غلاف في وعاء الضغط

تُعد أوعية الضغط  من أهم المعدات في صناعات النفط والغاز والبتروكيماويات ومحطات الطاقة والأدوية والأغذية. هذه الأوعية مسؤولة عن تخزين أو نقل السوائل تحت ضغط عالٍ، وحتى أدنى خطأ في تصميمها أو بنائها قد يؤدي إلى تسربات أو تمزقات أو انفجارات.

يُعدّ الغلاف أحد أهم مكونات وعاء الضغط   . فهو مسؤول عن تحمّل ضغط السائل الداخلي، وتوزيع الجهد، وربط المكونات الأخرى مثل الرؤوس والفوهات والدعامات. يتطلب التصميم السليم للغلاف الامتثال للمعايير الحالية، واختيار المواد المناسبة، وحسابات دقيقة للسمك.

ستناقش هذه المقالة هيكل وأنواع وطرق التصميم والنقاط الرئيسية لأجسام الأوعية الضغطية.

---

أهمية جسم خزان الضغط

يلعب الخزان دورًا حاسمًا في سلامة وأداء النظام بأكمله  :

1. دعم الضغط الداخلي:  الجسم هو المكون الرئيسي الذي ينقل ضغط السوائل إلى القاعدة.

2. توزيع الضغوط:  التصميم المناسب يمكن أن يقلل من تركيز الضغوط ويطيل عمر الخزان.

3. اتصال المكونات:  الجسم هو نقطة الاتصال للعدسات والفوهات والأقواس وأجهزة التحكم وما إلى ذلك.

4. منع التسرب والانفجار:  يعد اختيار السمك المناسب والالتزام بمعايير اللحام أمرًا ضروريًا.

---

هيكل ومكونات السكن

يتكون جسم الخزان عادة من ألواح معدنية ويتضمن المكونات التالية:

1. ورقة:

   • تُصنع الصفائح المعدنية عادةً من الفولاذ الكربوني، أو الفولاذ السبائكي، أو الفولاذ المقاوم للصدأ.

   • يتم حساب سمك اللوحة على أساس ضغط التصميم ونصف قطر الخزان والمادة ومعامل اللحام.

2. اللحام:

   • يتم ربط اللوحات بواسطة اللحامات الطولية والمحيطية.

   • إن جودة اللحامات تؤثر بشكل مباشر على قوة هيكل السيارة وتتطلب إجراء اختبار غير مدمر (NDT).

3. اتصال جانبي:

   • يتم تثبيت الفوهات، والحواف، والصمامات على جسم الماكينة.

   • ينبغي تصميم نقاط اتصال هذه المكونات باستخدام منصات تقوية لتقليل تركيز الإجهاد.

4. الكسوة والعزل:

   • قد يحتوي الغلاف على طبقة داخلية مضادة للتآكل أو طبقة عزل حراري خارجية.

   • بالإضافة إلى حماية الخزان، يمكن لهذه الطلاءات أيضًا إطالة عمره.

---

نوع خزان الضغط

1. غلاف أسطواني

• النوع الأكثر شيوعا من الخزان هو الخزان المضغوط.

• يعتمد التصميم على  الإجهاد المحيطي،  وهو الإجهاد الأكثر أهمية في الخزان الأسطواني.

• وفقًا لصيغة حساب السُمك في القسم الثامن من ASME:

t=P⋅RS⋅E−0.6P+Ct = \frac{P \cdot R}{S \cdot E – 0.6P} + C   t   =   S   ⋅   E   −   0.6   P   P   ⋅   R   ​+   C

أين:

• $t$  : سمك الجسم

• $P$  : ضغط التصميم

• $R$  : نصف القطر الداخلي

• SS   : الإجهاد المسموح به$للمادة$

• $E$  : معامل اللحام

• $C$  : تحمل التآكل

2. الطبقة الكروية

• في الخزان الكروي، يكون توزيع الضغط أكثر انتظامًا.

• السمك المطلوب أقل من سمك الاسطوانة.

• صيغة حساب ASME:

t=P⋅R2S⋅E−0.2P+Ct = \frac{P \cdot R}{2S \cdot E – 0.2P} + C   t   =   2   S   ⋅   E   −   0.2   P   P   ⋅   R   +   C

3. جلبة مخروطية

• يتم تصميمها عادةً لتوصيل الخزانات بالعدسات أو تغيير قطرها.

