مخازن تحت فشار (pressure vessels) محفظههای بستهای هستند که برای نگهداری از مایعات یا گازها در فشاری متفاوت با فشار محیط طراحی و ساخته شدهاند. این مخازن کاربردهای بسیاری دارند و بر همین اساس هم بسیار متنوع هستند. در وبسایت کارنوتیک، دورههای آموزشی مختلفی درباره تحلیل تنش در مخازن تحت فشار به کمک نرمافزار آباکوس موجوداند. همین امر باعث شد تصمیم بگیریم توضیحات مفصلتری درباره این نوع مخازن و ویژگیهایشان در اختیار شما بگذاریم.
اگر اول مایلید با آموزشهای مربوط به تحلیل تنش در مخازن تحت فشار آشنا شوید، از قسمت پایین دوره مورد نظر خود را انتخاب و تماشا کنید. همچنین در ادامهی این مطلب قرار هست تا به صورت جامع مخزنهای تحت فشار مختلف را مورد بررسی قرار دهیم.
مخازن تحت فشار را براساس ویژگیهای مختلفی که دارند، میتوان دستهبندی کرد. پر استفادهترین دستهبندی در مخازن براساس شکل ظاهری و همچنین جنس ماده اصلی سازنده مخزن است. همچنین مخازن را میتوان براساس سایر ویژگیها هم دستهبندی کرد. مثلا ضخامت جدار مخازن، نوع نگهدارنده، نوع سری مخزن و … از سایر ویژگیهایی هستند که به وسیله آنها مخازن را در گروههای مجزا قرار میدهند. به صورت کلی این مدل دستهبندیها برای کمک به مطالعه و بررسی مخازن ایجاد شدهاند و هر کدام با تکیه بر یک یا چند ویژگی مشابه، به بررسی وجه تمایزها پرداختهاند.
در ادامه با اشکال متداول مخازن تحت فشار و تفاوتهای آنها با یکدیگر آشنا خواهید شد:
مخازن تحت فشار کروی یکی از اشکال متداول مخازن تحت فشار هستند که ساختار یکپارچهای دارند و به همین علت، تنش ناشی از فشار سیالات در این مخازن به طور یکنواخت در همهی جهات توزیع میشود. عموما برای نگهداری گاز طبیعی مایع و گاز نفتی مایع در حجم و فشار زیاد از مخازن کروی استفاده میشود. برای آشنایی بیشتر با مخازن کروی مطلبی که در رابطه با ویژگیهای مخازن تحت فشار کروی منتشر کرده بودیم را هم مطالعه کنید.
در تصویر پایین میتوانید شکل این مخازن را ببینید. برای تکمیل دانستههای خود میتوانید دوره آموزشی آنالیز استاتیکی مخزن کروی تحت فشار داخلی و نیروی گرانش را در کارنوتیک ببینید.
یکی از دیگر از اشکال پرکاربرد در مخاطن تحت فشار، شکل استوانهای است. مخازن تحت فشار استوانهای، به طور گسترده برای ذخیره سازی استفاده میشوند. این نوع مخازن در صورتی میتوانند فشار ذخیره سازی یکسانی با مخزن کروی داشته باشند که از ماده ضخیمتری برای ساخت سیلندر استفاده کنند. شکل پایین مربوط به مخازن تحت فشار استوانهای است.
هم چنین یکی از محاسبات رایجی که درباره مخازن استوانهای به طور کلی وجود دارد، محاسبه حجم مایع داخل این مخازن است. مطلب محاسبه حجم مایعات در مخازن استوانهای را مطالعه کنید.
برای اینکه بهتر متوجه تفاوتها و شباهتهای مخزنهای کروی و استوانهای تحت فشار بشوید، میتوانید جدول زیر را مطالعه کنید. در این جدول مخازن کروی و استوانهای از نظر توزیع تنش، نرخ انتقال حرارت، تعمیر و نگهداری، ضخامت پوسته، طراحی و ساخت، قیمت و استحکام با یکدیگر مقایسه شدهاند.
