نظرة عامة على أساسيات أوعية الضغط: الهيكل والمبدأ والوظيفة

1. تعريف وعاء الضغط
أ وعاء الضغط هي حاوية مختومة قادرة على تصادف الفوارق الداخلية أو الخارجية. يتم استخدامها على نطاق واسع لتخزين وسائل الإعلام المختلفة ، مثل السوائل والغازات والبخار ، وخاصة في العمليات الصناعية التي تتطلب تشغيل تحت ضغط مرتفع أو منخفض. أوعية الضغط هي معدات لا غنى عنها في الصناعات الكيميائية والبترولية والغاز الطبيعي والطاقة والصيدلانية.
في العديد من التطبيقات الصناعية ، لا تخزن أوعية الضغط المواد فحسب ، بل تقوم أيضًا بعمليات عملية معقدة مثل التفاعلات والتبخر والفواصل. نظرًا لأن الضغط داخل أوعية الضغط غالبًا ما يكون أعلى بكثير من الضغط الجوي ، يجب أن يلتزم تصميمها وتصنيعها وصيانتها بشكل صارم بالمعايير الوطنية ومواصفات الصناعة ذات الصلة.

2. الهيكل الأساسي لأوعية الضغط
يجب أن ينظر التصميم الهيكلي لأوعية الضغط في عوامل متعددة ، بما في ذلك قدرتها على الضغط ، وخصائص الوسائط المستخدمة ، وظروف درجة الحرارة. يتكون هيكلها الأساسي في المقام الأول من القشرة والقبعات النهائية وهياكل الدعم والمفاصل وأجهزة السلامة. فيما يلي شرح مفصل لكل مكون:
أ) شل
القشرة هي الهيئة الرئيسية لأوعية الضغط ، المسؤولة بشكل أساسي عن حمل الضغط الداخلي. يختلف تصميم Shell اعتمادًا على شكل الوعاء.
قشرة أسطوانية: هذا هو شكل وعاء الضغط الأكثر شيوعًا. إنه مناسب لمعظم التطبيقات ، مثل خزانات التخزين والمفاعلات. من السهل نسبيًا تصنيع الأوعية الأسطوانية ، ولها بنية مستقرة ، وتوزيع الضغط بشكل فعال.
الصدفة الكروية: توفر الأصداف الكروية توزيع الضغط الأكثر موحدة ويمكنها تحمل ضغوط داخلية وخارجية أعلى. لذلك ، غالبًا ما يتم استخدامها في الأوعية التي يجب أن تصمد أمام ضغوط عالية للغاية ، مثل حاويات تخزين الغاز المسال. ومع ذلك ، فإن الحاويات الكروية أكثر تكلفة للتصنيع وأقل شيوعًا من الحاويات الأسطوانية.
القشرة الإهليلجية أو نصف الكرة الأرضية: يجمع هذا التصميم بين مزايا الحاويات الأسطوانية والكروية ، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الضغط العالي للغاية وتقديم مقاومة أكبر للضغط. يتم استخدامها بشكل شائع في غلايات البخار عالية الضغط أو بعض المفاعلات الكيميائية المتخصصة.
ب) الرؤوس
الرؤوس هي نهايات وعاء الضغط وختم وامتصاص الضغط جزئيا. يتطابق تصميم وشكل الرأس بشكل عام مع شكل السفينة نفسها. تختلف سمك وشكل الرأس اعتمادًا على الضغط الذي يتحمله.
رأس نصف كروي: يوزع شكل الرأس هذا بالتساوي الضغط الداخلي ويستخدم بشكل شائع في نهايات الأوعية الكروية أو الأسطوانية لتقليل تركيزات الإجهاد. الرؤوس البيضاوية: مناسبة للأوعية ذات الضغط المنخفض والمتوسط. يساعد شكلها على توزيع الإجهاد بالتساوي عبر الوعاء ، ويتم العثور عليه عادة على خزانات التخزين في الصناعات الكيميائية والبترولية.
الرؤوس المخروطية: غالبًا ما تستخدم الرؤوس المخروطية في أسفل الأوعية ، وخاصة بالنسبة للأوعية ذات الضغط المنخفض أو عند الحاجة إلى الصرف السائل.
ج) هياكل الدعم
تدعم هياكل الدعم وزن وعاء الضغط بأكمله وعادة ما يتم تثبيته في أسفل أو جانب الوعاء. أنها تضمن الاستقرار ومنع الإمالة أو الإزاحة بسبب الجاذبية أو الاهتزاز.
تشمل هياكل الدعم الأرجل والإطارات الرافعة والقواعد. يجب تصميم هياكل الدعم بناءً على حجم السفينة وبيئة التشغيل لضمان السلامة والاستقرار.
د) فوهات
الفتحات هي أجزاء وعاء الضغط الذي يربط الأنابيب والصمامات والأدوات وغيرها من المعدات. تشمل الأنواع الشائعة منافذ التغذية ومنافذ العادم ومنافذ الصرف ومنافذ الغاز.
يجب تصميم الفوهات لضمان اتصال مقاوم للتسرب ومنع التسرب عندما تكون الوعاء تحت الضغط. عادة ما تكون متصلة بجسم الوعاء عن طريق اللحام أو الخيوط. ه) صمام الإغاثة السلامة
لمنع الانفجار أو التمزق بسبب الضغط الداخلي المفرط ، يجب أن تكون أوعية الضغط مزودة بجهاز أمان ، والأكثر شيوعًا هو صمام أمان. يكتشف صمام الأمان تلقائيًا الضغط الداخلي ، وعندما يتجاوز الضغط قيمة محددة ، يفتح لإطلاق الضغط الزائد ، وبالتالي حماية الوعاء من التلف.

