بخشی از مقاله
چکیده:
در سال های اخیر استانداردهای مختلفی در طراحی مسائل مهندسی از جمله مخازن تحت فشار ارائه شده است. بسیاری از این استانداردها بر اساس تجربه و آزمایش بدست آمده اند. امروزه اکثر تحقیقات به تحلیل عددی اجزای مختلفی از مخازن تحت فشار پرداخته و در بعضی موارد حتی استانداردهای پیشین را زیر سوال برده اند. این مقاله با استفاده از نرم افزار انسیس به تحلیل و بررسی مخازن تحت فشار جدار نازک پرداخته است که در آن مخازن را از لحاظ جنس و فشار قابل تحمل و مکان هایی که بیشترین کرنش، تغییر شکل و ... دارند و از لحاظ ضریب اطمینان بررسی کرده است.
.1مقدمه
همانطور که می دانیم مخازن تحت فشار از جمله تجهیزاتی هستند که در شاخه نفت و پتروشیمی و در اغلب صنایع اصلی نظیر نیروگاه و حمل و نقل از کاربرد ویژه و قابل توجهی برخوردار بوده و از این رو توجه به مقوله طراحی و ساخت آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. از این رو با توجه به نیازهای صنعت در روند این امر ما به اصول طراحی مخازن تحت فشار و نحوه ی انجام کلیه فرآیندها برای تولید از یک ورق به مخزن می پردازیم.
.2کاربردها
مخازن تحت فشار در انواع کاربردهای گوناگون، هم در بخش صنعتی و هم در بخش خصوصی استفاده می شود. این مخازن برای ذخیره هوای فشرده و مخازن آب داغ خانگی کاربرد دارد. نمونه های دیگر از کاربرد آن می توان مخازن تحت فشار استوانه غواصی، برج های تقطیر، اتوکلاو، در پالایشگاه های نفت و پتروشیمی، راکتورهای هسته ای، زیر دریایی و کشتی فضایی، مخازن پنوماتیکی و هیدرولیکی تحت فشار، مخازن کیسه هوای خودرو و مخازن ذخیره سازی گاز مایع، مانند آمونیاک، کلر، پروپان، بوتان و LPG نام برد.
.3انواع مخازن موجود
3-1 مخازن استوانه ای
اغلب به صورت یک استوانه ای با دو سر عدسی ساخته می شوند. این نوع مخازن رایج ترین نوع مخازن هستند. مخازن استوانه ای بلند ممکن است عمودی یا افقی باشند. اصولا نیاز عملیاتی یک برج تعیین کننده نوع افقی یا عمودی بودن آن است. برای مثال برج ها که نیاز ثقل جهت جداسازی فازها دارند به صورت عمودی نصب می شوند در حالی که مبدل های حرارتی هم می توانند به صورت افقی و یا عمودی نصب گردند. در مورد مبدل های حرارتی این انتخاب عموما به وسیله روش انتقال گرما و سیر سیال صورت می گیرد.
3-2 مخازن کروی
به علت استحکام ذاتی شکل کروی این مخازن اصولا برای فشارهای بالا به کار می روند. مخازن ذخیره بزرگ که تحت فشار متوسط قرار دارند معمولا شکل کروی یا شبه کروی دارند.
3-3 مخزن تحت فشار داخلی
در این نوع مخزن معمولا سیالی با فشار بالاتر از فشار اتمسفر وجود دارد.
3-4 مخزن تحت فشار خارجی
مخازن تحت فشاری که با شرایط خلاء مرتبط هستند باید برای فشار خارجی طراحی شوند در غیر این صورت متلاشی خواهند شد.
3-5 مخازن جدار نازک
یکی از متداول ترین انواع مخازن است. در این مخازن نسبت ضخامت پوسته به قطر کمتر از 10 درصد است.
3-6 مخازن جدار ضخیم
در این نوع مخازن نسبت ضخامت پوسته به قطر بیشتر از 10 درصد است.
.4 مواد مورد استفاده برای ساخت مخازن
در تئوری هر ماده ای با تحمل تنش کششی بالا و خاصیت های کششی مناسب می تواند در ساخت مخازن به کار گرفته شود اما استانداردهای ساخت ASME BPVC Section لیستی از بهترین مواد و محدودیت دما و فشار آن ها را مشخص کرده است.
بسیاری از منابع تحت فشار از آهن تشکیل شده اند که ورق های آهنی به صورت رول درآمده و به عدسی ها و به همدیگر جوش داده می شوند. اما این جوش ممکن است بر بسیاری از خواص آهن رول شده تاثیر منفی بگذارد مگر این که توجه هایی قبل از جوش کاری صورت بگیرد.
علاوه بر استحکام مکانیکی مناسب، استانداردهای حال حاضر دنیا، شرکت ها را موظف می کنند تا از آهنی با مقاومت بالایی در مقابل ضربه استفاده شود و همچنین برای محیط ها و سیالاتی که موجب خوردگی کربن استیل می شوند لازم است که از موادی با قابلیت مقاومت در برابر خوردگی استفاده کرد.
