صحبت می کنند، معمولاً به هندسه مخزن (شکل و جهت آن) یا عملکرد آن در یک فرآیند (ذخیره، واکنش، جداسازی و غیره) اشاره می کنند. هر دو طبقه بندی مهم هستند، زیرا شکل بر ظرفیت فشار و ردپای تأثیر می گذارد، در حالی که عملکرد تعیین می کند که کشتی به چه ویژگی های داخلی نیاز دارد.

اشکال و جهت گیری های رایج

کشتی های افقی به طور کلی زمانی مورد علاقه قرار می گیرند که فضای کف فراوان باشد و ظرف نیاز به حمل حجم زیادی از مایع با سطح مایع نسبتاً کم دارد، مانند جداکننده هایی که برای جدا شدن گاز به سطح مایع طولانی و کم عمق نیاز دارند. هنگامی که فضای کف محدود است، زمانی که فرآیندهای گرانشی مانند تقطیر نیاز به ارتفاع دارند، یا زمانی که به ستون بلندی از کاتالیزور، بسته بندی یا سینی نیاز است، کشتی های عمودی مورد علاقه قرار می گیرند. کشتی های کروی عمدتاً در فشارهای بالاتر از نظر اقتصادی جذاب می شوند - معمولاً بالاتر از تقریباً 15 تا 20 بار - جایی که توزیع تنش برتر آنها در مقایسه با سیلندرها از پیچیدگی ساخت بالاتر آنها بیشتر می شود.

مخازن کروی نیز به دلیل نحوه پشتیبانی آنها متمایز هستند: به جای نشستن روی زین ها یا دامنی مانند یک ظرف استوانه ای، یک کره معمولاً بر روی حلقه ای از پایه های عمودی (که اغلب ساختار تکیه گاه "عنکبوت" نامیده می شود) قرار می گیرد که به طور مساوی در اطراف محیط آن قرار دارند و هر کدام بخشی از وزن کشتی را به یک پد جداگانه منتقل می کند. این آرایش پشتیبانی، همراه با قطر بزرگ کره نسبت به حجم آن، به همین دلیل است که مخازن کروی اغلب از نظر بصری قابل تشخیص‌ترین سازه‌ها در مزرعه مخزن هستند - حتی اگر حجم برای حجم، معمولاً برای کل موجودی‌های کوچک‌تر نسبت به مخازن استوانه‌ای بزرگ افقی یا عمودی در اطراف استفاده می‌شوند.

انواع مخازن تحت فشار بر اساس عملکرد

فراتر از شکل، مخازن تحت فشار اغلب بر اساس نقشی که در یک فرآیند صنعتی ایفا می کنند طبقه بندی می شوند. در حالی که اصول اساسی مهار فشار یکسان است، هر نوع عملکردی دارای ویژگی های داخلی متناسب با کار خود است.

مخازن ذخیره سازی

ظروف ذخیره سازی به سادگی یک مایع را تا زمانی که نیاز باشد، بدون هیچ گونه واکنش شیمیایی در داخل آن نگه می دارند. به عنوان مثال می توان به مخازن پروپان، گیرنده های هوای فشرده و گوی های ذخیره آمونیاک اشاره کرد. این مخازن معمولاً در داخل ساده‌ترین هستند و اغلب حاوی نازل‌های ورودی/خروجی، سطح سنج و دستگاه کاهش فشار هستند.

راکتورها

مخازن راکتور جایی هستند که یک دگرگونی شیمیایی یا فیزیکی تحت فشار و دمای کنترل شده رخ می دهد - به عنوان مثال، راکتورهای پلیمریزاسیون در تولید پلاستیک یا راکتورهای هیدروکراکینگ در پالایش نفت. اینها اغلب شامل همزن ها، کویل ها یا ژاکت های داخلی برای گرمایش و سرمایش و بسترهای کاتالیزوری هستند که همگی باید به گونه ای طراحی شوند که فشار داخلی مشابه پوسته را تحمل کنند.

مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی پوسته و لوله از نظر فنی مخازن تحت فشار در سمت پوسته و لوله هستند، زیرا هر طرف ممکن است در فشار و دمای متفاوتی کار کند و گرما را بین دو سیال بدون مخلوط کردن آنها منتقل کند. از آنجایی که هر دو طرف به طور مستقل تحت فشار هستند، این واحدها به طراحی دقیق در صفحه لوله - جزء جداکننده دو مسیر سیال - نیاز دارند.

