محاسبه ضخامت بدنه مخزن تحت فشار فولادی طبق استاندارد ASME

روش محاسبه ضخامت ورق بدنه یک مخزن تحت فشار فولادی معمولاً براساس استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 انجام می‌شود. این استاندارد شامل الزامات جامعی برای طراحی و ساخت مخازن تحت فشار فولادی است. برای محاسبه ضخامت ورق بدنه مخزن، مراحل زیر را به ترتیب انجام دهید:

تعیین فشار عملیاتی مخزن

در ابتدا، باید فشار عملیاتی مخزن را تعیین کنید. این فشار میزان فشاری است که مخزن در شرایط عملیاتی باید تحمل کند. در مهندسی مخازن و لوله‌کشی، برای تخمین فشار عملیاتی مخزن‌ها از فرمول‌ها و روش‌های محاسباتی مختلف استفاده می‌شود. یکی از روش‌های معمول برای تخمین فشار عملیاتی یک مخزن، استفاده از فرمول بارکولونیوس می‌باشد که بر اساس اصول مکانیک سیالات و استاتیک فشار کاربرد دارد. فرمول بارکولونیوس برای محاسبه فشار عملیاتی مخزن به صورت زیر است:

P = (2 * S * t) / D

که در آن:

• P: فشار عملیاتی (Pressure)
• S: استحکام مواد ساختاری مخزن (Tensile strength)
• t: ضخامت دیواره مخزن (Wall thickness)
• D: قطر داخلی مخزن (Internal diameter)

این فرمول فقط یکی از روش‌های محاسباتی است و بر اساس فرضیات خاصی از جمله خواص مواد ساختاری و ضخامت دیواره مخزن تعریف شده است. برای محاسبه دقیق‌تر و همچنین اعمال فرضیات دیگر مرتبط با شرایط عملیاتی، نیاز به اطلاعات بیشتر و مدیریت کاملتر می‌باشد.

در هر صورت، برای محاسبه دقیق تر فشار عملیاتی یک مخزن، بهتر است از روش‌های مهندسی و شبیه‌سازی استفاده کنید و با توجه به شرایط خاص پروژه و استانداردهای مربوطه، محاسبات را انجام دهید. همچنین، در طراحی و ساخت مخزن، باید مقررات و استانداردهای مربوطه را رعایت کنید تا ایمنی و عملکرد بهینه مخزن تضمین شود. در مهندسی مخازن و لوله‌کشی، علاوه بر فرمول بارکولونیوس که ذکر شد، روش‌های دیگری نیز برای محاسبه فشار عملیاتی مخزن استفاده می‌شوند. برخی از این روش‌ها عبارتند از:

• روش ASME BPVC: انجمن مهندسان ماشین‌سازی آمریکا (ASME) کدهایی را برای طراحی و ساخت مخازن و لوله‌کشی تدوین کرده است. این کدها شامل ASME BPVC Section VIII Division 1 و Division 2 هستند که شرایط و محدودیت‌هایی برای طراحی مخازن در نظر می‌گیرند و روش‌های محاسباتی مشخصی را برای تعیین فشار عملیاتی ارائه می‌دهند.
• روش API 650: انجمن مهندسان نفت آمریکا (API) کد استاندارد API 650 را برای طراحی و ساخت مخازن ذخیره‌سازی مایعات نفتی و پتروشیمیایی تدوین کرده است. این کد شرایط و نکات مربوط به طراحی، محاسبات و ساخت مخازن را شامل می‌شود و روش‌های خاصی برای تعیین فشار عملیاتی مخزن‌ها را تعیین می‌کند.
• روش WRC 107/537: روش‌های WRC (Welding Research Council) برای تحلیل و محاسبه فشارها و نیروها در اتصالات لحیمی و جوشی استفاده می‌شوند. مخازنی که دارای اتصالات لحیمی و جوشی هستند، می‌توانند با استفاده از این روش‌ها مورد تحلیل قرار گیرند.

