مخزن تحت فشار و تجهیزات مورد نیاز برای تولید آن

مخزن تحت فشار برای نگهداری مایعات یا گازها در فشار بالا طراحی شده است. می توان از آن در مصارف مختلف، از بویلر های صنعتی گرفته تا مخازن هوای فشرده، به کار گرفت. مخزن تحت فشار بسیار تحت نظارت و دقیق ساخته می شوند و باید استانداردهای ایمنی سختگیرانه را رعایت کنند تا اطمینان حاصل شود که می توانند در برابر فشارهای شدید مقاومت کنند.

مخزن تحت فشار می توانند به شکل کروی یا استوانه ای باشند و اندازه آنها از مخازن کوچکی که یک نفر می تواند حمل کند تا مخازن صنعتی عظیم با ارتفاع چند طبقه متغیر است. صرف نظر از اندازه یا شکل آنها، همه مخزن تحت فشار یک هدف مشترک دارند: محتویات خود را در فشارهای بالا با خیال راحت نگه دارند.

استانداردهای مختلف مخزن تحت فشار چیست؟

چندین استاندارد و مقررات هر قسمت از مخازن تحت فشار را کنترل می کنند. با این حال، انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) بویلر و کد مخزن تحت فشار (BPVC) یک استاندارد به طور گسترده پذیرفته شده است. این بخش به عنوان بخشی از مسئولیت های خود، بویلرها، مخازن تحت فشار و اجزای نیروگاه هسته ای را طراحی، ساخت، نصب، آزمایش، بازرسی و تایید می کند. بخش هشتم ASME BPVC بر مخازن تحت فشار حاکم است. دارای سه بخش است:

بخش اول

این بخش شامل تمام مخزن تحت فشار است که برای کار با فشار داخلی یا خارجی که ممکن است بیش از 15 psig باشد طراحی شده است. می توان از یک ظرف آتش زده یا بدون آتش استفاده کرد و از طریق منبع خارجی یا گرمایش غیرمستقیم فشار را به دست آورد. مهندسان رویکرد طراحی به قانون را تطبیق می دهند. بخش I بر اساس نظریه استرس عادی است.

بخش دوم

این بخش کلیه مخازن تحت فشاری را که قرار است با فشارهای داخلی یا خارجی تا 10000 پوند بر اینچ مربع کار کنند را پوشش می دهد. الزامات مربوط به مواد، طراحی و بررسی غیرمخرب در بخش II سختگیرانه تر از بخش I است. به این معنی که محاسبات مورد نیاز دقیق تر است.

مهندسان این بخش از طراحی به تحلیل برای قرار دادن مخازن تحت فشار در سطوح بالاتر تنش استفاده می کنند. بر خلاف بخش I، بر اساس نظریه حداکثر انرژی تحریف شده است.

بخش سوم

مخزن تحت فشار مورد نیاز و غیر مجاز را برای استفاده بالای 10000 پوند بر اینچ مربع شناسایی می کند. استاندارد دیگری که یکپارچگی مخازن تحت فشار را حفظ می کند، کد بازرسی مخازن تحت فشار API 510 برای بازرسی، رتبه بندی، تعمیر و تغییر در حین سرویس است.

انواع مخزن تحت فشار

مخزن تحت فشار بر اساس شکل یا عملکرد آنها انواع مختلفی دارد که عبارت است از:

مخازن ذخیره سازی (Storage Vessels)

مخازن ذخیره سازی مخازن تحت فشاری هستند که مایعات، بخارات و گازها را در خود جای می دهند. استفاده مجدد از مخازن برای فرآیندهای آینده یا ذخیره محصولات نهایی مانند گاز طبیعی فشرده (CNG) و نیتروژن مایع امکان پذیر است.

مبدل های حرارتی (Heat Exchangers)

مبدل های حرارتی به انتقال گرما بین دو یا چند سیال کمک می کنند. صنایع زیستی، صنایع غذایی، دارویی و انرژی بیشتر از آنها استفاده می کنند. تجهیزات برای مبدل های حرارتی با توجه به خواص حرارتی و جریان سیالات درگیر در تبادل حرارت و با توجه به ویژگی حرارتی پارتیشن رسانا (برای مبدل های حرارتی تماس غیر مستقیم) طراحی شده است. مواد مبدل حرارتی توسط اختلاف دمای سیالات سرد و گرم و فشار داخلی آنها تحت فشار قرار می گیرند.