جداکننده ها و ستون ها

کشتی های جداکننده یک جریان مخلوط را به فازهای تشکیل دهنده آن تقسیم می کنند - به عنوان مثال، جداسازی نفت، آب و گاز که از دهانه چاه خارج می شود. ستون‌های تقطیر شکل تخصصی و بلند جداکننده هستند که از سینی‌ها یا بسته‌بندی برای جداسازی مایعات از طریق نقطه جوش استفاده می‌کنند، در حالی که فشار عملیاتی ستون را در تمام ارتفاع آن در بر می‌گیرد.

بویلرها و درام های بخار

بویلرها با گرم کردن آب تحت فشار، بخار تولید می کنند و درام بخار در بالای دیگ بخار، مخزن فشاری است که بخار را از آب جدا می کند و به عنوان یک بافر برای تامین بخار تجهیزات پایین دستی مانند توربین ها عمل می کند.

اجزای اصلی یک مخزن تحت فشار

در حالی که مخازن تحت فشار از نظر اندازه و هدف بسیار متفاوت هستند، اکثر آنها یک مجموعه مشترک از اجزای ساختاری و عملکردی دارند. درک این قسمت ها خواندن نقشه کشتی، پیروی از یک روش تعمیر و نگهداری، یا به سادگی درک اینکه چرا یک کشتی به شکلی که هست بسیار آسان تر می کند.

پوسته

پوسته بدنه اصلی استوانه ای (یا کروی) ظرف است که از صفحات فولادی نورد شده و جوش داده شده تشکیل شده است. ضخامت آن بر اساس فشار طراحی، قطر و استحکام مواد محاسبه می شود و این جزء است که بخش عمده ای از تنش ناشی از فشار را حمل می کند.

سرها (کلاه پایانی)

سرها انتهای یک پوسته استوانه ای شکل را می بندند. آنها در چندین شکل استاندارد وجود دارند - نیمکره (نیم کره، قوی ترین اما گرانترین)، بیضی (گنبد بیضی شکل 2:1، رایج ترین برای فشارهای متوسط ​​تا زیاد)، توری کروی (سر بشقاب صاف تر، معمول برای فشارهای پایین) و مسطح (فقط برای ظروف کم فشار یا با قطر کوچک استفاده می شود). شکل سر مستقیماً بر میزان فشاری که ظرف می تواند برای یک ضخامت معین تحمل کند تأثیر می گذارد با سرهای نیمکره ای که بهترین نسبت قدرت به وزن را ارائه می دهند.

نازل ها

نازل ها are the openings welded into the shell or heads that allow piping connections for inlets, outlets, instrumentation, and manways (access openings for inspection and maintenance). Each nozzle is a potential weak point because cutting a hole in the shell removes material that was carrying load, so nozzles are typically reinforced with extra material around the opening, called a reinforcing pad or a thicker "nozzle neck." Larger vessels may have a dozen or more nozzles of different sizes, each sized and rated for a specific connection — from small instrument taps just a fraction of an inch in diameter to large manways over 20 inches across that allow a person to physically enter the vessel for inspection or maintenance.

پشتیبانی می کند

پشتیبانی می کند hold the vessel in place and transfer its weight (and the weight of its contents) to the foundation. Horizontal vessels typically sit on two saddle supports; vertical vessels may use a skirt (a cylindrical extension welded to the bottom head), support legs, or lugs bolted to a structure.

دستگاه های کاهش فشار

دریچه های کاهش فشار یا دیسک های پارگی دستگاه های ایمنی هستند که به گونه ای طراحی شده اند که به طور خودکار باز می شوند و در صورتی که فشار داخلی از حد مطمئن فراتر رفت، سیال را آزاد می کنند و از تحت فشار قرار گرفتن بیش از حد ظرف بیش از حد طراحی آن جلوگیری می کنند. این دستگاه‌ها مسلماً مهم‌ترین جزء ایمنی در هر مخزن تحت فشار هستند. یک دریچه کمک فنری با فشار از پیش تعیین شده باز می شود و معمولاً پس از کاهش فشار به سطح ایمن دوباره بسته می شود و به کشتی اجازه می دهد بدون مداخله به کار عادی بازگردد. در مقابل، دیسک پارگی یک غشای فلزی نازک است که با فشار تعیین شده باز می‌شود و دوباره بسته نمی‌شود - پس از فعال شدن، قبل از اینکه بتوان به کار بازگرداند، باید ظرف را از کار انداخت و دیسک را جایگزین کرد. برخی از رگ ها از هر دو به صورت ترکیبی استفاده می کنند، با یک دیسک پارگی در صورتی که دریچه تسکین به موقع باز نشود، یک پشتیبان فراهم می کند.

