مخازن ترموپلاستیکی استوانه ای

مخازن ذخیره مایعات در کلیه جنبه های زندگی بشر مورد کاربرد دارند. مخازن ساخته شده از پلاستیک های گرمانرم (مانند: مخازن پلی اتیلنی یا پلی پروپیلنی) نقش تعیین کننده ای در این امر دارند. از سطل های مرسوم کوچک پلاستیکی که جز اولین ابتکارات تکنولوژی پلاستیک ها هستند گرفته تا مخازن ذخیره صد مترمکعبی برای نگهداری سیالات شیمیایی خطرناک، همه بیانگر این امر هستند که امروزه هیچ راهی برای اجتناب و چشم پوشی از ساخت مخازن ذخیره از جنس پلی اتیلن و پلی پروپیلن وجود ندارد. بخصوص اگر استوانه (بدنه اصلی) این مخازن از لوله ی دوجداره پلی الفینی با دیواره ساختمند که به روش اکسترود شدن و پیچیدن پروفیل به دور یک درام ساخته می شوند، باشد که قابلیت ها و امکانات طراحی متعددی را فراهم می کند. سازه دیواره می تواند متناسب با ویژگی باری که باید تحمل کند طراحی شود. ضخامت دیواره را می توان در اندازه های مختلف تولید کرد مانند سازه های با ساختمان ساندویچی و یا مخازن  با دیواره پروفیل دار که قابل اجرا می باشد. موفقیت گسترده و جهانی مخازن ذخیره ترموپلاستیکی به دلیل خواص منحصر بفرد مواد اولیه استفاده شده در ساخت آن ها از قبیل: مقاومت در برابر مواد شیمیایی ، دوام ، انعطاف پذیری و مقاومت مکانیکی می باشد. علاوه بر این ، مقرون به صرفه بودن مخازن ترموپلاستیکی یکی از دلایل مهم استفاده از این مخازن است.

در مقاله پیش رو تمرکز اصلی ما بر روی طراحی و نصب مخازن ذخیره استوانه ای عمودی می باشد اما در این بین برخی نکات و توصیه ها در ارتباط با مخازن ذخیره افقی نیز مطرح می شود. علاوه بر این مهمترین عواملی که در طراحی مخزن تأثیرگذار هستند معرفی شده و فرمولهای اصلی فنی توضیح داده شده است. همچنین استانداردهای مرجع بین المللی که برای ساخت مخازن پلی الفینی استفاده می شوند نیز ذکر شده اند.

روش نصب مخازن ذخیره عمودی و افقی:

بخش بزرگی از مخازن ترموپلاستیکی بصورت عمودی طراحی و ساخته می شوند، با این وجود مخازن افقی نیز اغلب مورد استفاده قرار می گیرند مخصوصا برای کاربردهای دفنی یا در مکان هایی که محدودیت ارتفاع وجود دارد.

در مخازن افقی سازه ی دیواره مخزن باید دارای ممان اینرسی (moment of inertia) بالایی باشد تا از وقوع کمانش (Buckling) جلوگیری کند. برای افزایش ممان اینرسی باید از ساختار دیواره  نوع پروفیل باز (Open Profile) یا بسته (Closed Profile) بجای دیواره تکجداره که مرسوم می باشد، استفاده نمود (شکل 1).

برای کاربردهای آب ، دیواره پروفیل باز کافی است ، اما برای کاربردهای صنعتی اغلب از ساختار دیواره پروفیل بسته استفاده می شود تا در کنار تامین استحکام لازم، یک ساختار دیواری دوجداره نیز ایجاد گردد. ساختارهای دو جداره از ایمنی مضاعفی برخوردار بوده و برای تلفیق سیستم های کنترل نشتی بسیار ضروری است. حتی اگر از دیواره با ساختار پروفیلی برای ساخت مخزن استفاده شود باید استحکام آن تضمین شده باشد. منظور از استحکام در اینجا یعنی سفتی حلقوی (Ring Stiffness) است. برای شرایط نرمال و غیر بحرانی (یعنی عدم وجود آب زیرزمینی، بار ترافیکی یا بارهای خارجی دیگر) یک ساختار پروفیلی با کلاس سفتی حلقوی بزرگتر مساوی ≥ 2 kN/m² کافی است (استاندارد تعین سفتی حلقوی ISO 9969 ). در هر حالت، برای تأیید وضعیت پایداری مخزن باید محاسبات استاتیکی انجام شود. اگر قرار است مخزن دفن شود طراحی و محاسبات آن را می توان براساس شیوه های محاسباتی مخصوص مانند روش آلمانی ATV A127  یا روش امریکایی AWWA M55 انجام داد.

