انتخاب آلیاژ فولادی مخازن تحت فشار با توجه به خصوصیات منحصر به فرد آن باید به خوبی انتخاب شود و استانداردهای زیادی را باید در ساخت آن در نظر گرفت تا بتوان مخزن فشاری باکیفیت و استاندارد تولید نمود.

اصطلاح “مخزن تحت فشار” به طور مفهو‌می‌نشان دهنده انواع سیستم‌هایی است که هدف آنها محدود کردن مقدار زیادی مایع یا گاز در یک منطقه مشخص با فشار ثابت است. مخازن تحت فشار را می‌توان برای اهداف مختلف در بسیاری از صنایع مختلف مورد استفاده قرار داد، بنابراین آنها یک عنصر ضروری را نشان ‌می‌دهند که نقش بسیار مه‌می‌در کل سیستم‌های فرآیندی دارد. با توجه به هدف و ذات مخازن تحت فشار، فرآیندهای ساخت و بهره برداری آنها ممکن است بسیار خطرناک باشد، از این رو کنترل این فرآیند با مقررات سختگیرانه بسیار مهم است.

مقدمه ای بر مخازن تحت فشار و آلیاژ فولادی مخازن تحت فشار

مخازن تحت فشار ظروف محصور شده ای هستند که برای ذخیره یا انتقال مایعات و گازها تحت فشاری متفاوت از محیط اطرافشان استفاده می‌شوند. هنگا‌می‌که اصل کار در نظر گرفته ‌می‌شود، به نظر ‌می‌رسد که این مخازن ضد نشتی باید طیف گسترده ای از خواص مکانیکی و شیمیایی بهبود یافته را برای مطابقت با شرایط کاربرد و تنش ایجاد شده در داخل ارائه دهند. الزامات ناشی از کاربرد نشان ‌می‌دهد که کشتی‌ها را می‌توان به عنوان محصول کار مهندسی پیشرفته از جمله فرآیند تولید به خوبی طراحی شده و انتخاب مواد مناسب تعریف کرد.

اشکال مخازن تحت فشار

همانطور که قبلا ذکر شد، مخازن تحت فشار را می‌توان در بسیاری از زمینه‌ها مورد استفاده قرار داد، بنابراین می‌توان مخازن با اندازه‌ها و هندسه‌های مختلف را با توجه به نیازهای کاربردی طراحی کرد. از نظر تئوری، مخازن تحت فشار را می‌توان به هر شکلی تولید کرد، اما متداول ترین مخازن مورد استفاده به شکل استوانه، کره و مخروط هستند. یک طرح معمولی استوانه ای با دو سر (درپوش انتهایی) است که عموماً نیمکره‌ای یا توری شکل هستند.

شکل‌های پیچیده تر معمولاً برای تولید دشوارتر و استفاده از آنها بی خطرتر است. علاوه بر پیچیدگی، محدودیت‌های دیگری در طراحی شکل یک مخزن تحت فشار وجود دارد. برای نشان دادن، کشتی‌های کروی از لحاظ نظری تمایل به تحمل تنش بالاتری نسبت به استوانه‌ای با ضخامت دیواره یکسان دارند، بنابراین، مخازن کروی در نگهداری بار داخلی موثرتر در نظر گرفته می‌شوند. با این حال، تولید یک ظرف کروی بسیار چالش برانگیزتر و گرانتر از تولید ظروف استوانه ای است. یک طرح معمولی از یک ظرف استوانه ای که دارای دو فنجان انتهایی بیضوی است، نمونه‌ای موفق برای غلبه بر چنین معضلی است.

انواع مخازن تحت فشار

علیرغم اینکه یک مخزن تحت فشار پایه برای ذخیره مایع یا گاز تحت فشار ثابت طراحی شده است، اما می‌توان از آنها برای اهداف مختلفی نیز استفاده کرد. می‌توان مخازن تحت فشار را به دلیل استفاده از آنها در پنج گروه تعریف کرد.
مخازن ذخیره سازی: ذخیره سازی رایج ترین هدف استفاده از مخازن تحت فشار است. ظروف ذخیره سازی برای ذخیره و محدود کردن محصولات خاصی تولید می‌شوند که ممکن است با محیط به عنوان فرآورده‌های نفتی، مواد شیمیایی یا حتی گاهی هوا و آب واکنش نشان دهند.
مبدل‌های حرارتی: گرما ممکن است یک محصول ضایعاتی باشد که باید از محیط حذف شود یا نیاز به شروع یک فرآیند شیمیایی باشد. مبدل‌های حرارتی به ما این امکان را ‌می‌دهند که بسته به نیاز فرآیند، گرما را حذف یا ذخیره کنیم.
مخازن فرآیند: ظروف فرآیندی ظروفی هستند که در آنها فرآیندها یا واکنش‌هایی مانند ترکیب چندین محصول برای ایجاد محصول دیگر یا حذف جنبه‌هایی از یک محصول موجود انجام ‌می‌شود. در پایان فرآیند، محتوای کلی ظرف همیشه تغییر ‌می‌کند.
تقطیر جزئی: این نوع مخازن عموماً برای جداسازی مواد شیمیایی یا مخلوط‌های پیچیده با حرارت دادن آنها تا تبخیر شدن یک جزء استفاده ‌می‌شود. اساس اصل کار بر تفاوت بین نقاط جوش عناصر درون مخلوط متکی است. هدف این است که به نقطه جوش ترکیبی که قرار است حذف شود برسیم و با تبخیر آن را جدا کنیم.
راکتورهای فشار: هدف راکتورهای فشار، وادار کردن واکنش‌های شیمیایی است که باید بالاتر از نقطه جوش حلال باشد.

