بدنه (Shell) در مخازن تحت فشار

مقدمه

مخازن تحت فشار یکی از حیاتی‌ترین تجهیزات در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاهی، دارویی و غذایی هستند. این مخازن وظیفه نگهداری یا انتقال سیالات تحت فشار بالا را دارند و کوچک‌ترین خطا در طراحی یا ساخت آن‌ها می‌تواند منجر به نشتی، ترکیدگی یا انفجار شود.

یکی از مهم‌ترین اجزای مخزن تحت فشار، بدنه یا Shell آن است. بدنه مخزن وظیفه تحمل فشار داخلی سیال، توزیع تنش‌ها و اتصال اجزای دیگر مانند عدسی‌ها (Heads)، نازل‌ها (Nozzles) و تکیه‌گاه‌ها (Supports) را بر عهده دارد. طراحی صحیح بدنه مستلزم رعایت استانداردهای معتبر، انتخاب مواد مناسب و محاسبه ضخامت دقیق است.

در این مقاله به بررسی ساختار، انواع، روش‌های طراحی و نکات مهم بدنه مخازن تحت فشار می‌پردازیم.

---

اهمیت بدنه مخزن تحت فشار

بدنه مخزن نقش اصلی در ایمنی و عملکرد کل سیستم دارد:

1. تحمل فشار داخلی: بدنه اصلی‌ترین بخش است که فشار سیال را به فونداسیون منتقل می‌کند.

2. توزیع تنش‌ها: طراحی مناسب باعث کاهش تمرکز تنش و افزایش عمر مفید مخزن می‌شود.

3. اتصال اجزا: بدنه محل اتصال عدسی‌ها، نازل‌ها، تکیه‌گاه‌ها و ابزارهای کنترلی است.

4. جلوگیری از نشتی و انفجار: انتخاب ضخامت مناسب و رعایت استانداردهای جوشکاری اهمیت بالایی دارد.

---

ساختار و اجزای بدنه (Shell)

بدنه مخزن معمولاً از ورق‌های فلزی جوش داده شده تشکیل می‌شود و شامل اجزای زیر است:

1. ورق‌ها (Plates):

   • ورق‌ها معمولاً از فولاد کربنی، فولاد آلیاژی یا استنلس استیل انتخاب می‌شوند.

   • ضخامت ورق‌ها بر اساس فشار طراحی، شعاع مخزن، جنس و ضریب جوشکاری محاسبه می‌شود.

2. جوش‌ها (Welds):

   • جوش‌های طولی و محیطی، ورق‌ها را به یکدیگر متصل می‌کنند.

   • کیفیت جوش‌ها تأثیر مستقیمی بر استحکام بدنه دارد و نیازمند بازرسی غیرمخرب (NDT) است.

3. اتصالات جانبی:

   • نازل‌ها، فلنج‌ها و دریچه‌ها به بدنه متصل می‌شوند.

   • محل اتصال این اجزا باید با پدهای تقویتی (Reinforcement Pads) طراحی شود تا تمرکز تنش کاهش یابد.

4. پوشش‌ها و عایق‌ها:

   • بدنه ممکن است پوشش ضد خوردگی داخلی یا عایق حرارتی خارجی داشته باشد.

   • این پوشش‌ها علاوه بر حفاظت از بدنه، عمر مفید مخزن را افزایش می‌دهند.

---

انواع بدنه مخازن تحت فشار

1. بدنه استوانه‌ای (Cylindrical Shell)

• رایج‌ترین نوع بدنه مخازن تحت فشار است.

• طراحی بر اساس تنش محیطی (Hoop Stress) انجام می‌شود که بحرانی‌ترین تنش در مخازن استوانه‌ای است.

• فرمول محاسبه ضخامت مطابق استاندارد ASME Section VIII:

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

که در آن:

• $t$: ضخامت بدنه

• $P$: فشار طراحی

• $R$: شعاع داخلی

• $S$: تنش مجاز ماده

• $E$: ضریب جوشکاری

• $C$: Allowance برای خوردگی

2. بدنه کروی (Spherical Shell)

• در مخازن کروی فشار یکنواخت‌تر توزیع می‌شود.

• ضخامت مورد نیاز نسبت به استوانه‌ای کمتر است.

