کاربرد مخازن تحت فشار در صنعت
امروزه مخازن تحت فشار در بسیاری از صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، اما سه صنعت بزرگ بیشترین سهم را در این مورد از آن خود کرده اند. این صنایع عبارتند 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 می شود که در آن فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی در دما و فشار های بالا انجام می شود.
اگرچه ستون ها یا برج های تقطیر برای اهداف متفاوتی استفاده می شوند، اما در طراحی و عملکرد مشابه هم هستند. ستون‌های تقطیر برای تقسیم جریان‌ها یا جریان‌های خوراک به منابع متعدد، بر اساس نقاط جوش قسمت خوراک استفاده می‌شوند. به طور کلی مخازن تحت فشار و ستون ها به دلیل فرآیند ساخت مشابه از همان سازندگان خریداری می شوند. فولاد کربن و فولاد ضد زنگ دو ماده متداول برای ساخت و ساز در صنعت نفت و گاز هستند. یک مخزن تحت فشار برای قابل استفاده شدن علاوه بر بدنه خارجی، به اجزای دیگری نیز نیاز دارد، مانند قطعات داخلی مخزن، سینی های تقطیر. چنین قطعاتی بسیار پیچیده هستند و نیاز به مشخصاتی دارند که بسیار متفاوت از مشخصات لازم برای ساخت مخازن تحت فشار است که توسط تامین کنندگان متخصص عرضه می شود.
صنایع شیمیایی
یک مخزن تحت فشار که در آن یک فرآیند (واکنش شیمیایی) انجام می شود و منجر به تغییر اساسی در محتوای ظرف می شود. اینها می توانند فرآیندهایی مانند ترکیب یک یا چند محصول برای ایجاد یک محصول جدید، تقسیم یک محصول به یک یا چند محصول مختلف، حذف مسیرهای یک محصول موجود برای ایجاد پروداکتی دیگری باشند. همچنین انواع مختلفی از مخازن تحت فشار را می توان به طور همزمان در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار داد.
صنعت انرژی (تولید برق)
دلایل بسیار 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. اغلب در مکان هایی مانند: پالایشگاه های نفت گاز اضافی فلزکاری، باید ذخیره شود. همچنین نیروگاه های هسته ای از مخازن تحت فشار ویژه ای به نام مخازن تحت فشار راکتور (RPVs) استفاده می کنند. RPV مخازن فولادی استوانه‌ای بزرگی هستند که حاوی یک هسته، آب خنک‌کننده و بخار تولید شده هستند که برای مقاومت در برابر دماها و فشارهای بالا و تابش نوترون به قابلیت اطمینان بالایی نیاز دارند که RPV را به بحرانی‌ترین مرز فشار در نیروگاه هسته‌ای تبدیل می‌کند. اما به خاطر داشته باشید که همه راکتورهای قدرتمند دارای مخزن تحت فشار راکتور نیستند.
انواع مخازن تحت فشار
مخازن های فرآیند:
مخازن فرآیندی برای نگهداری و ذخیره سازی مایعات طراحی شده اند و برای عملیات یکپارچه در تاسیسات پتروشیمی، پالایشگاه ها، کارخانه های گاز، تاسیسات تولید نفت و گاز و سایر تاسیسات استفاده می شوند.
اتوکلاوها:
اتوکلاوها ظروف بزرگی هستند که با قرار گرفتن تحت فشار به دمای بالا می رسند. آنها معمولاً استوانه ای هستند زیرا شکل گرد بهتر می تواند فشارهای بالا تحمل و در عین حال ایمنی را تضمین کند. اتوکلاوها برای نگهداری وسایلی طراحی شده اند که داخل آن قرار می گیرند و سپس درب آن مهر و موم می شود.
مخازن پرفشار:
بادوام ترین وسل های موجود در بازار هستند که قادر به کار در زیر سنگین ترین بارها هستند و بهترین مقاومت را در برابر خورندگی، دما و فشار دارند. مخازن تحت فشار قوی معمولا از فولاد ضد زنگ ساخته می شوند.