داخلی

بسته به عملکرد، ظروف ممکن است دارای اجزای داخلی مانند بافل (برای هدایت جریان)، پدهای دمیستر (برای حذف قطرات مایع از گاز)، سینی یا بسته بندی (برای ستون های جداسازی)، همزن (برای راکتورها)، یا سیم پیچ ها و ژاکت ها (برای گرمایش یا سرمایش) باشند.

پلاک نام

هر مخزن تحت فشار دارای گواهی کد دارای یک پلاک فلزی است که حاوی اطلاعات مهمی است: سازنده، تاریخ ساخت، فشار و دمای طراحی، MAWP، کدی که تحت آن ساخته شده است (مانند ASME)، و یک شماره سریال یا ثبت منحصر به فرد که برای ردیابی کشتی در طول عمر مفید آن استفاده می شود.

مواد مورد استفاده در ساخت مخازن تحت فشار

انتخاب ماده برای مخزن تحت فشار به فشار، دما و خواص شیمیایی سیال موجود بستگی دارد. انتخاب نادرست مواد می تواند منجر به خوردگی، شکنندگی، یا ترک شود - همه اینها می تواند باعث از کار افتادن ظرف قبل از رسیدن به حد فشار محاسبه شده آن شود.

مواد متداول مخازن تحت فشار

فولاد کربنی همچنان پرمصرف ترین ماده مخازن تحت فشار است زیرا ترکیبی قوی از هزینه، در دسترس بودن و خواص مکانیکی برای طیف وسیعی از فشارها و دماها ارائه می‌کند، تا زمانی که سیال موجود در آن بسیار خورنده نباشد. هنگامی که مقاومت در برابر خوردگی مورد نیاز است، طراحان یا به طور کامل به فولاد ضد زنگ یا آلیاژ نیکل روی می آورند، یا یک پوشش مقاوم در برابر خوردگی (مانند لاستیک، شیشه یا روکش ضد زنگ) را روی پوسته فولاد کربنی اضافه می کنند تا با هزینه کمتری نسبت به مخزن آلیاژی جامد، استحکام را با مقاومت شیمیایی ترکیب کنند.

انتخاب مواد همچنین باید نحوه رفتار مواد را در طول عمر کشتی، نه فقط در لحظه ساخت، در نظر بگیرد. برخی از مکانیسم‌های خوردگی، مانند حمله هیدروژنی در واحدهای پردازش هیدروژنی پالایشگاه یا ترک خوردگی تنشی در برخی خدمات سوزاننده یا حاوی کلرید، تنها پس از سال‌ها کار آشکار می‌شوند و نیازمند انتخاب‌های آلیاژی خاص یا پوشش‌های محافظی هستند که از قبل در مرحله طراحی شناسایی شده باشند. این یکی از دلایلی است که مهندسان فرآیند با تجربه و متخصصان مواد در مراحل اولیه هر پروژه مخازن تحت فشار جدید درگیر هستند، نه اینکه انتخاب مواد را به عنوان یک مقایسه هزینه ساده بین گریدهای فولادی تلقی کنند.

کاربردهای متداول مخازن تحت فشار در سراسر صنایع

مخازن تحت فشار تقریباً در هر بخش صنعتی بزرگ ظاهر می شوند، و شناخت آنها در زمینه کمک می کند تا نشان دهیم که این دسته واقعا چقدر گسترده است.

نفت، گاز و پتروشیمی

پالایشگاه ها و کارخانه های پتروشیمی با مخازن تحت فشار متراکم هستند: جداکننده ها در سر چاه ها، ستون های تقطیر که نفت خام را به بخش های سوخت تقسیم می کنند، راکتورهایی که نفت های سنگین را به محصولات سبک تر تبدیل می کنند و مخازن کروی یا گلوله ای که LPG، پروپان و بوتان را تحت فشار ذخیره می کنند.

