مخزن تحت فشار چیست؟ | تشریح آناتومی، طراحی و ایمنی

مخزن تحت فشار یک ظرف ضد نشتی است که برای نگهداری گازها یا مایعات در فشاری متفاوت از فشار محیط طراحی شده است. از مخزن SCUBA در پشت شما گرفته تا راکتورهای عظیم در کارخانه‌های پتروشیمی، این کشتی‌ها به هندسه‌های ساختاری خاصی – معمولاً استوانه‌ای یا کروی – برای توزیع یکنواخت تنش داخلی و جلوگیری از پارگی متکی هستند. عملکرد آنها توسط قوانین ترمودینامیک و مکانیک سازه کنترل می شود و تضمین می کند که انرژی ذخیره شده تحت قوانین ایمنی سختگیرانه باقی می ماند.کد بویلر و مخزن تحت فشار ASME (BPVC).

در ساده ترین حالت، یک مخزن تحت فشار یک ظرف مهندسی شده است که قرار است حاوی سیالات (گاز یا مایع) تحت فشار بالا باشد. این کشتی‌ها بر اساس شکلشان دسته‌بندی می‌شوند که نشان می‌دهد چگونه نیروهای داخلی را مدیریت می‌کنند:

• رگ های کروی:کارآمدترین شکل برای حفظ فشار زیرا تنش به طور مساوی در کل سطح توزیع می شود.

• ظروف استوانه ای:رایج ترین شکل صنعتی به دلیل سهولت در ساخت، حمل و نقل و ادغام در سیستم های لوله کشی است. اینها معمولاً دارای "سرهای" منحنی (انتها) برای مدیریت تمرکز استرس در نقاط بسته هستند.

یک مخزن تحت فشار با تعادل عمل می کندفشار داخلی ($P$)بامقاومت مقاومتیاز موادی که از آن ساخته شده است.

حیاتی ترین مفهوم فیزیکی در یک مخزن تحت فشار استاسترس حلقه ای(به عنوان تنش محیطی نیز شناخته می شود). هنگامی که یک گاز در داخل سیلندر تحت فشار قرار می گیرد، به طور مساوی در تمام جهات فشار می آورد. اگر کشتی از کار بیفتد، احتمالاً "زیپ را باز می کند" یا در طول طولی خود شکافته می شود.

برای جلوگیری از این امر، مهندسان ضخامت دیوار مورد نیاز برای حفظ تنش را در محدوده قدرت تسلیم مواد محاسبه می‌کنند. تنش حلقه با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

اگر فشار داخلی افزایش یابد، ضخامت دیوار نیز باید افزایش یابد تا سطح تنش ایمن حفظ شود. مهندسان اجرا می کنندتحلیل المان محدود (FEA)تا اطمینان حاصل شود که حتی در اتصالات، نازل ها و تکیه گاه ها، تنش هرگز از نقطه شکست مواد فراتر نمی رود.

مخزن تحت فشار فقط یک مخزن نیست. این یک سیستم از اجزای ایمنی یکپارچه است:

• پوسته:بدنه اولیه رگ که حاوی فشار است.

• سرها:درپوش های انتهایی که سیلندر را آب بندی می کنند. آنها منحنی (نیم کروی یا توری شکل) هستند تا از گوشه های تیز جلوگیری شود، که باعث ایجاد "افزایش دهنده استرس" مستعد ترک خوردن می شود.

• نازل ها:درگاه هایی که امکان ورود و خروج مایعات را فراهم می کنند. اینها با "پدهای" فلزی اضافی تقویت می شوند زیرا بریدن سوراخ در پوسته تحت فشار یک نقطه ضعف ساختاری ایجاد می کند.

• دستگاه های کاهش فشار (PRD):ویژگی ایمنی نهایی اگر فشار داخلی از حد طراحی بیشتر شود، الفشیر تخلیه فشار (PRV)یاپارگی دیسکبه طور خودکار برای تخلیه فشار و جلوگیری از انفجار فاجعه بار باز می شود.

از آنجایی که مخازن تحت فشار مقادیر زیادی انرژی بالقوه را ذخیره می کنند، به شدت تنظیم می شوند. راکد بویلر و مخزن تحت فشار ASME (BPVC)معیار جهانی برای ایمنی است.

انطباق تضمین می کند:

1. قابلیت ردیابی مواد:هر صفحه فولادی مورد استفاده باید از نظر ترکیب شیمیایی و استحکام آن گواهی شود.

2. یکپارچگی جوش:جوش ها محتمل ترین نقاط شکست هستند. استانداردها مستلزم بازرسی 100% جوش های بحرانی از طریق آزمایش رادیوگرافی (اشعه ایکس) یا اولتراسونیک هستند.

3. تست فشار:قبل از ورود به خدمت، شناورها تحت الفتست هیدرواستاتیک، جایی که آنها با آب پر می شوند و به سطحی بالاتر (معمولاً 1.3x تا 1.5x) از حداکثر فشار کاری خود برای تأیید یکپارچگی سازه تحت فشار قرار می گیرند.

س: چرا مخازن تحت فشار منفجر نمی شوند؟

A: آنها با یک "عامل ایمنی" خاص طراحی شده اند. این بدان معناست که کشتی به گونه‌ای طراحی شده است که فشارهای بسیار بالاتر از فشار کاری مورد نظر را تحمل کند. علاوه بر این، شیرهای تسکین یکپارچه مکانیزمی برای تخلیه فشار اضافی قبل از رسیدن به نقطه شکست بحرانی فراهم می‌کنند.

س: چرا بیشتر ظروف استوانه ای هستند تا مستطیلی؟

پاسخ: یک جعبه مستطیلی دارای دیوارهای صاف و گوشه های تیز است. هنگامی که تحت فشار قرار می گیرند، دیوارهای صاف برآمده می شوند و گوشه ها به عنوان "تمرکز کننده تنش" عمل می کنند که منجر به تغییر شکل سریع و ترک می شود. اشکال استوانه ای و کروی به طور طبیعی تنش را به طور مساوی در سراسر سطح توزیع می کنند.

س: اگر یک کشتی "خلاء" (فشار خارجی) را تجربه کند چه اتفاقی می افتد؟

پاسخ: در حالی که مخازن معمولاً برای فشار داخلی طراحی می شوند، برخی از آنها باید خلاء را تحمل کنند (جایی که فشار داخل آن استپایین ترنسبت به بیرون). در این موارد، کشتی باید به گونه‌ای طراحی شود که در برابر کمانش مقاومت کند - فرو ریختن پوسته به داخل. این اغلب به حلقه های پشتیبان داخلی یا دیوارهای ضخیم تر نیاز دارد.

آیا در حال حاضر در حال مطالعه مکانیک مخازن تحت فشار برای یک پروژه مهندسی هستید یا به دنبال درک نحوه نگهداری این سیستم ها در یک تاسیسات صنعتی هستید؟