تنش در مخازن تحت فشار عامل اصلی شکست مخازن است. شکست مخازن و عدم تحلیل صحیح تنش در این سازهها، منجر به وقایع مرگ باری در طول تاریخ شده. به همین علت برای طراحی و ساخت هر مخزن تحت فشاری، تحلیل تنشهای محتمل بسیار مهم و حیاتی است.
بعد از دو فاجعه که در سالهای 1865 و 1904 در امریکا بر اثر انفجار مخازن تحت فشار رخ داد، ذهنها بیش از گذشته به سمت توسعه استانداردی برای طراحی و ساخت این مخازن رفت. اما تا اوایل سال 2000 هم هنوز به طور جدی استانداردی مصوب نشد تا اینکه در سال 2003 فاجعهی دیگری اتفاق افتاد و 8 نفر کشته شدند. بعد از آن ASME ( انجمن مهندسان مکانیک امریکا) استانداردی تهیه کرد که امروزه هم در امریکا و کانادا استانداردهای ASME Boiler and Pressure Vessel Code به طور گسترده استفاده میشود. این استانداردها اصول کار مهندسین در زمینههای متفاوت علیالخصوص در رابطه با تحلیل و بررسی تنش در مخازن تحت فشار هستند.
شکست در مخازن تحت فشار زمانی اتفاق میوفتد که در جایی از بدنه مخزن، تنش بیش از حد تحمل و بحرانی میشود. استفاده روز افزون از مخازن تحت فشار باعث شده توجه ویژهای به محاسبه و بررسی تنش عملیاتی مخازن شود.
تنش در مخازن تحت فشار بر اساس کدهای طراحی و ساخت ASME در سه کلاس کلی قرار میگیرند.
کلاس اول: تنشهای اولیه (Primary Stress)
کلاس دوم: تنشهای ثانویه (Secondary Stress)
کلاس سوم: تنشهای پیک یا قله (Peak)
تحلیل تنش در هنگام طراحی و همچنین ساخت مخازن تحت فشار بسیار مهم است. گفتیم که اگر تنش در مخزن تحت فشار کنترل نشود، میتواند فجایع انسانی و زیست محیطی به بار بیاورد. پس تحلیل تنش مخازن تحت فشار یکی از مهمترین گامهای طراحی و ساخت است. برای اینکه بتوانیم به خوبی نسبت به تحلیل تنش این مخازن دید داشته باشیم، ابتدا باید به خوبی تنش آنها را درک کنیم . در ادامه این مطلب با انواع تنش در مخازن تحت فشار و تفاوتهای آنها با یکدیگر بیشتر آشنا خواهید شد.
تنش اولیه مستقیماً به بارگذاری مکانیکی مربوط میشود و تعادل نیرو و گشتاور را برآورده میکند. اگر تنش اولیه تا یه حدی از تنش تسلیم بیشتر شود، منجر به شکست در مخزن میشود. در مقابل، تنشهای ثانویه آنهایی هستند که به دلیل ناپیوستگیهای هندسی یا تمرکز تنش در نقاط مختلف مخزن، ایجاد میشوند. وقتی یک بار خارجی رشد پیدا میکند، در تمام نقاط هم تنش اولیه و هم تنش ثانویه متناسب با این بار زیاد میشوند تا زمانی که به نقطه تسلیم برسند.
اما تنشهای ثانویه که بهشون خود محدودکننده هم میگن، براساس کدهای ASME به این شکل تعریف میشوند: وقتی که نقطه تسلیم در اطراف محلی که تمرکز تنش وجود دارد شکسته میشود، ارتباط مستقیم بین بار و تنش هم شکسته میشود. به این دلیل که بعد از شکسته شدن نقطه تسلیم، سختی مواد کاهش پیدا میکند.