شکل 1 : مخزن ذخیره افقی دوجداره پلی اتیلنی با طراحی عدسی محدب (convex endcap)  و معرفی ساختار پروفیل باز و بسته

شکل 2 : مخزن ذخیره عمودی دوجداره پلی پروپیلنی با حجم مفید 68 متر مکعب

برای مخازنی که بصورت نیمه دفنی نصب می شوند توصیه اکید می شود که زاویه ساپورت خاکی در اطراف مخزن بیش از 120 درجه انتخاب شود (شکل 3).

شکل 3: مفهوم زاویه ساپورت خاکی در اطراف مخزن نیمه دفنی

برای مخازن عمودی ساختار تکجداره بهترین انتخاب برای تحمل بارهای تنشی و تأمین ثبات کافی برای بارهای خارجی به ویژه بارهای القا شده ی محوری است. اگر مخزن  علاوه بر بارهای وارد شده تحت تاثیر حالت زیر فشار (under-pressure) نیز قرار داشته باشد که این موضوع امری معمول در سازه های شیمیایی می باشد (همانند شرایطی که در اسکرابر یا تنظیف کننده هوا وجود دارد) استفاده از دیواره با ساختار پروفیلی در ساخت مخزن اهمیت پیدا می کند. استفاده از ساختارهای پروفیل دار مقاومت در برابر کمانش شعاعی (Radial buckling resistance) را بشکل قابل توجهی افزایش می دهد.

فاکتورهای تاثیرگذار در طراحی مخازن:

بار اعمال شده بر روی سازه های مخزنی و فاکتورهای تاثیرگذار به طور معمول می تواند ناشی از شرایط بهره برداری از مخزن باشد. باید توجه داشت که مخزن اغلب بخشی از یک سازه پیچیده است، یعنی ممکن است به تجهیزات نصب شده دیگری نیز احتیاج داشته باشد. بطور مثال مخازنی که در کاربری های مهندسی شیمی بعنوان ایستگاه های ذخیره و یا تخلیه و یا بعنوان ظروف فرآیندی استفاده می شوند اغلب به تجهیزات دیگری همچون همزن، پمپ ها و ابزار سنجش و کنترل سطح سیال مجهز هستند.

شکل 4: مخازن عمودی بهمراه تجهیزات نصب شده بر روی آنها

در نتبجه بارهای استاتیک و دینامیکی حاصل باید در کنار این نکات کلی که در ادامه می آید در نظر گرفته شود:

1 – فشارهای عملیاتی و هیدرواستاتیکی

شرایط هیدرواستاتیک ناشی از نوع سیال ( چگالی و ویسکوزیته) و شرایط پر شدن مخزن است (سیکل پر شدن، سطح پرشدگی ، زمان پر شدن). این فشارها نقش بسزایی برای تعیین مشخصات ابعادی دیواره مخزن، صفحه ی کف و سقف مخزن و همچنین تجهیزات دیگری که همراه مخزن نصب می شوند، دارند. فشارهای اضافی (فشار منفی یا مثبت) می تواند با عمل تخلیه و پر کردن یا اثرات خارجی ایجاد شود مانند تغییر شرایط آب و هوا یا نیروی باد.

2- مقاومت شیمیایی

سیالی که مخزن از آن پر می شود می تواند بر پایداری و دوام ماده ای که برای ساخت مخزن انتخاب شده تاثیر بگذارد.  اگرچه پلی اتیلن و پلی پروپیلن به طور کلی مقاومت بسیار خوبی در برابر بسیاری از اسیدها و بازها دارند اما یکسری محدودیت ها و مرزهایی برای این مقاومت وجود دارد. علاوه بر این ، این مرزها تحت تاثیر دما و زمان واکنش قابل تغییر هستند. در بسیاری از موارد ، ضریب کاهش برای سیال مورد استفاده در تاریخچه و استانداردها یافت می شود که باعث می شود فرآیند تعیین ابعاد مخزن ساده تر شود. از زمانی که مواد ترموپلاستیک در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته اند (در پنجاه سال قرن گذشته) تا کنون متخصصان در حال جمع آوری داده ها درباره ی کیفیت مقاومت شیمیایی آن ها هستند. همچنین ارزیابی های دقیق درباره مقاومت شیمیایی در استانداردها و کتابچه های فنی همچون ISO/TR 10358  و DVS 2205-1 آمده است.

