انجام محاسبات زلزله و باد و فشار داخلی

تجزیه و تحلیل محاسبات بارهای مخازن از بخش هشتم کد ASME پیروی می کند. از آنجایی که کد استاندارد ASME به طور خاص کد ساخت و ساز را بر روی بار باد و زلزله ارائه نمی کند، بنابراین از استاندارد ASCE 7-2005 برای بار باد و ASCE 7-98/02/ IBC 2000 برای بار زلزله پیروی می کند. بار باد بر اساس فشار سرعت باد، ضریب اثر وزش باد، ضریب نیرو و منطقه پیش بینی شده نرمال به باد تعیین می شود. بار زلزله به شدت و مدت زلزله بستگی دارد. تجزیه و تحلیل بر روی سر، پوسته، نازل و فلنج  بستر انجام می شود. هرچند بار باد و زلزله تنها بر روی بستر تأثیر می‌گذارد.

مخازن تحت فشار در طرح های متنوعی از جمله افقی، عمودی یا کروی ساخته می شوند، مخزن عمودی عمدتاً در منطقه با محدودیت فضا استفاده می شود. طراحی بار مخازن تحت فشار را می توان به دو نوع بار اصلی و فرعی طبقه بندی کرد. بار عمده عبارتند از: بار ناشی از طراحی فشار، حداکثر وزن مخزن تحت فشار و محتویات آن در شرایط عملیاتی، حداکثر وزن مخزن تحت فشار و محتویات آن در شرایط آزمایش هیدرولیک، باد، زلزله و بار حمایتی مخزن تحت فشار. بارهای فرعی ناشی از تنش موضعی ناشی از تکیه گاه، ساختار داخلی و لوله رابط، بارهای ضربه ای که باعث خروج از مرکز فشار نسبی به سمت محور خنثی مخزن تحت فشار، تنش ناشی از دما و ضرایب انبساط مواد و بارهای ناشی از نوسانات دما و فشار. بار باد و زلزله به عنوان بارهای اصلی که بر طراحی مخازن تحت فشار تأثیر می گذارند در نظر گرفته می شوند.

работни обувки fw34 steelite lusum s1p 38
normamascellani.it
covorase man
bayern münchen spieler
karl sneakers
addobbi fai da te matrimonio
prestonstadler.com
spoločenské šaty pre moletky
fingateau.com
lifeonthevineministries.com

کدهای محاسبات

در تمام کشورهای بزرگ صنعتی، طراحی و ساخت مخازن تحت فشار تحت پوشش استانداردها و آیین نامه های ملی است. در اکثر کشورها این یک الزام قانونی است که مخازن تحت فشار باید مطابق با بخی یا تمام کد طراحی، ساخته و آزمایش شوند. هدف اصلی کدهای طراحی، ایجاد قوانین ایمنی مربوط به یکپارچگی فشار مخزن ها و ارائه راهنمایی در مورد طراحی، ساخت، بازرسی و آزمایش است. آنها مبنای توافق بین سازنده، مشتری و شرکت بیمه مشتری را تشکیل می دهند.

استاندارد مورد استفاده ای که در سطح بین المللی به آن اشاره می شود کد دیگ بخار و مخزن تحت فشار ASME (کد ASME BPV) است. بیشتر مخزن ‌های کارخانه‌های شیمیایی و پالایشگاه‌ها در محدوده بخش هشتم کد ASME BPV قرار دارند. بخش هشتم شامل سه زیربخش است:

بخش 1: شامل قوانین کلی است و معمولاً به ویژه برای مخازن کم فشار رعایت می شود.

بخش 2: شامل قوانین جایگزینی است که در مواد، دمای طراحی، جزئیات طراحی، روش‌های ساخت و بازرسی محدودتر است، اما تنش‌های طراحی بالاتر و در نتیجه دیواره‌های مخزن  نازک‌تر را ممکن می‌سازد. قوانین بخش 2 معمولاً برای مخازن فشار قوی و بزرگ انتخاب می شوند که در آن صرفه جویی در هزینه فلز و پیچیدگی ساخت، هزینه های مهندسی و ساخت بالاتر را جبران می کند.

