طراحی ابعاد و شکل مخزن به زبان ساده

مخزن ظرفی است که برای انجام یک فرآیند، نگهداری و یا حمل سیالات استفاده میشود. مخازن دو دسته هستند:

1. مخازن تحت فشار متفاوت با فشار محیط اطراف مخزن
2. مخازن ذخیره سازی تحت فشاری مساوی با فشار محیط

مخازن در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی کاربرد فراوان دارند لذا محاسبات مربوط به طراحی مخازن از اهمیت ویژه ای برخوردار است . این مخازن اغلب استوانه ای شکل و از جنس فولاد هستند و با جوشکاری ورق های کربن استیل به هم ساخته میشوند. آئین نامه هایی وجود دارند برای ساخت مخازن که در تمام دنیا اعتبار دارند و طراحان مخازن از دستوالعمل های این این آئین نامه ها پیروی میکنند. انواع این آیین نامه ها عبارتند از:

1. ASME (انجمن مهندسان مکانیک آمریکا)
2. ASTM (انجمن مواد آمریکا)
3. API (موسسه نفت آمریکا)

در ساخت یک مخزن ممکن است از دستورالعمل های یک یا هر سه این استاندارد های ذکر شده فوق استفاده گردد. این استاندارد ها در مورد جنس متریال ورق های مورد استفاده در ساخت مخازن و همچنین در مورد اتصالات و شیرآلاتی که روی مخازن نصب میشوند توضیح کامل داده اند.

انتخاب شکل مخزن

مخازن در اشکال مختلفی میتوانند طراحی شوند از قبیل مکعبی، استوانه ای (عمودی یا افقی) و یا کروی. با توجه به عوامل مختلف میتوان شکل مخزن را انتخاب کرد. به عنوان مثال:

• چه چیزی قرار است در یک مخزن ذخیره شود؟
• آیا گاز است یا مایع؟
• فشار سیال داخل مخزن چقدر است؟
• آیا موادی که در مخزن انباشته میشود سمی هست یا خیر؟
• آیا از مایعی که در مخزن جمع میشود بخاری متصاعد میشود؟
• اگر بخار دارد آیا این بخار نیز سمی است؟
• آیا این سیال قابل اشتعال است؟

همچنین با توجه به اینکه یک مخزن چه کاربردی دارد نیز میتوان تصمیم گرفت که مخزن به چه شکلی طراحی شود. مثلا برای برج مخزن، اگر مخزن برای آب آشامیدنی یک منطقه مسکونی باشد بهتر است در ارتفاع 15 متری نصب شود و یا اگر کاربرد صنعتی دارد بهتر است که مخزن آب در ارتفاع 30 متری باشد.

انتخاب جنس سازه مخزن

جنس یا متریال مخزن ماده ای است که یک مخزن با آن ساخته میشود. جنس ورقی که بدنه مخزن با آن ساخته میشود بستگی به سیالی دارد که در تانک ذخیره میشود. اگر مواد غذایی و یا سیالی اسیدی در مخزن ذخیره شود باید از ورق های استیل استفاده شود در غیر اینصورت از ورق های کربن استیل. البته این یک مثال بسیار ساده بود برای انتخاب متریال بدنه مخزن. پارامترهای دیگری نیز در انتخاب جنس بدنه مخزن تاثیر دارند از جمله دمای محیط، دمای سیال، حجم، کاربرد مخزن تحت فشار و…

در دستورالعمل های ASTM که یکی از مهمترین استاندارد ها برای تصمیم گیری در مورد انتخاب نوع جنس مخزن است در مورد انواع متریال توضیح کامل داده شده است. هر نوع ورق فولاد از ترکیب عناصر مختلفی مثل نیکل، کربن، کروم، منگنز و… ساخته میشود که در این استاندارد ترکیب دقیق هر نوع ورق فولادی با کد آن ذکر شده است. یک مهندس طراح باید بداند که هر متریال در چه شرایطی کاربرد دارد.

محاسبه تنش های مخزن

به جداره مخزن نیروهایی از طرف سیال داخل مخزن وارد میشود که این نیروها باعث ایجاد تنش در بدنه مخزن میشود. نیروهای مجاز و تنش بدنه مخزن باید به درستی محاسبه شود تا از ایجاد آسیب به مخزن جلوگیری شود. اگز بدنه مخزن از حد صحیح آن نازک تر ساخته شود قطعا بدنه مخزن دچار ترکیدگی و شکستگی خواهد شد و اگر هم بدنه مخزن از حد درست آن ضخیم تر ساخته شود هزینه ساخت آن مخزن بالا میرود.

تنش وارده به مخزن را باید در مقاطع طولی و عرضی محاسبه نمود. هر نوع ورق فولادی که برای ساخت مخزن استفاده میشود تا یک جایی توان تحمل نیرو و فشارهای وارده را دارد. لذا با محاسبه دقیق و دانستن اینکه هر گریدی از ورق استیل و فولاد چقدر میتواند در برابر تنش های وارده مقاومت کند میتواند به طراح مخزن کمک کند که بهترین ضخامت و مناسب ترین متریال را برای دیواره مخزن انتخاب کند.

به عنوان مثال به خصوصیات مکانیکی ورق فولاد A516 که یکی از پرکاربردترین ورق های فولادی در ساخت مخازن میباشد دقت کنید:

در بحث های مهندسی، تنش ها به انواع مختلف تقسیم میشوند و در نتیجه به محاسبات و فرمول های مختلفی نیاز دارند. انواع تنش هایی که به دیواره مخازن وارد میشوند عبارتند از:

1. تنش اولیه (فشار داخلی مخازن به ورق سازه)
2. تنش های اولیه غشایی
3. تنش های اولیه خمشی
4. تنش های ثانویه (تغییر شکل در محل های جوشکاری شده)
5. تنش های قله یا پیک