محاسبات فشار خارجی پیچیده‌تر از محاسبات فشار داخلی شروع می‌شود و هنگامی که ژاکت‌ها یا دیگر منابع فشار اضافه می‌شوند، دشواری افزایش می‌یابد. درجه فشار خارجی به متغیرهای بیشتری بستگی دارد و درک مکانیسم شکست دشوارتر است. این مطلب تنها یک مقدمه است، اما بسیاری از زمینه های فشار خارجی را نیز پوشش می دهد که اغلب نیاز به توضیح دارند. اشتباهات رایج در محاسبات فشار خارجی ذکر شده است.
فشار خارجی مخازن
فشار خارجی می تواند در مخازن تحت فشار به دلیل شرایط و شرایط مختلف ایجاد شود. فشار طراحی ممکن است به دلیل متراکم شدن گاز یا بخار کمتر از اتمسفر باشد. اغلب مخازن برای مقداری فشار خارجی طراحی می شوند تا امکان تمیز کردن بخار و اثرات بخار متراکم شونده را فراهم کنند. سایر مخازن به دلیل ماهیت دستگاه های مختلف، اتصال به پمپ خلاء، به عنوان مثال، دریچه یک مخزن در حین تخلیه، یا از دریچه هایی با اندازه نامناسب، در سرویس خلاء هستند. فشار خارجی همچنین می تواند زمانی که مخازن ژاکت هستند یا زمانی که اجزا در داخل مخازن چند محفظه قرار دارند ایجاد شود.
مکانیسم شکست فشار خارجی با شکست ناشی از فشار داخلی متفاوت است. بنابراین، روش‌های مختلفی برای طراحی کشتی‌ها برای مدیریت ایمن این دو شرایط جداگانه مورد نیاز است. شکست فشار داخلی را می توان به عنوان یک مخزن در نظر گرفت که پس از تنش در یک قسمت یا بخش بزرگ، بیش از مقاومت مواد است. در مقابل، در هنگام شکست فشار خارجی، مخزن دیگر نمی تواند شکل خود را حفظ کند و ناگهان و به طور غیرقابل برگشت حجم کمتری به خود می گیرد.
یک سیستم پایدار سیستمی است که قوی تر از نیاز باشد. هنگامی که رگ بر روی آن فشار داده می شود، به عقب رانده می شود و به شکل اولیه خود باز می گردد. همانطور که فشار خارجی به سیستم اضافه می شود، کشتی قدرت ذخیره کمتری برای عقب راندن دارد. در نهایت کشتی به نقطه ای می رسد که قدرت ذخیره بسیار کمی دارد. دیواره رگ دوباره فشار داده می شود و نمی تواند عقب رانده شود. در این مرحله مخزن شکل خود را به پیکربندی حجم کمتری تغییر می دهد. این تغییر ناگهانی و غیرقابل برگشت است و اگر چند فیلم را تماشا کنید بسیار ترسناک است.
بر خلاف مخازن که فقط برای فشار داخلی طراحی شده اند، هیچ فرمول واحد یا طراحی منحصر به فردی وجود ندارد که متناسب با شرایط فشار خارجی باشد. در عوض، طیف وسیعی از گزینه ها در دسترس طراح است که می تواند الزامات را برآورده کند. ضخامت پوسته تنها یک قسمت از طرح است. عوامل دیگری که بر طراحی تأثیر می گذارد، طول بین تکیه گاه ها، استفاده، اندازه و فاصله حلقه های سفت کننده است.
طراحی مخازن برای فشار خارجی یک روش تکراری است. ابتدا طرحی با همه متغیرها انتخاب می‌شود و سپس طرح بررسی می‌شود تا کافی بودن آن بررسی شود. در صورت ناکافی بودن، این روش تا رسیدن به طرح قابل قبول تکرار می شود. هندسه تجهیزات به جای مقاومت مواد، عامل مهمی است. خرابی ها می توانند به طور ناگهانی و با فروپاشی یک جزء (معمولاً پوسته) رخ دهند.
