حساب سُمك جدار وعاء الضغط: مثال محلول خطوة بخطوة
جسم بقطر داخلي 3.0 م وضغط تصميم 1.6 ميغاباسكال من SA-516 درجة 70 يحتاج 17.5 مم بالضغط وفق UG-27، و20.51 مم بعد إضافة بدل تآكل 3 مم، فيُطلب لوح 22 مم. والصيغة t = P·R / (S·E − 0.6·P)، ويحدد الجواب خمسة مدخلات: الإجهاد المسموح وكفاءة اللحام والضغط ونصف القطر والبدل، وهو ما يحدد عادة اللوح الذي يُدفع ثمنه.
أهم النقاط
- UG-27 يعطي سُمك الضغط؛ والبدل والحد الأدنى يُضافان بعده، لا قبله.
- كفاءة اللحام قرار تصميمي: E = 1.0 بتصوير كامل يوفّر 3 مم عند قطر 3 م.
- قرّب إلى لوح متاح ثم تحقق من حد UG-16 والحد العملي للورشة.
- تُحسب MAWP من السُمك المقيس ناقص البدل، وهي ليست ضغط التصميم.
- كل مليمتر في جسم 3 × 6 م يساوي 0.44 طن فولاذ، نحو 800 دولار من اللوح.
صيغة UG-27 ومدخلاتها
للجسم الأسطواني تحت ضغط داخلي يعطي UG-27(c)(1) الصيغة t = P·R / (S·E − 0.6·P): t السُمك الأدنى المطلوب، وP ضغط التصميم الداخلي، وR نصف القطر الداخلي، وS أقصى إجهاد مسموح من القسم الثاني الجزء D عند حرارة التصميم، وE كفاءة اللحام. وهي مشتقة من توازن إجهاد حلقي لجدار رقيق مع حد تصحيحي لأن الجدار ليس رقيقًا بلا نهاية؛ والإجهاد المحيطي نحو ضعف الطولي، ولهذا تحكم اللحامات المحيطية سُمك الجسم.
كفاءة اللحام تخفض الإجهاد المسموح بسبب لحامات لم تُثبت جودتها بتصوير كامل: UW-12 يعطي 1.0 لوصلة تناكبية ملحومة من الجانبين بتصوير كامل، و0.85 بالعيّنات، و0.70 بلا تصوير. وبدل التآكل يُضاف خارج الحساب، لأن الكود يحسب المعدن الذي يحمل الضغط يوم يكون الوعاء جديدًا؛ أما MAWP فهي أعلى ضغط في أعلى نقطة عند حرارة التصميم بالسُمك الموجود فعلًا بعد التآكل حتى الفحص التالي، ومنها يُضبط صمام الأمان.
جدول 1 — مدخلات حساب السُمك وفق القسم 1
| المدخل | الرمز | المصدر | المدى النموذجي | الخطأ الشائع |
|---|---|---|---|---|
| ضغط التصميم | P | العملية مع الضغط الساكن | 0.3–5.0 ميغاباسكال | استخدام ضغط التشغيل |
| نصف القطر الداخلي | R | الحجم والهندسة | 0.5–2.5 م | إدخال نصف القطر الخارجي |
| الإجهاد المسموح | S | القسم II الجزء D | 138 عند 50 °C؛ 125 عند 220 | قيمة حرارة الغرفة |
| كفاءة اللحام | E | UW-12 | 0.70 / 0.85 / 1.0 | افتراض 1.0 بلا تصوير كامل |
| بدل التآكل | CA | مهندس المواد | 0–6 مم؛ 3 مم نمطي | إضافته داخل الصيغة |
| حرارة التصميم | T | العملية مع التجاوز | 40–250 °C | إغفال الذروات الحرارية |
| السُمك الأدنى | t_min | UG-16 والإنشاء | 1.5 مم بالكود؛ 6–8 عمليًا | نسيانه في الأجهزة الصغيرة |
| تفاوت الدرفلة | — | مواصفة اللوح | 0.3 مم تحت الاسمي | طلب الاسمي كحد أدنى |
وسطران يفسّران معظم إعادة العمل: يجب أن يشمل الضغط العمود الساكن — خزان بعمود ملاط 8 م فوق الفوهة يرى 0.08 ميغاباسكال إضافية في الأسفل، وهو قليل مقابل 1.6 وغير قليل مقابل 0.3 — وأن تشمل الحرارة التجاوز: بين 125 و118 ميغاباسكال 3 مم جدار عند قطر 4 م.
مثال محلول: جسم بقطر 3 م
بـR = 1,500 مم وS = 138 ميغاباسكال عند 60 °C وE = 1.0، يعطي الحساب 1.6 × 1,500 / (138 − 0.96) = 2,400 / 137.04 = 17.51 مم. وبإضافة 3 مم يصبح 20.51 مم؛ واللوح التالي 22 مم، وبتفاوت 0.3 مم يكون الحد الأدنى المسلَّم 21.7 مم وهو مقبول. ويشترط UG-16 قيمة 1.5 مم، أقل بكثير، لكن الحد العملي للورشة لجسم 3 م هو 6–8 مم للمناولة والاستدارة.