فرض کنید که شما یک مخزن فولادی با ضخامت 20 میلیمتر و قطر خارجی 2 متر را طراحی کرده‌اید و می‌خواهید فشار عملیاتی را محاسبه کنید. برای محاسبه فشار عملیاتی در استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1، از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

P = 2 * S * t / (F * E)

در این رابطه:

• P نشان‌دهنده فشار عملیاتی است.
• S نشان‌دهنده استرس مجاز مواد است که بر اساس استاندارد ASME و جدول UCS-23 ارائه می‌شود. برای فولاد کربنی، مقدار معمولی برای S برابر با 138 مگاپاسکال (138 × 10^6 پاسکال) است.
• t نشان‌دهنده ضخامت مخزن است که در این مثال برابر با 20 میلیمتر است.
• F نشان‌دهنده ضریب ایمنی است که بر اساس شرایط عملیاتی و استانداردهای مربوطه قابل تعیین است. به طور کلی، F برابر با 1.5 برای مخازن فولادی در شرایط عملیاتی معمولی است.
• E نشان‌دهنده ضریب کیفیت جوش است که بر اساس نوع جوش و روش‌های جوشکاری مورد استفاده قابل تعیین است. در این مثال، فرض کنید E برابر با 1 باشد (ضریب کیفیت جوش عالی).

اکنون با جایگذاری مقادیر مورد نیاز به رابطه می‌توانیم فشار عملیاتی را محاسبه کنیم:

P = 2 * 138 × 10^6 پاسکال * 20 × 10^-3 متر / (1.5 * 1)

P = 3,104,000 پاسکال

یا

P = 31.04 بار

بنابراین، فشار عملیاتی برابر با 31.04 بار (3,104,000 پاسکال) است. باز هم تأکید می‌کنم که این مثال فقط برای توضیح روش محاسبه فشار عملیاتی است و مقادیر واقعی فشار عملیاتی بستگی به شرایط و مشخصات دقیق مخزن شما دارد. بنابراین، برای طراحی و محاسبه دقیق، به استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 و مقادیر مربوطه در آن مراجعه کنید.

تعیین ضریب طراحی مخزن (فاکتور طراحی)

 ضریب طراحی مشخص می‌کند که مخزن به چه اندازه باید از حداقل ضخامت مجاز ورق استفاده کند. این ضریب به‌عنوان یک فاکتور ایمنی برای در نظر گرفتن عوامل ناشناخته مانند نوسانات فشار، خطاها در جوشکاری و سایر عوامل مورد استفاده قرار می‌گیرد. در استاندارد ASME BPVC (Boiler and Pressure Vessel Code) Section VIII Division 1، ضریب طراحی مخازن را با نام “فاکتور طراحی” یا “Design Factor” شناخته می‌شود. این فاکتور طراحی به عنوان یک ضریب ایمنی استفاده می‌شود و به طور کلی نسبت بین فشار محاسبه شده و فشار مجاز مجموعه مخزن را تعیین می‌کند. مقدار فاکتور طراحی به عوامل مختلفی بستگی دارد شامل:

1. نوع ماده ساختاری: بر اساس نوع ماده ساختاری مورد استفاده در ساخت مخزن مانند فولاد کربنی، فولاد ضدزنگ، آلومینیوم و غیره، مقادیر مختلفی برای فاکتور طراحی در نظر گرفته می‌شود.
2. نوع فشار: آیا فشار درون مخزن استاتیک است یا دینامیک (با اعمال لرزه و نیروهای دینامیکی دیگر)؟ برای هر نوع فشار، فاکتور طراحی ممکن است متفاوت باشد.
3. شرایط عملکرد: در نظر گرفتن شرایط عملیاتی مخزن مانند دما، محیط، نوع مایع درون مخزن و سایر شرایط ویژه می‌تواند تأثیر زیادی بر مقدار فاکتور طراحی داشته باشد.