مکانیسم های شکست
مکانیسم شکست فشار خارجی با شکست فشار داخلی متفاوت است. روش‌های مختلفی برای طراحی مخزن‌ها برای مدیریت ایمن این مکانیسم شکست مختلف مورد نیاز است. شکست فشار داخلی را می توان به عنوان شکست یک مخزن پس از تنش های جزئی یا بیشتر از مقاومت مواد درک کرد. در مقابل، در هنگام شکست فشار خارجی، مخزن دیگر نمی تواند شکل خود را نگه دارد و ناگهان، به طور غیرقابل برگشتی شکل حجم کمتری به خود می گیرد.
فشار خارجی به سه روش ایجاد می شود:
- از خلاء داخل مخزن و فشار اتمسفر بیرون
- از فشار خارج از یک مخزن بیشتر از اتمسفر (معمولاً از برخی از انواع ژاکت یا مخزن اطراف)
- از ترکیب دو مورد اول – خلاء داخل + فشار بیشتر از اتمسفر بیرون.
دو منبع خلاء ساده و غیرمنتظره – تخلیه یک مخزن یا مخزنی که به اندازه کافی تهویه نشده است – یا – خنک کردن مخزن پر از بخار که به آب متراکم می شود. طراحی هر مخزن در معرض سرویس بخار برای خلاء کامل تمرین خوبی است، سرعت خنک شدن می تواند بسیار سریع باشد و تجهیزات حفاظت از خلاء را بیش از حد بارگذاری کند.
شکست فشار خارجی را می توان به عنوان از دست دادن پایداری درک کرد. رگ دیگر توانایی حفظ شکل خود را ندارد و ناگهان به شکلی با حجم داخلی کمتر فرو می ریزد. مخازن تحت فشار نوع ASME از قوانین کد برای محاسبه بار فشار خارجی ایمن استفاده می کنند. پایداری یک پوسته مستقیم تحت فشار خارجی به چهار متغیر بستگی دارد:
- قطر (هرچه قطر بزرگتر باشد، پایداری کمتری دارد)
- طول (هرچه بیشتر باشد، پایداری کمتری دارد)
- ضخامت (هرچه نازک تر، کمتر پایدار باشد)
1-خواص مواد
یک نقطه تسلیم پایین تر از فروپاشی پلاستیک پایدارتر است و یک مدول الاستیسیته پایین تر از فروپاشی الاستیک پایدارتر است. در اینجا بیشتر در مورد فروپاشی الاستیک و پلاستیک بحث نخواهد شد. مخزن های بزرگ معمولاً دارای درجه بندی فشار خارجی کمتری نسبت به داخلی هستند. این چهار متغیر در معادلات کد استفاده می شود که می تواند ضخامت یک پوسته مستقیم ایمن را مشخص کند. روش های مشابهی برای محاسبه هد استفاده می شود. نازل ها با استفاده از قوانین جایگزینی ناحیه آشنا محاسبه می شوند. علاوه بر این، می‌توانیم از آزمایش انفجار (اثبات) یا تجزیه و تحلیل اجزای محدود برای محاسبه مؤلفه‌هایی که تحت پوشش قوانین کد نیستند، استفاده کنیم.
قوانین کد به طور متوسط بسیار محافظه کارانه هستند، اما آنچه را که در غیر این صورت محاسبات بسیار دشوار می شد را بسیار ساده می کند – این یک معامله خوب بوده است. تجزیه و تحلیل اجزای محدود و آزمایش انفجار با یک عامل ایمنی 3 برابری معمولاً کمتر محافظه کارانه انجام می شود (به ASME VIII-1 UG-101(p) مراجعه کنید) که در آن اطلاعات دقیق آزمایش یا تجزیه و تحلیل جایگزین قوانین کد تعمیم یافته می شود.
2 – طراحی برای فشار خارجی
ساده ترین راه برای طراحی برای فشار خارجی این است که پوسته را به اندازه کافی ضخیم کنیم تا مخزن با ضریب ایمنی قابل قبولی پایدار شود . طول مخزن مورد استفاده در محاسبات شامل مقداری از سر در هر انتها می شود. محاسبات در ASME VIII-1 UG-28 آمورش پایپینگ یافت می شود. محاسبات پوسته برای یک استوانه با انتهای پشتیبانی شده است. محاسبات نیز برای سرهایی که به عنوان کره در نظر گرفته می شوند، داده شده است
3 – حلقه های خلاء
به جای اینکه پوسته به اندازه کافی ضخیم شود تا فشار خارجی را تحمل کند، اغلب می توان با تقویت ضخامت یک مخزن اقتصادی طراحی کرد. هنگامی که تقویت کننده به اندازه مورد نیاز UG-29 قوی باشد، طول موثر ضخامت کاهش می یابد و می توان از ضخامت های نازک تر استفاده کرد. در این حالت L1 و L2 به طور جداگانه محاسبه می شوند. هر منطقه به طور مستقل محاسبات کد را پاس می کند. محاسبات تقویت کننده UG-29 تضمین می کند که تقویت کننده به اندازه کافی قوی است که هر آنچه در یک طرف آن اتفاق می افتد تأثیری بر طرف دیگر نداشته باشد.
