بررسی مخازن تحت فشار کروی و استوانه‌ای

مخازن عموما به دو دسته ی اصلی تحت فشار و ذخیره تقسیم‌بندی می‌شوند. قبلا در رابطه با تحلیل و بررسی مخازن تحت فشار یا Pressure vessels صحبت کرده بودیم که می‌توانید به صفحه آن مراجعه کنید. در این مطلب می‌خواهیم بیشتر بر روی دسته خاصی از مخازن تحت فشار، یعنی مخازن تحت فشار کروی و استوانه‌ای تمرکز کنیم.
همانطور که قبلا هم گفته بودیم، مخازن تحت فشار، یک منبع بسته برای نگه داشتن گازها یا مایعات در فشار خیلی متفاوت از فشار محیط هستند. جنس این مخازن هم به طور کلی استیل است. صنایع نفت و گاز و پتروشیمی از پرمصرف‌ترین صنایع برای مخازن تحت فشار هستند. مخازن تحت فشار اشکال متفاوتی دارند، معمولا استوانه‌ای و کروی هستند. هر کدام از این‌ها مزیت‌ها و ویژگی‌های مختص خودشان را دارند که با توجه به این ویژگی‌ها، کاربردهای متفاوتی هم دارند. برای مثال، مخازن استوانه‌ای برای نگهداری و ذخیره ی آب و مخازن کروی برای نگهداری سیالاتی مثل بوتان، پروپان، آمونیاک، اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن کاربرد دارند. در ادامه این دو نوع مخازن رو به طور مفصل بررسی و تفاوت‌ها و ویژگی های آن‌ها را مرور می‌کنیم. 

بررسی مخازن تحت فشار کروی

یکی از انواع مخازن تحت فشار، مخازن تحت فشار کروی هستند. همان‌طور که از اسم این مخازن مشخص است، ظاهر کروی شکل دارند و بر روی‌نگه‌دارنده مستقر می‌شوند. از مخازن کروی بیشتر برای نگهداری گازها استفاده می‌شود. نگهداری گازها تحت فشار می‌تواند این مخازن را تبدیل به بمب‌های بسیار خطرناکی کند. به همین‌خاطر بررسی دقیق این مخازن در هنگام طراحی و ساخت از اهمیت بالایی برخوردار است. در ادامه این مطلب با مخازن کروی تحت فشار بیشر آشنا می‌شوید.

تحلیل تنش مخازن تحت فشار یکی از ملزومات کنترل ایمنی این مخازن است. روش‌های المان محدود، محاسبه تنش در این مخازن را برای مهندسان بسیار ساده‌تر کرده است. در دوره آموزشی آنالیز استاتیکی مخزن کروی تحت فشار داخلی و نیروی گرانش با تحلیل تنش مخزن کروی تحت فشار در نرم افزار آباکوس آشنا می‌شوید.

تجهیزات مخازن کروی چه چیزهایی هستند؟

روی مخزن کروی تعدادی نازل قرار داده می شود که وظایف مختلفی دارند. از این نازل‌ها به چند مورد اشاره می‌کنیم:

• شیر اطمینان (Safety Valve)
• شیر ورودی (Inlet Valve)
• سطح سنج (Level Gauge)
• فشار سنج (Pressure Gauge)
• دما سنج (Temperature Gauge)
• دریچه آدم‌رو بالایی و پایینی (Manhole)
و تعدادی ابزار کنترل و شیرآلات مخصوص 

روش‌های ساخت مخازن کروی

سه روش برای ساخت مخازن كروي وجود دارد:
1. روش مكعب منسبط شده يا روش توپ فوتبال: برای مخازن كوچكتر
2. به روش پوسته پوسته كردن پرتقالي: برای مخازن بزرگتر که شامل ورق‌ها و كلاهك‌هاي بالا و پايين می‌باشد.
3. به روش انفجاری: مثل روش پوسته پوسته پرتقالي، ورق‌ها و كلاهك‌ها روي هم مونتاژ و جوشكاري مي‌شوند. پس از ساخته شدن مخزن، زمين را گود می‌کنند و مخزن را داخل آن قرار می‌دهند، مخزن را پر از آب مي‌كنند و مواد منفجره را داخل مخزن قرار می‌دهند تا پس از انفجار، مخزن چندضلعي به صورت گرد دربيايد. 

اندازه و محدوده‌ی ظرفیت مخازن تحت فشار کروی چقدر است؟

مخازن کروی از 1000 تا 50000 بشكه ظرفيت دارند. البته اين اندازه به قطر مخزن كه از 6 متر تا 25 متر است، بستگي دارد. این نکته را هم بدانید که امکان ساختن مخازن انفجاری در ابعاد بزرگ وجود ندارد و تا قطر 7 متر توليد می‌شود.

مواد به کار رفته در مخازن کروی تحت فشار چه هستند؟

معمولا مواد به كار رفته در اين مخازن، فولادهاي كربني مثل SA-516-70 است. همچنین از فولادهاي پر استحكام هم به طور رايج استفاده مي‌شود، مثل SA-537،‌ كلاس‌هاي ا و 2، 738–SA گريد B و Sa-516-60. مخازن كروي همچنين از آلومينيوم هم ساخته مي‌شوند. مخازن کروی پس از طراحی، تعیین مواد مصرفی، ضخامت و موارد دیگه به قطعات مختلفی تقسیم می‌شوند. اندازه‌ی این قطعات به قطر مخزن و نیز تجهیزات کارخانه‌ی سازنده بستگی دارد. اگر بتوان مخزن را به قطعات کمتر با سطوح بیشتری تقسیم کرد، میزان عملیات جوشکاری برای نصب مخزن کم می‌شود. 