تولید برق

دیگ های بخار در نیروگاه های سوخت فسیلی و زیست توده مخازن تحت فشار بزرگی هستند که آب را به بخار پرفشار برای به حرکت درآوردن توربین ها تبدیل می کنند. نیروگاه های هسته ای به یک مخزن تحت فشار راکتور - یکی از مهندسی شده ترین مخازن تحت فشار موجود - برای مهار سوخت هسته ای و خنک کننده اولیه تحت فشار شدید و شرایط تشعشع متکی هستند.

تولید مواد شیمیایی و دارویی

مخازن راکتور سنتز شیمیایی را تحت فشار و دمای کنترل شده انجام می دهند، در حالی که اتوکلاوها - نوعی مخزن تحت فشار - برای استریل کردن، پخت مواد کامپوزیت و برخی فرآیندهای تولید دارویی که نیاز به فشار و حرارت بالا دارند استفاده می شود.

غذا و نوشیدنی

مخازن کربناته، تخمیرکننده‌های آبجوسازی که تحت فشار خفیف کار می‌کنند، و ضدعفونی‌کننده‌های ضدعفونی کننده برای مواد غذایی کنسرو شده، همگی به عنوان مخازن تحت فشار هستند که معمولاً از فولاد ضد زنگ برای بهداشت و مقاومت در برابر خوردگی ساخته می‌شوند.

مصارف روزمره و مصرف کننده

• مخازن کمپرسور هوا: هوای فشرده را برای ابزار و تجهیزات ذخیره کنید
• سیلندرهای پروپان و گاز مایع: سوخت کوره، بخاری و وسایل نقلیه را ذخیره کنید
• کپسول های آتش نشانی: ماده خاموش کننده تحت فشار را برای آزادسازی سریع نگهداری کنید
• مخازن اسکوبا و اکسیژن پزشکی: گاز فشرده را برای کاربردهای تنفسی ذخیره کنید
• آبگرمکن های مسکونی و مخازن انبساط: آب گرم شده یا فشار بافر را در سیستم های لوله کشی نگه دارید

نحوه ساخت مخازن تحت فشار

درک فرآیند ساخت اولیه به توضیح اینکه چرا اجزای مخازن تحت فشار به شکلی که هستند به نظر می رسند و چرا کنترل کیفیت در سراسر ساخت و ساز به شدت مورد تاکید قرار می گیرد، کمک می کند.

نورد و شکل دهی

پوسته یک ظرف استوانه ای معمولاً به صورت صفحه فولادی مسطح شروع می شود که با استفاده از دستگاه های نورد صفحه بزرگ به شکل استوانه ای در می آید. سرها به طور جداگانه شکل می گیرند، اغلب با فشار دادن سرد یا گرم یک صفحه دایره ای مسطح به شکل ظروف یا نیمکره مورد نظر با استفاده از قالب. برای کشتی های بسیار بزرگ، پوسته ممکن است از چندین بخش نورد شده ساخته شود که به آنها کورس می گویند، که از انتها به انتها به هم جوش داده شده اند.

جوشکاری

جوشکاری is the most critical step in vessel fabrication, since the welded seams — particularly the longitudinal seam running along the shell and the circumferential seams joining the heads to the shell — are the joints most likely to contain defects if not done correctly. جوشکاران و روش های جوشکاری باید به طور رسمی واجد شرایط باشند طبق آیین نامه حاکم قبل از اینکه اجازه کار بر روی اجزای مخازن تحت فشار داده شود، و بسیاری از درزها پس از آن تحت معاینه رادیوگرافی یا اولتراسونیک قرار می گیرند تا عیوب داخلی مانند تخلخل، عدم همجوشی یا ترک خوردگی که از سطح قابل مشاهده نیستند بررسی شود.

عملیات حرارتی

پس از جوشکاری، بسیاری از ظروف - به ویژه آنهایی که از صفحه ضخیم تر یا فولادهای آلیاژی خاص ساخته شده اند - تحت عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) قرار می گیرند، جایی که کل ظرف تا دمای خاصی گرم می شود و قبل از خنک شدن آهسته برای مدت زمان معینی نگهداری می شود. این فرآیند تنش‌های پسماند ناشی از جوشکاری را کاهش می‌دهد و چقرمگی جوش و مواد اطراف آن را بهبود می‌بخشد و خطر ترک خوردن در حین کار را کاهش می‌دهد.