در هر صورت، مقادیر دقیق فاکتور طراحی برای هر مورد خاص در استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 ذکر شده است و باید با استفاده از جداول و روش‌های مشخص شده در این استاندارد، مقدار مناسب را برای فاکتور طراحی مخزن خود انتخاب کنید. علاوه بر این، معمولاً در این استاندارد، مقادیر حداقلی برای فاکتور طراحی نیز تعیین شده‌اند که باید رعایت شوند تا ایمنی مخزن تضمین شود. خوب، در نظر بگیرید که می‌خواهید فاکتور طراحی یک مخزن تحت فشار را بر اساس استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 محاسبه کنید. به عنوان مثال، فرض کنید که شما یک مخزن فولادی با ضخامت 20 میلیمتر و قطر خارجی 2 متر را طراحی می‌کنید و می‌خواهید فاکتور طراحی را برای آن محاسبه کنید.

به طور معمول، مقدار فاکتور طراحی بر اساس نوع ماده ساختاری و نوع فشار تعیین می‌شود. در این مثال، فرض کنید که ماده ساختاری مخزن فولاد کربنی با فشار استاتیک است.

1. مشخصات مخزن:

• ضخامت مخزن (t): 20 میلیمتر
• قطر خارجی مخزن (D): 2 متر

2. نوع ماده ساختاری: فولاد کربنی

3. نوع فشار: فشار استاتیک

حالا برای محاسبه فاکتور طراحی، شما باید با توجه به جدول UG-23 در استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1، مقادیر مربوط به نوع ماده ساختاری (فولاد کربنی) و نوع فشار (فشار استاتیک) را پیدا کنید.  در این مثال، مقدار فاکتور طراحی برابر با 4 خواهد بود.

به طور خلاصه:

• ماده ساختاری: فولاد کربنی
• فشار: استاتیک
• فاکتور طراحی: 4

البته، این مثال فقط برای توضیح روش محاسبه فاکتور طراحی مخزن است و مقادیر واقعی فاکتور طراحی بستگی به شرایط و مشخصات دقیق مخزن شما دارد. بنابراین، برای طراحی و محاسبه دقیق، به استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 و مقادیر مربوطه در آن مراجعه کنید.

انتخاب جنس ورق

براساس فشار عملیاتی و ضریب طراحی، می‌توانید جنس ورق مناسب را برای بدنه مخزن انتخاب کنید. در انتخاب جنس ورق، عواملی مانند مقاومت کششی، مقاومت به خوردگی، دمای عملیاتی و سایر مشخصات فنی را باید در نظر بگیرید. در استاندارد ASME BPVC (Boiler and Pressure Vessel Code) Section VIII Division 1، مشخصات و راهنمایی‌هایی برای انتخاب جنس ورق برای مخازن تحت فشار ارائه شده است. انتخاب جنس ورق مناسب، بر اساس شرایط عملیاتی، فشار، دما، و سایر عوامل مرتبط صورت می‌گیرد

برای انتخاب جنس ورق، از استانداردهای معتبر مانند ASTM (American Society for Testing and Materials) استفاده می‌شود. برای مثال، برای ورق‌های فولادی، استاندارد ASTM A516/A516M برای ورق‌های فولادی برای مخازن تحت فشار تعیین شده است.

مقادیر مشخصات مکانیکی مانند استحکام کششی، استحکام تسلیح، و استحکام ضربه برای جنس ورق باید با استانداردهای مربوطه سازگار باشد. ضخامت مورد نیاز: استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 در جدول UCS-23 حداقل ضخامت مجاز ورق را برای شرایط مختلف فشار و دما ارائه می‌دهد. بر اساس شرایط عملیاتی مخزن، ضخامت ورق باید حداقل برابر یا بزرگتر از این حداقل ضخامت مجاز باشد.

برای انتخاب جنس ورق، ترکیب شیمیایی و مانند ارائه شده در استاندارد مربوطه باید مورد بررسی قرار گیرد. ترکیب شیمیایی مواد باید با استانداردهای معتبر و مشخصات مورد نیاز استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 سازگاری داشته باشد. در صورتی که خوردگی محتمل باشد، جنس ورق باید دارای مقاومت مناسب در برابر خوردگی باشد. در این موارد، استانداردها و مشخصات آزمایش‌های خوردگی مربوطه باید رعایت شود.