عملکردهای معمولی برای مخزن فشار بالا:
میکسرهای پرسرعت، راکتورهای شیمیایی و سیستم های استخراج فوق بحرانی
مخازن انبساط:
مخازن انبساط برای تنظیم تغییرات در میزان آب گرم در سیستم های گرمایشی و تغییر در سرعت جریان آب و حفظ فشار استاتیکی تولید شده اند که این امر توسط پمپ ها در سطح و در سیستم های آب گرم بهداشتی مورد بهرهوری قرار می گیرند.
مبدل های حرارتی:
مبدل ها حرارتی وسیله ای هستند که حرارت را از یک محیط به رسانه دیگر منتقل می کند. مبدل های حرارتی بیشتر در تاسیسات صنعتی مانند آهن و فولاد، نفت، پتروشیمی، گاز، نیروگاه ها، مواد غذایی، دارویی، چرم، منسوجات، تهویه مطبوع، کشتی ها و صنایع دریایی استفاده می شوند.
مخازن فشار آب:
در یک سیستم چاه آب، مخزن تحت فشار با استفاده از هوای فشرده برای فشار بر روی آب، فشار آب تولید می کند. به دلیل این فشار، هنگامی که یک شیر باز می شود، آب از طریق لوله های داخل خانه شما از مخزن خارج می شود.
مخازن خلاء:
مخازن تحت خلاء بخشی از سیستمی است که هوا یا سیالات را از طریق مکش، خروج گاز، پمپاژ یا ترکیبی از تکنیک ها فیلتر می کنند. از مخزن خلاء جهت تولید فشار برای جلوگیری از آلودگی، تصفیه، کم آبی و حتی برق استفاده می کنند.
مخازن تحت فشار ASME:
یکی دیگر از مخازن تحت فشار یا وسل ها به عنوان دیگ های بخار ASME شناخته می شوند، هر مخزن تحت فشار با ویژگی ASME نشان می دهد که وسل ها تحت بازرسی قرار گرفته اند و استانداردهای سختگیرانه با کد ASME VIII را برآورده می کند. علاوه بر این، ویژگی های ASME اطلاعاتی در مورد دیگ بخار ASME و سازنده آن به کاربران نهایی ارائه می دهند.
مخازن تحت فشار دیواره نازک:
مخزن فشاری با دیواره نازک به مخازنی گفته می شود که در آن ضخامت پوسته ظرف بسیار کوچکتر از اندازه کلی ظرف است و ظرف تحت فشار داخلی بسیار بیشتر از فشار هوای بیرونی مخزن قرار می گیرد.
بویلرها:
مخازن تحت فشار بسته ای هستند که برای گرم کردن سیالات، عمدتاً آب، استفاده می شوند. این سیالات گرم شده برای پخت و پز، تولید برق، گرمایش مرکزی، گرمایش آب و بهداشت استفاده می شود.
طراحی و تولید مخزن تخت فشار
از نظر علمی، راه حل مشکل کاهش کشش یه سازه کروی یک پاسخ هندسی، ساده است: البته به لحاظ مهندسی بدیهی است که به این سادگی نیست. ساخت مخازن تحت فشار کروی فوق العاده دشوار است. اگرچه ناسا ممکن است مخازن فیبر کربنی کاملا کروی و برودتی را به درستی بسازد، اکثر برنامه ها به راه حل ساده تر و واقعی تر نیاز دارند. پرکاربردترین طرح، پیکربندی یک استوانه بلند و دو سر است. مخزن تحت فشار استوانه ای فولادی با نیازهای کاربردهای مخازن تحت فشار مختلف مطابقت دارد، این مخازن با دقت مهندسی شده اند تا سهولت تولید را داشته باشند و در عین حال هندسه ای قوی و انعطاف پذیر را از خود نشان دهند.