3- دما

رفتار مواد ترموپلاستیک وابسته به دماست بطوریکه با افزایش دما پایداری و استحکام (سفتی) این مواد تغییر می کند. این رفتار کاملا اثبات شده است و از اصول معینی پیروی می کند، که امکان محاسبه دقیق را فراهم می آورد. داده های مورد نیاز توسط تولید کنندگان (غالبا پتروشیمی ها) برای مواد اولیه (در اینجا پلی اتیلن و پلی پروپیلن) تهیه شده است و بعنوان اصول و قوانین اصلی در برای طراحی سیستم های لوله کشی تحت فشار، لوله های فاضلاب و …. مورد استفاده قرار می گیرد. دمای دیواره مخازن استوانه ای از یکسو تحت تأثیر دمای سیال و از طرف دیگر دمای محیط قرار دارد. معمولا از دمای متوسط برای طراحی مخزن و تعیین ابعاد استفاده می شود. این روند رویکرد محور، که در آن فاکتور زمان هم در نظر گرفته شده،  در صورت وجود تفاوت های جزئی یا متوسط ​​در دما نتایج مناسبی در پی دارد. اگر اختلاف زیادی در دما وجود داشته باشد، خواص ماده باید بطور دقیقی بررسی شود. دماهای متناوب عمر بهره برداری و تنش ثابت و یا تنش های تناوبی می توانند بر طبق استاندارد DVS 2205-1 تعیین شوند.  دمای طراحی بر طبق استاندارد DVS 2205-2 :

 _: T_zدمای دیواره مخزن

T_A:  دمای محیط

T_D: دمای سقف

T_M: دمای سیال

4- هوازدگی:

با توجه به محل نصب، شرایط آب و هوایی مختلفی می تواند رخ دهد. اگر  مخزن در داخل ساختمان نصب شود تنها باید به دمای محیط توجه شود، در این حالت سایر شرایط آب و هوایی را می توان بطور کامل حذف نمود یا فقط یک اثر کاملاً کاهش یافته دارند.

اما در شرایطی که مخزن در فضای آزاد قرار بگیرد، عوامل محیطی همچون باد، نور خورشید ، بارش و دمای محیط باید در نظر گرفته شود. بار ناشی از آب  وهوا بطور طبیعی وابسته به فصول است و علاوه بر این برای نواحی مختلف شرایط آب و هوایی متفاوتی وجود دارد که باید مد نظر قرار گیرد. مناطق از نظر آب و هوا به ناحیه های مختلفی تقسیم می شوند که برای هر یک از آن ها فرکانس و شدت هوازدگی بصورت مشاهدات تجربی تعیین می شود. زمانی که طراحی و تعیین ابعاد مخزن برای یک عمر بهره برداری در بازه طولانی مدت است باید به تغییر شرایط آب و هوایی ناشی از تغییرات اقلیمی توجه نمود.

برای اغلب پروژه هایی که مخزن باید در محیط آزاد نصب شود از مخان پلی اتیلنی سیاه بعلت مقاومت بالا در برابر اشعه فرابنفش خورشید استفاده می شود. مواد اولیه در حال حاضر دارای پایدارکننده ها و ترکیباتی (مانند کربن) هستند که بهترین محافظت در برابر هوازدگی را دارد. اما اگر به دلایل حرارتی، شیمیایی و یا مکانیکی مواد ترموپلاستیک دیگری بعنوان ماده اولیه انتخاب شوند باز هم باید از نظر مقاومت در برابر هوازدگی مورد بررسی و تایید قرار گیرند. برای پروپیلن (خاکستری) اغلب از یک پوشش حفاظتی استفاده می شود.

