طراحی و ساخت مخزن تحت فشار
مخزن تحت فشار چیست ؟
مخزن تحت فشار ظرفی است که برای نگهداری گازها یا مایعات در فشاری متفاوت از فشار محیط طراحی شده است. این ظروف به گونه ای ساخته شده اند که بتوانند فشار داخلی را بدون پارگی، نشتی یا خرابی تحمل کنند. مخازن تحت فشار در طیف گسترده ای از صنایع و کاربردها از جمله کارخانه های فرآوری شیمیایی، پالایشگاه های نفت، نیروگاه تولید برق، آب شیرین کن ها ، صنایع تصفیه آب ، هوافضا و بسیاری موارد دیگر استفاده می شوند.
نمونه هایی از مخازن تحت فشار
· بویلرها
مخازنی هستند که برای تولید بخار، معمولاً برای گرم کردن یا نیرو دادن به توربینها برای تولید برق استفاده میشوند.
· مخازن
برای نگهداری مایعات یا گازها تحت فشار استفاده می شود. به عنوان مثال می توان به مخازن پروپان، مخازن هوای فشرده و مخازن ذخیره سازی در فرآیندهای صنعتی اشاره کرد.
· راکتورها
در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، راکتورها مخازنی هستند که در آن واکنش های شیمیایی تحت شرایط کنترل شده انجام می شود.
· مبدل های حرارتی
برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال استفاده می شود و اغلب تحت فشار عمل می کنند.
· اتوکلاوها
در محیطهای پزشکی و تحقیقاتی برای فرایندهایی مانند استریلسازی استفاده میشوند و برای رسیدن به هدف خود به فشار و دمای بالا متکی هستند.
بسیار مهم است که مخازن تحت فشار بر اساس استانداردهای ایمنی دقیق طراحی، تولید و نگهداری شوند تا از حوادث یا خرابی جلوگیری شود. بازرسی و نگهداری منظم برای اطمینان از یکپارچگی و ایمنی آنها در طول زمان انجام می شود.
مخازن تحت فشار معمولاً از موادی ساخته می شوند که می توانند فشارهای بالا را تحمل کنند، مانند فولاد، آلومینیوم یا مواد کامپوزیت. طراحی یک مخزن تحت فشار عواملی مانند استحکام کششی مواد، سطوح فشار مورد انتظار، تغییرات دما، و هرگونه خاصیت خورندگی احتمالی موادی که در آن وجود دارد را در نظر می گیرد.
علاوه بر این، مخازن تحت فشار اغلب دارای ویژگی هایی مانند شیرهای ایمنی، دستگاه های کاهش فشار و سیستم های نظارتی مختلف هستند تا اطمینان حاصل شود که در محدوده ایمن کار می کنند. این اقدامات ایمنی برای جلوگیری از فشار بیش از حد، که می تواند منجر به خرابی های فاجعه بار شود، بسیار مهم هستند.
در برخی از صنایع، مخازن تحت فشار باید از کدها و استانداردهای مشخص شده توسط نهادهای نظارتی پیروی کنند. به عنوان مثال، انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) کد بویلر و مخزن تحت فشار (BPVC) را ایجاد کرده است که دستورالعمل هایی را برای طراحی، ساخت، بازرسی و آزمایش مخازن تحت فشار ارائه می دهد.
بازرسی های منظم و روتین های نگهداری برای اطمینان از ادامه عملکرد ایمن مخازن تحت فشار ضروری است. این بازرسی ها ممکن است شامل روش های تست غیر مخرب مانند تست التراسونیک، تست رادیوگرافی و بازرسی های بصری باشد.
در صورت بروز هر گونه آسیب، نقص، یا علائم فرسودگی، تعمیرات یا تعویض به سرعت انجام می شود تا از خطرات احتمالی جلوگیری شود. این رویکرد فعال برای حفظ یکپارچگی ساختاری و ایمنی مخازن تحت فشار در طول عمر عملیاتی آنها بسیار مهم است.
به طور کلی، مخازن تحت فشار نقش حیاتی در صنایع مختلف ایفا می کنند و فرایندهایی را که بر شرایط فشار کنترل شده متکی هستند را تسهیل می کنند. با این حال، طراحی، تولید و نگهداری آنها با توجه دقیق به استانداردهای ایمنی و کیفیت برای کاهش خطرات احتمالی مرتبط با عملکرد آنها بسیار مهم است.