• الضغوطات في هذا القسم أكثر تعقيدًا وتتطلب حسابات دقيقة.

---

المواد المستخدمة في الجسم

1. الفولاذ الكربوني:   الاختيار الأكثر شيوعًا لخزانات التخزين القياسية.

2. سبائك الفولاذ:  مناسبة للضغط العالي أو درجة الحرارة العالية

3. الفولاذ المقاوم للصدأ:  مناسب للسوائل المسببة للتآكل أو المنتجات الغذائية والصيدلانية.

4. المواد الخاصة:  في بعض الحالات، يتم استخدام السبائك المقاومة للتآكل ودرجات الحرارة العالية.

يعتمد اختيار المواد على ضغط التصميم ودرجة حرارة التشغيل  وبيئة  السوائل.

---

العوامل المؤثرة على تصميم هيكل السيارة

1. ضغط التصميم:  عامل رئيسي في حساب سمك هيكل السيارة

2. درجة الحرارة التصميمية:  تؤثر درجة الحرارة على الخصائص الميكانيكية للمواد.

3. كفاءة المفصل:  تؤثر جودة اللحام بشكل مباشر على سمك هيكل السيارة.

4. التآكل والتآكل:  بالنسبة للبيئات المسببة للتآكل، يشمل ذلك هامش التآكل.

5. حجم الخزان وشكلها:  يؤثر نصف قطر الخزان وطوله على سمك ونوع الألواح.

6. المعايير المرجعية:   ASME، EN 13445، API 650

---

تقنيات التنفيذ والتركيب

• اللحام الدقيق:  يجب أن يتم تنفيذ اللحامات الطولية والمحيطية وفقًا للمعايير وتخضع للاختبارات غير المدمرة.

• فحص هيكل السيارة:   تعتبر طرق مثل التصوير بالأشعة السينية واختبار UT واختبار الاختراق ضرورية لضمان جودة اللحامات والصفائح المعدنية.

• مقاومة التآكل: تعمل  الطبقة الداخلية والعزل الخارجي  على إطالة  عمر خدمة جسم الماكينة.

• الاتصال الآمن:  يجب تصميم الفوهات والصمامات باستخدام منصات تقوية لتقليل تركيز الإجهاد.

• الاستقرار الميكانيكي:  أثناء التثبيت، يجب أن يقوم الدعم بتوزيع الوزن والضغط الداخلي بالتساوي.

---

أمثلة عملية

لنفترض أن خزان تخزين أسطواني سيتم بناؤه بضغط داخلي يبلغ 2 ميجا باسكال، ونصف قطر 1 متر، وإجهاد مسموح به يبلغ 140 ميجا باسكال، ومعامل لحام E=0.85 وتسامح للتآكل يبلغ 2 مم.

 t = 2 × 1000 / (140  × 0.85 − 0.6 × 2  ) + 2t =  t  =  140   ×   0.85   −   0.6   ×   2 / (2 × 1000 +  2t  ) ≈  2000 / (119 $$2$$

لذلك فإن سمك الجسم المطلوب هو حوالي  20 ملم.

---

ختاماً

يُعدّ الغلاف المكون الرئيسي لأوعية الضغط، وبالتالي، عنصرًا بالغ الأهمية. يُعدّ اختيار مواد الغلاف،  وتصميم سُمك الجدار  بناءً على الضغط ودرجة الحرارة، وجودة اللحام، وإجراءات الحماية من التآكل، عوامل أساسية لسلامة الوعاء وعمره الافتراضي.

تُصنف أجسام الصمامات إلى  أسطوانية، وكروية، ومخروطية، ولكل منها استخداماتها الخاصة. إن الالتزام بالمعايير الحالية، مثل  ASME الجزء الثامن،  وإجراء الاختبارات غير التدميرية، من شأنه أن يمنع وقوع الحوادث الخطيرة.

يسمح تصميم الخزان المناسب بتحمل الضغط الداخلي، ويوفر توصيلات آمنة للمكونات الخارجية، ويضمن أداءً موثوقًا به على المدى الطويل.