مقاله طراحی و تحلیل یک مخزن عمودی تحت فشار در شرایط عملیاتی خاص

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله، تنشهاي وارد بر یک مخزن عمودي تحت فشار مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به اثرات خوردگی، راندمان جوشکاري و تاثیر جریان باد، نقاط بحرانی مخزن تعیین و ضخامت پوسته و حداکثر سرعت مجاز جریان باد براي این مخزن محاسبه شده است.

از تئوري ماکسیمم تنش برشی به عنوان معیار طراحی استفاده شده است. حالت هاي مختلف ممکن براي مخزن در نظر گرفته شد و تحلیل تنش هاي وارد بر آن به کمک دایره ي مور صورت گرفته است . ماکسیمم مقدار تنش، به صورت کششی به پایهي نگهدارندهي مخزن وارد می شود.

از این رو، تخمین سرعت بحرانی جریان باد بر اساس تنشهاي وارد به پایه ي مخزن و در بحرانی ترین حالت آن انجام شد. در نهایت تاثیر ضخامت محاسبه شده براي خوردگی مخزن روي سرعت بحرانی جریان باد مورد بررسی قرار گرفت که با در نظر گرفتن ضخامت لازم براي خوردگی، حداکثر سرعت مجاز براي جریان باد کاهش می یابد.

١- مقدمه

مخازن تحت فشار معمولا از جنس یک مادهي منفرد ساخته شده و بر اساس کاربرد در نظر گرفته شده براي آنها، در شرایط مختلف زیست محیطی تحت دما، فشار سیال و شرایط خوردگی متفاوتی بهکارگرفته میشوند 2]،.[1 مخازن تحت فشار کامپوزیتی چند لایه براي برآورد نیازهاي خاص و معمولا به صورت سفارشی ساخته میشود. در چنین مخازنی لایهي داخلی به صورت روکش از آلیاژهاي خاص ساخته میشود و از ورقههاي فولاد براي ساخت لایهي بیرونی استفاده میشود

مدلهاي تحلیل الاستیکی براي تعیین نوع توزیع تنش در مخازن کامپوزیتی تحت فشار یکنواخت سطوح داخلی و خارجی نیز ارائه شده است.[3] همچنین طراحی مخازن تحت فشار سه لایه براساس طول عمر خستگی صورت گرفته است .[4] روش ترسیمی دایرهي مور جهت تحلیل تنش صفحات تحت بارگذاريهاي مختلف استفاده شده است .

در پالایشگاههاي نفت و پتروشیمی، از یک مخزن تحت فشار طویل براي ذخیرهي محصولات استفاده میشود که بهطور معمول قطر داخلی این مخازن D  2.50m و قطر خارجی آن t - D0  D  2t ضخامت پوسته - است. غالبا این مخازن با جوشکاري ورقهاي نرم فولادي درست شده و براي نگهداري محتویات گازي استفاده میشود. شماي کلی چنین مخازنی در شکل 1 نشان داده شده است.

چنانچه این مخازن نفتی در مناطق بادخیز همچون نواحی جنوب غربی ایران که تحت تاثیر جریانهاي هوایی فصلی میباشد، مورد استفاده قرار گیرد، نگرانیهایی از لحاظ مقاومت سازه وجود خواهد داشت. در بدترین شرایط، سرعت جریان آزاد باد میتواند به 50 الی60 متر بر ثانیه برسد. بنابراین، به علت ارتفاع زیاد مخزن، توانایی تحمل تنش خمشی ناشی از جریان باد باید مورد بررسی قرار گیرد.

-2 هندسه و روند انجام محاسبات

محاسبات اولیه در دو مرحله انجام می شود. در مرحله اول طراحی بر اساس فشار داخلی صورت می گیرد تا تخمینی از ضخامت لازم براي دیواره بهدست آید. سپس تنشهاي ناشی از فشار داخل و خارج بهطور همزمان روي مخزن بررسی میشود.

شکل -1 مخزن عمودي

-1-2 طراحی تنها بر اساس فشار داخلی

بر اساس پارامترهاي طراحی داده شده در زیر، اندازهي مناسب ورق براي مخزن انتخاب میشود. در این بخش، محاسبات طراحی بر اساس مقاومت در برابر تسلیم یا پارگی در اثر فشار داخل مخزن انجام میشود. دادههاي طراحی را میتوان به صورت زیر خلاصه کرد:

•    فشار داخلی - فشار گیج - p  2.0MPa

•    خوردگی مجاز - خوردگی داخل و خارج - ، C  3.0mm

•    راندمان مفصل جوش خورده،   0.85

•    ضریب اطمینان طراحی - تسلیم - Fdy 1.6

•    ضریب اطمینان طراحی - پارگی - Fdr  4.0

•    تنش تسلیم مواد Sy  240MPa

•    مقاومت کششی مواد Su  620MPa

تنش مجاز طراحی، f ، کمترین مقدار از میان Sy / Fdy و  Su / Fdr انتخاب میشود. این معیار کمابیش اساس کدهاي طراحی مخازن تحت فشار میباشد که از جملهي آنها میتوان به AS-1210 - استرالیا - ، BS5500 - انگلیس - و ASME- VIII - امریکا - اشاره کرد.    

ورقها از جنس فولاد نرم بوده و اندازهي ورقهاي در دسترس6mm، 8mm، 10mm، 12mm، 16mm، 20mm، 25mm، 32mm، 40mm ، 50mm و 65mm است.    

-2-2 طراحی بر اساس بار حاصل از باد و فشار داخلی

این موضوع باید مورد بررسی قرار گیرد که چه سرعتی از جریان آزاد باد در ضخامت فرض شده براي پوسته موجب افزایش تنش، از حد مجاز میگردد. تحلیل تنها بر اساس نیروهاي استاتیکی حاصل از باد انجام شده و به عبارتی از اثر جریان-هاي گردابی صرف نظر شده است.

استفاده از دایرهي مور جهت تحلیل تنشهاي وارد بر مخزن، به هنگام اعمال همزمان فشار داخلی و بارگذاري خارجی باد، مفید خواهد بود. فرضیات زیر در انجام محاسبات در نظر گرفته شده است:

- 1 تنش ناشی از باد و فشار داخلی، هر یک جداگانه بدست آمده سپس از تکنیک جمع آثار استفاده شده است.
- 2 با توجه به شکل - 1 - ، فرض بر این است که نیروي افقی ناشی از باد به صورت یکنواخت روي محور عمودي مخزن گسترده شده است بهگونهاي که آنرا میتوان به صورت نیرو بر واحد فاصلهي این محور، qN / m مشخص نمود.