بخش میانی استوانه ای را می توان به راحتی از یک قطعه فولادی مستطیل شکل ساخت در حالی که عدم وجود لبه های عمود بر هم توزیع بهتر کشش را فراهم می کند. در حالی که سرهای نیمکره یا همان عدسی ها توزیع بهتر فشار را فراهم می کنند، اغلب به جای آن از سرهای کم عمق استفاده می شود. آنها که در این بخش به عنوان سرهای “مخزن” شناخته می شوند، تعادل مهمی بین به حداقل رساندن کشش و قابلیت ساخت را نشان می دهند. شکل گیری این سرها بسیار ساده تر است و می تواند کمی ضخیم تر شود و به همان مقاومت فشاری برسد. به طور کلی، سرهای بشقاب (عدسی ها) دارای یکی از دو هندسه زیر هستند:
نیمه بیضی یا توری
سرهای توریسفریک (توری)
شامل صفحه ای با شعاع ثابت است که با یک مفصل حلقوی به استوانه متصل می شوند. سهولت نسبی تولید، سرهای توری را به رایج ترین شکل سر مخازن تحت فشار تبدیل کرده است که در اتاق های فشرده سازی مجدد، برج های تقطیر، کارخانه های پتروشیمی و کاربردهای مختلف ذخیره سازی کاربرد دارند.
سرهای نیمه بیضوی
انتخاب دیگری است که به طور منظم مورد استفاده قرار می گیرد. اینها عمیق‌تر، کروی‌تر و بادوام‌تر از سرهای توریسفریک هستند، و بنابراین ساخت آنها پرهزینه‌تر است، اما می‌توانند کاربردهای چالش‌برانگیزتری را نسبت به سرهای توریسفری انجام دهند.
سرهای نیمه بیضوی برای کاربردهایی با فشار کمی بالاتر، که در آن کل طول سیلندر هنوز از اهمیت ویژه ای برخوردار است مناسب است. ضخامت‌های تعیین‌شده توسط معادلات مربوطه حداقل هستند که باید به آنها ضخامت‌های مختلفی اضافه کرد، از جمله محدودیت‌های خورندگی، فرسایش، تحمل‌های تامین مواد و هرگونه نازک شدن در ساخت.
متریال هایی که در ساخت وسل ها بکار می روند
طیف گسترده ای از مواد در ساخت مخازن تحت فشار قرار می گیرند که از اصلی ترین متریال ها شامل موارد زیر هستند:
- فولاد کربنی (با کمتر از 0.25 درصد کربن)
- فولاد کربن منگنز (استحکام بالاتری نسبت به فولاد کربنی دارد)
- فولادهای کم آلیاژ
- فولادهای با آلیاژ بالا
- فولادهای زنگ نزن آستنیتی
- مواد غیر آهنی (آلومینیوم، مس، نیکل و آلیاژها)
- مواد پیچ و مهره با استجکام بالا
به منظور رعایت استانداردهای تولید، باید خواص مواد زیر در مواد انتخابی مشخص باشد. طرح هایی که بدون اطلاع از این ویژگی ها ساخته می شوند، به احتمال زیاد در استفاده طولانی مدت دچار مشکل می شوند. بنابراین در انتخاب مواد باید توجه زیادی شود.
- افزایش طول و کاهش ناحیه در هنگام شکستگی
- چقرمگی بریدگی
- کهنگی و شکنندگی در شرایط عملیاتی
- قدرت فرسودگی
- دسترسی
تنش های طراحی با استفاده از فاکتورهای ایمنی اعمال شده برای خواص مواد، از جمله:
- قدرت محصول در دمای طراحی
- استحکام کششی نهایی در دمای اتاق
- قدرت خزش در دمای طراحی
جوشكاران و سازندگان بايد نكات زير را در نظر داشته باشند تا ضمانت كنند كه مخازن تحت فشار آنها تمام الزامات كاربردهاي صنعتي را برآورده مي كند:
- خوردگی
- وزن و محتویات وسل
- دمای محیط و عملیاتی
- فشارهای استاتیکی و دینامیکی
- تنش پسماند و حرارتی
- نیروهای واکنش