کاربرد مخازن تحت فشار

بازار جهانی مخازن تحت فشار اخیراً توسط سه صنعت اصلی شیمیایی و پتروشیمی، نفت و گاز و تولید انرژی اشغال شده است. علاوه بر این، صنایع غذایی، معدن، تصفیه آب، داروسازی، زیردریایی‌ها و زیستگاه کشتی‌های فضایی را نیز می‌توان به عنوان سایر صنایع سهامدار در بازار گنجاند. در اینجا صنعت غذا به عنوان یک کاربرد قابل توجه ظاهر ‌می‌شود زیرا موادی که مخازن تحت فشار از آن ساخته می‌شوند در تماس مستقیم با مواد غذایی هستند.

علاوه بر این واقعیت که تولید یک مخزن تحت فشار به خودی خود چالش برانگیز است، در صورت وجود تماس با مواد غذایی، ظروف نیز به درمان‌های سطحی خاصی مانند پولیش الکتریکی یا پرداخت مکانیکی نیاز دارند که منجر به دوام طولانی تر فرآیند ‌می‌شود. نیاز به مخازن تحت فشار در صنایع غذایی از نیاز به مخلوط کردن، فرآوری، نگهداری، پخت و پز و نگهداری در یخچال غذاها و نوشیدنی‌ها به سالم ترین حالت ممکن ناشی ‌می‌شود. برای این منظور از مخازن ذخیره سازی، فرآیند و اختلاط به طور گسترده در کل صنعت استفاده ‌می‌شود. به عنوان مثال، تجهیزات لبنی به طور گسترده ای برای تولید و ذخیره سازی و حتی پاستوریزه کردن شیر استفاده ‌می‌شود.

تنوع صنعتی به تطبیق پذیری و بهبود پذیری مخازن تحت فشار اشاره دارد. به این معنی که با استفاده از مواد مناسب در حین ساخت، می‌توان هم مواد غذایی مانند شکلات، شیر، کک و مواد شیمیایی و روغن‌هایی مانند آمونیاک، کلر و LPG را در مخازن تحت فشار ذخیره کرد. در بخش‌های دیگر، آنها ممکن است به عنوان گیرنده‌های هوای فشرده صنعتی و مخازن ذخیره آب گرم خانگی نیز ظاهر شوند.

محدودیت‌های طراحی و آلیاژ فولادی مخازن تحت فشار

همانطور که قبلا ذکر شد، مخازن تحت فشار ممکن است ذاتاً در حین تولید و کاربرد حوادث خطرناک و حتی مرگبار ایجاد کنند، بنابراین فرآیند طراحی و تولید آنها باید با رعایت برخی مقررات به خوبی طراحی شود. قوانین ساخت مخازن تحت فشار توسط انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) وضع شده است. مقررات شامل مواد، مونتاژ و جزئیات ایمنی است تا اطمینان حاصل شود که فرآیند تولید نیازهای صنعتی را بدون ایجاد وضعیت مضر برآورده ‌می‌کند. بررسی الزامات طراحی یک مخزن تحت فشار در سه موضوع امکان پذیر است.

۱. الزامات عملیاتی: اولین مرحله طراحی مخزن تحت فشار، شناسایی الزامات عملیاتی است که بیانگر شرایط کاربرد است.

فشار عملیاتی: فشار حالت پایدار و حداکثر فشار در ظرف باید تعریف شود.

شرایط سیال: از آنجایی که تغییرات دما و خواص فیزیکی و شیمیایی سیال می‌تواند بر مواد پایه ظرف تأثیر بگذارد، باید به طور دقیق مشخص شود و انتخاب ماده باید با در نظر گرفتن این مشخصات انجام شود.
بارهای خارجی: علاوه بر بارگذاری داخلی، بارگذاری خارجی می‌تواند بر عملکرد کشتی تأثیر بگذارد. بنابراین، بارهای موضعی به عنوان واکنش‌های لوله کشی و وزن مرده قطعاتی که توسط مخزن تحمل می‌شوند و برای مواردی که شناور در فضای باز استفاده ‌می‌شود، باید عوامل محیطی مانند باران، برف و باد شناسایی شوند.
شرایط گذرا: برخی از کشتی‌ها ممکن است در معرض بارهای چرخه ای ناشی از فشار، دما، بارگذاری ارتعاشی ساختاری و صوتی قرار گیرند.