بخش 3: شامل قوانین جایگزینی است که برای شناورهایی با فشار طراحی بیشتر از 10000 psig در نظر گرفته شده است. حداکثر فشار را برای مخزن  هایی که مطابق با بخش 1 یا بخش 2 طراحی شده اند ایجاد نمی کند، اما قوانین جایگزینی را ارائه می دهد که می تواند برای مخزن  های با دیواره ضخیم تر دنبال شود. محدوده کد BPV Sec. VIII D.1 مخازن ساخته شده از آهن، فولاد و فلزات غیر آهنی را پوشش می دهد. به طور خاص شامل موارد زیر می شود:

1. مخزن  هایی که در محدوده سایر بخش های کد BPV قرار دارند. به عنوان مثال، دیگ های برق (بخش I)، مخازن پلاستیکی تقویت شده با فیبر (بخش X)، و مخازن حمل و نقل (بخش XII).

2. بخاری‌های لوله‌ای فرآیند.

3. مخازن تحت فشار که جزء لاینفک تجهیزات ثابت و دوره تجهیزات دوار مانند پمپ ها، کمپرسورها، توربین ها یا موتورها هستند.

4. سیستم های لوله کشی که توسط ASME B31.3 پوشش داده شده است.

5. قطعات لوله کشی و لوازم جانبی مانند شیرآلات، صافی ها، میکسرهای خطی و اسپارگرها.

6. مخازن حاوی آب کمتر از 300 psi (2 مگاپاسکال) و کمتر از 210 درجه فارنهایت (99 درجه سانتیگراد).

7. مخازن ذخیره آب گرم که توسط بخار با سرعت حرارت کمتر از 0.2 MMBTU/hr (58.6 کیلووات)، دمای آب کمتر از 210 درجه فارنهایت (99 درجه سانتیگراد)، و حجم کمتر از 120 گال (450 لیتر) گرم می شوند.

8. مخازن دارای فشار داخلی کمتر از 15 psi (100 کیلو پاسکال) یا بیشتر از 3000 psi (20 مگاپاسکال).

9. مخازن با قطر داخلی یا ارتفاع کمتر از 6 اینچ (152 میلی متر).

10. مخازن تحت فشار برای سکونت انسان.

محاسبات مخازن برای قطر پوسته، طول، ضخامت، فشار طراحی، دمای طراحی، حداکثر خوردگی مجاز و نوع ماده براساس معادلات از بخش هشتم کد ASME پیروی می کند. از آنجایی که کد استاندارد ASME به طور خاص کد ساخت و ساز را بر روی بار باد و زلزله ارائه نمی دهد، بنابراین از استاندارد ASCE 7-2005 برای بار باد و ASCE 7-98/02/ IBC 2000 پارامترهای زلزله برای بار زلزله پیروی می کند.

علاوه بر کد BPV Sec. مهندس طراحی فرآیند اغلب نیاز به مشورت با بخش II قسمت D دارد که حداکثر مقادیر تنش مجاز ، و همچنین سایر خواص مواد را در بخش Sec فهرست می‌کند.

در اتحادیه اروپا طراحی، ساخت و استفاده از سیستم‌های فشار تحت پوشش دستورالعمل تجهیزات فشاری (دستورالعمل شورا 97/23/EC) است که استفاده از آن در می 2002 اجباری شد

طراحی مخازن پلاستیکی تقویت شده با الیاف تحت پوشش استاندارد اروپایی BS EN 13923 است. استانداردهای اروپایی را می توان از هر یک از آژانس های استاندارد ملی کشورهای عضو اتحادیه اروپا دریافت کرد. به عنوان مثال، BS EN 13445 را می توان از www.bsigroup.com سفارش داد. در مواردی که کدهای ملی در دسترس نیستند، معمولاً از کدهای ASME یا اروپایی استفاده می شود. اطلاعات و راهنمایی در مورد کد مخازن تحت فشار را می توان در آدرس www.ihs.com یا www.bsigroup.com یافت. کدها و استانداردهای ملی حداقل الزامات را دیکته می کنند و راهنمایی کلی برای طراحی و ساخت ارائه می دهند. هر گونه تمدید فراتر از حداقل کد مورد نیاز با توافق بین سازنده و مشتری تعیین می شود. کدها و استانداردها توسط کمیته‌های مهندسین با تجربه در تکنیک‌های طراحی و ساخت مخزن  تهیه می‌شوند و ترکیبی از تئوری، آزمایش و تجربه هستند. آنها به طور دوره ای بررسی می شوند و تجدید نظرهایی برای حفظ پیشرفت در طراحی، تجزیه و تحلیل استرس، ساخت و آزمایش صادر می شود. قبل از طراحی هر مخزن تحت فشار، همیشه باید آخرین نسخه کد ملی یا استاندارد مناسب را بررسی کرد.