دیگ بخار (Boilers)

بویلرها ماشین هایی هستند که از انواع مختلف انرژی برای ایجاد گرما استفاده می کنند. سپس مایعات با استفاده از این گرما به بخار تبدیل می شوند. دیگ بخار معمولا از فلزی تشکیل شده است که گرما را از یک منبع به یک سیال منتقل می کند. بخار حاصل از دیگ برای اهداف مختلفی استفاده می شود. دیگ بخار باعث می‌شود که بخار سریع‌تر برود بنابراین می‌تواند پره‌های توربین را بچرخاند. دیگ باید جامد باشد تا بتواند تمام فشار و گرما را تحمل کند. بیشتر مواد با گرم شدن ضعیف تر می شوند.

مخازن فرآیندی (Process Vessels)

مخازن فرآیند مخازن بزرگی هستند که در آن فرآیندهای صنعتی مانند اختلاط و هم زدن، آبپاشی، تقطیر و جداسازی مواد شیمیایی و واکنش های شیمیایی اتفاق می افتد. فشار داخل مخازن فرآیند بسته به فرآیند و مواد مورد استفاده تغییر می کند.

انواع مخزن تحت فشار با توجه به هندسه آنها

مخزن تحت فشار کروی

مخازن تحت فشار کروی برای نگهداری مایعات تحت فشار زیاد مناسب هستند. آنها مستحکم هستند و به راحتی شکسته نمی شوند، اما ساخت آنها سخت و پرهزینه است. فشار به طور مساوی روی کره پخش می شود، بنابراین هیچ نقطه ضعفی وجود ندارد. کره ها نیز به اندازه اشکال دیگر فضای زیادی را اشغال نمی کنند. مخازن کروی اگر هم اندازه باشند نسبت به مخازن استوانه ای از مواد کمتری استفاده می کنند. مخازن کروی نیز به دلیل مساحت سطح کوچکتر، کمتر نسبت به سایر اشکال انتقال گرما دارند.

مخزن تحت فشار استوانه ای

مخازن تحت فشار استوانه ای دارای پوسته استوانه ای و یک یا چند سر هستند. پوسته استوانه ای بدنه اصلی مخزن تحت فشار است. سرها مانند کلاهک های انتهایی هستند که محتویات مخازن را می پوشانند و ممکن است نمایه ای صاف یا گردتر داشته باشند. ضعف مخازن استوانه ای را کاهش می دهد.

مخازن تحت فشار استوانه ای به دلیل کاربردهای فراوانی که دارند از جمله محبوب ترین نوع هستند. هزینه تولید آنها نسبت به مخازن کروی کمتر است اما به اندازه ای بادوام نیستند. سپس به مخازن تحت فشار استوانه‌ای نیاز دارد که دیواره‌های ضخیم‌تری داشته باشند تا فشاری برابر با یک مخزن کروی تحمل کنند.

جهت گیری های مختلف مخزن چیست؟

یک مخزن استوانه ای بسته به هدفش ممکن است دارای محور افقی یا عمودی باشد.

 مخزن تحت فشار عمودی

• برای استفاده در فضاهای زمینی کم
• برای مخازن با حجم کم
• برای اختلاط موثر سیال در مخازن اختلاط
• برای زمانی که نسبت گاز به مایع بالا باشد
• برای حذف آسان تر اجزاء در جداسازی مایع از مایع

مخزن تحت فشار افقی

• در مبدل های حرارتی برای تمیز کردن راحت تر
• در ته نشینی مخازن و فلاش درام ها حباب کمتری داشته باشند

معیار‌ های انتخاب مواد برای مخزن تحت فشار چیست؟

• می تواند الزامات استحکام را برآورده کند – مواد مورد استفاده برای ساخت مخزن تحت فشار باید به اندازه کافی قوی باشند تا در طول عمر مفید آن دوام بیاورند. شامل تحمل فشارهای خاص داخلی و خارجی و تنش های سازه ای است
• مقاومت در برابر خوردگی : این برای مخازن تحت فشار ضروری است زیرا آنها باید در شرایط چالش برانگیز بهخوبی کار کنند
• بازگشت سرمایه : طول عمر مخزن تحت فشار باید هزینه های مواد، ساخت و نگهداری را در نظر بگیرد
• سهولت در ساخت و نگهداری – ورق های فلزی باید قابل ماشینکاری و جوشکاری باشند تا هندسه مخازن تحت فشار را تشکیل دهند. به این ترتیب نصب قطعات داخلی کشتی راحت تر خواهد بود.
• در دسترس بودن – مواد مخازن تحت فشار باید به راحتی در نزدیکی سازنده پیدا شود

مواد متداول مورد استفاده برای مخزن تحت فشار کدامند؟

رایج ترین مواد مورد استفاده برای ساخت مخازن تحت فشار عبارتند از:

• فولاد کربنی
• فولاد ضد زنگ
• آلیاژهای نیکل
• آلومینیوم
• تیتانیوم

تست و بازرسی کیفیت مخزن تحت فشار متفاوت است؟

در زیر روش‌های آزمایشی برای اطمینان از قابلیت اطمینان و ضریب ایمنی مخزن تحت فشار استفاده می‌شود.