۲. الزامات عملکردی: الزامات عملکردی شامل پارامترهای هندسی است که برخی از آنها توسط تیم طراحی کارخانه تعریف ‌می‌شود و برخی به صلاحدید طراح مخزن تحت فشار واگذار ‌می‌شود. الزامات عملکردی به شرح زیر ذکر شده است:

اندازه و شکل رگ
طراحی پشتیبانی
محل و اندازه ضمیمه و نازل

۳. الزامات مواد و آلیاژ فولادی مخازن تحت فشار:

انتخاب مواد ممکن است به عنوان چالش برانگیزترین و پرخطرترین مرحله طراحی مخازن تحت فشار تعریف شود. برخی استانداردهای بین المللی مواد قابل قبولی را با دما و تنش طراحی قابل قبول تعریف ‌می‌کنند.

تنش طراحی برای هر ماده ممکن با استفاده از برخی از عوامل ایمنی به شرح زیر تنظیم ‌می‌شود:

قدرت تسلیم در دمای طراحی
استحکام کششی نهایی در دمای اتاق
قدرت خزش در دمای طراحی

پس از تعریف سه ویژگی ذکر شده در بالا، مناسب ترین مواد با در نظر گرفتن برخی خواص مکانیکی مهم دیگر مانند شکل پذیری، چقرمگی، شکنندگی در شرایط عملیاتی و استحکام خستگی تعیین می‌شوند. فولادها، به ویژه فولاد ضد زنگ و فولاد کم کربن، عموماً مورد استفاده قرار ‌می‌گیرند، اگرچه سایر آلیاژهای فلزی مانند آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای نیکل و‌هاستلو نیز می‌توانند بسته به نیازهای عملیاتی مفید باشند.

ساخت و آزمایش

فرآیند ساخت با آلیاژ فولادی مخازن تحت فشار و با تعیین سازه‌های طراحی آغاز ‌می‌شود. پس از اتمام انتخاب مواد (لوله یا ورق استیل یا فولاد مناسب)، مواد اولیه مناسب چه به صورت صفحه (ورق)، سیم، میله یا لوله عرضه ‌می‌شود. بعداً در صورت نیاز برش داده شده و ماشینکاری می‌شوند. در اینجا، مهم ترین نکته این است که سطح مناسبی برای جوشکاری به دست آورید، بنابراین باید تمام اقدامات احتیاطی برای جلوگیری از سازش مکانیکی انجام شود. سپس قطعات ماشینکاری شده با جوشکاری در هندسه مورد نیاز مونتاژ می‌شوند.

بسته به نوع ماده و ضخامت در جوش p پماد، برخی از روش‌های عملیات حرارتی مانند پیش گرم کردن، و حرارت پس از جوش ممکن است مورد نیاز باشد. در هر مرحله، محصولات باید توسط مقامات بازرسی شوند. در طول ساخت و ساز، برخی از روش‌های آزمایش غیر مخرب برای بررسی اینکه آیا قطعه آزمایش استانداردها را برآورده ‌می‌کند یا خیر، استفاده ‌می‌شود.

برای تشخیص عیوب سطح جوش، از روش‌های نفوذ ذرات مغناطیسی یا رنگ استفاده ‌می‌شود، به طوری که ناپیوستگی‌ها در سطح یا نزدیک سطح قابل شناسایی است. بازرسی اشعه ایکس ممکن است جایگزینی برای تشخیص ترک‌های زیرسطحی باشد، اما از آنجایی که روشی بسیار گران است، معمولا ترجیح داده ن‌می‌شود مگر اینکه نقطه جوش بسیار بحرانی وجود نداشته باشد. بازرسی اولتراسونیک روشی رایج تر و نسبتاً آسان برای تشخیص عیوب سطحی و زیرسطحی است.

استانداردهای ساخت و آلیاژ فولادی مخازن تحت فشار

مخازن تحت فشار طوری طراحی شده اند که تحت فشار و دمای خاص کار کنند. از آنجایی که آنها مقادیر زیادی سیال را تحت فشار و دماهای بالا نگه ‌می‌دارند، عملکرد و تولید آنها ممکن است منجر به وقوع موقعیت‌های خطرناک قابل توجهی شود. بنابراین، طراحی، ساخت و شرایط عملیات مخازن تحت فشار توسط چندین سازمان بین المللی تنظیم و استاندارد شده است.