مخازن تحت فشار

مخازن تحت فشار

مخزن تحت فشار(pressure vessel) یک منبع بسته است که برای نگه داشتن گازها و یا مایعات در فشار بسیار متفاوت از فشار محیط به کار می‌رود.

اختلاف فشار خطرناک است و حوادث منجر به مرگ زیادی در تاریخ توسعه و بهره‌برداری مخازن تحت فشار رخ داده است. به همین سبب مقررات طراحی، ساخت و بهره‌برداری مخازن تحت فشار 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.

مخازن تحت فشار

مخازن تحت فشار افقی فولادی

مخازن تحت فشار در کاربردهای مختلفی در صنعت و بخش خصوصی استفاده می‌شوند. مخزن تحت فشار در این بخش‌ها به عنوان گیرنده‌های هوای فشرده (compressed air receivers) و مخازن ذخیره آب گرم خانگی (domestic hot water storage tanks) ظاهر می‌شوند. نمونه‌های دیگر مخازن تحت فشار شامل 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 می‌شوند.

مخزن تحت فشار از نظر تئوری می‌توانند تقریبا هر شکلی داشته باشند اما معمولا از شکل‌هایی شامل بخش‌هایی از کره، استوانه و مخروط استفاده می‌شوند. طراحی رایج مخزن تحت فشار به صورت یک استوانه با سرپوش‌هایی به نام کلاهک می‌باشد. شکل کلاهک‌ها اغلب به صورت نیم‌کره یا بشقابی است. به لحاظ تاریخی آنالیز اشکال پیچیده‌تر برای عملیات ایمن بوده بسیار سخت‌تر بوده و ساخت آن به مراتب مشکل‌تر است.

مخازن تحت فشار ، از نظر تئوری، استحکام مخازن تحت فشار کروی در حدود دو برابر مخازن تحت فشار استوانه‌ای با ضخامت دیواره برابر است. با این حال تولید شکل کروی سخت‌تر و در نتیجه گران‌تر است؛ بنابراین اکثر مخازن تحت فشار استوانه‌ای با کلاهک‌های نیمه بیضوی 2:1 در هر طرف هستند. مخازن تحت فشار کوچک‌تر از یک لوله و دو پوشش ساخته می‌شوند. برای مخازن استوانه‌ای با قطر تا 600 میلی‌متر، می‌توان برای پوسته از لوله‌های بدون درز استفاده کرد و بنابراین از بسیاری از مسایل مربوط به بازرسی و تست اجتناب کرد.

مخازن تحت فشار

مخزن کروی برای نگهداری بیوگاز

مخزن تحت فشار استوانه‌ای عمودی

مخزن تحت فشار استوانه‌ای عمودی

از نظر تئوری تقریبا هر ماده با خواص کششی خوب که در کاربرد مد نظر از نظر شیمیایی پایدار است می‌تواند به کار گرفته شود. با این حال کدهای طراحی مخزن تحت فشار و استانداردهای کاربردی مانند ASME BPVC Section II و EN 13445-2 شامل لیست طولانی از مواد مورد قبول با محدودیت‌های مرتبط با آن دما می‌شوند.

بسیاری از مخازن تحت فشار از فولاد ساخته می‌شوند. جهت تولید مخازن تحت فشار استوانه‌ای یا کروی، قطعات نورد و احتمالا فورج شده باید به هم جوش داده شوند. برخی از خواص مکانیکی فولاد که در اثر نورد یا فورج به دست آمده‌اند، ممکن است از جوش‌کاری تاثیر منفی بگیرند؛ مگر این که اقدامات احتیاطی ویژه‌ای در نظر گرفته شود. علاوه بر استحکام مکانیکی مناسب، استانداردهای موجود استفاده از فولاد با مقاومت ضربه‌ای بالا را دیکته می‌کنند؛ به خصوص برای مخازن مورد استفاده در دماهای پایین. در کاربرد‌هایی که در آن چدن از خوردگی رنج می‌برد، مواد مقاوم در برابر خوردگی خاصی نیز استفاده می‌شوند.

برخی از مخازن تحت فشار از مواد کامپوزیتی (composite materials) مانند کامپوزیت رشته‌ای پیچیده (filament wound composite) ساخته شده از فیبر کربن که با یک پلیمر در محل ثابت می‌شود، استفاده می‌کنند. با توجه به استحکام کششی بسیار بالای فیبر کربن، این مخازن می‌توانند بسیار سبک باشند اما ساخت آن‌ها بسیار سخت‌تر است. مواد کامپوزیتی ممکن است در اطراف یک آستر فلزی پیچیده شده باشند و تشکیل یک مخزن تحت فشار کامپوزیتی overwrapped دهند.

مخزن تحت فشار کامپوزیتی

مخزن تحت فشار کامپوزیتی overwrapped با پوشش داخلی تیتانیوم

مخزن تحت فشار برای جلوگیری از نشت و محافظت از ساختار مخزن در مقابل مواد داخل آن ممکن است با فلزات، سرامیک یا پلیمر پوشش داده شوند. این پوشش همچنین ممکن است بخش قابل توجهی از بار فشاری مخزن را بر عهده بگیرد.

مخازن تحت فشار به صورتی طراحی می‌شوند که به صورت ایمن در یک فشار و دمای خاص کار کنند که از لحاظ فنی به عنوان فشار طراحی و دمای طراحی نامیده می‌شود. مخزنی که دارای طراحی ناکافی برای در بر داشتن فشار بالا است، یک خطر ایمنی بسیار مهم به شمار می‌رود. به همین دلیل، طراحی و تایید مخازن تحت فشار توسط کدهایی مانند کد طراحی بویلر و مخازن تحت فشار ASME در شمال آمریکا، راهنمای تجهیزات تحت فشار اتحادیه اروپا (PED)، استاندارد صنعتی ژاپن (JIS)، استاندارد کانادا CSA B51، استانداردهای استرالیا و دیگر استانداردهای بین‌المللی انجام می‌شود.


نشت قبل از ترکیدن

نشت قبل از ترکیدن توصیف کننده این است که مخازن تحت فشار به صورتی طراحی می‌شوند که یک ترک در مخزن از دیواره رشد کند و اجازه دهد که سیال موجود فرار کند و فشار قبل از این که بسیار بالا رود و باعث خطر شود، کاهش یابد.



شیر ایمنی

از آن‌جایی که مخازن تحت فشار با یک فشار طراحی شده‌اند، معمولا یک شیر ایمنی (safety valve) یا شیر اطمینان (relief valve) به این منظور وجود دارد که فشار کاری بیش از حد بالا نرود.

مخزن انبساط

یک مخزن انبساط مورد استفاده در سیستم‌های گرمایشی

Picture3

مخازن تحت فشار کوچک مورد استفاده برای نگهداری پروپان

Picture2

مخزن تحت فشار مورد استفاده برای سفینه فضایی

Picture1

مخزن آب مورد استفاده در ساختمان‌ها