تست بصری

یک بازرس معتبر حداقل هر پنج سال یک بار مخازن تحت فشار را بازرسی می کند. آنها داخل و خارج مخزن را برای هر گونه ترک، تغییر شکل، تاول، نشت مایع، خوردگی یا سایر آسیب‌هایی که ممکن است رخ داده باشد، بررسی می‌کنند.

تست اولتراسونیک

این ابزار از امواج صوتی با فرکانس بالا برای تشخیص عیوب سطحی یا زیرسطحی و اندازه گیری ضخامت دیواره مخزن تحت فشار استفاده می کند. این ماده امواج صوتی اولتراسونیک را جذب می کند و آنها را از طریق مبدل به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. اگر نقصی وجود داشته باشد، امواج منعکس شده مختل می شوند.

تست رادیوگرافی

آزمایش رادیوگرافی شامل استفاده از اشعه ایکس یا اشعه گاما برای ایجاد تصویری از آنچه در زیر سطح مخزن تحت فشار قرار دارد، می باشد. ناپیوستگی ها، سوراخ ها و تفاوت های چگالی نحوه انعکاس امواج را تغییر می دهد. بعد از این فیلم نمایش داده می شود.

این روش نتایج ثابتی را ایجاد می کند. از این رو به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، قرار گرفتن در معرض تابش گران است و نیاز به آموزش تخصصی دارد.

تست ذرات مغناطیسی

این دستگاه از جریان مغناطیسی برای تشخیص عیوب سطح در مواد فرومغناطیسی استفاده می کند. بازرس یک جریان مغناطیسی را از طریق مخزن فشار بین دو پروب عبور می دهد. اگر ماده عاری از نقص باشد، شار به آرامی از طریق آن جریان می یابد. اما اگر ترک ها یا سایر ناهنجاری ها وجود داشته باشد، مقداری از شار مغناطیسی از مواد اطراف آن مناطق نشت می کند. هنگامی که ذرات فرومغناطیسی – به صورت سوسپانسیون مایع یا پودر – در قسمت بیرونی بدنه اعمال شوند، این عیوب بیشتر قابل مشاهده خواهند بود.

تست مایع نافذ

یک بازرس مقدار کمی مایع به نام نافذ را به ناحیه ای با درزها یا صفحات جوش داده شده که ممکن است دارای ایراد باشد اعمال می کند. هنگامی که ماده نافذ پس از پاشش ته نشین شد، قبل از اعمال توسعه دهنده، مقدار اضافی آن از روی سطح پاک می شود و هر گونه نافذی که به داخل شکاف نفوذ کرده است، آشکار می شود.

تست فشار

کد ASME BPV به تست های استحکام و نشتی نیاز دارد. آزمایش فشار از روش‌های هیدرواستاتیک یا پنوماتیک استفاده می‌کند – اولی از آب به عنوان واسطه استفاده می‌کند، در حالی که دومی از هوا یا نیتروژن استفاده می‌کند. این فرآیند با حذف تمام هوای داخل ظرف قبل از پر کردن آن با مایع آزمایش کار می‌کند تا زمانی که فشار طراحی 1.5 برابر برای آزمایش هیدرواستاتیک و 1.2-1.5 برابر فشار طراحی برای آزمایش‌های پنوماتیک به دست آید و فشار مذکور را درونی کند. کارشناسان صنعت به دلیل خطرات ایمنی ناشی از سطوح انرژی بالقوه در آزمایش پنوماتیک، آزمایش هیدرواستاتیک را نسبت به روش‌های پنوماتیک توصیه می‌کنند.

جوشکاری مخزن تحت فشار

نکته اصلی برای جوشکاری مخازن تحت فشار، محتویات تحت فشار است. تاریخچه طولانی ای از مخازن تحت فشار ضعیف ساخته شده یا نگهداری ضعیف وجود دارد که باعث حوادث ناگوار شده است. معمولاً تصور می شود که انفجار مخازن تحت فشار مشکلی در اوایل دوره انقلاب صنعتی است، اما هنوز به طور منظم رخ می دهد. این حوادث به خوبی اهمیت جوشکاری با کیفیت را نشان می دهد.