تست هیدرواستاتیک

هنگامی که ساخت کامل شد، ظرف تمام شده با آب پر می شود و تا سطحی بالاتر از فشار طراحی آن - معمولاً 1.3 تا 1.5 برابر MAWP - تحت فشار قرار می گیرد و برای مدت زمان مشخصی نگهداری می شود در حالی که بازرسان نشت یا تغییر شکل قابل مشاهده را بررسی می کنند. از آب به جای هوا یا گاز استفاده می شود زیرا اساساً تراکم ناپذیر است، بنابراین اگر در طول آزمایش شکستی رخ دهد، انرژی آزاد شده بسیار کمتر از گاز تراکم پذیر در همان فشار خواهد بود که انجام آزمایش را بسیار ایمن تر می کند.

کدها و استانداردهای طراحی مخازن تحت فشار

از آنجایی که خرابی یک مخزن تحت فشار می تواند انرژی ذخیره شده را با نیروی انفجاری آزاد کند، مخازن تحت فشار یکی از تجهیزات صنعتی به شدت تنظیم شده در جهان هستند. طراحی، ساخت، بازرسی و آزمایش توسط کدهای رسمی کنترل می شود که همه چیز را از محاسبات حداقل ضخامت دیوار گرفته تا روش های جوشکاری و روش های آزمایش را مشخص می کند.

کد بویلر و مخزن تحت فشار ASME (BPVC)

در ایالات متحده و بسیاری از کشورهای دیگر، کد دیگ بخار و مخزن تحت فشار ASME رایج ترین استاندارد است. بخش هشتم ASME BPVC به طور خاص طراحی، ساخت و بازرسی مخازن تحت فشار را پوشش می دهد. و بر اساس محدوده فشار و رویکرد طراحی به بخش‌های 1، 2، و 3 تقسیم می‌شود - بخش 1 از فرمول‌های طراحی به قانون ساده‌تر استفاده می‌کند که برای اکثریت قریب به اتفاق کشتی‌ها مناسب است، در حالی که بخش‌های 2 و 3 با استفاده از روش‌های دقیق‌تر طراحی به تحلیل، فشارهای بالاتری را مجاز می‌کنند.

سایر استانداردهای اصلی

• PED (دستورالعمل تجهیزات فشار): چارچوب نظارتی اتحادیه اروپا برای تجهیزات تحت فشار، اغلب با استاندارد طراحی EN 13445 جفت می شود.
• PD 5500: یک استاندارد بریتانیایی برای مخازن تحت فشار جوش نخورده ذوبی که معمولاً به عنوان جایگزینی برای ASME در انگلستان استفاده می شود.
• CSA B51: استاندارد کانادایی حاکم بر دیگ بخار، مخزن تحت فشار، و کدهای لوله کشی فشار
• استانداردهای API: موسسه نفت آمریکا استانداردهای بازرسی و نگهداری (مانند API 510) را به طور خاص برای مخازن تحت فشار در حال خدمت در صنعت نفت و گاز منتشر می کند.

صرف نظر از اینکه کدام کد اعمال می شود، روند کلی مشابه است: یک مهندس ضخامت دیوار مورد نیاز را بر اساس فشار طراحی، دما، خواص مواد و حاشیه ایمنی محاسبه می کند. یک سازنده گواهی شده کشتی را با استفاده از روش های جوشکاری واجد شرایط می سازد. و یک بازرس مجاز ساخت و ساز را تأیید می کند و اغلب شاهد یک آزمایش هیدرواستاتیک است که در آن کشتی با آب پر شده و فشار بسیار بالاتر از فشار طراحی آن (معمولاً 1.3 تا 1.5 برابر MAWP) تحت فشار قرار می گیرد تا تأیید کند که می تواند با خیال راحت از شرایط عملیاتی نامی خود استفاده کند.

ایمنی و بازرسی مخزن تحت فشار

طراحی و ساخت یک مخزن تحت فشار به درستی نیمی از ماجرا است - بازرسی و نگهداری مداوم آن چیزی است که آن را در طول چندین دهه خدمات ایمن نگه می دارد، زیرا مواد می توانند به گونه ای تخریب شوند که از بیرون قابل مشاهده نیست.