روش نصب مخازن کروی به چه صورت است؟

ابتدا قسمت Column به Stop End ها جوش داده می‌شود و ستون یک گلبرگ از Equator که به آن متصل است، روی فونداسیون نصب می‌شود. بعد از اینکه همه ی ستون‌ها نصب شد، بقیه‌ی گلبرگ‌های Equator که بین آن ها قرار می‌گیرند، نصب می‌شوند تا رینگ وسط تکمیل شود. سپس رینگ پایین مخزن، در مرحله‌‌ی بعدی رینگ بالا و سپس تاج‌ها مونتاژ می‌شوند.

ضخامت پوسته مخازن کروی را چگونه محاسبه می‌کنند؟

همان طور که گفتیم، ضخامت پوسته مخازن کروی نسبت به دیگر مخازن بسیار کمتر است. اگر شرایط طراحی مخازن تحت فشار کروی و استوانه‌ای یکسان باشد، ضخامتی که برای مخازن کروی به دست می آید، نصف مخازن استوانه ای است. برای محاسبه‌ی ضخامت پوسته مخازن کروی از این فرمول استفاده می شود: t = PR / (2SE – 0.2P) معانی این علامات اختصاری به این صورت است: 

• T: ضخامت پوسته مخزن
• R : شعاع داخلی مخزن
• S :  تنش مجاز مخزن
• P :  فشار طراحی
• E : ضریب ایمنی یا کارایی مخزن 

بررسی مخازن استوانه‌ای

یکی دیگر از انواع مخازن، مخازن استوانه‌ای هستند. از نمونه‌های پرکاربرد مخازن استوانه‌ای مخازن آب را می‌توان نام برد. انجام محاسبات مربوط به حجم این مخازن یکی از سوالات پرتکرار برای دانشجویان است. در ادامه با محاسبه عددی و همچنین نرم‌افزارهایی که برای تسهیل محاسبه حجم مخازن وجود دارند بیشتر آشنا خواهیم شد:

مخازن آب و محاسبه‌ی حجم مخزن آب استوانه‌ای

همان طور که پیشتر اشاره شد، از مخازن تحت فشار استوانه‌ای، بیشتر برای ذخیره سازی استفاده می‌شوند. ساخت مخازن استوانه‌ای به نسبت مخازن کروی ساده‌تر است و هزینه‌ی ساخت کمتری دارد. 

مخازن آب با اشکال مختلف استوانه ای، مکعبی و بیضی یا کپسولی وجود دارند. رایج‌ترین نوع مخازن برای مصارف خانگی، مخازن مکعبی و مخازن استوانه‌ای (افقی و عمودی) هستند. اینجا روش محاسبه‌ی حجم مخزن استوانه‌ای را آورده‌ایم. 

برای محاسبه ی حجم مخزن استوانه ای (به لیتر) می‌توانید از فرمولی که در تصویر زیر آمده استفاده کنید:

از این فرمول برای محاسبه‌ی حجم مخازن افقی استوانه‌ای تا جایی که امکان پر شدن دارد، استفاده می‌شود. در این حالت، اگر مخزن تا لبه پر باشد، حجم به دست آمده، ظرفیت اسمی مخزن خواهد بود. اما توجه داشته باشید که ممکن است حجم کل مخزن لزوما قابل پر شدن نباشد. برخی از مخازن برای حداکثر آبی که در آن می‌توان پر کرد، نشانگر دارند. در محاسبه‌ی حجم آب مخزن استوانه ای مهم است که از «f» برای حداکثر مقدار پر مخزن استفاده کنید.

نرم‌افزارهای محاسبه‌ی حجم مایعات موجود در مخازن

توسعه نرم‌افزارهای مختلف باعث ساده‌تر و سریع‌تر شدن محاسبات برای مهندسین شده. برای محاسبه حجم مایعات موجود در مخازن هم نرم‌افزارهایی توسعه داده شدند که به شما برای انجام محاسبات و تحلیل‌ها کمک قابل توجهی می‌کنند. در ادامه با این نرم‌افزارها آشنا می‎‌شویم:

نرم‌افزار Tank volume calculator

این نرم افزار برای این مخازن کاربرد دارد:
• ‏مخزن مستطیلی
• ‏مخزن استوانه‌ای افقی و عمودی
 • ‏مخزن استوانه‌ای دارای سطح مخروطی
• ‏مخزن استوانه‌ای دارای سطح مخروطی بریده
• ‏مخزن استوانه‌ای دارای سطح کروی 

نرم‌افزار AVD Mass And Volume Calculator

با استفاده از این نرم‌افزار، می‌توان حجم تانکر با اشکال مختلفی مثل مکعب، مستطیل، مثلت، دایره، بیضی، استوانه، لوله و … و همچنین تعیین چگالی مایع داخل آن را محاسبه کرد.