مخازن تحت فشار چیست؟ از کاربرد و انواع تا استادارد طراحی و اجرا
مخازن تحت فشار (Pressure vessel) با توجه به طراحی و ساختار پیچیده‌ای که دارند، مستلزم رعایت اصول استانداردهای زیادی در طراحی و اجرا هستند. خود یک مخزن تحت فشر با توجه به کاربرد یا مایعی که نگهداری و ذخیره خواهد کرد، می تواند انواع مختلفی داشته باشد که در این مقاله از پاوان به طور مفصل در مورد آن بحث شده است.
مخزن تحت فشار چیست؟
مخازن تحت فشار یکی از انواع مخازن صنعتی و یک محفظه ضد نشتی هستند که مایع یا گاز را ذخیره می‌کنند. مخازن تحت فشار در اندازه‌ها و شکل‌های متفاوت برای اهداف مختلف تولید شده‌اند و به طور کلی، ظاهر هندسی آن‌ها به شکل کروی، مخروطی و استوانه‌ای است.
یکی از مدل‌های رایج آن، ترکیبی از یک سیلندر بلند با دو کلاهک است. مخازن تحت فشار در فشارهای داخلی بالاتر یا پایین‌تر از فشار هوا کار می‌کنند. علاوه بر این، دمای عملیاتی این دستگاه‌ها نیز متفاوت است.
بیشتر بخوانید: جامع‌ترین معرفی انواع مخازن صنعتی نفت و گاز از تحت فشار تا سقف شناور
مخزن تحت فشار چگونه کار می‌کند؟
مخازن تحت فشار به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با رسیدن به سطح فشار مورد نیاز برای انجام یک عملکرد کاربردی مانند نگهداری هوا در مخزن غواصی، کار کنند. این مخازن می‌توانند فشار را مستقیماً از طریق دریچه‌ها و عقربه‌های رهاسازی اعمال، یا فشار را به طور غیرمستقیم از طریق انتقال حرارت وارد کنند.
سطوح فشار بالقوه از psi 15 تا حدود psi 000/150 متغیر است، در حالی که دما اغلب بالای 400 درجه سانتی‌گراد (750 درجه فارنهایت) است. یک مخزن فشار می‌تواند از 75 لیتر (20 گالن) تا چندین هزار لیتر را در خود جای دهد.
کاربرد مخازن تحت فشار در صنعت
مخازن تحت فشار در بسیاری از صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما بیشتر بازار را سه صنعت پوشش می‌دهند. این صنایع عبارت‌اند از صنعت نفت و گاز، صنایع شیمیایی و صنعت انرژی.
صنعت نفت و گاز
در صنعت نفت و گاز، یک مخزن تحت فشار اغلب به عنوان گیرنده استفاده می‌شود که در آن فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی در دما و فشار بالا انجام می‌شود.
صنایع شیمیایی
در یک مخزن تحت فشار در صنایع شیمیایی، یک فرآیند (واکنش شیمیایی) انجام می‌شود که منجر به تغییر اساسی در محتوای ظرف می‌شود.
صنعت انرژی (تولید برق)
دلایل مختلفی وجود دارد که چرا بخش انرژی به طور کلی به مخازن تحت فشار نیاز دارد. یکی از دلایل اصلی مورد نیاز آن‌ها در بخش انرژی، وجود گازهای مضر است. همچنین نیروگاه‌های هسته‌ای از مخازن تحت فشار ویژه‌ای به نام مخازن تحت فشار راکتور (RPVs) استفاده می‌کنند.
انواع مخازن تحت فشار
مخازن فرآیند
مخازن فرآیندی (تانکرها) برای نگهداری و ذخیره‌سازی مایعات طراحی شده‌اند و برای عملیات یکپارچه در تأسیسات پتروشیمی، پالایشگاه‌ها، کارخانه‌های گاز، تأسیسات تولید نفت و گاز و سایر تأسیسات استفاده می‌شوند.
اتوکلاوها
اتوکلاوها ظروف بزرگی هستند که تحت فشار قرار می‌گیرند و به دمای بالا می‌رسند. آن‌ها معمولاً استوانه‌ای هستند زیرا شکل کروی بهتر می‌تواند فشارهای بالا را به طور ایمن تحمل کند. اتوکلاوها برای نگهداری وسایلی طراحی شده‌اند که داخل آن قرار می‌گیرند و سپس درب آن مهر و موم می‌شود.
بیشتر بخوانید: سازه صنعتی چیست و انواع آن کدامند؟ بررسی جامع مزایا و معایب هر کدام
مخازن فشار قوی
مخازن فشار قوی بادوام‌ترین مخازن موجود در بازارند که در زیر سنگین‌ترین بارها نیز به کار خود ادامه می‌دهند و در برابر خوردگی، دما و فشار، بهترین مقاومت را دارند. این مخازن معمولاً از فولاد ضدزنگ ساخته می‌شوند. کارکردهای رایج برای مخزن فشار قوی شامل میکسرهای پرسرعت، راکتورهای شیمیایی و دستگاه‌های استخراج فوق بحرانی است.
مخازن انبساط
مخازن انبساط برای تنظیم تغییرات در میزان آب گرم در دستگاه‌های گرمایشی و تغییر در سرعت جریان آب و حفظ فشار استاتیکی تولید شده توسط پمپ در سطح استفاده در دستگاه‌های آب گرم بهداشتی طراحی شده‌اند.
مبدل‌های حرارتی
مبدل حرارتی دستگاهی است که حرارت را از یک وسیله به وسیله دیگر منتقل می‌کند. مبدل‌های حرارتی بیشتر در تأسیسات صنعتی مانند آهن و فولاد، نفت، پتروشیمی، گاز، نیروگاه‌ها، مواد غذایی، دارویی، چرم، منسوجات، تهویه هوا، کشتی‌ها و صنایع دریایی استفاده می‌شوند.
مخازن فشار آب
در یک سیستم چاه آب، مخزن تحت فشار با استفاده از هوای فشرده برای فشار بر روی آب، فشار آب تولید می‌کند. به دلیل این فشار، هنگامی که شیر آب باز می‌شود، آب از طریق لوله‌های داخل خانه از مخزن خارج می‌شود.
مخازن خلأ
مخزن خلأ بخشی از دستگاهی است که هوا یا سیالات را از طریق مکش، خروج گاز، پمپاژ یا ترکیبی از تکنیک‌ها فیلتر می‌کند. این مخازن از فشار برای جلوگیری از آلودگی، تصفیه، کم‌آبی و حتی برق استفاده می‌کنند.
مخازن تحت فشار ASME
این مخازن هر مخزن تحت فشار با تمبر ASME هستند که به عنوان دیگ‌های بخار ASME نیز شناخته می‌شوند. تمبر ASME نشان می‌دهد که مخزن تحت بازرسی قرار گرفته و استانداردهای سختگیرانه کد ASME VIII را برآورده می‌کند. علاوه بر این، تمبرهای ASME اطلاعاتی در مورد دیگ بخار ASME و سازنده آن به کاربران نهایی ارائه می‌دهند.
مخازن تحت فشار با دیواره نازک
مخزن فشار با دیواره نازک به مخازنی گفته می‌شود که در آن ضخامت پوسته مخزن بسیار کوچک‌تر از اندازه کلی مخزن است و مخزن، تحت فشار داخلی که بسیار بیشتر از فشار هوای بیرونی است، قرار می‌گیرد.
مخازن بخار
این مخازن، مخازن تحت فشار بسته‌ای هستند که برای گرم کردن مایعات که عمدتاً شامل آب می‌شود، کاربرد دارند. این مایعات گرم شده برای پخت و پز، تولید برق، گرمایش مرکزی، گرمایش آب و بهداشت استفاده می‌شود.
مراحی طراحی و اجرا مخازن تحت فشار
در ادامه تمامی مراحل ساخت و اجرای یک مخزن تحت فشار تشریح شده است.
مرحل اول، طراحی مخزن تحت فشار
از نظر علمی، راه‌حل مشکل کاهش کُرنش یک پاسخ هندسی ساده، یعنی یک جسم کروی است. بدیهی است که راه‌حل مهندسی به این سادگی نیست. ساخت مخازن تحت فشار کروی فوق‌العاده دشوار است. اگرچه ناسا ممکن است مخازن فیبر کربنی کاملاً کروی و برودتی را به درستی بسازد، اما بیشتر صنایع به راه‌حل ساده‌تر و واقعی‌تری نیاز دارند.
پرکاربردترین طرح، پیکربندی یک سیلندر بلند و دو کلاهک است. مخزن تحت فشار استوانه‌ای فولادی با نیازهای کاربردهای مخازن تحت فشار مختلف مطابقت دارد. این مخازن با دقت مهندسی شده‌اند تا سهولت تولید را داشته باشند و در عین حال هندسه‌ای محکم و انعطاف‌پذیر را حفظ کنند.
بخش میانی استوانه‌ای را می‌توان به راحتی از یک قطعه فولادی مستطیل شکل ساخت در حالی که عدم وجود لبه‌های عمودی توزیع بهتر کشش را فراهم می‌کند. در حالی که کلاهک‌های نیمکره توزیع بهتر فشار را فراهم می‌کنند، اما اغلب به جای آن از کلاهک‌های کم‌عمق استفاده می‌شود.
این کلاهک‌ها که در این بخش به عنوان کلاهک‌های «مقعر» شناخته می‌شوند، تعادل مهمی بین به حداقل رساندن کرنش و قابلیت ساخت را نشان می‌دهند. شکل‌گیری این کلاهک‌ها بسیار ساده‌تر است و می‌تواند کمی ضخیم‌تر شود و به همان مقاومت فشاری برسد.
به طور کلی، کلاهک‌های مقعر دارای یکی از دو هندسه نیمکره یا بشقابی هستند. کلاهک‌های بشقابی شامل صفحه‌ای با شعاع ثابت است که با یک مفصل حلقوی به سیلندر متصل می‌شود. سهولت نسبی تولید، کلاهک‌های بشقابی را به رایج‌ترین شکل کلاهک مخازن تحت فشار تبدیل کرده است که در محفظه‌های فشرده‌سازی مجدد، برج‌های تقطیر، کارخانه‌های پتروشیمی و کاربردهای مختلف ذخیره‌سازی استفاده می‌شوند.
کلاهک‌های نیمکره انتخاب دیگری است که به طور منظم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کلاهک‌ها گود‌تر، کروی‌تر و بادوام‌تر از کلاهک‌های بشقابی هستند، و بنابراین ساخت آن‌ها پرهزینه‌تر است، اما می‌توانند کاربردهای چالش‌برانگیزتری را نسبت به کلاهک‌های بشقابی انجام دهند. کلاهک‌های نیمکره برای کاربردهایی با فشار کمی بالاتر که در آن کل طول سیلندر مهم است، مناسب‌اند.
ضخامت‌های تعیین‌شده توسط معادلات مربوطه، حداقل هستند که باید به آن‌ها مقادیر مختلفی از جمله مقادیر خوردگی، فرسایش، تحمل تأمین مواد و هرگونه نازک شدن ساخت را اضافه کرد.
مرحله دوم، انتخاب مواد
طیف مواد مورد استفاده در مخازن تحت فشار گسترده بوده و شامل موارد زیر است اما به این موارد محدود نمی‌شود:
- فولاد کربنی (با کمتر از 25/0 درصد کربن)
- فولاد کربن منگنز (استحکام بالاتری نسبت به فولاد کربنی دارد)
- فولادهای کم آلیاژ
- فولادهای با آلیاژ بالا
- فولادهای ضدزنگ استنیت
- مواد غیر آهنی (آلومینیوم، مس، نیکل و آلیاژها)
- مواد اتصال با کارایی بالا
به منظور رعایت استانداردهای تولید، باید خواص مواد زیر در مواد انتخابی مشخص باشد. طرح‌هایی که بدون اطلاع از این ویژگی‌ها ساخته شوند، به احتمال زیاد در استفاده طولانی مدت دچار مشکل می‌شوند. بنابراین در انتخاب مواد باید توجه زیادی شود.