غيّر مدخلًا واحدًا ويتحرك الجواب: بتصوير بالعيّنات E = 0.85، t = 2,400 / 116.34 = 20.63 مم، ومع البدل 23.63 مم أي 25 مم بعد التقريب. فتوفير التصوير كلّف 3 مم في كل متر مربع من الجسم — نحو 1.3 طن فولاذ هنا — أكثر مما كان التصوير سيكلّفه. ولهذا يكون التصوير الكامل هو المواصفة الصحيحة تقريبًا فوق قطر 2 م.
الرأس البيضاوي وتصحيحات التشكيل
لرأس بيضاوي 2:1 يعطي UG-32(d) الصيغة t = P·D / (2·S·E − 0.2·P): 1.6 × 3,000 / 275.68 = 17.41 مم؛ ومع البدل 20.41 مم، أي 22 مم — اللوح نفسه للجسم وميزة شراء صغيرة. وفوق ذلك تصحيحان: التشكيل البارد يخفّف القمة والانحناء بنسبة 8–12 % من الاسمي، فيُطلب 24 مم بدل 22؛ ويُفحص الانحناء ضد الانبعاج بحدود UG-32، بتحليل فقط للرؤوس الكبيرة أو الرقيقة جدًا. وفي الأوعية الصغيرة يحكم الرأس عادة لأن في الصيغة 2 في المقام لكن حد القطر هو القطر الكامل.
MAWP وضغط الاختبار والسُمك المطلوب
بعكس UG-27: MAWP = S·E·(t − CA) / (R + 0.6·(t − CA)). ولجسم 22 مم بعد عشر سنوات بسُمك مقيس 20.1 مم: MAWP = 2,773.8 / 1,512.1 = 1.83 ميغاباسكال، فوق 1.6 التصميمي، فالوعاء صالح؛ ولو كان المقيس 19.0 مم لهبطت إلى 1.73 ميغاباسكال، وهو كافٍ بهامش ضئيل، وعندها يلزم إعادة تصنيف أو خفض ضبط الصمام أو تخطيط الاستبدال. وضغط الاختبار في UG-99(b) هو 1.3 × MAWP × (S_اختبار / S_تصميم)، أي 2.08 ميغاباسكال لوعاء جديد، ويجب مراقبة كلوريد الماء: فـ200 مغ/ل تجف داخل 316L وتبدأ تنقّرًا قبل أن يرى الوعاء محلول العملية.
كلفة المليمتر والأخطاء المتكررة
لجسم 3.0 × 6 م تكون المساحة المبلولة 56.5 م²: 16 مم تزن 7.10 طن (12,780 دولارًا بسعر 1,800 دولار/طن)، و22 مم 9.76 طن (17,570)، و30 مم 13.31 طن (23,960)، أي نحو 800 دولار للمليمتر ونحو 160 دولارًا للمليمتر في المتر المربع. وعند قطر 4 م وطول 10 م يصبح المليمتر نحو 1.0 طن و1,800 دولار، ولهذا يرجح اختيار القسم هناك على الحساب. وثلاث حالات تحسم ذلك: خزان 2.4 م بـ14.01 مم محسوبة طُلب بـ18 مم؛ ووعاء 3.0 م عند 3.5 ميغاباسكال أعطى 40.4 مم فعبر حد المعالجة الحرارية 38 مم، وخفضه إلى 3.2 ميغاباسكال أوصله إلى 36.9 مم وتجنّب دورة فرن بـ34,000 دولار؛ وعند 4.2 ميغاباسكال و3.6 م يعطي القسم 2 قيمة 50 مم مقابل 65 للقسم 1 — 13 طنًا فرقًا في 10 م.
والأخطاء المتكررة: ضغط بلا عمود ساكن — كان يجب حساب الحلقة السفلى على 1.68 ميغاباسكال — وماء اختبار كلوريدي، ورأس أرقّ من الجسم بعد التشكيل، وتقوية فوهة على السُمك الاسمي، وMAWP مذكورة دون خصم البدل، وحالات تفريغ بلا UG-28، ونصف قطر خارجي أُدخل في صيغة داخلية فيعطي نقصًا منهجيًا بين 1 و3 مم.
الأسئلة الشائعة
هل يُضاف البدل قبل التقريب أم بعده؟
يُضاف أولًا إلى سُمك الضغط المحسوب، ثم يُقرَّب المجموع إلى لوح متاح. والتقريب أولًا ثم الإضافة قد يترك الوعاء أنحف بخطوة، خصوصًا حين يقع الحساب تحت مقاس قياسي بقليل.
هل تصلح UG-27 للجدران السميكة؟
تنطبق ما دام الجدار رقيقًا نسبة إلى نصف القطر داخل حد القسم 1؛ وبعده تُستخدم UG-27(c)(2)، وللمقاطع السميكة جدًا التصميم بالتحليل في القسم 2. وجدار 76 مم على نصف قطر 1.8 م قريب من الحد بما يكفي لوجوب التحقق.
كم يكلّف مليمتر الجدار؟
نحو 0.44 طن و800 دولار في جسم 3 × 6 م، ونحو 1.0 طن و1,800 دولار عند قطر 4 م وطول 10 م، بأسعار إرشادية للوح بجودة الأوعية.
إذا كنت تحدد حجم وعاء لواجب ترشيح أو استخلاص أو تبخير وتريد مراجعة السُمك وMAWP والاختبار مقابل أساس تصميمك، راجع المنهجيات في قاعدة المعرفة والتعريفات في المعجم والكتالوج في المنتجات.