مکانیسم های رایج شکست

• خوردگی: نازک شدن تدریجی پوسته یا اجزای داخلی به دلیل حمله شیمیایی، شایع ترین علت تخریب طولانی مدت رگ
• ترک خوردگی خستگی: ترک‌های کوچکی که در طول زمان به دلیل چرخه‌های مکرر فشار یا دما رشد می‌کنند و اغلب از جوش‌ها یا اتصالات نازل شروع می‌شوند.
• فشار بیش از حد: عملکرد فراتر از فشار طراحی، معمولاً توسط دستگاه های امدادی با اندازه مناسب و نگهداری از آن جلوگیری می شود
• شکستگی شکننده: ترک‌خوردگی ناگهانی در دماهای پایین در موادی که در سرما انعطاف‌پذیری خود را از دست می‌دهند، به همین دلیل است که محدوده دمای طراحی شامل حداقل و حداکثر می‌شود.

روش های بازرسی

مخازن تحت فشار در حال خدمت معمولاً به صورت برنامه ریزی شده با استفاده از روش های آزمایش غیر مخرب (NDT) که به مخزن آسیب نمی زند، بازرسی می شوند. تست ضخامت اولتراسونیک میزان مواد باقی مانده پس از سال ها خوردگی را اندازه گیری می کند. بازرسی بصری، هم خارجی و هم داخلی (اغلب از طریق راهرو)، وجود ترک، برآمدگی یا خرابی پوشش را بررسی می کند. تست رادیوگرافی و ذرات مغناطیسی می تواند عیوب زیرسطحی در جوش را تشخیص دهد. بر اساس این بازرسی‌ها، یک مهندس می‌تواند عمر عملیات ایمن باقی‌مانده کشتی را محاسبه کند و تعمیرات، رتبه‌بندی مجدد به فشار کمتر یا بازنشستگی از خدمات را توصیه کند.

نقش دستگاه های کاهش فشار

دریچه‌های کاهش فشار طبق یک برنامه منظم آزمایش و کالیبره می‌شوند، زیرا یک شیر تخلیه که در فشار تعیین‌شده باز نمی‌شود، آخرین خط دفاعی کشتی را در برابر فشار بیش از حد از بین می‌برد. اکثر حوزه های قضایی از نظر قانونی نیاز به آزمایش دوره ای دریچه امداد و بازرسی کشتی دارند برای کشتی های بالاتر از اندازه یا فشار معین، با فواصل بازرسی اغلب از یک تا ده سال بسته به سابقه خدمات کشتی و طبقه بندی خطر.

مخزن تحت فشار در مقابل مخزن ذخیره سازی: تفاوت چیست؟

سوالی که اغلب مطرح می شود این است که یک مخزن تحت فشار چه تفاوتی با یک مخزن ذخیره معمولی دارد، زیرا هر دو می توانند از بیرون شبیه به هم به نظر برسند - سیلندرهای فلزی بزرگ یا کره هایی که مایعات یا گازها را در خود جای می دهند.

به طور خلاصه، خط بین "مخزن" و "مخزن تحت فشار" توسط فشار عملیاتی ترسیم می شود، نه اندازه یا ظاهر کلی. . یک مخزن کف تخت بزرگ که نفت خام را در فشار جوی اساساً نگه می‌دارد، یک مخزن ذخیره‌سازی است که توسط کدهای طراحی مخزن مانند API 650 کنترل می‌شود، در حالی که یک مخزن استوانه‌ای کوچک‌تر که پروپان را در 100 psi نگه می‌دارد، یک مخزن تحت فشار ASME بخش هشتم است - حتی اگر مخزن پروپان ممکن است به مراتب کوچک‌تر از مخزن نفت باشد.

سوالات متداول در مورد مخازن تحت فشار

در اینجا به برخی از رایج ترین سوالاتی که افراد در اولین بار با مخازن تحت فشار می آموزند، پاسخ های مستقیم داده شده است.

تفاوت بین فشار طراحی و فشار کاری چیست؟

فشار عملیاتی فشاری است که کشتی در طول استفاده معمولی با آن وارد می شود، در حالی که فشار طراحی مقدار بالاتری است که برای محاسبات مهندسی استفاده می شود که شامل حاشیه ای بالاتر از فشار عملیاتی برای محاسبه نوسانات عادی، زمان پاسخ سیستم کنترل و ناراحتی های غیرمنتظره است. یک حاشیه طراحی معمولی ممکن است 10٪ بالاتر از حداکثر فشار عملیاتی مورد انتظار باشد، و این اطمینان را می دهد که کشتی قبل از اینکه به محدودیت های ساختاری واقعی خود نزدیک شود، فضای سر دارد.