4 – فشار خارجی از ژاکت های ساده
ژاکت های ساده ساخته شده از صفحه نورد جوش داده شده به ضخامت در دو انتها، مناطق فشار خارجی را ایجاد می کنند. اگر خلاء داخلی وجود نداشته باشد، طول مورد استفاده برای محاسبه فشار خارجی، طول ژاکت است.
اتصال – دو ناحیه جداگانه فشار خارجی محاسبه می شود. با کوتاهتر شدن مناطق، ضخامت مورد نیاز برای عبور از محاسبات فشار خارجی کاهش می یابد. یک اشتباه رایج این است که فرض کنیم فشار خارجی باید به طول کامل رگ اعمال شود یا اینکه بخش های جداگانه باید به عنوان مشترک در نظر گرفته شوند. UG-28 را ببینید.
5 – ژاکت نیم لوله
چند ژاکت غیر متصل منجر به مورد ژاکت نیم لوله می شود. طول فشار خارجی به اندازه کافی کاهش یافته است که اغلب تأثیری بر طراحی ندارد (اما هنوز باید محاسبه شود). محاسبه کد می تواند بر اساس بعد L و محاسبات کد معمولی اعمال شده برای ضخامت مستقیم باشد، اما هیچ قانون کدی برای نیم لوله روی سر وجود ندارد. ضمیمه EE شامل قانون EE-2 است که وسیله ای برای محاسبه ضخامت پوسته مورد نیاز برای کنترل فشار ژاکت فراهم می کند. این ضخامت مورد نیاز را برای پوسته زیر ژاکت بدون توجه به شکل محلی مخزن فراهم می کند – برای سر و پوسته مستقیم یکسان است.
اگر پوسته با استفاده از UG-28 محاسبه شود، ضخامت فقط 0.095 اینچ مورد نیاز است، اما این نتایج را نمی توان روی سر اعمال کرد. محاسبه نیم لوله EE پیوست به ضخامت دیواره 0.188 اینچ (کمترین مقدار ارائه شده در نمودارها) برای یک روکش نیم لوله 3 اینچی با فشار تا 243 psi روی پوسته یا سر نیاز دارد. یک اشتباه رایج در مورد ژاکت های نیم لوله این است که فرض می کنیم که مخزن باید برای فشار خارجی طراحی شده باشد – این تنها در صورتی درست است که منبع دیگری برای فشار خارجی غیر از فشار در کت نیم لوله وجود داشته باشد. روش پذیرفته شده برای محاسبه ضخامت پوسته مورد نیاز استفاده از قوانین پیوست EE-2 است. EE-2 اجباری نیست، بنابراین روش های دیگری مانند UG-28، تست انفجار و تجزیه و تحلیل اجزای محدود نیز در دسترس طراح است. یک اشتباه رایج در مورد ژاکت های نیم لوله این است که فرض می کنیم که سر کامل مخزن زیر ژاکت باید برای فشار خارجی محاسبه شود. روش EE-2 بسیار مفید است زیرا هیچ قانون کدی برای هدی که فقط تا حدی در معرض فشار خارجی است وجود ندارد. یک اشتباه رایج در مورد ژاکت های نیمه لوله این است که ضخامت مخزن مورد نیاز زیر ژاکت را به EE-2(1) یا روش های دیگر محاسبه نمی کنند.