انواع جوش مورد استفاده در جوشکاری مخزن تحت فشار

مخازن تحت فشار تقریباً همیشه کروی یا استوانه ای هستند، زیرا این شکل هیچ گوشه ای ندارد که بتواند نقاط تنش را در سازه ایجاد کند. برای محتوی محصولات پرفشار، مخازن تحت فشار تقریباً همیشه با استفاده از فلزی با ضخامت 3 میلی متر (حدود ⅛ اینچ) یا بیشتر ساخته می شوند.

لبه‌های صفحاتی که برای ساختن یک مخزن تحت فشار استفاده می‌شوند معمولاً برای ایجاد یک مورب زاویه‌دار ماشینکاری می‌شوند که اجازه می‌دهد گذر ریشه جوش به طور کامل از طریق اتصال نفوذ کند. هنگامی که دو تا از صفحات اجزا در کنار هم قرار گیرند، شیار عمیق V یا U شکل را تشکیل می دهند. هنگامی که گذر ریشه دو صفحه را به هم متصل می کند، گذرهای بعدی این شیار را با فلز پر می کند و در نتیجه یک گستره صاف و پیوسته از فلز یکنواخت یا تقریباً یکنواخت ایجاد می شود. این تقریباً همان فرآیند جوشکاری است که در جوشکاری لوله با سوراخ بزرگ و فرآیند جوشکاری شیار باریک استفاده می شود. آشنایی با این دو نوع جوش می تواند به جوشکاران و ناظران جوش ایده خوبی در مورد نحوه جوشکاری مخازن تحت فشار بدهد.

انواع روش‌های جوشکاری برای مخازن تحت فاشر

• جوشکاری قوس فلزی محافظ (SMAW) : در این فرآیند جوشکاری از یک الکترود مصرفی با روکش شار استفاده می شود. این اغلب به عنوان شکل پیش فرض جوشکاری قوس الکتریکی در نظر گرفته می شود. بسیار قابل حمل است و تجهیزات آن ارزان و در دسترس است. با این حال، به مهارت بالایی نیاز دارد و کیفیت جوش های حاصل به مهارت جوشکار بستگی دارد.
• جوشکاری قوسی تو پودری (FCAW) : در این روش از یک الکترود سیمی مصرفی با هسته شار استفاده می شود. در شکل گیری جوش شبیه SMAW است، اما به دلیل تغذیه ممتد سیم، به مهارت کمتری برای کار نیاز دارد.
• جوشکاری قوس فلزی با محافظت گاز (GMAW) : GMAW شامل جوشکاری با استفاده از الکترود سیمی پیوسته و گاز محافظ بی اثر است. این یکی از ساده ترین فرآیندهای جوشکاری برای انجام است و جوش هایی را می سازد که تمیزتر از SMAW یا FCAW هستند. با این حال، شناخته شده است که از خطاهای همجوشی غیرقابل پیش بینی رنج می برد که با فرآیندهای بالا رخ نمی دهد.
• جوشکاری قوس تنگستن با محافظت گاز (GTAW) : در این روش از الکترود تنگستن و گاز محافظ بی اثر استفاده می شود. جوش های بسیار تمیز با همجوشی و نفوذ عالی تولید می کند، اما فرآیندی کند و سخت است. این امر پر کردن حجم مورد نیاز برای انجام جوش مخزن تحت فشار را با چالش روبرو می کند.
• جوشکاری قوس زیرپودری (SAW) : در SAW، جوش در شار غوطه ور می شود تا از اکسیژن و سایر گازهای موجود در جو محافظت کند. این یک فرآیند جوشکاری تمیز با نرخ رسوب بالا است. با این حال، این یک فرآیند قابل حمل و آماده برای میدان نیست.

از میان انواع جوشکاری که در مخزن تحت فشار استفاده می شود، جوشکاری که برای یک پروژه خاص انتخاب می شود باید با نیاز محصولی که مخزن تحت فشار ذخیره یا تولید می کند و فشاری که محصول در آن نگه داشته می شود، مطابقت داشته باشد. در صنعت نفت، مخازن تحت فشار در فشار نسبتاً پایین نگه داشته می شوند و در حالی که خوردگی می تواند یک موضوع باشد، ملاحظات بهداشتی وجود ندارد. در نتیجه، فرآیندهای سریعتر و مفیدتر مانند SMAW و FCAW اغلب مورد استفاده قرار می گیرند.