آیا مخزن تحت فشار اگر در فشار کم کار کند می تواند خطرناک باشد؟

بله. مخازن خلاء، که زیر فشار اتمسفر کار می کنند، می توانند به همان اندازه مخازن فشار قوی خطرناک باشند، زیرا اتمسفر بیرون دائماً در تلاش است تا ظرف را به سمت داخل خرد کند - حالت شکستی به نام کمانش یا انفجار. مخازن خلاء به محاسبات طراحی خاص خود نیاز دارند که با محاسبات مربوط به فشار داخلی متفاوت و گاهی پیچیده تر از آن هستند.

چرا سر مخازن تحت فشار به جای صاف گرد هستند؟

سرهای تخت فشار را در لبه ها و مرکز خود متمرکز می کنند و برای تحمل فشارهای متوسط ​​به مواد بسیار ضخیم نیاز دارند. سرهای گرد - نیم‌کره‌ای، بیضی‌شکل یا توری‌کره‌ای - تنش را به‌طور یکنواخت‌تر در سطح منحنی توزیع می‌کنند، مشابه نحوه توزیع بار توسط قوس، و اجازه می‌دهند فشار یکسان با مواد بسیار کمتری مهار شود. به همین دلیل است که سرهای مسطح عموماً به مخازن با قطر کوچک یا کم فشار محدود می شوند.

مخازن تحت فشار معمولا چه مدت دوام می آورند؟

با تعمیر و نگهداری مناسب، بسیاری از مخازن تحت فشار برای 20 تا 40 سال یا بیشتر در خدمت باقی می مانند و برخی از مخازن به خوبی نگهداری شده در خدمات غیر خورنده بیش از 50 سال کار کرده اند. طول عمر واقعی به شدت به خورندگی سیال موجود، دمای عملیاتی، تعداد دفعات چرخش ظرف در فشار یا دما و چگونگی بازرسی ها و تعمیرات مجدانه در طول زمان بستگی دارد.

آیا اقلام مصرفی کوچک مانند مخازن پروپان واقعاً به عنوان مخازن تحت فشار به حساب می آیند؟

بله - اندازه هیچ ارتباطی با طبقه بندی ندارد. یک سیلندر پروپان کوچک برای کباب پز حیاط خلوت، یک مخزن تحت فشار دقیقاً به همان مفهوم مهندسی یک مخزن کروی عظیم LPG در یک پایانه صنعتی است. هر دو مطابق با کد مخازن تحت فشار قابل اجرا طراحی، آزمایش و مهر می شوند و هر دو باید به صورت دوره ای بازرسی یا بررسی مجدد شوند (به عنوان مثال، سیلندرهای پروپان معمولاً هر 10 تا 12 سال یکبار نیاز به تأیید مجدد دارند) تا در خدمات قانونی باقی بمانند.

اگر مخزن تحت فشار خراب شود چه اتفاقی می افتد؟

خرابی مخزن تحت فشار انرژی ذخیره شده در محتویات فشرده آن را خیلی سریع آزاد می کند و عواقب آن به آنچه در داخل آن است بستگی دارد. کشتی‌ای که هوای فشرده یا گاز بی‌اثر را در خود نگه می‌دارد ممکن است به سادگی با صدای بلند تخلیه کند و قطعات را به بیرون پرتاب کند - هنوز خطرناک است، اما بدون خطر آتش‌سوزی. ظرفی که یک ماده قابل اشتعال یا سمی را در خود نگه می دارد، خطر آتش سوزی، انفجار یا انتشار سمی را به انرژی مکانیکی آزاد شده اضافه می کند. به همین دلیل است که مخازن تحت فشار که مواد خطرناک را جابه‌جا می‌کنند معمولاً با فواصل ایمنی از ساختمان‌های اشغالی، مجهز به لایه‌های حفاظتی متعدد (دستگاه‌های امداد، سیستم‌های خاموش کردن، حفاظت در برابر آتش)، و در معرض بازرسی‌های مکرر نسبت به مخازن در سرویس‌های خوش‌خیم قرار دارند.