5- خطرات بالقوه

در نظر گرفتن خطرات  فصل مشترک تمامی ملاحظات مربوط به ایمنی است، به ویژه زمانی که با مواد شیمیایی یا مواد خطرناک مواجه هستیم. لازم به ذکر است که ما خطرات را به سه دسته  متفاوت خطرات انسانی، خطرات زیست محیطی و خطرات مالی تقسیم می کنیم. الزامات قاونی برای این امر در میان کشورهای جهان تفاوت های بسیاری با یکدیگر دارند که در زمان تعریف معیارها و اصول ایمنی باید به آن ها توجه شود. بهمین دلیل هیچ قانون جهان شمولی برای قوانین ایمنی وجود ندارد.

در این بین شرایط بهره برداری از مخزن از اهمیت بسزایی برخوردار است زیرا بین حالتی که بار وارده به مخزن بصورت استاتیکی ثابت باشد یا بطور مداوم در حال تغییر باشد تفاوت زیادی وجود دارد. برای کنترل شرایط مخازن ترموپلاستیکی روش های محافظتی از قبیل محافظت در برابر سرریز شدن (Overflow)، دستگاه های تشخیص نشت (Leakage Detector) و زنگ خطر (Alarm) و همچنین ابزار نظارت از راه دور (Remote Supervision) وجود دارد که باید در هر شرایطی مشخص شوند، اما در هر حال این ها ابزارهای خوبی برای کاهش خطرات احتمالی هستند. معمولا برای ذخیره مواد خطرناک یک دستگاه جمع آوری یا مخزن جمع آوری (Collecting Tank) تعبیه می شود ، که علاوه بر تامین ایمنی بر کاهش اثرات بار استاتیک باد، بارش و تابش خورشید نیز تأثیر مثبت می گذارد.

شکل 6 : سه مخزن عمودی دوجداره پلی اتیلنی که مجهز به لولسنج و لوله های سرریز می باشند.

اصول طراحی و تعیین ابعاد:

طراحی و تعیین ابعاد مخازن با استفاده از اصول مقاومت مواد و فناوری پلاستیک ها صورت می گیرد. بدین ترتیب می توانیم به تجربیات 50 ساله گذشته خود در صنعت ساخت مخازن ترموپلاستیکی بازگردیم. در مورد لوله های مدرن که بدنه اصلی مخازن را تشکیل می دهند، معمولاً در هنگام راه اندازی محصول ، منحنی ها و جداول مربوطه توسط تولید کنندگان تهیه شده است که از آن می توانید ارقام لازم را برای استفاده کوتاه مدت و بلند مدت را استخراج کنید. از نظر محاسبات استاتیکی و مقیاس زمانی، بین کاربری های مختلف تفاوت وجود دارد. بنابراین ، معمولا محاسبات برای بازه های 10 یا 25 سال و در موارد خاص به مدت 50 سال برنامه ریزی شده است. برای اینکه بتوان خصوصیات مواد را برای محاسبات مربوط به بازه های زمانی مختلف به دست آورد، می توان با توجه به بار وارده ، از روی نمودار استحکام هیدرواستاتیک که به طور نمونه بر روی یک لوله اکسترود شده محوری مشخص می باشد، اطلاعات مورد نیاز را استخراج نمود. محاسبه پایداری بر اساس خواص مواد که بر پایه مدول خزش (Creep module) استوار است انجام می شود، که می تواند از فرم اندازه گیری داده ها برای بازه های زمانی تا 10000 ساعت با روش برون یابی تعیین شود.  اطمینان از چنین برون یابی هایی برای  لوله ساخته شده از مواد پلی اتیلنی بر پایه تجربه بدست آمده و در حال کسب برای چندین دهه استوار است.

برای مواد اولیه با رفتار طولانی مدت تصدیق شده آزمایشگاهی (منحنی های مقاومت هیدرواستاتیکی بر طبق استاندارد ISO 9080) برون یابی برای عمر بهره برداری در بازه 50 سال از داده های 2000 ساعت با دقت کافی  انجام می شود. این به معنای برونیابی کردن اطلاعات برای 25 سال است.

اولین مخازن ذخیره پلی اتیلنی در دهه 1950 میلادی تولید شدند. از آن زمان تا کنون نرم افزارهای کامپیوتری اعتبار لازم برای انجام محاسبات استاتیکی را در بازار این محصولات بدست آورده اند و توانسته اند هزینه های محاسباتی را کاهش دهند. استانداردها و دستورالعمل های تهیه شده بحث استاندارد سازی لازم برای این بخش مهم از بازار محصولات پلاستیکی را تضمین می کنند. همچنین اصول محاسباتی به تفصیل در استاندارد های EN 12573  و DVS 2205-2 توضیح داده شده اند.