در پروژه‌های با مشخصات بالاتر با فشارهای بالاتر، فرآیندهای جوشکاری که نتایج منسجم‌تری را ارائه می‌دهند، مانند GMAW یا SMAW، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صنایعی که هم فشار و هم بهداشت یکی از نگرانی‌های اصلی هستند، گذر ریشه – که با محصول در تماس است – به احتمال زیاد با استفاده از GTAW جوش داده می‌شود، زیرا جوشی بسیار تمیزتر و نرم‌تر از هر نوع جوش دیگری ارائه می‌کند. با توجه به میزان جوشکاری که یک مخزن تحت فشار به آن نیاز دارد، اگر به صورت دستی انجام شود، احتمالاً بسیار زمان بر خواهد بود. فرآیندهای جوشکاری مکانیزه مانند جوشکاری مداری می تواند به افزایش سرعت جوش GTAW مورد استفاده در مخزن تحت فشار کمک کند.

استفاده از گرداننده مخزن و بوم و ستون جوشکاری در ساخت مخزن تحت فشار

همانطور که در بالا نیز اشاره شد یکی از مهمترین مراحل ساخت مخازن جوشکاری آن می باشد و باید عملیات جوشکاری با بالاترین کیفیت انجام پذیرد. امروزه در تمام دنیا برای ساخت انواع مخازن به ویژه مخزن تحت فشار که از حساسیتی بیشتری برخوردار می باشند، از گرداننده مخازن و بوم و ستون جوشکاری استفاده می شود.

مزایا استفاده از گرداننده های مخزن

• کیفیت : زمانی که در فرایند جوشکاری مخازن از گرداننده ها استفاده میکنید سطح زیر جوش شما این ویژگی را دارد که بصورت کاملا خودکار با سرعت چرخش ثابت و با کیفیت بالا جوشکاری شود.
• کنترل : مهندسان این امکان را دارند که در هر مرحله و زمانی از فرایند ساخت و جوشکاری مخازن، عملیات نظارت، تنظیم و کنترل را به بهترین شکل انجام دهند.
• ایمنی : متخصصین به راحتی میتوانند نتایج مورد انتظار خود را در فرایند جوش خودکار در هنگام استفاده از گرداننده مخازن مشاهده نموده و با توجه به پایداری دستگاه هنگام چرخش قطعه کار در مورد حفاظت وایمنی نیروی انسانی، تجهیزات و مواد مصرفی خود اطمینان حاصل کنند.
• صرفه جویی در زمان : همچنین گرداننده ها این امکان را به سازندگان محترم میدهد تا زمان چرخه جوشکاری را به کمک سرعتی که در این فرایند بطور دقیق تعیین می شود محاسبه کنند. از سوی دیگر زمان از کار افتادن و توقف فرایند کاهش می یابد.

در نتیجه: با استفاده از گرداننده مخزن شما میتوانید در زمان و هزینه ساخت مخازن خود صرفه جویی نموده و همچنین فرایند جوشکاری را با بالاترین کیفیت و سرعت انجام دهید.

مزایا استفاده از بوم و ستون های جوشکاری

یکی از رایج ترین استفاده های بوم و ستون برای جوش لوله های فولادی و مخازن می باشد. هنگامی که از رول های ورق فولادی برای تولید لوله و مخازن استفاده می شود شما به کمک یک دستگاه بوم و ستون و گرداننده های مخازن (Welding Rotators) به راحتی می توانید یک جوش پیوسته و با کیفیت را داشته باشید، در نتیجه استفاده از این دستگاه برای خطوط تولید مخازن و قطعات استوانه ای ایده آل است و همچنین استفاده از یک سیستم جوشکاری زیر پودری در بوم و ستون برای جوشکاری مخازن تاثیر بسزایی در کارآمدی و سرعت تولید دارد. اگر چه این دستگاه علاوه بر فرایند زیر پودری (SAW) قابلیت نصب فرایند های جوشکاری دیگری مثل جوشکاری محافظت گاز (GMAW, GTAW) را دارد.

برای نمونه بیشترین مصرف بوم و ستون های جوشکاری در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع خطوط لوله، صنایع کشتی سازی، صنایع توربین های بادی و بویژه صنایع ساخت مخازن می باشد که بطور کلی درتولید محصولات زیر نقش بسزایی دارد:

• برج های تقطیر
• راکتور ها
• سیلو ها
• مخازن ذخیره
• مخزن تحت فشار
• مبدل های حرارتی
• بویلر ها
• خطوط لوله
• کوره های صنعتی
• و حتی تولید سازه های فلزی