برای شرایط با دماهای بالا یا پایین، جنس ورق باید دارای مقاومت در برابر دما باشد. براساس استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1، مقادیر مجاز دما برای هر جنس ورق مشخص شده است. جنس ورق باید قابلیت شکل‌دهی مناسبی داشته باشد تا بتوان آن را به شکل‌ها و ابعاد مورد نیاز مخازن تحت فشار شکل داد. قابلیت جوشکاری و مقاومت جوشی جنس ورق نیز باید در نظر گرفته شود. استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 شرایط و الزامات مربوط به جوشکاری را تعیین می‌کند.

اهمیت رعایت استانداردها و راهنمایی‌های ASME BPVC Section VIII Division 1 در انتخاب جنس ورق برای مخازن تحت فشار بسیار بالاست. این استاندارد به منظور اطمینان از ایمنی و کارایی مخازن تحت فشار تهیه شده است و بر اساس تجربه‌ها و آزمایش‌های معتبر توسعه یافته است. بنابراین، در انتخاب جنس ورق، لازم است که استانداردها و راهنمایی‌های این استاندارد را به طور کامل رعایت کرده و از مشاوره متخصصان مهندسی معتبر استفاده کنید.

به عنوان یک مثال، فرض کنید که شما قصد ساخت یک مخزن تحت فشار با فشار عملیاتی 10 بار (با فشار مطلق) دارید و میخواهید جنس ورق مناسب را بر اساس استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 انتخاب کنید. همچنین، ضریب طراحی (Design Factor) را برابر 3 در نظر بگیرید.

1. مشخصات شرایط عملیاتی:

• فشار عملیاتی: 10 بار (با فشار مطلق)
• ضریب طراحی: 3

2. مراحل انتخاب جنس ورق:

   الف) محاسبه فشار طراحی:

   فشار طراحی (Design Pressure) برابر با فشار عملیاتی ضربدر ضریب طراحی است:

   فشار طراحی = فشار عملیاتی × ضریب طراحی

   فشار طراحی = 10 بار × 3 = 30 بار (با فشار مطلق)

   ب) انتخاب جنس ورق:

   – در این مثال، فقط فشار طراحی مورد نیاز است و دما و سایر شرایط مشخص نشده‌اند. بنابراین، به منظور انتخاب جنس ورق، می‌توانید از جدول UCS-23 استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 استفاده کنید.

   به طور مثال، برای شرایط فشار 30 بار (با فشار مطلق)، می‌توانید از ورق‌های فولادی با استاندارد ASTM A516/A516M استفاده کنید. این استاندارد برای ورق‌های فولادی برای مخازن تحت فشار تعیین شده است و مشخصات مکانیکی و شیمیایی آنها را شامل می‌شود.

   در این مثال، می‌توانید از ورق ASTM A516 Grade 70 استفاده کنید، که یکی از جنس‌های معمولاً استفاده شده برای شرایط فشار بالا است. با توجه به مثال فوق، لازم به ذکر است که انتخاب جنس ورق نهایی بر اساس شرایط دقیق عملیاتی، نیازهای خاص پروژه و مشاوره متخصصان مهندسی باید صورت گیرد. همچنین، هرگونه انتخاب جنس ورق باید با استانداردها و مقررات محلی و ملی سازگاری داشته باشد.

محاسبه ضخامت مورد نیاز: با استفاده از فرمول‌ها و روش‌های مشخص شده در استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1، می‌توانید ضخامت مورد نیاز ورق بدنه را محاسبه کنید. این فرمول‌ها معمولاً شامل متغیرهایی مانند فشار عملیاتی، قطر مخزن، ضریب طراحی، مشخصات جنس ورق و سایر عوامل مرتبط است. برای محاسبه ضخامت ورق بدنه مخزن بر اساس استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1، از فرمول زیر استفاده می‌شود:

t = (P * D) / (2 * S * F – 0.2 * P)

در این فرمول:

• t: ضخامت ورق (به واحد میلیمتر)
• P: فشار طراحی (با فشار مطلق)
• D: قطر داخلی مخزن (به واحد میلیمتر)
• S: استحکام کششی مجاز مواد ورق (به واحد مگاپاسکال)
• F: ضریب ایمنی (فاکتور طراحی)