چندین برنامه کامپیوتری تجاری برای کمک به طراحی مخزن  ها با کد ASME و سایر کدهای بین المللی در دسترس هستند. این برنامه ها معمولاً توسط مهندسان مکانیک متخصص که طراحی دقیق مخزن  را انجام می دهند، استفاده می شود. برخی از نمونه ها عبارتند از: مجموعه مخازن تحت فشار (Computer Engineering Inc.) PVElite و CodeCalc (COADE Inc.) TEMA/ASME و COMPRESS (Codeware Inc.)

بارهای طراحی

علاوه بر بحث آموزش جوشکاری مخازن ،آنها باید طوری طراحی شوند که در برابر تغییر شکل و فروریختن پلاستیک در تمام شرایط بارگذاری مقاومت کنند. بارهایی که یک مخزن  فرآیند تحت سرویس قرار می گیرد در زیر فهرست شده است. آنها را می توان به عنوان بارهای اصلی که همیشه باید در طراحی مخزن  در نظر گرفت و بارهای فرعی طبقه بندی کرد. تجزیه و تحلیل تنش برای تعیین اثر بارهای فرعی تنها در آیین نامه ها و استانداردها مورد نیاز است که نشان دادن کفایت طرح پیشنهادی با ابزارهای دیگر، مانند مقایسه با رفتار شناخته شده شناورهای موجود، امکان پذیر نباشد.

بارهای اصلی:

1. فشار طراحی: از جمله فشار استاتیک قابل توجه مایع

2. حداکثر وزن مخزن و محتویات در شرایط عملیاتی

3. حداکثر وزن مخزن و محتویات در شرایط آزمایش هیدرولیک

4. بارهای باد

5. بارهای زلزله ( لرزه ای ).

6. بارهایی که توسط مخزن  پشتیبانی می‌شوند یا روی آن واکنش نشان می‌دهند

بارهای فرعی

1. تنش های موضعی ناشی از تکیه گاه ها، سازه های داخلی و لوله های اتصال.

2. بارهای شوک ناشی از چکش آب، یا با افزایش محتویات مخزن.

3. گشتاورهای خمشی ناشی از خروج از مرکزیت مرکز فشار کاری نسبت به محور خنثی مخزن.

4. تنش های ناشی از اختلاف دما و اختلاف ضریب انبساط مواد.

5. بارهای ناشی از نوسانات دما و فشار.

یک مخزن  به طور همزمان تحت همه این بارها قرار نخواهد گرفت. طراح باید تعیین کند که چه ترکیبی از بارهای ممکن بدترین وضعیت را ایجاد می کند و برای آن شرایط بارگذاری طراحی کند.

بارهای باد

بارگذاری باد فقط در ستون های بلند نصب شده در فضای باز مهم خواهد بود. ستون‌ها و دودکش‌ها معمولاً آزاد هستند، روی تکیه‌گاه‌های فلنج  نصب می‌شوند و به کار فولادی سازه‌ای متصل نیستند. تحت این شرایط مخزن تحت بارگذاری باد به عنوان یک تیر اهرمی عمل می کند. برای یک کنسول با بارگذاری یکنواخت، لنگر خمش در هر صفحه ای طبق رابطه زیر محاسبه می شود:

M_x = W_x²/2

که در آن x فاصله اندازه گیری شده از انتهای آزاد و W بار در واحد طول (نیوتن در هر متر اجرا) است. بنابراین گشتاور خمشی و در نتیجه تنش خمشی به صورت سهمی از صفر در بالای ستون تا حداکثر مقدار در پایه تغییر خواهد کرد. برای ستون های بلند، تنش خمشی ناشی از بارگذاری باد اغلب بیشتر از تنش مستقیم ناشی از فشار است و ضخامت صفحه مورد نیاز را تعیین می کند. اقتصادی ترین مدل، طرحی خواهد بود که در آن ضخامت صفحه به تدریج از بالا به پایه ستون افزایش یابد، به طوری که ضخامت در بالا برای بار فشار کافی باشد، و در پایه برای فشار به اضافه حداکثر کافی باشد. لحظه خم شدن هر گونه افزایش موضعی در ناحیه ستون ارائه شده به باد باعث ایجاد بار محلی و متمرکز می شود. لنگر خمشی در پایه ستون ناشی از یک بار متمرکز بصورت زیر محاسبه می شود:

M_p = F_pH_p

که در آن Fp  بار محلی و متمرکز و  Hpارتفاع بار متمرکز بالای پایه ستون است.

محاسبات بارهای دینامیکی باد

باری که بر اثر باد بر هر سازه وارد می شود به شکل سازه و سرعت باد بستگی دارد:

P_w = ½ c_dρ_au_w²

که در آن Pw  فشار باد (بار در واحد سطح)

c_d  ضریب درگ (ضریب شکل)

ρ_a چگالی هوا

u_w سرعت باد

ضریب درگ تابعی از شکل سازه و سرعت باد (عدد رینولدز) است.

برای یک ستون یا پشته استوانه ای صاف می توان از معادله نیمه تجربی زیر برای تخمین فشار باد استفاده کرد:

P_w = 0.05u_w²

که در آن Pw  فشار باد، N/m2

uw  سرعت باد، کیلومتر در ساعت

اگر طرح ستون توسط ضمائم، مانند نردبان یا لوله کشی شکسته شود، ضریب 0.05 در معادله  باید به 0.07 افزایش یابد تا امکان درگ افزایش یابد.

یک ستون باید طوری طراحی شود که بیشترین سرعت باد را که احتمالاً در طول عمر کارخانه در محل با آن مواجه می شود، تحمل کند. احتمال وقوع یک سرعت باد معین را می توان با مطالعه سوابق هواشناسی برای مکان سایت پیش بینی کرد. داده ها و روش های طراحی برای بارگذاری باد در سری مهندسی باد واحد داده علوم مهندسی (ESDU)  آورده شده است. سرعت باد 160 کیلومتر در ساعت (100 مایل در ساعت) را می توان برای مطالعات طراحی اولیه، معادل فشار باد 1280 نیوتن بر متر مربع (25 پوند بر فوت مربع) استفاده کرد.

در هر مکان، سرعت باد در نزدیکی زمین کمتر از سرعت باد بالاتر خواهد بود (به دلیل لایه مرزی)، و در برخی از روش‌های طراحی، فشار باد کمتری در ارتفاعات کمتر از حدود 20 متر استفاده می‌شود، که معمولاً به عنوان نصف در نظر گرفته می‌شود. فشار بالای این ارتفاع بارگذاری در واحد طول ستون را می توان از فشار باد با ضرب در قطر موثر ستون به دست آورد

W = P_wD_eff

برای یک نردبان در قفس باید مقدار 0.4 متر اضافه شود.

انحراف ستون های بلند

ستون های بلند تحت باد منحرف می شوند. انحراف مجاز معمولاً کمتر از 150 میلی متر در هر 30 متر ارتفاع (6 اینچ در هر 100 فوت) مشخص می شود.

برای ستونی با سطح مقطع یکنواخت، انحراف را می توان با استفاده از فرمول انحراف یک کنسول با بارگذاری یکنواخت محاسبه کرد.

ارتعاشات ناشی از باد

وزش باد می‌تواند باعث ایجاد ارتعاشاتی شود که اگر دفعات وزش با فرکانس طبیعی مخزن مطابقت داشته باشد، می‌تواند به اندازه‌ای شدید باشد که باعث شکست زودرس مخزن در اثر خستگی شود. اثر گرداب باید برای مخزن های ایستاده آزاد با نسبت ارتفاع به قطر بیشتر از 10 بررسی شود.