بالإضافة إلى صمامات السلامة ، تشمل أجهزة تخفيف الضغط الأخرى أقراص انفجار وصمامات تفريغ الطوارئ.

3. مبدأ العمل في أوعية الضغط
يدور مبدأ العمل في أوعية الضغط في المقام الأول حول تقلبات الضغط ودرجة الحرارة داخل الوسط الداخلي ، وكذلك قوة المادة في الوعاء نفسها. فيما يلي عدة مبادئ عمل رئيسية:
أ) آثار الضغط الداخلي
تتمثل الوظيفة الأساسية لأوعية الضغط في تحمل الفوارق الداخلية أو الخارجية. أثناء التشغيل ، يعاني الغاز أو الوسط السائل داخل الوعاء من ضغط معين. كلما زاد الضغط ، زاد الضغط على الوعاء. لضمان سلامة الوعاء ، يجب تصميم سمك والمواد والمكونات الرئيسية الأخرى لجدار الوعاء بناءً على الحد الأقصى للضغط الذي يمكن أن يقاومه.
ب) انتقال الضغط
في وعاء الضغط ، ينتقل الضغط في جميع أنحاء الهيكل من خلال جدار الوعاء. في حين يتم توزيع الضغط الداخلي بالتساوي في جميع أنحاء جدار الوعاء ، قد تحدث تركيزات كبيرة في الإجهاد في مناطق مثل الغطاء النهائي والمفاصل. لذلك ، تتطلب هذه المناطق عادة تعزيزًا إضافيًا.
ج) تأثير درجة الحرارة على أوعية الضغط
تؤثر درجة الحرارة داخل الوعاء على كثافة وزوجة الوسط ، مما يؤثر على الضغط داخل الوعاء. يمكن أن تتسبب زيادة درجات الحرارة في توسيع مواد جدار الوعاء أو تليينها ، لذلك يجب النظر في تأثيرات درجة الحرارة على قوة مادة الوعاء أثناء التصميم. غالبًا ما تستخدم أوعية الضغط المستخدمة في درجات حرارة عالية مواد مقاومة للدرجات الحرارة العالية.
د) توزيع الإجهاد في الأوعية
توزيع الإجهاد داخل أوعية الضغط غير متساو. عادة ، تعاني نهايات (نهايات) الوعاء من الإجهاد أكبر. لمنع التكسير أو التشوه في هذه المناطق ، يتطلب التصميم زيادة في سماكة الجدار أو الميزات الهيكلية المتخصصة.