- کشیدگی و تقلیل ناحیه در هنگام شکستگی
- دوام در برابر شکاف
- کهنگی و شکنندگی در شرایط عملیاتی
- مقاومت در برابر فرسودگی
- دسترسی
اهمیت طراحی با استفاده از فاکتورهای ایمنی اعمال شده برای خواص مواد تنظیم شده، که شامل این موارد است:
- قدرت بازده در دمای طراحی
- استحکام کششی نهایی در دمای اتاق
- قدرت خزش در دمای طراحی
جوشکاران و سازندگان باید نکات زیر را در نظر داشته باشند تا ضمانت کنند که مخازن تحت فشار آن‌ها تمام الزامات کاربردهای صنعتی را برآورده می‌کند:
- فرسودگی
- وزن و محتویات مخزن
- دمای محیط و دمای عملیاتی
- فشارهای استاتیکی و دینامیکی
- تنش رسوبی و حرارتی
- نیروهای واکنش
مرحله سوم، ساخت مخازن تحت فشار
قبل از شروع ساخت‌وساز، اغلب از سازنده خواسته می‌شود که نقشه‌هایی با ابعاد کامل از پوسته و اجزای مخزن تحت فشار اصلی را برای تائید توسط خریدار و مرجع بازرسی ارائه کند. این نقشه‌ها علاوه بر نشان دادن ابعاد و ضخامت‌ها، شامل اطلاعات زیر نیز می‌باشد:
- شرایط طراحی
- شیوه‌های جوشکاری که باید اعمال شوند
- جزئیات مهم جوشکاری
- شیوه‌های عملیات حرارتی که باید اعمال شوند
- الزامات آزمایش غیر مخرب
- آزمایش فشار
به طور کلی، تولیدکننده ملزم به حفظ یک سیستم شناسایی مثبت برای مواد مورد استفاده در ساخت‌وساز است تا بتوان منشأ تمام مواد موجود در مخزن تحت فشار تکمیل شده را ردیابی کرد. ایجاد صفحات به شکل غلتک یا با انتهای مقعر، بسته به جنس، ضخامت و ابعاد تمام شده، فرآیندی گرم یا سرد است. این استاندارد، حد قابل قبول خطای نصب مجاز را تنظیم می‌کند. این حد قابل قبول خطا، تنش‌های ناشی از گردی و ناهماهنگی مفصل را محدود می‌کند.
مرحله چهارم، تولید کلاهک‌های بشقابی فولادی
ساخت کلاهک‌های بشقابی فلزی دو مرحله اصلی دارد. ابتدا، فلز با استفاده از دستگاه‌های برش پلاسما یا قیچی‌های دایره‌ای صنعتی که معمولاً توسط رایانه هدایت می‌شوند، با ضخامت و شکل صحیح بریده می‌شود. هنگامی که فلز برش داده شد، با استفاده از فرآیند لبه‌دار کردن یا چرخش به یک کلاهک تبدیل می‌شود. در روش چرخش، فلز بر روی یک ماشینِ تراشِ هیدرولیک می‌چرخد و به یک ابزار فشرده می‌شود.
این ابزار، فلز را با توجه به شکل کلاهک موردنظر قالب‌گیری می‌کند و می‌تواند شعاع مفصل و شعاع مخزن را در یک حرکت تولید کند. لبه‌دار کردن یک فرآیند دو مرحله‌ای است که برای تسریع در مونتاژ نهایی سیلندر مدل‌سازی شده است: فولاد به صورت سرد به شکل یک کلاهک فشرده می‌شود و سپس با یک غلتک فشار شکل می‌گیرد به طوری که یک لبه صاف را در نقطه اتصال سیلندر نشان می‌دهد.
بیشتر بخوانید: سازه های چادری چیست؟ ساخت انواع سازه چادری
توسعه مخزن‌های مرکب چونه است؟
4 نوع سیلندر مرکب برای تشریح اصول خاص ساخت، تعریف می‌شود.
- نوع 1 – فلز کامل: سیلندر تماماً از فلز ساخته شده است.
- نوع 2 – پوشش حلقه‌ای: حلقه فلزی، پوشیده شده با پوشش حلقه، مانند کمربندی از فیبر است. برای اهداف هندسی، کف کروی و کلاهک یک سیلندر می‌تواند دو برابر فشار پوسته سیلندر را تحمل کند (با فرض ضخامت دیواره فلزی یکنواخت).
- نوع 3 – کاملاً پوشیده شده، روی آستر فلزی: الیافی که به صورت مورب پیچیده شده‌اند، دیواره را درست در پایین و اطراف حلقه فلزی در برابر فشار مقاوم می‌کنند. پوشش فلزی نازک بوده و به آب مخزن نزدیک است.
- نوع 4 – مخزن تماماً ساخته شده از فیبر کربن، با عایق پلی آمید یا پلی‌اتیلن در داخل آستر ساخته می‌شود. از ویژگی‌های آن می‌توان به وزن بسیار کمتر و مقاومت بسیار بالای آن اشاره کرد. قیمت فیبر کربن نسبتاً زیاد است.
سیلندرهای نوع 2 و 3 در حدود سال 1995 تولید شدند. سیلندرهای نوع 4 حداقل از سال 2016 به بعد به صورت تجاری در دسترس هستند.
