مقاله نقش تصاوير ماهواره‌اي بعنوان يك ابزار قوي در امر اكتشاف و استخراج
گزارش كارآموزي اصول ساخت مخازن تحت فشار
اصول ساخت مخازن تحت فشار
تعاريف اوليه :
مخزن تحت فشار : بطور كلي هر مخزني كه اختلاف فشار داخلي و خارجي آن برابر و يا بيشتر از 15 psi ( و كمتر از 3000 psi ) بوده , قطر داخلي آن از 6 in بيشتر و داراي حجم 120 گالن باشد يك مخزن تحت فشار ناميده مي شود و شامل مقررات مندرج در ASME SEC. VIII DIV.1 ميگردد ( جهت كسب اطلاعات بيشتر به پاراگراف U-1 مراجعه شود ) .
در عين حال يادآور مي شود كه توجه به شرايط عملكردي و محيطي مخزن ( اعم از قرار گرفتن در سرويسهاي خطرساز و يا آتش گير ) ميتواند در نحوه طراحي، ساخت ، آزمايشات و نهايتا كيفيت كاري مورد نياز جهت تعيين عملكرد مخزن در سرويسهاي خاص بهره برداري تاثير به سزائي داشته باشد .
فشار و دماي كاري : فشار و دمايي است كه مخزن تحت آنها به عملكرد عادي خود مي پردازد .
فشار طراحي ( UG-21 ) : فشاري است كه جهت تعيين حداقل ضخامت مجاز براي اجزاء مختلف مخزن تحت فشار در نظر گرفته مي شود و معمولا 10% و يا 30 psi ( هر كدام كه بزرگتر باشد) بيشتر از فشار عملياتي آن مي بشد . چنانچه مخزن داراي ارتفاع قابل توجهي باشد ( بيشتر از 10 متر ) لازم است كه فشار استاتيكي ناشي از وزن سيال نيز به رقم مزبور اشافه گردد . در مورد مخازني كه بطور معمول در شرايط خلاء كار مي كنند و يا اينكه امكان خلاء براي آنها محتمل است بايد طراحي با در نظر گرفتن پديده خلاء كامل صورت پذيرد .
درجه حرارت طراحي ( UG-20) : اين پارامتر نقش مهمي در طراحي يك مخزن تحت فشار ايفا مي كند چرا كه مستقيما با مقدار تنش مجاز فلز بكار رفته در ساخت مخزن ارتباط دارد . به عنوان يك پيشنهاد مي توان براي مخازني كه فعاليت آنها در محدوده قرار دارد بر اساس RATING فلنجهاي بكار رفته در آنها اقدام به تعيين درجه حرارت طراحي نمود چرا كه حداكثر تنش مجاز براي فولادهاي كربني و كم آلياژ در محدوده فوق عمدتا ثابت است . براي مخازن با فولاد كربني كه شرايط دمائي بهره برداري از آنها نزديك به محيط اطراف مي باشد تعيين حداقل درجه حرارت شكست ترد همواره وجود خواهد داشت . يادآوري ميشود كه آيين نامه در هيچ حالتي اجازه استفاده از درجه حرارت بالاتر از 1000 براي فولادهاي كربني و 1200 براي فولادهاي كم آلياژ را نمي دهد .
حداكثر فشار كاري مجاز[1] (UG-98 ) : فشاري است كه تحت آن فشار ، ضعيفترين عضو مجموعه به نقطه نهائي تنش تسليم خود مي رسد و اين در حالي است كه مخزن در شرايط ذيل قرار داشته باشد :
خوردگي ، دماي طراحي ، وضعيت جغرافيائي طبيعي ، تاثير بار گذارهاي گوناگون از قبيل باد ، فشار خارجي و فشار هيدرواستاتيك .
معمولا سازندگان مخازن تحت فشار مقدار M.A.W.P را با توجه به مقاومت عدسي و يا پوسته مخزن تخمين مي زنند و اجزاء كوچك مثل فلنج يا دريچه ها را مبناي محاسبه قرار نمي دهند .
عبارت MAWP (new & cold) يكي از رايج ترين اصطلاحات در اين زمينه بوده و اشاره به شرايط ذيل دارد :
- New ( بدون خوردگي )
- Cold ( فاقد شرايط دماي طراحي – در دماي اتاق )
بنابراين با توجه به تعريف اصلي MAWP خواهيم داشت :
MAWP < MAWP
فشار تست هيدرواستاتيك ( UG-99) : فشار اين تست 5/1 برابر فشار طراحي و يا مساوي با MAWP در نظر گرفته ميشود . البته با احراز شرايط Addenda 99 ميتوان فشار مورد نظر را 3/1 برابر فشار طراحي نيز در نظر گرفت :
ماكزيمم تنش مجاز ( UG-23) : مقدار اين كميت بستگي به جنس ماده بكار رفته در ساخت مخزن داشته و مستقيما با خواص مكانيكي ماده تشكيل دهنده مخزن در ارتباط است . به عنوان مثال ، كميت مورد نظر براي ماده SA 516 Gr. 70 بابر با 17500 psi ( psi 20000 با توجه به شرايط Addenda 99 ) مي باشد .