آیا مخزن تحت فشار قابل تعمیر است یا اینکه پس از آسیب دیدگی نیاز به تعویض دارد؟

بسته به شدت و محل نقص، بسیاری از اشکال آسیب را می‌توان در حین کارکرد کشتی تعمیر کرد. خوردگی جزئی که ضخامت دیواره را کمتر از حداقل محاسبه شده کاهش نداده است، ممکن است به سادگی کنترل شود. نازک شدن قابل توجه‌تر گاهی اوقات می‌تواند با جوشکاری روی یک وصله یا غلاف تقویت‌کننده، پیروی از همان رویه‌های دارای کد مورد استفاده در ساخت‌وساز اصلی، برطرف شود، پس از آن تعمیر مستند شده و فشار مجاز کشتی ممکن است مجدداً ارزیابی شود. اگر آسیب بیش از حد گسترده باشد، در یک منطقه بحرانی مانند جوش نازل به پوسته قرار گرفته باشد، یا کشتی به پایان عمر باقیمانده محاسبه شده خود رسیده باشد، جایگزینی به طور کلی ایمن تر و مقرون به صرفه تر است.

آیا مخازن تحت فشار در کشورهای مختلف تنظیم متفاوتی دارند؟

بله، اگرچه اصول مهندسی اساسی جهانی است، کدهای خاص و الزامات قانونی بسته به منطقه متفاوت است. کد دیگ بخار و مخزن تحت فشار ASME در آمریکای شمالی غالب است و به طور گسترده در سطح بین المللی پذیرفته شده است، اتحادیه اروپا به دستورالعمل تجهیزات فشار همراه با استانداردهایی مانند EN 13445 متکی است و کشورهایی مانند بریتانیا، کانادا، ژاپن و چین هر کدام استانداردها یا سازگاری های ملی خود را حفظ می کنند. کشتی ساخته شده برای یک بازار اغلب نیاز به تایید مجدد یا ارائه اسناد اضافی برای نصب قانونی و بهره برداری در بازار دیگر دارد، حتی اگر طراحی فیزیکی آن در غیر این صورت قابل قبول باشد.

خلاصه: نکات کلیدی در مورد مخازن تحت فشار

مخازن تحت فشار ظروف مهر و موم شده ای هستند که برای نگهداری ایمن سیالات در فشارهای متفاوت از اتمسفر اطراف، از سیلندرهای کوچک پروپان گرفته تا راکتورهای عظیم پالایشگاهی مهندسی شده اند. در اینجا خلاصه ای سریع از موارد ضروری آورده شده است:

1. مخزن تحت فشار با اختلاف فشاری که باید داشته باشد تعریف می شود، نه با اندازه، شکل یا کاربرد خاص آن
2. شکل‌های استوانه‌ای و کروی بر طراحی کشتی غالب هستند زیرا تنش ناشی از فشار را به بهترین نحو توزیع می‌کنند.
3. انواع عملکردی متداول شامل مخازن ذخیره سازی، راکتورها، مبدل های حرارتی، جداکننده ها/ستون ها و دیگ ها/درام های بخار می باشد.
4. اجزای کلیدی شامل پوسته، سرها، نازل ها، تکیه گاه ها، دستگاه های کاهش فشار، قطعات داخلی و یک پلاک کد دارای مهر است.
5. انتخاب مواد - معمولاً فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ یا آلیاژهای ویژه - به فشار، دما و خورندگی سیال موجود بستگی دارد.
6. کدهایی مانند ASME Section VIII طراحی، ساخت و آزمایش را کنترل می کنند تا اطمینان حاصل شود که کشتی ها می توانند با خیال راحت فشارهای نامی خود را کنترل کنند.
7. بازرسی مداوم از نظر خوردگی، ترک خوردگی و عملکرد مناسب شیر تسکین برای ایمن نگه داشتن کشتی در طول عمر مفید آن ضروری است.

چه در یک دوره مهندسی با این اصطلاح روبرو شوید، یک شرح شغل، یا صرفاً به تجهیزات اطراف یک کارخانه شیمیایی یا کوره حیاط خلوت خود نگاه کنید، تشخیص اینکه چه چیزی چیزی را به یک مخزن تحت فشار تبدیل می کند - و چرا طراحی و نگهداری آن بسیار اهمیت دارد - به شما یک پایه محکم برای درک طیف وسیعی از تجهیزات صنعتی و روزمره می دهد..