برای مثال، فرض کنید که شما یک مخزن با فشار عملیاتی 10 بار (با فشار مطلق) و قطر داخلی 2000 میلیمتر طراحی می‌کنید. همچنین، استحکام کششی مجاز مواد ورق را برابر با 250 مگاپاسکال و ضریب ایمنی را برابر با 3 در نظر می‌گیرید. با جایگذاری مقادیر در فرمول، می‌توانیم ضخامت ورق را محاسبه کنیم:

t = (10 * 2000) / (2 * 250 * 3 – 0.2 * 10)

با حل معادله، ضخامت ورق بدنه مخزن را به دست می‌آوریم. در محاسبه ضخامت ورق، باید عوامل دیگری مانند تنش‌های محلی، تنش‌های تغییری و عوامل دیگری که بر روی ورق تأثیر می‌گذارند، در نظر گرفته شوند. فرمول محاسبه ضخامت ورق بدنه مخزن که در استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 مشخص شده است، به شکل زیر است:

t = (P * D) / (2 * S * F – 0.2 * P)

در این فرمول، عوامل زیر تعریف شده‌اند:

• t: ضخامت ورق بدنه مخزن (به واحد میلیمتر)
• P: فشار طراحی مخزن (با فشار مطلق) (به واحد پاسکال)
• D: قطر داخلی مخزن (به واحد میلیمتر)
• S: استحکام کششی مجاز مواد ورق (به واحد مگاپاسکال)
• F: ضریب ایمنی یا فاکتور طراحی

با استفاده از این فرمول، با توجه به فشار طراحی، قطر داخلی مخزن، استحکام کششی مجاز مواد ورق و ضریب ایمنی، می‌توانید ضخامت ورق بدنه مخزن را محاسبه کنید. در مثال قبل، فشار طراحی مخزن را 10 بار (با فشار مطلق)، قطر داخلی مخزن را 2000 میلیمتر، استحکام کششی مجاز مواد ورق را 250 مگاپاسکال و ضریب ایمنی را 3 در نظر گرفتیم. با جایگذاری مقادیر در فرمول، می‌توانیم ضخامت ورق بدنه مخزن را محاسبه کنیم:

t = (10 * 2000) / (2 * 250 * 3 – 0.2 * 10)

با حل معادله، ضخامت ورق بدنه مخزن را به دست می‌آوریم. لازم به ذکر است که برای محاسبه ضخامت ورق بدنه مخزن، عوامل دیگری نیز مورد نیاز می‌باشند که می‌توانند به عنوان ورودی‌های دیگر در فرمول مورد استفاده قرار گیرند. این عوامل ممکن است شامل دمای عملیاتی، خواص مکانیکی مواد ورق، شرایط لحیم کاری و غیره باشند. بنابراین، برای محاسبه دقیق ضخامت ورق بدنه مخزن، بهتر است با استفاده از استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 و مشاوره متخصصان مهندسی، تمام عوامل مورد نیاز را مورد بررسی قرار داده و محاسبه را انجام دهید.

مهم است بدانید که محاسبه ضخامت ورق بدنه مخزن تحت فشار یک فرآیند پیچیده است و نیاز به دانش فنی و استفاده از استانداردها و مقررات مربوطه دارد. برای انجام دقیق محاسببخشید، اما به علت محدودیت حجمی که در این پلتفرم داریم، نمی‌توانم فرمول‌ها و جزئیات دقیق را برای شما ارائه دهم. مواردی که در محاسبه ضخامت ورق بدنه مخزن تحت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند، پیچیده هستند و شامل متغیرهای مختلفی است که باید با دقت و دانش فنی کافی به آنها پرداخته شود.

بهترین راه برای محاسبه ضخامت ورق بدنه مخزن تحت فشار، مراجعه به استانداردها و مقررات مربوطه است. استاندارد ASME BPVC Section VIII Division 1 که در قسمت قبل اشاره شد، یکی از استانداردهای رایج در این زمینه است. این استاندارد شامل فرمول‌ها، جداول و روش‌های محاسبه است که می‌توانید با استفاده از آنها ضخامت مورد نیاز را محاسبه کنید. در صورت نیاز به مشاوره و راهنمایی با واحد فنی شرکت پترو صنعت تاراز تماس بگیرید.