بخشی از مقاله
چکیده
امروزه از مخازن تحت فشار بالا به طور گسترده در صنایع مختلفی همچون هوافضا، هستهاي، نفت و گاز استفاده میشود. یکی از مهمترین دغدغه ها در طراحی مخازن تحت فشار ایجاد ترك و گسترش آن در مخزن میباشد که باعث کاهش شدید مقاومت مخزن میگردد. یکی از رایجترین راهها براي افزایش مقاومت مخازن تحت فشار استفاده از پوششهاي کامپوزیتی است.
در این مقاله پس از صحتسنجی روند مدل سازي و تحلیل، تعدادي ترك سهبعدي نیمبیضوي طولی و عرضی در جداره داخلی و خارجی مخزن در حالتهاي بدون استفاده از پوشش کامپوزیتی و استفاده از پوشش کامپوزیتی از جنس گرافیت-اپوکسی در نرمافزار آباکوس مدل میشوند و ضرایب شدت تنش این تركها در سرتاسر جبهه ترك تحت بارگذاري فشار داخلی محاسبه میگردند.
بر اساس نتایج حاصله مشخص میشود که ترك طولی داخلی بحرانیترین ترك در مخازن تحت فشار میباشد. همچنین مشاهده میشود که استفاده از پوشش کامپوزیتی از جنس گرافیت- اپوکسی با ضخامت 2 میلیمتر باعث حداکثر 43 درصد کاهش در ضریب شدت تنش میشود. بنابراین میتوان از این روش براي کاهش ضرایب شدت تنش در مخازن تحت فشار استفاده نمود.
مقدمه
امروزه از مخازن تحت فشار بالا به طور گسترده در صنایع مختلفی همچون هوافضا، نفت و گاز، هستهاي و ... استفاده میشود.
مخازن تحت فشار را از لحاظ عملکرد، هندسه و نوع سیال تحت فشار میتوان به صورت زیر طبقه بندي نمود
-1 عملکرد: منابع ذخیره سازي، راکتورها، دیگهاي بخار و مبدلهاي حرارتی
-2 هندسه: کروي، استوانهاي و استوانهاي با انتهاي کروي یا بیضوي
-3 سیال تحت فشار: آب، انواع گازهاي طبی، سوختی و یا صنعتی و انواع اسیدها و بازها با میزان خورندگی هاي متفاوت یکی از مهمترین دغدغه ها در طراحی مخازن تحت فشار ایجاد ترك و گسترش آن در مخزن میباشد که باعث کاهش شدید مقاومت مخزن میگردد. یکی از رایجترین راهها براي افزایش مقاومت مخازن تحت فشار استفاده از پوششهاي کامپوزیتی است.
این روش در مقایسه با روشهاي دیگر از مزایایی مانند ایمنی، عدم نیاز به جوشکاري، وزن پایین، سهولت در نصب، طول عمر کاربري بالاتر و هزینه تمام شده پایینتر برخوردار میباشد و این به علت استحکام مکانیکی بالاي کامپوزیت ها در برابر شرایط محیطی سخت میباشد. مخازن تحت فشار استوانهاي را میتوان با خم کردن ورق هاي صاف و جوش دادن آنها به یکدیگر تولید نمود. در مواردي که مخزن داراي خط جوش می باشد ممکن است رشد ترك از همان عیوب سطحی ایجاد شده در خط جوش آغاز گردد.
از طرف دیگر علاوه بر اینکه درحین تولید ممکن است عیوب سطحی در مخزن به وجود آید، در بسیاري از موارد علت خرابی مخازن تحت فشار خوردگی سطح داخلی مخزن در اثر ایجاد یک محیط نامناسب اسیدي و یا اکسیده شدن آن ناحیه در حضور سیال داخل مخزن میباشد. این عیوب سطحی ایجاد شده منشأ ایجاد و رشد تركهاي نیم بیضوي ریزي هستند که تا حدي رشد کرده و سپس به یکدیگر میپیوندند و مسیر خود را تا تبدیل شدن به یک ترك نیم بیضوي بزرگتر ادامه میدهند
بنابراین لازم است که روشهاي مناسبی جهت تخمین و ارزیابی عملکرد مناسب و عاري از خطر این مخازن مورد استفاده قرار گیرند و استحکام، یکپارچگی و نیز عمر سرویس دهی باقیمانده این مخازن داراي ترك بررسی گردد. تاکنون نیز تحقیقاتی زیادي پیرامون مخازن تحت فشار انجام شده است که بیشترین آنها مربوط به بررسی رشد ترك در این مخازن میباشد که این خود گواهی بر اهمیت بررسی ترك در مخازن تحت فشار است.
در این راستا چن و پان - 2013 - رفتار شکست در مخازن ذخیره سوخت تحت فشار با پوششهاي کامپوزیتی را با وجود ترکی محوري در سطح داخلی مورد بررسی قرار دادند.
هاکین و همکاران - 2009 - یک مخزن ذخیره هیدروژن از جنس گرافیت- اپوکسی با لاینر فلزي را به صورت تجربی و تحلیلی مورد بررسی قرار دادند. والنتین و آرات - 1991 - براي یک پوسته کروي تک لایه و دو لایه داراي ترك نیم بیضوي، ضرایب شدت تنش را با استفاده از روش اجزاي محدود محاسبه نمودند.
آتلوري و کاتیرسان - 1979 - و همچنین مکگوان و ریموند - 1979 - نیز توانستند ضریب شدت تنش را براي یک ترك سطحی نیمبیضوي با استفاده از روشهاي اجزاي محدود بدست آورند.
سو و همکاران - 1998 - و همچنین شاهانی و خیر خواه - 2007 - نیز ضرایب شدت تنش را براي تركهاي نیم بیضوي موجود در پوستههاي استوانهاي محاسبه نمودند.
اکزي - 2000 - با روش تحلیلی براي ترك تناوبی محیطی روي پوستههاي استوانهاي، ضرایب شدت تنش را محاسبه نمود.
با وجود این، علی رغم تحقیقات فراوان قبلی، بررسی تأثیر استفاده از پوششهاي کامپوزیتی بر ضرایب شدت تنش مخازن تحت فشار و همچنین بررسی تمام تركهاي احتمالی به وجود آمده در مخازن تحت فشار کمتر مورد توجه محققان قرار گرفته است.