طراحی مخازن تحت فشار
طراحی مخزن تحت فشار مستلزم در نظر گرفتن دقیق عوامل مختلف برای اطمینان از ایمنی، عملکرد و انطباق با استانداردهای صنعتی است. در ادامه، مراحل و استانداردهای کلیدی را که باید هنگام طراحی یک مخزن تحت فشار رعایت کنید، شرح دادهایم.
مرحله 1: پارامترهای طراحی را تعیین کنید
شرایط عملیاتی:
- شرایط سیال (گاز یا مایع) ظرف را در نظر بگیرید.
- حجم مخزن و دما و فشار عملیاتی سیال درون مخزن را تعیین کنید.
- به هرگونه تغییر احتمالی دما یا فشار در حین کار توجه کنید.
انتخاب مواد:
موادی را انتخاب کنید که با سیال موجود، شرایط عملیاتی و هر عنصر خورنده سازگار باشد.
به استانداردهای مواد مانند ASME (انجمن مهندسین مکانیک آمریکا) بخش II، ASTM (انجمن تست و مواد آمریکا) یا سایر استانداردهای مرتبط مراجعه کنید.
مرحله 2: محاسبات طراحی
تجزیه و تحلیل تنش:
یک تجزیه و تحلیل تنش انجام دهید تا مطمئن شوید که کشتی می تواند شرایط فشار و دمای مشخص شده را تحمل کند. استفاده از ابزارهای تحلیل المان محدود (FEA) را برای شبیه سازی تنش دقیق در نظر بگیرید.
محاسبه ضخامت:
- ضخامت مورد نیاز پوسته، سر و نازل کشتی را با استفاده از کدهای طراحی مربوطه تعیین کنید.
مرحله 3: کدها و استانداردهای طراحی
کد بویلر و مخزن تحت فشار ASME:
این یکی از پرکاربردترین کدها برای طراحی مخازن تحت فشار است. این به بخش های مختلفی تقسیم می شود، مانند بخش هشتم برای مخازن تحت فشار بدون آتش.
قطعا! ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) مجموعه ای از استانداردها است که توسط انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) برای تنظیم طراحی، ساخت، بازرسی و آزمایش بویلرها و مخازن تحت فشار ایجاد شده است. هدف این آیین نامه تضمین ایمنی و یکپارچگی این دستگاه ها است که در طیف گسترده ای از صنایع از جمله تولید برق، پتروشیمی و ساخت مورد استفاده قرار می گیرند.
BPVC به بخش های مختلفی تقسیم می شود که هر کدام جنبه های مختلفی از طراحی و ساخت دیگ بخار و مخازن تحت فشار را بررسی می کنند.
بخش های کلیدیBPVC
برخی از بخش های کلیدیBPVC عبارتند از:
1. قوانین ساخت دیگ های بخار
این بخش الزامات طراحی، ساخت و آزمایش دیگ های بخار از جمله بویلرهای فشار قوی مورد استفاده در تولید بخار را پوشش می دهد.
2. مواد
مشخصات انتخاب و استفاده از مواد در ساخت دیگ ها و مخازن تحت فشار را ارائه می کند. این بخش طیف وسیعی از مواد از جمله فلزات، غیر فلزات و مواد مصرفی جوشکاری را پوشش می دهد.
3. قوانین ساخت اجزای تاسیسات هسته ای:
این بخش مختص ساخت قطعات مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای است. این به الزامات منحصر به فرد و ملاحظات ایمنی برای برنامه های هسته ای می پردازد.
4. قوانین ساخت دیگ های گرمایش:
این بخش به الزامات طراحی و ساخت دیگ های گرمایشی می پردازد که برای گرمایش ساختمان ها و سایر کاربردها استفاده می شود.
5. بررسی غیرمخرب:
روش ها و تکنیک های آزمایش غیرمخرب مواد و جوش ها را برای اطمینان از یکپارچگی آنها تشریح می کند.
6. قوانین ساخت مخازن تحت فشار:
این بخش الزاماتی را برای طراحی، ساخت و آزمایش مخازن تحت فشار، شامل مخازن شلیک شده و بدون آتش نشان می دهد.