4. وظائف أوعية الضغط
لا تقتصر وظائف أوعية الضغط على تخزين أو نقل المواد ؛ كما أنها تشمل مجموعة متنوعة من العمليات الصناعية المعقدة. وظائف محددة هي كما يلي:
أ) التخزين
واحدة من أكثر الوظائف شيوعًا هي تخزين الغازات أو السوائل أو الأبخرة. على سبيل المثال ، في صناعة البتروكيماويات ، غالبًا ما تستخدم أوعية الضغط لتخزين الغاز الطبيعي المسال (LNG) أو غيرها من السوائل الكيميائية. في أنظمة الهواء المضغوطة ، تخزن أوعية الضغط غازات عالية الضغط للاستخدام الجاهز.
ب) رد الفعل
تُستخدم أوعية الضغط كمفاعلات في العديد من الصناعات ، مثل الصناعات الكيميائية والنفط والغاز والمستحضرات الصيدلانية. يتم إجراء التفاعلات الكيميائية أو الفيزيائية تحت ضغط عال لإنتاج المواد الكيميائية المرغوبة أو الوسطيات. ارتفاع الضغط أثناء التفاعل يساعد على تسريع معدل التفاعل أو زيادة العائد.
ج) وظائف التدفئة والتبريد
تحتوي بعض أوعية الضغط أيضًا على وظائف التدفئة أو التبريد. على سبيل المثال ، في نظام التبادل الحراري ، يمكن استخدام وعاء الضغط كجزء من مبادل حراري لنقل الحرارة من وسيلة إلى أخرى. تندرج الغلايات وسخانات الماء أيضًا في هذه الفئة وتستخدم عادة لتوليد البخار أو الماء الساخن.
د) وظائف الضغط والتوسع
كما تستخدم أوعية الضغط عادة لضغط أو توسيع الغازات. على سبيل المثال ، غالبًا ما يتم ضغط الغاز الطبيعي في الأوعية ذات الضغط العالي للتخزين والنقل. تعد أنظمة الهواء المضغوطة أيضًا تطبيقًا رئيسيًا لأوعية الضغط.

5. سلامة وعاء الضغط
نظرًا لأن أوعية الضغط غالباً ما تتعرض لضغط مرتفع ودرجة حرارة عالية ، فإن ضمان سلامتها أمر بالغ الأهمية. تشمل النقاط الرئيسية في تصميم سلامة أوعية الضغط:
اختيار المواد: يجب اختيار المواد ذات القوة العالية ، ومقاومة التآكل ، ومقاومة التعب. تشمل المواد الشائعة الاستخدام من الصلب الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك الصلب ، والتي يمكنها تحمل درجات الحرارة والضغوط العالية.
مواصفات التصميم: يجب أن يلتزم التصميم بصرامة بمواصفات ومعايير التصميم ذات الصلة. تشمل المعايير الدولية الشائعة رمز ASME Loiler و Pressure Agtel (BPVC) ، والذي يحدد متطلبات تصميم أوعية الضغط وتصنيعها وفحصها.
التفتيش والاختبار: يعد الفحص المنتظم لأوعية الضغط أمرًا بالغ الأهمية ، بما في ذلك الفحص الخارجي ، والتفتيش بالمنظار ، والاختبار غير المدمر (مثل الاختبار بالموجات فوق الصوتية واختبار الأشعة السينية). يمكن لهذه الاختبارات اكتشاف المخاطر الخفية على الفور مثل الشقوق والتآكل ، مما يمنع الحوادث.
أجهزة السلامة: يجب أن تكون أوعية الضغط مزودة بصمامات أمان أو أجهزة تخفيف الضغط. عندما يتجاوز الضغط داخل الوعاء عتبة السلامة ، تفتح هذه الأجهزة تلقائيًا لإطلاق الضغط الزائد ومنع الوعاء من الانفجار أو التمزق.

6. تطبيقات أوعية الضغط
تستخدم أوعية الضغط على نطاق واسع ، في المقام الأول في الصناعات التي تتطلب تشغيلها في ظل ظروف الضغط العالية أو المنخفضة:

صناعة البتروكيماويات: تستخدم لتخزين غاز البترول المسال والغاز الطبيعي والمواد الكيميائية والمنتجات البترولية.

صناعة الطاقة: تتطلب الغلايات ومولدات البخار والمبادلات الحرارية أوعية الضغط لتخزين ونقل الحرارة.

صناعة الأدوية: تستخدم أوعية الضغط في تفاعلات المخدرات والتعقيم وتخزين الغاز.

صناعة الأغذية والمشروبات: تستخدم أوعية الضغط للتدفئة والتبريد ومعالجة الأطعمة السائلة.