استحكام اتصالات ( UW-12) : مقداراين پارامتر (E) بستگي به نحوه اتصالات و درصد راديوگرافي آنها دارد . در مورد مخزني كه قرار است بطور كامل[2] راديوگرافي شود ( فشار طراحي بالاتر از 50 psi براي بويلر بخار، حاوي مواد سمي و يا ضخامت بيشتر از براي C.S و براي S.S) ، لازم است تا كليه خطوط A و D بصورت صد در صد و خطوط C و B ( به شرط اينكه از لوله 10in و يا ضخامت فراتر رفته باشد ) راديوگرافي شوند . اما اگر قرار باشد كه مخزني بصورت موضعي[3] راديوگرافي شود ، آنگاه محلهاي اتصال خطوط B و C با خطوط دسته A ( شامل نازلهاي با قطر بيش از از 10 in و ضخامت 1in ) و محل تماس مقاطع بدون درز مخزن يا عدسي ها وقتيكه طراحي جوشهاي A و D بر مبناي استحكام 1.00 يا 0.9 صورت ميپذيرد ، بايد بطور موضعي راديوگرافي شوند . ( شكل 1)
چنانچه مخزني فاقد هرگونه راديوگرافي طراحي شده باشد آنگاه بايد حائز يكي از شرايط زير باشد :
الف – تنها فشار خارجي وجود داشته باشد .
ب- طراحي اتصالات بدون در نظر گرفتن تست راديوگرافي صورت پذيرفته باشد .
شكل ( 1) نام گذاري انواع جوشهاي طولي و عرضي بر روي يك مخزن
در اينجا لازم است تا با انواع بارگذاريهاي ممكن بر روي يك مخزن تحت فشار آشنا شده و از اين راه اهداف طراحي و چگونگي آن جهت نيل به مقاصد اصلي را شناسائي كنيم . خلاصه اي از انواع بارگذاريهائي كه ميتواند بر مخزن تحت فشار اعمال شود در زير مشاهده ميگردد :
- فشار داخلي ( يا خارجي )
- وزن مخزن
- بارهاي استاتيكي ناشي از لوله هاي اتصال ، تجهيزات متصل به مخزن ، ادوات داخلي و ...
- بارهاي ديناميكي مربوط به تغييرات فشار يا دماي مخزن
- نيروهاي ناشي از اثرات باد و زمين لرزه
- بارهاي ضربه اي ناشي از پديده ضربه قوچ[4]
- تنش ناشي از گراديان دمائي وابسته به زمان (اثر خزش[5])
معمولا در فرآيند طراحي يك مخزن تحت فشار ، چنانچه مخزن درشرايط خاصي قرار نداشته باشد ميتوان براي راحتي كار ، اثرات بارهاي استاتيكي ، ديناميكي، ضربه اي و همچنين پديده خزش را ناديده گرفته و بدين ترتيب فقط تنش ناشي از فشار داخلي ( يا خارجي و نيز وزن مخزن به همراه اثرات باد و زمين لرزه در طراحي يك مخزن تحت فشار نقش اساسي ايفا مي كنند .
[1] - maximum allowable working pressure (M.A.W.P)
[2] - Full Radiography
[3]- Spot Radiography
[4]- Water Hamer
[5] -Creep
با توجه به گوناگوني شرايط بارگذاري و همچنين فرآيندهاي توليد ورق و ديگر اجزاء مورد نياز يك مخزن تحت فشار ، تنشهاي ايجاد شده را ميتوان به 3 گروه عمده دسته بندي نمود :
- تنش كششي
- تنش فشاري
- تنش پوسته اي اوليه ( تنش پسماند )
با اين مقدمه ، هدف از طراحي يك مخزن تحت فشار را مي توان بطور خيلي ساده غلبه بر انواع تنشهاي ايجاد شده با توجه به شرايط عملكردي آن دانست به گونه اي كه شكل فيزيكي مخزن از قابليتهاي عملكردي مطلوب برخوردار باشد .