6 – سطوح ثابت برای فشار خارجی
سطوح ثابت با استفاده از ژاکت ها آزادی را برای طراح فراهم می کند. دیگر به شکل جسم زیر کاپشن یا شکل خود ژاکت اهمیت نمی دهیم. برای ما مهم نیست که شکل به شکل داخلی (مقعر) یا خارجی (محدب) فشار داشته باشد. ما اهمیتی نمی دهیم که مکانیسم شکست از نوع فروپاشی (خارجی) یا پارگی (داخلی) باشد. چیزی که ما به آن اهمیت می‌دهیم فاصله بین میله‌های نگهدارنده است – آیا میله‌های نگهدارنده به اندازه کافی قوی هستند، به اندازه کافی خوب وصل شده‌اند، و آیا سطوح پوسته و ژاکت به اندازه کافی ضخیم هستند تا فاصله بین پایه‌ها را تحمل کنند.
قوانین طراحی ثابت در VIII-1 UG-47 یافت می شود و مانند طراحی سرهای تخت موجود در UG-34 عمل می کند، اما اکنون به جای قطر سر به فاصله بین پایه ها نگاه می کنیم. از آنجایی که قوانین برای سطوح مسطح (ضعیف ترین شکل موجود در مخازن تحت فشار) طراحی شده اند، برای هر شکل مخزن یا ژاکت مناسب هستند. تمایز بین اینکه مخزن چیست و ژاکت چیست اغلب مهم نیست.
اگر مخزن ما دارای ژاکتی است که روی یک فاصله 6 اینچی پشتیبانی می شود، ضخامت سر یا پوسته استوانه ای مورد نیاز 0.164 اینچ است. ضخامت ضخامت داخلی (دیواره مخزن تحت فشار) بر اساس روابط آموزشگاه فنی محاسبه می شود – محاسبات صفحه تخت اصلاح شده که می تواند برای هر شکل مخزن استفاده شود. بخش ژاکت با تست ترکیدگی آزمایش می شود و می تواند برای هر شکل مخزن مورد استفاده قرار گیرد. توجه داشته باشید که ژاکت های جوش داده شده و باد شده با لیزر دارای محدودیت های خاصی در رابطه با تست ترکیدگی هستند
این ژاکت فرورفتگی جوش داده شده با لیزر، هنگامی که به شکل یک پوسته در آمده و به بقیه مخزن جوش داده می شود، باد می شود. فشار تورم می تواند تا 800psi باشد. این فشار باد کردن بیشتر از فشار ترکیدگی لازم است و به مراتب بیش از هر فشار خارجی مجاز برای مخزن است. این فقط به این دلیل کار می کند که فشار داخل ژاکت گودی، فشار خارجی نیست. ژاکت گودی شکلی از ژاکت ماندگار است که می تواند به هر شکلی باشد. اگر مخزن ما دارای ژاکت گودی با فاصله 6 اینچ است، ضخامت پوسته استوانه ای یا سر مورد نیاز 0.140 اینچ است. یک اشتباه رایج در مورد ژاکت های گودی این است که فرض می کنیم مخزن باید برای فشار خارجی طراحی شده باشد – این تنها در صورتی درست است که منبع دیگری برای فشار خارجی وجود داشته باشد. نسبت به فشار داخل ژاکت روش پذیرفته شده برای محاسبه ضخامت پوسته مورد نیاز استفاده از قوانین دوره مهندسی مکانیک است. یک اشتباه رایج در مورد ژاکت های گودی این است که ضخامت مورد نیاز هد یا پوسته را محاسبه نمی کنند، بلکه با فرض اینکه ضخامت مورد نیاز سر یا پوسته را محاسبه می کنند، به دلیل ضخیم تر بودن آن از ژاکت فرورفتگی کافی است. پوسته ای با ضخامت نامناسب می تواند منجر به تسلیم تحت هیدروتست شود که محل جوش های گودی را از داخل مخزن نشان می دهد (سطح داخلی دیگر صاف نیست). ژاکت گودی به دلیل شکلش استحکامی دارد که پوسته آن را ندارد.
7 – فشار خارجی با بیش از یک منبع
محاسبات فشار خارجی با بیش از یک منبع فشار خارجی دشوارتر است – یک مثال معمولی یک مخزن با خلاء داخلی و فشار در یک ژاکت است. موارد با میله های نگهدارنده، ژاکت های نیمه لوله و ژاکت های گودی ساده ترین هستند – ابتدا مخزن کامل را برای شرایط خلاء محاسبه کنید که گویی ژاکت وجود ندارد سپس پوسته را برای بارهای محلی زیر گودی/لوله/پایه با استفاده از P + خلاء ترکیبی محاسبه کنید. در نهایت ژاکت را برای فشار P طراحی کنید.