7. صلاحیت های جوشکاری و لحیم کاری:
صلاحیت فرآیندهای جوشکاری و لحیم کاری و پرسنل را پوشش می دهد و اطمینان حاصل می کند که فرآیند جوشکاری استانداردهای مشخص شده را برآورده می کند.
8. مخازن تحت فشار پلاستیک تقویت شده با الیاف:
این بخش به ساخت مخازن تحت فشار ساخته شده از پلاستیک های تقویت شده با الیاف می پردازد که در صنعت به مخازن کامپوزیتی شناخته می شوند .
9. قوانین ساخت مخازن قابل حمل:
طراحی، ساخت و آزمایش مخازن تحت فشار مورد استفاده برای حمل و نقل کالاهای خطرناک را پوشش می دهد.
10. قوانین ساخت اجزای نیروگاه هسته ای – محفظه ها:
این بخش به طور خاص بر طراحی و ساخت محفظه ها در نیروگاه های هسته ای تمرکز دارد.
انطباق با ASME BPVC اغلب یک الزام قانونی برای تولید کنندگان دیگهای بخار و مخازن تحت فشار در بسیاری از کشورها است. همچنین معیاری برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان این اجزای حیاتی در فرآیندهای مختلف صنعتی در نظر گرفته می شود.
مرحله 4: فاکتور در ویژگی های ایمنی
دستگاه های کاهش فشار:
اطمینان حاصل کنید که ظرف دارای دریچه های فشار شکن با اندازه مناسب یا سایر وسایل ایمنی برای جلوگیری از فشار بیش از حد است.
بازرسی و آزمایش:
روش هایی را برای آزمایش و بازرسی کشتی در طول ساخت، مانند روش های آزمایش غیر مخرب (NDT) ایجاد کنید.
1. تست غیر مخرب (NDT) در مخازن تحت فشار:
تست غیر مخرب (NDT) نقش مهمی در تضمین ایمنی و یکپارچگی مخازن تحت فشار دارد. مخازن تحت فشار به گونه ای طراحی شده اند که مایعات یا گازها را تحت فشار بالا در خود نگه دارند و ذخیره کنند و هرگونه خرابی در این مخازن می تواند عواقب فاجعه باری داشته باشد. روش های NDT برای ارزیابی یکپارچگی ساختاری این مخازن بدون ایجاد آسیب و تخریب در مخزن ساخته استفاده می شود.
در اینجا چند روش متداول NDT مورد استفاده در بازرسی مخازن تحت فشار آورده شده است:
2. تست اولتراسونیک (UT):
UT از امواج صوتی با فرکانس بالا برای تشخیص عیوب یا عیوب داخلی یک ماده استفاده می کند. این به ویژه برای شناسایی ترک ها، حفره ها و تغییرات ضخامت در دیواره مخازن تحت فشار مفید است.
3. تست رادیوگرافی (RT):
RT شامل عبور اشعه ایکس یا گاما از مواد است. تشعشعی که از آن عبور می کند روی یک فیلم یا حسگر گرفته می شود. این روش برای تشخیص عیوب داخلی مانند ترک ها، موک ها و ناپیوستگی های جوش موثر است.
4. تست ذرات مغناطیسی (MT):
MT برای تشخیص عیوب سطحی و نزدیک به سطح در مواد فرومغناطیسی استفاده می شود. یک میدان مغناطیسی روی مواد اعمال می شود و ذرات آهن روی سطح اعمال می شود. این ذرات در اطراف هر ناهنجاری مغناطیسی جمع می شوند و نقص ها را قابل مشاهده می کنند.
5. تست نفوذ رنگ (PT):
PT برای تشخیص عیوب شکستن سطح استفاده می شود. یک ماده نافذ رنگ مایع روی سطح ماده اعمال می شود. سپس مازاد نافذ حذف میشود و یک توسعهدهنده (developer) پاشیده میشود که باعث میشود هر گونه نقصی نمود پیدا کند .
6. تست بصری (VT):
اگرچه یک روش مستقیم در نظر گرفته می شود، بازرسی بصری بخش مهمی از NDT است. بازرسان به صورت بصری سطح مخزن تحت فشار را برای هر گونه علائم آسیب، خوردگی یا سایر ناهنجاری ها بررسی می کنند.