نوارهای حلزونی در بالای دودکش های بلند صاف نصب می شوند تا الگوی گرداب را تغییر دهند و بنابراین از نوسان تشدید جلوگیری می کنند. همین اثر با توزیع هر گونه پیوست (نردبان، لوله و سکو) در اطراف مخزن بر روی یک مخزن بلند حاصل می شود.

بارگذاری زلزله

حرکت سطح زمین در هنگام زلزله باعث ایجاد نیروهای برشی افقی بر روی شناورهای بلند خود تکیه گاه می شود که بزرگی آن از پایه به بالا افزایش می یابد. مجموع نیروی برشی روی شناور با استفاده از رابطه زیر تعیین می شود:

Fs = a_e(W_v/g)

که درآن a_e  شتاب مخزن  در اثر زلزله، g  شتاب ناشی از گرانش و W_v وزن کل مخزن و محتویات است.

اصطلاح (a_e/g) ثابت لرزه ای Ce نامیده می شود و تابعی از دوره طبیعی ارتعاش مخزن  و شدت زلزله است. مقادیر ثابت لرزه ای به طور تجربی از مطالعات آسیب های ناشی از زلزله تعیین شده است و برای آن دسته از مکان های جغرافیایی که در معرض فعالیت زلزله هستند در دسترس است.

سازه تکیه گاه مخزن

روش مورد استفاده برای پشتیبانی از مخزن  به اندازه، شکل ، وزن مخزن، دما و فشار طراحی مکان و ترتیب مخزن، اتصالات داخلی و خارجی بستگی دارد. مخزن های افقی معمولاً روی دو تکیه گاه زین سوار می شوند. تکیه گاه فلنج  برای ستون های بلند و عمودی استفاده می شود. براکت ها یا لوگ ها برای همه انواع مخزن  استفاده می شود. تکیه گاه ها باید به گونه ای طراحی شوند که وزن مخزن  و محتویات آن و هرگونه بار روی هم مانند بار باد را تحمل کنند. تکیه گاه ها بارهای موضعی را بر دیواره مخزن  تحمیل می کنند و طراحی باید بررسی شود تا اطمینان حاصل شود که غلظت تنش حاصل کمتر از حداکثر تنش مجاز طراحی است. تکیه گاه ها باید طوری طراحی شوند که امکان دسترسی آسان به مخزن و اتصالات برای بازرسی و نگهداری فراهم شود.

محاسبات بار های مخازن تحت فشار داخلی

سیلندرها و پوسته های کروی:

دیواره‌های مخازن نازک را می‌توان به عنوان «غشاء» در نظر گرفت، که بارها را بدون تنش‌های خمشی یا برشی قابل توجه، مشابه دیواره‌های یک بالن، تحمل می‌کنند. تجزیه و تحلیل تنش های غشایی ناشی از فشار داخلی در دیوار، مبنایی را برای تعیین حداقل ضخامت دیواره مورد نیاز برای پوسته های مخزن می دهد. ضخامت واقعی مورد نیاز همچنین به تنش های ناشی از بارهای دیگر که مخزن  تحت آن قرار می گیرد بستگی دارد. . اگر یک مقطع افقی را از طریق مخزن در نظر بگیریم، آنگاه نیروی ناشی از فشار وارد بر سطح مقطع برابر است با:

F_L = P_iπD²/4

که در آن P_i فشار داخلی،D  قطر متوسط و FL  نیرو در جهت طولی است.

این نیرو باید با تنش طولی در دیواره سیلندر متعادل شود که فقط بر روی قسمت برش دیوار اثر می گذارد.

سرها و بسته ها

انتهای یک مخزن استوانه ای با سرهایی به اشکال مختلف بسته می شود. انواع اصلی مورد استفاده عبارتند از:

1. صفحات صاف و سرهای مسطح

2. سرهای نیمکره ای

3. سرهای بیضی شکل

4. سرهای توریسفریک

سرهای نیمکره ای، بیضی شکل و توری شکل در مجموع به عنوان سرهای گنبدی شناخته می شوند.