مرحله 1: فشار خارجی اکنون 15+30 = 45 psi است (فشار ژاکت +30 psi خلاء). ضخامت مورد نیاز زیر ژاکت گودی به 0.172 اینچ افزایش می یابد (برنامه فرمول 17-5 (2)). حداقل ضخامت باقی مانده اکنون 0.200 اینچ است. ضخامت زیر ژاکت نیم لوله در 0.188 اینچ باقی می ماند. مرحله 2: کل مخزن باید تحت فشار خارجی 15 psi محاسبه شود. این در صفحات 5، 6 و 7 در مجموعه محاسباتی محاسبه شد: هد F&D – 0.142 اینچ ضخامت، سر SE – 0.127 اینچ ضخامت، پوسته مستقیم 0.225 اینچ ضخامت. مرحله 3: حداکثر ضخامت از مرحله 1 و 2 بالا استفاده می شود. پوسته مستقیم با فشار خارجی 15 psi محدود می شود – باید 0.225 اینچ ضخامت داشته باشد. هدهای F&D و SE با کت های نیمه لوله ای که روی آنها یافت می شود محدود شده اند و باید 0.188 اینچ ضخامت داشته باشند. یک اشتباه رایج این است که سعی کنید کل مخزن را برای فشار خارجی P+V محاسبه کنید.
ضخامت مورد نیاز پوسته مستقیم از بار فقط خلاء را می توان با افزودن سفت کننده خلاء همانطور که قبلا محاسبه شد کاهش داد. سفت کننده های بیشتری را می توان اضافه کرد تا زمانی که ضخامت پوسته های مورد نیاز از فشار خلاء برابر با محاسبات گودی/لوله/پایه باشد. ضخامت مورد نیاز = 0.169 اینچ کمتر از میزان مورد نیاز در زیر فرورفتگی ها، پایه ها یا نیم ژاکت های لوله است. آن ضخامت های مورد نیاز اکنون حاکم است و ضخامت پوسته را نمی توان با افزودن حلقه های خلاء بیشتر کاهش داد.
ضخامت پوسته مورد نیاز برای دو مورد محاسبه شده است: 1) برای حالت P+V در زیر پایه ها / فرورفتگی ها / نیمه لوله ها و 2) کل مخزن تحت فشار خارجی تنها از خلاء. با این حال، مخزن مشابه مخزن اصلی نیست. جلیقه ها و پایه های خارجی سفتی مخزن را افزایش می دهند – استحکام آن در برابر فروپاشی فشار خارجی افزایش یافته است اما قوانین کدی برای تعیین اینکه اکنون چقدر قوی تر است ارائه نشده است.
هنگامی که مجموعه های تک برجسته، مانند شرح در پیوست 14، به عنوان پوسته های تحت فشار خارجی در سمت برجسته استفاده می شوند، ممکن است ویژگی های مجموعه برجسته در هنگام تعیین ضخامت مورد نیاز صفحه تخت برای قسمت خارجی مورد توجه قرار گیرد. هندسه تحت پوشش درخواست شما به طور خاص تحت هیچ یک از قوانین بخش 1 نیست. با این حال، قوانین U-2(g) اعمال می شود.
آزمایش ترکیدگی فشار خارجی یا تجزیه و تحلیل اجزای محدود می تواند برای تعیین ضخامت مخزن ایمن نازک تر از حد ممکن با استفاده از محاسبات کد استاندارد استفاده شود. تست ترکیدگی یا FEA شامل اثر سفت کننده ژاکت می شود.
8 – مخروط ها، خطوط تکیه گاه و اتصالات
علاوه بر ژاکت ها و حلقه های خلاء، انتقال مخروطی نیز می تواند طول موثر مخزن را کاهش دهد. یک مقطع مخروطی باید با هر انتهای بخش به عنوان یک خط تکیه گاه محاسبه شود تا طول موثر کاهش یابد. یک خط پشتیبانی به شرح زیر است:
هدف یک خط پشتیبانی، تقسیم موثر مخزن به بخش هایی است که بتوانند بار فشار را مستقل از اجزای مجاور تحمل کنند. آنچه در یک طرف خط حمایت اتفاق می افتد، روی طرف دیگر تأثیر نمی گذارد. این را می توان در مثال حلقه خلاء UG-29 در ابتدای این مطلب مشاهده کرد. قوانین جایگزینی منطقه برای مخروط هایی با زاویه تا 30 درجه کار می کند. تجزیه و تحلیل ویژه بیش از 30 درجه مورد نیاز است.