7. آزمایش جریان گردابی (ET):
ET از القای الکترومغناطیسی برای تشخیص عیوب سطحی و نزدیک به سطح استفاده می کند. این به ویژه برای تشخیص ترک ها، خوردگی، و تغییرات ضخامت مواد مفید است.
تست انتشار آکوستیک (AE):
AE شامل نظارت بر انتشارات صوتی از یک ماده است که تحت فشار قرار می گیرد. انتشار ناگهانی صوتی می تواند نشان دهنده وجود نقص یا شروع ترک باشد.
8. تست نشتی:
این روش شامل تحت فشار قرار دادن ظرف و سپس بررسی هرگونه نشتی با استفاده از تکنیک های مختلف مانند استفاده از آشکارساز گاز یا غوطه ور کردن آن در مایع و بررسی حباب است.
ذکر این نکته ضروری است که روش های مختلف NDT مزایا و محدودیت های خاص خود را دارند. اغلب، ترکیبی از تکنیک ها برای به دست آوردن یک ارزیابی جامع از وضعیت مخزن تحت فشار استفاده می شود.
تکنسین های واجد شرایط و گواهی NDT مسئول انجام این بازرسی ها هستند. سپس نتایج این آزمایشها برای تعیین تناسب مخازن برای سرویس و برنامهریزی هرگونه تعمیر و نگهداری یا تعمیرات مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد. بازرسی منظم NDT برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان مداوم مخازن تحت فشار بسیار مهم است.
مرحله 5: مستندسازی و گواهینامه
مستندات:
اسناد طراحی دقیق، از جمله نقشه ها، مشخصات، و محاسبات ایجاد کنید.
گواهینامه:
دریافت گواهینامه ها یا تاییدیه های لازم از مراجع مربوطه که ممکن است شامل بازرسی های شخص ثالث باشد.
مرحله 6: ساخت و کنترل کیفیت
مراحل جوشکاری:
توسعه و پیروی از روش های جوشکاری تایید شده که استانداردهای لازم را دارد.
جوشکاری سنگ بنای ساخت مخازن تحت فشار است، زیرا اجزای مختلف را به هم می پیوندد تا ساختاری محکم و یکپارچه را ایجاد کند که قادر به تحمل فشارهای بالا باشد.
روشهای رایج جوشکاری
- جوشکاری قوس فلزی محافظ (SMAW)
- جوشکاری قوسی تنگستن گازی (GTAW)
- جوشکاری قوس فلزی گازی (GMAW)
- جوش قوسی با هسته شار (FCAW)
- جوشکاری زیر آب (SAW)
- جوشکاری پرتو الکترونی (EBW)
- جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW)
- جوشکاری مقاومتی
عوامل موثر در انتخاب روش جوشکاری
- سازگاری مواد
- ضخامت مواد
- پیکربندی اتصال جوش
- ویژگی های جوش مورد نظر
جوشکاری قوس فلزی محافظ (SMAW) یکی از پرکاربردترین روش های جوشکاری برای ساخت مخازن تحت فشار به دلیل تطبیق پذیری و در دسترس بودن آن است.
چرا عملیات حرارتی پس از جوشکاری مهم است؟
عملیات حرارتی پس از جوش، تنشهای پسماند را کاهش میدهد و خواص مواد را بهبود میبخشد و یکپارچگی کلی اتصال جوش را افزایش میدهد.
چگونه می توانم از کیفیت جوش مخزن تحت فشار اطمینان حاصل کنم؟
استفاده از تکنیکهای تست غیر مخرب، مانند رادیوگرافی و آزمایش اولتراسونیک، میتواند به تایید یکپارچگی جوش بدون ایجاد آسیب کمک کند.
چه چالش هایی با جوشکاری در محیط های خورنده همراه است؟
جوشکاری در محیط های خورنده نیاز به انتخاب دقیق مواد و اقدامات حفاظتی برای جلوگیری از تخریب و تضمین عملکرد طولانی مدت دارد.
آیا فناوری های نوظهوری در جوشکاری مخازن تحت فشار وجود دارد؟
تکنیک های پیشرفته مانند جوشکاری لیزری و فرآیندهای جوشکاری هیبریدی به دلیل دقت و کارایی خود در ساخت مخازن تحت فشار امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.
