وعاء ضغط بتروكيماوي

تُعدّ أوعية الضغط البتروكيماوية مكونات بالغة الأهمية في صناعة البتروكيماويات، وهي مصممة لاحتواء ومعالجة السوائل والأبخرة والغازات بأمان تحت ضغوط أعلى أو أقل بكثير من الضغط الجوي المحيط، وغالبًا في درجات حرارة مرتفعة أو منخفضة. وتُعتبر سلامتها أمرًا بالغ الأهمية نظرًا لطبيعة المواد الخطرة التي تتعامل معها، وأي خلل فيها قد يؤدي إلى عواقب وخيمة كالحرائق والانفجارات وتسرب الغازات السامة.

1. ما هي أوعية الضغط البتروكيماوية؟

في صناعة البتروكيماويات، تُعدّ أوعية الضغط حاويات محكمة الإغلاق تُستخدم في العديد من العمليات الكيميائية والفيزيائية. وتشمل استخداماتها ما يلي:

التخزين: حفظ المواد الخام، أو المنتجات الوسيطة، أو المنتجات النهائية (مثل النفط الخام، والغاز الطبيعي، والمواد الكيميائية).

التفاعلات: توفير بيئات مُتحكّم بها للتفاعلات الكيميائية (مثل المفاعلات).

الفصل: فصل مكونات الخليط المختلفة بناءً على خصائصها (مثل أعمدة التقطير، والفواصل، وأجهزة الفصل بالترسيب).

نقل الحرارة: تبادل الحرارة بين السوائل (مثل المبادلات الحرارية، والغلايات).

وتتميز أوعية الضغط عن خزانات التخزين البسيطة بقدرتها على تحمّل ضغوط داخلية أو خارجية كبيرة.

2. مبادئ التصميم الرئيسية:

يُعدّ تصميم أوعية الضغط في الصناعات البتروكيماوية مهمة هندسية معقدة تخضع لمعايير ولوائح صارمة لضمان السلامة والموثوقية. تشمل المبادئ الأساسية ما يلي:

ظروف التشغيل: تُصمّم الأوعية لضغوط تشغيل محددة (أقصى ضغط تشغيل مسموح به - MAWP) ودرجات حرارة محددة (أقصى وأدنى درجات حرارة السوائل). وتُحدّد هذه الظروف اختيار المواد وسُمك الجدران.

اختيار المواد: تُختار المواد بناءً على خصائصها الميكانيكية (مقاومة الخضوع، مقاومة الشد، مقاومة الزحف، الليونة، المتانة، مقاومة الإجهاد)، ومقاومتها للتآكل الناتج عن السوائل الموجودة بداخلها، وقدرتها على تحمّل درجات حرارة التشغيل. تشمل المواد الشائعة الفولاذ الكربوني، والفولاذ المقاوم للصدأ، وسبائك الفولاذ (مثل فولاذ الكروم والموليبدينوم)، وسبائك النيكل، وأحيانًا المواد المركبة.

تحليل الإجهاد: يحسب المصممون الإجهادات المختلفة (المحيطية، والطولية، والشعاعية) داخل جدران الوعاء لضمان بقائها ضمن الحدود المسموح بها. توفر الأشكال الكروية عمومًا توزيعًا أفضل للإجهاد عند الضغوط العالية مقارنةً بالأشكال الأسطوانية.

الشكل الهندسي: تشمل الأشكال الشائعة الأسطوانية ذات الرؤوس المقعرة (كروية أو بيضاوية)، والكروية. يؤثر نوع الرأس على المتانة وسهولة التصنيع.

معاملات الأمان: يُضاف معامل أمان (عادةً من 1.5 إلى 4) إلى التصميم لمراعاة عدم اليقين في ظروف التحميل، وخصائص المواد، وتفاوتات التصنيع.

مقاومة التآكل: غالبًا ما تُضاف سماكة إضافية لجدران الوعاء لتعويض فقدان المادة الناتج عن التآكل بمرور الوقت.

المعدات المساعدة: يشمل التصميم أيضًا فوهات لدخول وخروج السوائل، وصمامات تخفيف الضغط لأغراض السلامة، وأغلفة تسخين/تبريد، وهياكل داعمة (قواعد، وأغطية، وأرجل).

سهولة الوصول للفحص والصيانة: يجب أن تسمح التصاميم بسهولة الوصول لإجراء عمليات الفحص والصيانة الدورية.

3. أنواع أوعية الضغط البتروكيماوية:

بناءً على وظيفتها وتصميمها، يمكن تصنيف أوعية الضغط البتروكيماوية إلى:

أوعية التخزين: لحفظ السوائل والغازات تحت الضغط.

المفاعلات: حيث تحدث التفاعلات الكيميائية، وغالبًا ما تتضمن محركات تقليب وأنظمة تسخين/تبريد.

أعمدة التقطير (أجهزة الفصل): تُستخدم لفصل مخاليط السوائل بناءً على اختلاف درجات غليانها.

المبادلات الحرارية: تُسهّل انتقال الحرارة بين سائلين أو أكثر. ومن أمثلتها المبادلات الحرارية الأنبوبية.

الفواصل: مُصممة لفصل السوائل ذات الأطوار المختلطة (مثل النفط والغاز والماء).

الغلايات: تُولّد البخار بتسخين الماء.

4. اللوائح والمعايير:

نظراً للمخاطر الكامنة، تخضع أوعية الضغط في الصناعات البتروكيماوية لرقابة صارمة. ومن أبرز المعايير ما يلي:

كود ASME لأوعية الغلايات والضغط (BPVC): وهو معيار معترف به عالمياً، ويتناول القسم الثامن منه أوعية الضغط تحديداً. يوفر هذا الكود قواعد شاملة للتصميم والتصنيع والفحص والاختبار والاعتماد. وينقسم القسم الثامن إلى:

القسم 1: للأوعية التي تعمل بضغط يزيد عن 15 رطل لكل بوصة مربعة، بمعايير تصميم مرنة.

القسم 2: للأوعية التي تعمل تحت مستويات إجهاد أعلى (تصل إلى 10000 رطل لكل بوصة مربعة)، بمعايير أكثر صرامة.

القسم 3: لتطبيقات الضغط العالي جداً (أكثر من 10000 رطل لكل بوصة مربعة)، بمتطلبات بالغة الصرامة.

معايير معهد البترول الأمريكي (API): مثل API 510 (كود فحص أوعية الضغط: فحص الصيانة، والتقييم، والإصلاح، والتعديل) وAPI 572 (فحص أوعية الضغط)، والتي تركز على الفحص والصيانة أثناء الخدمة.

معايير إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA): في الولايات المتحدة، تضع إدارة السلامة والصحة المهنية لوائح السلامة الخاصة بأوعية الضغط في مختلف الصناعات.

المعايير الدولية الأخرى: قد تُطبق معايير وطنية أو دولية أخرى، مثل توجيه معدات الضغط (PED) في أوروبا أو معايير GB الصينية، وذلك بحسب المنطقة.

يُعدّ الالتزام بهذه المعايير أمرًا بالغ الأهمية لضمان سلامة وموثوقية وامتثال أوعية الضغط البتروكيماوية للقوانين طوال دورة حياتها.