. هر سیلندر مجاور با استفاده از طول موثر کامل، Le محاسبه می شود (به شکل نگاه کنید). معمولاً هر انتهای مخروط به عنوان یک خط تکیه گاه محاسبه می شود. تجزیه و تحلیل ویژه برای زوایای مخروطی > 30 درجه مورد نیاز است. ضخامت مخروط و پوسته هر دو در صورت عبور محل اتصال تأثیر می‌گذارند. به طور متناوب، حلقه های سفت کننده مانند حلقه های خلاء می توانند سفتی محل اتصال را برای رعایت قوانین کد افزایش دهند.
قسمت های سر چپ و پوسته مستقیم به همان روش قبلی محاسبه می شوند. مخروط برای عبور فشار خارجی به خودی خود و دوباره به عنوان نقطه اتصال با پوسته ها محاسبه می شود. از آنجایی که زاویه مخروط 45 درجه است، از یک تحلیل ویژه بر اساس روش‌های بوردمن که توسط Bednar در کتاب راهنمای طراحی مخروط تحت فشار ارائه شده است، استفاده شده است. این الزامات ASME 1-8 را برآورده می کند و مخروط دو خط پشتیبانی را ارائه می دهد. تجزیه و تحلیل FEA تأیید می کند که روش قابل قبول است.
9 – درک ثبات
در ابتدای این مطلب، مکانیسم شکست برای فشار خارجی ارائه شد، اما توضیحی در مورد نحوه عملکرد مکانیسم شکست ارائه نشد. یک سیستم پایدار سیستمی است که قوی تر از نیاز باشد. هنگامی که رگ بر روی آن فشار داده می شود، به عقب رانده می شود و به شکل اولیه خود باز می گردد. همانطور که فشار خارجی به سیستم اضافه می شود، مخزن قدرت ذخیره کمتری برای عقب راندن دارد. در نهایت مخزن به نقطه ای می رسد که قدرت ذخیره بسیار کمی دارد. شما به دیواره رگ فشار می دهید و آن نمی تواند عقب رانده شود. در این مرحله مخزن می تواند شکل خود را به پیکربندی حجم کمتری تغییر دهد. این تغییر ناگهانی و غیرقابل برگشت است و اگر ویدیوهای یوتیوب را تماشا کنید بسیار ترسناک است. متناوبا، می توان یک تیر بلند را که در زمین نصب شده است، مجسم کرد. هنگامی که میله از کنار فشار داده می شود، خم می شود. پس از برداشتن بار، به عقب خم می شود. یک وزنه کوچک را می توان در بالای میله قرار داد. قطب تا زمانی که فشار داده شود در مرکز می ماند و پس از برداشتن نیروی جانبی به مرکز برمی گردد. با این حال، با افزایش وزن بالای میله، میله توانایی خود را برای عقب راندن در برابر نیروی جانبی از دست می دهد. در یک وزن بحرانی، قطب استحکام اضافی ندارد و فرود مگس در بالای آن باعث می‌شود که بدون هیچ نیروی جانبی واژگون شود. شکست غیر قابل برگشت و ناگهانی است. وزن بالای قطب مشابه فشار خارجی در بیرون یک مخزن تحت فشار است. از آنجایی که محاسبه دقیق فشار خارجی بحرانی روی یک مخزن دشوار است، ما یک ضریب ایمنی را 3 برابر، بالاتر از بسیاری از فاکتورهای ایمنی دیگر در مخازن تحت فشار تعیین می کنیم. هدف این کد ضریب ایمنی 3 برابری است که گاهی اوقات بالا و گاهی پایین محاسبه می شود. رویکردهای کمتر محافظه کارانه به محاسبات دقیق تری نیاز دارند، مانند ارائه شده توسط FEA، اما به قیمت تلاش مهندسی اضافی.
منابع:
https://www.pveng.com/home/asme-code-design/external-pressure-methods/https://arvengtraining.com/en/external-pressure-design/