این مسئله برخلاف تنشهای اولیه است. تنشهای اولیه حتی بعد از شکست نقطه تسلیم هم افزایش پیدا میکنند. در تنشهای ثانویه رابطه مستقیم بین بار و تنش بدون توجه به منحنی تنش – کرنش حفظ تا زمانی که مخزن شکسته شود، حفظ میشود.
در محلی که ناپیوستگی وجود نداشته باشد، فقط تنش اولیه رشد میکند. تنشهای ثانویه به تنهایی نمیتوانند ایجاد شوند، با این حال در محلهایی که ناپیوستگی وجود دارد، تنش ثانویه بر روی تنش اولیه که در زیر وجود داره سوار میشود.
از آنجایی که حالتهای مختلف شکست با غشای اولیه، خمش اولیه و تنش ثانویه همراه است، مقادیر مجاز متفاوتی برای هر کدام تعریف شده است. این مقادیر به عنوان مقادیر مطلق در کد مخازن تحت فشار داده نمیشود، بلکه به عنوان نسبت تنش تسلیم ماده مورد نظر است.
تنشهای اولیه غشایی نمیتوانند از نقطه تسلیم بیشتر بشوند اما احتمالاتی هم وجود دارد، مثل ریزشهای ماده پلاستیک مثلا به خاطر سوختن در اثر فشار.
تنش ثانویه به راحتی میتواند از نقطه تسلیم فراتر رود، اما برای اطمینان از لرزش تحت بار چرخهای بهتر است که مقادیرش محدود شود. از این رو دامنه تنش ثانویه به دو برابر تسلیم محدود میشود.
کدهایی که در استاندارد ASME توسعه داده شدهاند، بیشتر برای محاسبهی دستی تنش در مخازن هستند که خروجی آنها مقادیر گسستهای از تنش در مخازن است. اما در روشهای آنالیز المان محدود که مثلا توسط نرم افزارهایی مثل آباکوس یا انسیس قابل اجراست، تحلیلهای عددی انجام میشود که خروجی آنها داده پیوستهای از تنش در مخزن است. وقتی قرار باشد از این دو روش در کنار هم استفاده کنیم، چالشهایی ایجاد میشوند.
یکی از بزرگترین مشکلات استفاده از روشهای تحلیل المان محدود برای تحلیل تنش در مخازن تحت فشار، این است که بتوان مشخص کرد در یک نقطه تنش از نوع اولیه است یا ثانویه. یک راه حلی که تحلیلگر در حال حاضر دارد، تعریف محاسبات دستی برای ارتباط تنش اولیه با بارهای مستقیم و خمشی اعمال شده است. اگر نتوان این کار را انجام داد، تحلیلگر نمیتواند مشخص کند چه مقدار از این تنش ثانویه است و مجبور است همه را تنش اولیه در نظر بگیرد. گزینه دیگر ممکن است انتخاب مقطعی به دور از تمرکز تنش باشد اما نه دور از مسیر بار، جایی که میزان تنش اولیه کمترین میزان از تنش کل را داراست. با این حال، در عمل تعریف چگونگی مکانیابی چنین بخشی دشوار است. به علاوه، مشتریان امکان دارد به دلیل اینکه این روش تحلیل حداکثر تنش ممکن را نادیده میگیرد، با این مدل تحلیل تنش در مخزن تحت فشار موافق نباشند.
حالا که با انواع تنش در مخازن تحت فشار آشنا شدید، همینطور در رابطه با تفاوت تحلیل تنش مخازن تحت فشار توسط روشهای المان محدود با روشهای قدیمی اطلاعات به دست آوردید، زمان خوبی است که دورههای آموزشی کارنوتیک درباره تحلیل تنش مخازن تحت فشار به روش المان محدود را ببینید. این دورهها نحوه تحلیل تنش در مخازن تحت فشار کروی و استوانهای در آباکوس را به شما آموزش میدهند:
