بخشی از مقاله
چکیده :
در فرآیندهای شیمیایی نیاز به حمل و نقل و نگهداری مواد است که به این منظور از مخازن استفاده می شود مخازن از نظر کاربرد به 2 دسته مخازن ذخیره و تحت فشار تقسیم می شوند که هرکدام درموارد خاص مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله طراحی بهینه یک مخزن تحت فشار، با توجه به استانداردهای طراحی مخازن نفت در دنیا مورد بررسی قرار گرفته و همچنین به طراحی و آنالیز یک نمونه مخزن سقف ثابت نیز پرداخته است . سپس نتایج تجزیه و تحلیل، ثبت و نمودارها در نرم افزار SPSS رسم گردیده تا در نهایت سطح تنش برروی کف و کلگی و سطح دیواره مخزن معرفی گردد. همچنین نمودارهای تنش- فشار وکرنش- فشار رسم شدند که اطلاعات مفیدی از آنها قابل استخراج است.
واژه های کلیدی : مخزن تحت فشارسقف ثابت، نمودارتنش-کرنش، تحلیل المان محدود
مقدمه :
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 اینرو توجه به مقوله طراحی و ساخت آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.[1]مخزن تحت فشار طبق استاندارد ASME SEC VIII به مخازنی گفته می شود که فشار طراحی داخل آن بیش از psi - 15 و کمتر از - 3000psi باشد. این مخازن فلزی معمولاً استوانهای یا کروی برای نگهداری و یا انجام فرآیند های شیمیایی مایعات و یا گازها می باشند که توانایی مقاومت در برابر بارگذاریهای مختلف - فشار داخلی، فشار خارجی و خلا در داخل - را دارا هستند. 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 قرارمی گیرد.
معیار تبعیت از این استاندارد بیشتر بودن فشار داخلی مخزن از15psi می باشد[2] .کاربرد عمده این مخازن در صنایع نفت و گاز می باشد، واحدهای نفت و گاز برای نگهداری نفت خام و گاز و نیز انبارکردن فرآورده های نفتی گوناگون نیاز به تعداد بسیاری مخزن دارند. تعداد این مخازن به عواملی چون, دوری و نزدیکی واحد به منابع تامین کننده نفت خام, تعداد و ظرفیت واحدهای پالایش, تنوع فرآورده های تولیدی و سرانجام چگونگی انتقال و پخش فرآورده ها بستگی دارد2] [تاکنون پژوهش های متعددی در زمینه بهینه سازی پارامترهای طراحی مخازن تحت فشار انجام شده است که به طور عمده بر پایه تحلیل ساده یا روشهای تجربی می باشند . آدلی و همکاران[3] یک الگوریتم طراحی بهینه برای مخازن تحت فشار استوانه ای چندلایه متقارن پیشنهاد کردند، رحمتی و همکاران[4 ] طراحی بهینه چند مرحله ای مخازن تحت فشار مرکب پیشنهاد کردند .
همچنین طراحی بهینه پروفیل کلگی برای مخازن تحت فشار موضوع تحقیقات بسیاری بوده است . هاف دیتز[5 ] تحلیل شبکه ای و ارتوتروپ را برای حل مسائل طراحی کلگی به کار برد. مجیدی وهمکاران[ 6 ] در پژوهشی به مقایسه مخازن تحت فشار با کلگی های کروی، بیضوی و شبه کروی با روش المان محدود پراداخته اند.یک مخزن فولادی از سه جزء اصلی تشکیل یافته است: بدنه ،کف و سقف. بدنه مخزن یک پوسته استوانه ای از ورق فولادی است؛کف مخزن ورق تختی می باشد که متکی بر بستر متراکم و یا شالوده گسترده بوده و سقف آن نیز بسته به نوع ماده ذخیره شده در آن ، به صورت ثابت و یا متحرکP 1P2Fساخته می شود.
مخازن ذخیره سقف ثابت معمولا به صورت استوانه ای و یا سقف ثابت مخروطی یا گنبدی شکل بوده و برای نگهداری سیالاتی مانند فرآورده های گوناگون نفتی بکار می روند. عواملی نظیر فضای موجود برای نصب مخزن تحمل فشار خاک زیر مخزن، فراریت سیال و سرعت ته نشین شدن ناخالصی ها در انتخاب قطر و بلندی مخزن موثراست[7] شکل 1انواع مخازن سقف ثابت را نشان می دهد.سقف های ثابت توسط ستون های میانی و سقف های متحرک توسط یک تیر خرپایی نگهداری می شوند طراحی پوسته بر اساس فشارهیدرواستاتیک مایع درونی و فشار جانبی زلزله می باشد[8]
توزیع فشارهیدرواستاتیک در ارتفاع مخزن به صورت مثلثی بوده ودر عمقz مخزنبه صورت وزن مخصوص مایع درونی تعریف می شود، بنابراین ضخامت پوسته در ارتفاع به صورت متغیر بوده و با توجه به اینکه امکان تغییرات خطی برای t - ضخامت مخزن - وجود ندارد، تغییرات آن در ارتفاع به صورت پله ای است، بدین صورت که ضخامت درپای مخزن دارای بیشترین مقدار می باشد و پایداری ورق ها بر روی یکدیگر بوسیله جوش های نفوذی شیاری تامین می شود . ورق کف مخزن معمولا بر روی بستر خاک مستقر بوده و فشار مایع با فشار قائم روبه بالای بستر خنثی می شود. به منظور آب بندی ورقهای کف به صورت جو ش روی هم به یکدیگر متصل می شوند. سقف مخازن نیز به صورت مخروطی بوده که بار مرده ورق ها و بار برف را تحمل می نماید . همانطور که گفته شد تعدادی ستونهای تکیه گاهی سیستم سقف را نگاه داشته که ممکن است به صورت تک ستون در مرکز و یا تعدادی ستون در حول یک دایره داخلی باشند. طراحی سقف بر اساس بار مرده ورق ها و بار برف می باشد.[9]
بارگذاری مخا زن
بارهای وارد بر یک مخزن عبارتند از : - 1 بار مرده ، - 2 بار برف ، - 3 فشار سیال درون مخزن ، - 4 بار باد ، - 5 بارزلزله
بار مرده مخازن شامل: وزن اجزای مختلف آن از قبیل ورق های پوسته ، کف ، سقف ، شالوده و.... می باشد.بار برف و فشار باد بر اساس ضوابط مبحث ششم مقررات ملی ایران قابل محاسبه می باشد فشار سیال درونی نیز به دو صورت قابل بررسی است :
- 1 در حالت هیدرواستاتیک - 2 در حالت هیدرو دینامیک .
مدلسازی مخزن
