مخازن تحت فشار - طراحی و ساخت و استانداردهای مخازن

آشنایی :

مخازن تحت فشار (به انگلیسی: Pressure Vessel ) مخازن فلزی معمولاً استوانه‌ای یا کروی برای نگه داری و یا انجام فرایند های شیمیایی مایعات و یا گازها می‌باشند به عبارتی دیگر، این نوع مخازن، عبارتند از محفظه های بسته که جهت نگهداری سیال در فشاری بیشتر از فشار 15 psi یا 1 atm، طراحی شده اند.

این فشار می تواند فشار داخلی ناشی از سیال باشد و یا فشار خارجی ناشی از گرم شدن مستقیم یا غیرمستقیم مخازن باشد. این مخازن باید توانایی مقاومت در برابر بارگذاری‌های مختلف (فشار داخلی، و یا فشار خارجی و خلا در داخل) را دارا باشند.

استاندارد اصلی برای طراحی این مخازن ASME Section VIII می‌باشد که توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا تدوین شده و هر چهار سال یکبار مورد بازنگری قرار می‌گیرد. کاربرد عمده این مخازن در صنایع نفت و گاز می‌باشد.

ایمنی مخازن تحت فشار :

اختلاف فشار خطرناک است و حوادث زیادی منجر به مرگ افراد در تاریخ توسعه و بهره‌برداری این نوع مخازن شده است. به همین سبب مقررات طراحی، ساخت و بهره‌برداری توسط مقامات مهندسی مورد حمایت قانون تنظیم می‌شود. به این دلایل، تعریف یک مخزن تحت فشار از کشوری تا کشور دیگر متفاوت است اما شامل پارامترهایی مانند حداکثر فشار و دمای عملیاتی ایمن می‌شود.

انواع و کاربردهای مخازن تحت فشار :

دسته بندی انواع این مخازن طبق پارامترهای زیر انجام می پذیرد:
1-     چیدمان: افقی یا عمودی
2-     نوع سیال نگهداری شونده: گاز یا مایع
3-     ضخامت جداره: مخازن با دیواره نازک یا ضخیم
4-     هندسه مخزن: کروی، استوانه ای و یا مخروطی

مخازن تحت فشار کاربردهای مختلفی در صنعت و بخش خصوصی دارند. مخازن تحت فشار در این بخش‌ها به عنوان گیرنده‌های هوای فشرده (compressed air ) ،مخازن ذخیره آب گرم خانگی (domestic hot water storage tanks) ،سیلندر غواصی، محفظه‌های تراکم مجدد (recompression chambers)، برج‌های تقطیر (distillation towers)، رآکتورهای تحت فشار (pressure reactors)، اتوکلاو (autoclaves) و مخزن‌های دیگر در عملیات معدن‌کاری،پالایشگاه‌های نفت و پلانت‌های پتروشیمی، مخازن رآکتور هسته‌ای، زیردریایی و سفینه‌های فضایی، مخازن پنوماتیکی (pneumatic reservoirs)، مخازن هیدرولیک تحت فشار، مخازن ترمز هوایی قطار، مخازن ترمز هوایی خودرو و مخازن ذخیره‌سازی گاز مایع مانند آمونیاک، کلر، پروپان، بوتان و LPG و … کاربرد دارند.

مخازن تحت فشار می‌توانند تقریبا هر شکلی داشته باشند اما معمولا از شکل‌هایی مانند کره، استوانه و مخروط استفاده می‌شوند. معمول ترین طراحی این مخازن به صورت یک استوانه با سرپوش‌هایی به نام کلاهک می‌باشد. شکل کلاهک‌ها اغلب به صورت نیم‌کره یا بشقابی است.
در مصارف غیر صنعتی به عنوان مخازن ذخیره آبگرم خانگی، مخازن اکسیژن و غیره …استفاده می شوند. بیشترین کاربرد مخازن تحت فشار در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی می باشد.

استانداردهای طراحی و ساخت Pressure Vessel :

استاندارد اصلی برای طراحی این مخازن در پروژه های نفت و گاز ، ASME section8) ASME Section VIII) می‌باشد . دیگر استانداردهای مربوطه به قرار زیر میباشد:
1- ASME I – Construction of Power Boilers
2- ASME II – Materials
3- ASME section VIII – Construction of Pressure Vessels
4- ISO 11439 : Gas cylinders — High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas
5- BS EN 13445 : unfired pressure vessels
6- BS PD 5500 : Fusion Weld Pressure Vessels

کد ها و استاندارد هایی برای طراحی این مخازن مانند ASME section II وجود دارد که حاوی لیست های طولانی از یک سری مواد به همراه محدودیت های دمایی آنها می باشد. متریال اصلی ساخت بیشتر مخازن تحت فشار فولاد است. برای تولید یک مخزن استوانه ای یا کروی، قسمت های نورد شده فولاد، باید به یکدیگر جوش داده شوند.

بعضی از مشخصات فیزیکی فولاد، که بر اثر نورد کردن به وجود می آید، می تواند به دلیل فرآیند جوشکاری تحت تاثیر قرار بگیرد، مگر اینکه اقدامات خاصی جهت جلوگیری از این صدمات انجام شود. از این رو، در ساخت مخازن تحت فشار، یکی از حساسترین و چالش برانگیزترین مسایل، مبحث بازرسی و کنترل کیفیت جوش میباشد.

همچنین در جایی که کربن استیل دچار خوردگی می شود از موادی که مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند باید استفاده شود.

بعضی از مخازن از مواد کامپوزیتی ساخته شده اند که در آنها رشته های کامپوزیتی به وسیله الیاف کربن و نوعی پلیمر مهار شده است. به دلیل مقاومت کششی بسیار بالای الیاف کربن، این مخازن می توانند بسیار سبک باشند، اما در نهایت ساخت این مخازن بسیار مشکل است.