• فرمول محاسبه ASME:

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

3. بدنه مخروطی یا کاهنده (Conical Shell)

• معمولاً برای اتصال مخازن به عدسی‌ها یا تغییر قطر طراحی می‌شوند.

• تنش‌ها در این بخش پیچیده‌تر بوده و محاسبات دقیق نیاز است.

---

مواد مورد استفاده در بدنه

1. فولاد کربنی (Carbon Steel): رایج‌ترین انتخاب برای مخازن استاندارد

2. فولاد آلیاژی (Alloy Steel): برای فشار یا دمای بالا

3. استنلس استیل (Stainless Steel): برای سیالات خورنده یا مواد غذایی و دارویی

4. مواد خاص: در برخی موارد از آلیاژهای مقاوم به خوردگی و دما استفاده می‌شود

انتخاب ماده بر اساس فشار طراحی، دمای کاری و محیط سیال انجام می‌شود.

---

عوامل مؤثر در طراحی بدنه

1. فشار طراحی (Design Pressure): عامل اصلی در محاسبه ضخامت بدنه

2. دمای طراحی (Design Temperature): دما بر خواص مکانیکی ماده تأثیر می‌گذارد

3. ضریب جوشکاری (Joint Efficiency): کیفیت جوش‌ها مستقیماً بر ضخامت بدنه اثر دارد

4. خوردگی و فرسایش: برای محیط‌های خورنده، Allowance برای خوردگی لحاظ می‌شود

5. اندازه و شکل مخزن: شعاع و طول مخزن بر ضخامت و نوع ورق‌ها تأثیر دارد

6. استانداردهای مرجع: ASME, EN 13445, API 650

---

نکات اجرایی و نصب

• جوشکاری دقیق: جوش‌های طولی و محیطی باید مطابق استاندارد و با بازرسی NDT انجام شوند.

• بازرسی بدنه: روش‌هایی مانند RT، UT و Dye Penetrant برای اطمینان از کیفیت جوش‌ها و ورق‌ها ضروری است.

• محافظت در برابر خوردگی: پوشش داخلی و عایق خارجی باعث افزایش عمر بدنه می‌شود.

• اتصالات ایمن: نازل‌ها و دریچه‌ها باید با پدهای تقویتی طراحی شوند تا تمرکز تنش کاهش یابد.

• پایداری مکانیکی: در هنگام نصب، تکیه‌گاه‌ها و supports باید وزن و فشار داخلی را به‌طور یکنواخت منتقل کنند.

---

مثال کاربردی

فرض کنید یک مخزن استوانه‌ای تحت فشار داخلی 2 مگاپاسکال با شعاع 1 متر و تنش مجاز 140 مگاپاسکال ساخته می‌شود. ضریب جوشکاری E=0.85 و Allowance خوردگی 2 mm در نظر گرفته شده است.

t=2×1000140×0.85−0.6×2+2t = \frac{2 \times 1000}{140 \times 0.85 – 0.6 \times 2} + 2t=140×0.85−0.6×22×1000​+2 t≈2000119−1.2+2≈19.2 mmt \approx \frac{2000}{119 – 1.2} + 2 \approx 19.2 \text{ mm}t≈119−1.22000​+2≈19.2 mm

بنابراین ضخامت مورد نیاز بدنه تقریباً 20 میلی‌متر خواهد بود.

---

نتیجه‌گیری

بدنه (Shell) بخش اصلی و حیاتی مخازن تحت فشار است. انتخاب جنس مناسب، طراحی ضخامت بر اساس فشار و دما، کیفیت جوشکاری و محافظت در برابر خوردگی، نقش مهمی در ایمنی و عمر مفید مخزن دارند.

انواع بدنه شامل استوانه‌ای، کروی و مخروطی هستند که هر یک کاربرد خاصی دارند. رعایت استانداردهای معتبر مانند ASME Section VIII و انجام بازرسی‌های غیرمخرب، از بروز حوادث خطرناک جلوگیری می‌کند.

طراحی صحیح بدنه باعث می‌شود مخزن علاوه بر تحمل فشار داخلی، اتصال ایمن اجزای جانبی را فراهم کند و در طول زمان عملکرد مطمئنی داشته باشد.