استاندارد جوشکاری مخزن تحت فشار
مخازن تحت فشار برای ذخیره‌سازی و توزیع مایعات و گازها در فشار بالا استفاده می‌شود. جوشکاری باید در مخازن تحت فشار از کیفیت فوق‌العاده بالایی برخوردار باشد تا در شرایط کاری مقاومت کند.
آماده‌سازی مناسب سطح برای راحت گذراندن اولین بازرسی‌های چالش‌برانگیز جوشکاری مخازن تحت فشار و حفظ هزینه‌های گزاف در این فرآیند بسیار مهم است. ممکن است در حین جوشکاری برخی خطاها رخ دهد. در زیر به این خطاها اشاره شده است. انجام آزمایشات بازرسیِ سالم بودن مخازن برای پیدا کردن عیوب، شیوه‌ای رایج است.
تخلخل زمانی رخ می‌دهد که گاز وارد حوضچه جوش مذاب شود. با سرد شدن و جامد شدن منبع، گاز حباب‌هایی ایجاد می‌کند که در حین بازرسی به صورت حفره ظاهر می‌شوند. مشکلات متعددی می‌تواند باعث ایجاد تخلخل در جوش شود. بررسی اینکه آیا از تکنیک‌های جوشکاری مناسب و مواد مصرفی باکیفیت استفاده می‌شود، مهم است.
نیتریدها یک آلاینده بسیار چسبنده هستند که هنگام برش پلاسما با هوای فشرده یا نیتروژن ایجاد می‌شود. به دلیل اینکه نیترید می‌تواند از 005/0تا 010/0 اینچ وجود داشته باشد، موجب شکنندگی لبه‌ها می‌شود و در برخی از فرآیندهای جوشکاری، به ویژه جوشکاری قوس فلزی با گاز، تخلخل ایجاد می‌کند. نیترید را نمیتوان در زیر سطح مواد با برس جدا کرد.
ناخالصی‌ها اغلب ناشی از آلودگی‌های سطحی هستند که در حوضچه جوش ترکیب شده و در طول انجماد به دام می‌افتند. در کاربردهای جوشکاری چند گذری، سرباره‌ای که به طور کامل حذف نشده می‌تواند منبع ناخالصی باشد. نظافت کامل با برس سیمی مناسب قبل از جوشکاری و بین گذرها، شیوه بسیار مؤثری برای رفع این نوع عیوب است.
انواع آزمایش استاندارد مخازن تحت فشار
پنج نوع آزمایش متداول وجود دارد که بازرسان هنگام بازرسی مخازن تحت فشار انجام می‌دهند:
- آزمایش بصری
آزمایش بصری رایج‌ترین نوع آزمایش غیر مخرب (NDT) است که یک بازرس ممکن است انجام دهد. هدف از بازرسی بصری، بازدید بصری داخل و خارج مخزن برای بررسی هرگونه ترک یا نقص است (برای جزئیات بیشتر به چک‌لیست زیر مراجعه کنید).
- آزمایش فراصوتی
آزمایش فراصوتی از امواج صوتی برای اندازه‌گیری ضخامت سطح یک ماده استفاده می‌کند تا هرگونه نقصی را که ممکن است ایجاد شده باشد، تشخیص دهد. این یک نوع آزمایش حجمی است، به این معنی که می‌تواند عیوب داخل مخزن و همچنین نواقص روی سطح را تشخیص دهد.
- آزمایش رادیوگرافی
از آزمایش رادیوگرافی برای تشخیص عیوب نزدیک سطح مخزن یا روی سطح آن استفاده می‌شود. این آزمایش نیز یک نوع آزمایش حجمی است.
- آزمایش ذرات مغناطیسی
آزمایش ذرات مغناطیسی از عبور جریان مغناطیسی از مخزن تحت فشار برای شناسایی تغییر شکل‌ها یا نواقص در سطح مخزن استفاده می‌کند که باعث قطع جریان مغناطیسی شده و به عنوان «میدان نشت شار» ظاهر می‌شود.
- آزمایش نفوذ رنگ
در آزمایش رنگ یا مایع نافذ، از مایع (یعنی ماده نفوذکننده) استفاده می‌شود که روی مخزن اسپری شده تا نواقص و عیوب روی سطح آن شناسایی شود. یک ماده شیمیایی فلورسنت می‌تواند به ماده نافذ اضافه شود تا عیوب زیر نور ماوراءبنفش قابل مشاهده باشد.