ابعاد دیواره مخزن اغلب به سادگی با انجام محاسبات پایداری با در نظر گرفتن فشار داخلی از یک طرف و خلاء از طرف دیگر می تواند با دقت کافی تخمین زده شود.

در مرحله اول باید به کمک معادله مرسوم برای فشار درونی (رابطه Barlow)، ابعاد دیواره مخزن مورد نیاز محاسبه شود. فشار داخلی به ارتفاعی که مخزن از سیال پر می شود، چگالی سیال و بار مجاز بستگی دارد.برای تعیین فشار درونی می تواند در ارتفاعات مختلف مخزن انجام شود تا در نهایت به مرحله ای برسیم که یک ساختار دیواره ای که به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه می باشد به مرحله اجرا درآید.

تنش مجاز از نمودارهای گسیختگی خزشی مخصوص (دیاگرام مقاومت هیدرواستاتیکی) برای مواد اولیه و با توجه به ضریب اطمینان و ضریب کاهش برای خاصیت انعطاف پذیری (که وابسته به دما است)، ضریب اتصال (بسته به نوع جوشکاری) و بارگیری شیمیایی سیال (با توجه به جداول تجارب عملیاتی از جمله DVS و DIBt ، آلمان) بدست می آید. برای در نظر گرفتن ممان خمشی باید یک فاکتور اضافی را که محدودیت کشیدگی استوانه (بدنه اصلی مخزن) در ناحیه اتصال بین استوانه و صفحه پایین (عدسی کف) مخزن را در نظر می گیرد انتخاب شود. محدودیت کشیدگی (Elongation constraint) به لحاظ سفتی (Stiffness) به ضخامت صفحه پایین بستگی دارد. در عمل این ضریب بین عدد 1 (صفحه پایینی از نوع ممبران باشد) و 1.8 (صفحه پایینی بصورت ثابت باشد) قرار دارد.

در ادامه روابط اصلی محاسبه فشار و تعیین ضخامت دیواره مخزن آمده است:

P : فشار هیدرواستاتیکی (N/mm²)

g: شتاب گرانش (m/s²)

ρ: چگالی سیال (Kg/cm³)

S_ZS: حداقل ضخامت دیواره مخزن با توجه به بار اعمال شده به مخزن (mm)

C: ضریب ممان خمشی

d_i: قطر داخلی (mm)

S: ضریب اطمینان

σ: بار بدست امده از دیاگرام مقاومت هیدرواستاتیکی با توجه به دما (N/mm²)

A₁: ضریب کاهش نرم شدگی

A₂: ضریب کاهش محیط پیرامون

f_s: ضریب جوش بلند مدت برای لوله هایی که بصورت هموژن و با ساختار مارپیچی اکسترود می شوند که 1 در نظر گرفته می شود.

نرم شدگی ویژه با توجه به جدول زیر بر طبق استاندارد DVS 2205 تعیین می شود:

با دخیل کردن محاسبات پایداری در برابر خلاء که به عنوان مثال می تواند در هنگام خالی کردن مخزن و یا در اثر مکش باد ایجاد شود، می توان رویکرد خوبی نسبت به ضخامت های دیواره مورد نیاز به دست آورد. براساس اصول فنی در استاندارد DVS 2205 حداقل مقدار بار اعمالی بر اثر خلاء 0.0003 N/mm² در نظر گرفته می شود.

رابطه محاسبه کمانش استوانه:

S_ZB: حداقل ضخامت دیواره برای بار ناشی از کمانش (mm)

S: ضریب اطمینان

A₂₁: ضریب کاهش محیط پیرامون برای پایداری مدنظر

h_z: ارتفاع استوانه (mm)

: مجموع بارهای ناشی از خلاء (N/mm²)

E_k: مدول خزش با در نظر گرفتن زمان و دما (N/mm²)

d_i: قطر داخلی (mm)

نتیجه نهایی این محاسبات نمی تواند جایگزین ملاحظات اولیه ای که در ابتدای این مقاله معرفی شد باشد. اما بهر حال این محاسبات یک دید کلی خوب و سریع از ساختار مورد نیاز در طراحی مخزن فراهم می کند.