برخی از منابع تحت فشار از کامپوزیت ها ساخته شده اند مانند فیبرهای کربن با توجه به استحکام بالای فیبر کربن در برابر کشش، این نوع از مخازن تحت فشار می توانند بسیار سبک باشند اما ساخت آن ها بسیار سخت می باشد.
منابع تحت فشار برای جلوگیری از خرابی می توانند با پلیمرها با سرامیک ها محافظت بشوند، علاوه بر این، این پوشش خودش می تواند میزان زیادی از فشار را تحمل کند و یک پشتیبان خوب برای لایه ی اصلی می باشد.
.5 مخازن تحت فشار
مخزن تحت فشار طبق استاندارد ASME SEC VIII به مخازنی گفته می شود که فشار طراحی داخل آن بیش از 15PSI - و کمتر از - 3000Psi باشد. این مخازن فلزی معمولا استوانه ای یا کروی برای نگه داری و یا انجام فرآیندهای شیمیایی مایعات و یا گازها می باشند که توانایی مقاومت در برابر بارگذاری های مختلف - فشار داخلی، و یا فشار خارجی و خلا در داخل - را دارا می باشند. استاندارد اصلی برای طراحی این مخازن ASME Section VIII می باشد که توسط انجمن مهندسین مکانیک آمریکا تدوین شده و هر چهار سال یکبار مورد بازنگری قرار می گیرد. معیار تبعیت از این استاندارد بیشتر بودن فشار داخلی مخزن از 15PSI می باشد. کاربرد عمده این مخازن در صنایع نفت و گاز می باشد.
مخازن تحت فشار برای اینکه کارکردی ایمن داشته باشند در فشار و دمای ویژه ای طراحی می شوند که اصطلاحا فشار طراحی و دمای طراحی گفته می شود. طراحی و ساخت اینگونه تجهیزات تحت فشار بدون اصول و استفاده از کدها و استانداردهای طراحی بسیار خطرناک و حادثه آفرین خواهد بود.
.6 روش ساخت مخازن تحت فشار
طبق استاندارد ASME VIII - Division 1 - روش های ساخت مخازن تحت فشار به دو دسته طبقه بندی می شوند، که به توضیح مختصری از برخی از آن ها می پردازیم.
روش جوشکاری: در ساختن مخازن تحت فشار به روش جوشکاری از روش های متعددی متناسب با متریال فلز پایه، نوع کاربری، میزان حساسیت در ساخت مخزن و تجهیزات کارگاه می توان استفاده کرد که از آن جمله می توان به روش جوشکاری الکترود دستی، جوشکاری میگ، جوشکاری زیر پودری و جوشکاری تیگ اشاره کرد. در این روش پس از رول کردن بدنه ی مخزن و ساختن کلاهک آن، آن ها را به هم جوش می دهند.
روش فورجینگ: ساخت مخازن تحت فشار به روش فورجینگ قابل اجرا برای مخازنی خواهد بود که در آن ها جوش های طولی وجود ندارد همچنین این روش قابل اجرا در فولادهای کم کربن، فولادهای کم آلیاژ است.
.7نرم افزارهای مورد استفاده
تحلیل در این مقاله با نرم افزار انسیس صورت می گیرد و قسمت طراحی با نرم افزار سالید ورک پنج انجام می گیرد و نیروها بر حسب پاسگال می باشند.
مخزن مورد بررسی و تحلیل در این مقاله مربوط به یک مخزن استاندارد که یک کپسول آتش نشانی است، می باشد.
.8 ابعاد مخزن تحلیل شده
این مخزن شامل یک محفظه با ضخامت 2میلی متر است که با پودر پر شده است فشار موجود در این محفظه معادل 2.5 بار است که هر بار معادل 100کیلو پاسگال است و برای مخزن معادل 250000پاسگال می شود که بالاترین حد برای کپسولی با ضخامت 2میلی متر است.
.9 تحلیل با نرم افزار انسیس
9-1 مش بندی
مش بندی یعنی بخش بخش کردن اجزای مختلف جسم که با نرم افزار انسیس انجام می شود.
شکل.1کپسول آتش نشانی مش بندی شده
9-2 بارگذاری
در این قسمت با توجه به این که نرم افزار انسیس سطوح را از هم مجزا می داند، نیروی فشار 250000پاسگال را به تمام سطوح وارد می کنیم.
شکل.2بارگذاری بر روی صفحات مختلف مخزن 9-3 معیار دفورمیشن یا تغییر شکل
به طور کلی تغییر شکل اجسام را دفورمیشن می گویند که بر اثر اعمال نیروهای زیاد از حالت الاستیک به پلاستیک تغییر کرده و در همان حال می ماند.
شکل.3تحلیل پس از معیار دفورمیشن
9-4فاکتور امنیت
مهمترین بخش در یک تحلیل قسمت فاکتور امنیت است که هر چه بالاتر باشد، دلیل بر این است که قطعه ی ما قطعه ی حساس تری می باشد. معمولا ضریب اطمینان را بالای دو در نظر می گیرند.