آنها با فشار دادن یا چرخاندن تشکیل می شوند. قطرهای بزرگ از مقاطع تشکیل شده ساخته می شوند. سرهای توریسفری اغلب به عنوان انتهای مخزنی شناخته می شوند. نسبت های ترجیحی سرهای گنبدی در استانداردها و کدها آورده شده است. سر مخزن  ها را می توان در هر اندازه ای ساخت، اما اندازه های استاندارد که با افزایش شش اینچی عرضه می شوند)معمولاً ارزان تر هستند.

انتخابی از صفحات مسطح بسته به عنوان پوشش برای منی و به عنوان پوشش کانال مبدل های حرارتی استفاده می شود. انتهای مسطح شکل گرفته، که به عنوان انتهای “فقط فلنج” شناخته می شود، با چرخاندن فلنج با شعاع کوچک روی یک صفحه صاف ساخته می شود. شعاع گوشه تغییر شکل ناگهانی در محل اتصال با مقطع استوانه ای را کاهش می دهد که تنش های موضعی را تا حدودی کاهش می دهد.

هدهای فلنجی ارزان‌ترین نوع سرهای شکل‌دار برای ساخت هستند، اما استفاده از آنها محدود به مخازن کم فشار و قطر کوچک است. سرهای توری شکل استاندارد (انتهای مخازن) متداول ترین بسته بندی انتهایی برای مخازن تا فشار کاری 15 بار هستند. آنها را می توان برای فشارهای بالاتر استفاده کرد، اما هزینه بالای 10 بار باید با یک سر بیضوی معادل مقایسه شود. بالاتر از 15 بار، یک سر بیضی شکل معمولاً مقرون به صرفه ترین بسته برای استفاده است. سر نیم‌کره‌ای قوی‌ترین شکل است که می‌تواند حدود دو برابر فشار یک سر توری با همان ضخامت مقاومت کند. با این حال، هزینه تشکیل یک سر نیم‌کره‌ای بیشتر از یک سر نیم‌کره‌ای کم عمق خواهد بود. از سرهای نیمکره ای برای فشارهای بالا استفاده می شود

طراحی انتهای صاف

اگرچه هزینه ساخت پایین است، انتهای صاف از نظر ساختاری یک فرم کارآمد نیست و صفحات بسیار ضخیم برای فشارهای بالا یا قطرهای زیاد مورد نیاز است. معادلات طراحی مورد استفاده برای تعیین ضخامت انتهای صاف بر اساس تحلیل تنش ها در صفحات تخت است. ضخامت مورد نیاز به درجه محدودیت در حاشیه صفحه بستگی دارد.

طراحی انتهای گنبدی

معادلات طراحی و نمودارها برای انواع مختلف سرهای گنبدی در کد ASME BPV آورده شده است و باید برای طراحی دقیق استفاده شود. این کد سرهای سوراخ نشده و سوراخ شده را پوشش می دهد. سرهای سوراخ شده آنهایی هستند که دارای دهانه یا اتصال هستند. ضخامت سر باید افزایش یابد تا اثر تضعیف سوراخ هایی که در آن دهانه یا انشعاب به صورت موضعی تقویت نشده است جبران شود.

سرهای نیمکره ای برای تنش برابر در بخش استوانه ای و سر نیمکره ای مخزن، ضخامت سر فقط باید نصف استوانه باشد. با این حال، از آنجایی که اتساع دو قسمت متفاوت است، تنش های ناپیوستگی در محل اتصال سر و سیلندر ایجاد می شود. برای عدم تفاوت در اتساع بین دو قسمت (کرنش قطری برابر) می توان نشان داد که برای فولادها (نسبت پواسون = 0.3) نسبت ضخامت سر نیمکره به ضخامت سیلندر باید 7/17 باشد. با این حال، تنش در سر بیشتر از قسمت استوانه‌ای خواهد بود و نسبت ضخامت بهینه معمولاً 0.6 در نظر گرفته می‌شود.

فلنج روی سرهای گنبدی

سرهای گنبدی شکل با یک بخش استوانه ای مستقیم کوتاه ساخته می شوند که فلنج  نامیده می شود. این تضمین می کند که خط جوش از نقطه ناپیوستگی بین سر و بخش استوانه ای مخزن دور باشد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780080966595000146