کنترل کیفیت:
اجرای یک برنامه کنترل کیفیت برای اطمینان از اینکه مخزن تحت فشار با طراحی تعیین شده ، ساخته شده است.
مرحله 7: نصب و راه اندازی
حمل و نقل و جابجایی:
اطمینان حاصل کنید که مخزن به گونه ای حمل و نقل می شود که یکپارچگی آن حفظ شود .
انواع استاندارد ها ساخت مخازن تحت فشار
در ساخت مخزن های تحت فشار استاندارد های جهای وجود دارد که باید تحت عنوان آنها این مخازن ساخته شود. از این استاندارد های جهانی میتوان به استاندارد API و EN اشاره کرد که در ادامه به صورت کامل به هر دوی این استاندارد ها پرداخته ایم.
· استانداردهای API:
برای کاربردهای خاص مانند نفت و گاز، موسسه نفت آمریکا (API) استانداردهای مربوطه را دارد (به عنوان مثال، API 510 برای بازرسی مخازن تحت فشار).
· استانداردهای EN:
اگر در اروپا فعالیت می کنید، ممکن است لازم باشد استانداردهای استاندارد اروپایی (EN) را رعایت کنید.
انواع استاندارد های EN
استانداردهای EN به استانداردهای اروپایی توسعه یافته توسط کمیته استاندارد سازی اروپا (CEN) برای صنایع و کاربردهای مختلف اشاره دارد. وقتی صحبت از مخازن تحت فشار می شود، چندین استاندارد EN وجود دارد که مرتبط هستند. در اینجا برخی از استانداردهای کلیدی مربوط به مخازن تحت فشار آورده شده است:
1. EN 13445
این استاندارد طراحی و ساخت مخازن تحت فشار UNFIREd را پوشش می دهد. این دستورالعمل برای مواد، طراحی، ساخت، آزمایش و بازرسی ارائه می دهد.
مخازنی که تحت تاثیر حرارت از خارج قرار نگیرند به مخازن UNFIRED معروف هستند .
مخازن تحت فشاری که از خارج تحت تاثیر حرارت قرار بگیرند به مخازن FIRED معروف هستند که در دسترس ترین مخزن تحت فشار FIRED می توان به زودپز اشاره کرد .
2. EN 13480
این استاندارد قوانین طراحی و محاسبات را برای سیستم های لوله کشی فلزی صنعتی، از جمله آنهایی که به مخازن تحت فشار متصل هستند، ارائه می کند.
3. EN 286
این استاندارد الزامات طراحی، ساخت، آزمایش و مستندسازی مخازن تحت فشار ساخته شده از فولادهای آستنیتی را برای استفاده در دماهای بالا مشخص می کند.
4. EN 10028
این استاندارد محصولات مسطح ساخته شده از فولادها را برای کاربری در مخزن تحت فشار را پوشش می دهد. این شامل گریدهای مختلف فولاد مناسب برای استفاده در مخازن تحت فشار است.
5. EN 10222
این استاندارد خواص مکانیکی و ترکیب شیمیایی آهنگرها را برای مقاصد فشاری مشخص می کند.
6. EN 10253
این استاندارد اتصالات مورد استفاده در خطوط لوله تحت فشار را پوشش می دهد. این شامل الزامات برای مواد، ابعاد، و تحمل است.
7. EN 10216
این استاندارد شرایط تحویل فنی لوله های فولادی بدون درز را برای اهداف فشار مشخص می کند.
8. EN 12516
این استاندارد شیرهای صنعتی را برای استفاده در سیستم های فشار پوشش می دهد.
9. EN 13411
این استاندارد الزاماتی را برای طراحی، ساخت، آزمایش و علامت گذاری تسمه های طناب سیمی و مجموعه هایی که برای اهداف بلند کردن استفاده می شوند مشخص می کند.
10. EN 14399
این استاندارد مجموعه های پیچ و مهره سازه ای با مقاومت بالا را برای پیش بارگذاری مشخص می کند.
لطفاً توجه داشته باشید که اینها فقط برخی از استانداردهای کلیدی EN مربوط به مخازن تحت فشار هستند. بسته به کاربرد خاص و مواد مورد استفاده، ممکن است استانداردهای دیگری اعمال شود.