انتخاب مواد :
يكي از مهمترين مسائل در طراحي مخازن تحت فشار انتخاب صحيح مواد اوليه بكار رفته در آنها مي باشد چرا كه اين امر تاثير به سزائي در تعيين ضخامتها، ابعاد و نهايتا شرايط عملكردي مخزن دارد . اطلاعات مهم براي انتخاب مناسب مواد شامل تعيين مشخصه ها و مقادير ( و تغييرات تاثير گذار) سيال در اجزاء مختلف مخزن مي گردد .
بعلاوه ، PH سيال ، درجه هوازني[1] و درجه حرارت ( با پيش بيني دامنه ) مي بايد ليست شود .
متداولترين مواد براي ساخت مخازن تحت فشار ، فولاد كربني و كم آلياژ مي باشد . اين فولادها در گسترده وسيعي از درجه حرارتهاي مختلف ( )كاربرد داشته و آيين نامه كاربرد بيش از 34 گريد از فولادهاي كربني و 44 گريد از فولادهاي آلياژي را بعنوان ورقهاي با كيفيت مناسب براي ساخت مخازن تحت فشار مورد تاييد قرار داده است . انتخاب هر يك از اين مواد عموماً بر اساس معيارهاي زير صورت مي پذيرد .
- در دسترس بودن ورق در ضخامتهاي مورد نياز
- دارا بودن چقرمگي[2] مورد نياز براي درجه حرارتهاي پايين
- دارا بودن استحكام لازم در درجه حرارتهاي بالا
- مقاومت در درجه حرارتهاي بالا در برابر اكسيداسيون و يا خوردگي
معيارها اضافي ديگر كه معمولا براي انتخاب مواد در صنعت نفت و پتروشيمي مورد توجه قرار ميگيرد . مقاومت فلز در مقابل اثر تخريبي هيدروژن ( ايجاد شكنندگي هيدروژن[3] و تاولهاي هيدروژني) در درجه حرارتها و فشارهاي بالا است . يادآور ميشود يكي از ملاحظات عمده در انتخاب مواد ، خطر احتمالي شكست ترد[4] در بعضي فولادهاي كربني است كه معمولا در محدوده ( بسته به ضخامت و گريد فولاد) از اهميت خاصي برخوردار مي باشد ( به ASME , DIV.2 , AM-218 ) رجوع شود .
انتخاب ديگر در رابطه به مواد اوليه ساخت مخازن تحت فشار استفاده از فولادهاي آلياژي به دليل كنترل خوردگي و يا جلوگيري از آلودگي سيال در اثر حل نمودن آهن مي باشد . فولادهاي ضد زنگ آستنيتي همپنين مي توانند براي شرايط كاري با درجه حرارتهاي بالا تا بكار گرفته شوند . مشخصه هاي فرآيندي لازم براي انتخاب آلياژهاي مناسب در شرايط عملياتي خاص مشابه با آنچه كه براي مخازن ساخته شده از فولاد كربني بيان شد مي باشد . ازآنجائيكه قيمت تمام شده براي ورق آلياژي تفاوت قابل ملاحظه اي با ورق كربني دارد لذا معمولا در مورادي كه نياز به استفاده از فولادهاي آلياژي احساس مي شود از تركيب آنها به نام ورق روكش دار بهره مي گيرند . اين ورق با پايه اصلي فولاد كربني و روكشي از جنس فولاد آلياژي ( به ضخامت تا ) علاوه بر مقامت زياد در برابر خوردگي از هزينه پايين تري نسبت به فولاد تمام آلياژي برخوردار است . پيشنهاد زير در رابطه با انتخاب بين آلياژ و روكش آلياژي از لحاظ قيمت تمام شده توصيه مي گردد :
: فولاد آلياژي
: فولاد آلياژي يا روكش آلياژي
: روكش آلياژي
در اينجا لازم است كه اشاره اي به استاندارد NACE در رابطه با نحوه انتخاب مواد براي فولادهاي كربني و كم آلياژ كه بيشترين كاربرد را در صنعت نفت و گاز دارند بنماييم . اين استاندارد صرفا با هدف تعيين شرايط لازم براي ايجاد مقاومت در مقابل پديده S.S.C [5] تدوين گرديده و ساير اثرات تخربي ناشي از هيدروژن در سرويسهاي اصطلاحا « ترش » ميبايست جداگانه مورد توجه قرار گيرد . خلاصه نيازهاي مورد نظر براي فولادهاي مزبور بند 3.2 از استاندارد به شرح زير است :
- درصد نيكل در فولاد بايد كمتر از %1 باشد .
[1] -Aeration
[2] - Toughness
[3] - Hydrogen induced cracking
[4] - Brittle Fracture
[5] - Sulfide stress cracking
