معرفی کتاب
کتاب "طراحی مخزن با سقف شناور" نوشته بهزاد انصاری، راهنمای جامع و کارآمدی است که شما را با اصول و تکنیک‌های نوین در طراحی مخازن آشنا می‌کند. این اثر با نگاهی دقیق به جزئیات فنی و علمی، به بررسی چالش‌ها و راهکارهای مبتکرانه در این حوزه می‌پردازد. با مطالعه این کتاب، نه تنها مهارت‌های خود را در طراحی مخازن افزایش می‌دهید، بلکه به دنیای جذاب مهندسی و معماری نیز قدم می‌گذارید. از نشر دانش بنیاد، تجربه‌ای ارزشمند را در دستان خود داشته باشید!
درباره کتاب
با امید به اینکه مطالعۀ کتاب حاضر بتواند در طراحی، ساخت و بهرهبرداری از مخازن سقف شناور مفید واقع شود پیشنهاد می‌شود کتاب دیگر اینجانب به نام " آشنایی با ساخت و بازرسی مخازن ذخیرۀ اتمسفریک" نیز مطالعه شود. از آنجایی‌که این کتاب ترجمه شده از منابع متعدد می‌باشد، برخی از اصطلاحات طراحی در ساخت مخازن به‌صورت علمی و برخی از آن‌ها تا حد امکان به فارسی برگردانده شده است. آنچه که اینجانب را به جمع‌آوری و ترجمه این مجموعه ترغیب نمود، مشکلات به‌وجود‌آمده در زمان نصب مخازن در سایت و لزوم تغییرات در برخی از بخش‌های نصب در کارگاه (سایت اجرایی) بوده است. برای ایجاد برخی از تغییرات نیازمند دانش کافی از نوع و چگونگی محاسبه و طراحی یک مخزن می‌باشد و ایجاد هر گونه تغییر به‌واسطۀ وجود ایرادات ابعادی و اندازه‌ای و جانمایی برخی اتصالات و ورق‌ها ایجاب می‌نماید که از چگونگی طراحی و محاسبه یک مخزن آگاهی کافی داشته باشیم. برای مثال برخی از اتصالاتی که در محاسبه و طراحی مخزن به‌کار می‌روند در بازار به‌راحتی یافت نمی‌شوند و در زمان ساخت مخزن می‌بایست جایگزین گردد و همچنین برخی از تداخل اتصالات با جوش‌ها و یا برخی از قطعات دیگر در زمان ساخت مشخص می‌گردد که تغییرات در این مهم نیز نیاز به آگاهی کافی از چگونگی محاسبه و طراحی مخزن دارد. در نگارش این کتاب سعی شده که جزئیات طراحی یک مخزن سقف شناور از ابتدا تا انتها با استفاده از استانداردهای موجود انجام شود و مطالعۀ آن قبل از استفاده از نرم‌افزارهای طراحی مخزن به طراح و سازندگان در چگونگی فلسفه طراحی مخزن ذخیره کمک می‌نماید.
بهزاد انصاری – آذر ماه 1403
خلاصه
مخازن ذخیره سازی به طور گسترده در بسیاری از صنایع به‌ویژه در صنایع پالایش نفت و پتروشیمی برای ذخیره‌سازی طیف بسیاری از محصولات مختلف از جمله نفت خام استفاده می‌شود که شامل انواع مختلفی از مخازن از جمله مخازن با سقف ثابت، مخازن با سقف باز، مخازن با سقف شناور و ... می‌باشد. مخازن با سقف شناور نوعی از مخازن هستند که سقف آن‌ها به طور مستقیم بر روی محصول شناور می‌شود و هیچ فضایی (برای وجود بخار) در آن وجود ندارد و احتمال وجود هوای اتمسفری قابل اشتعال در آن از بین می‌رود.
آیین‌نامه‌ها و استانداردهای صنعتی مختلفی برای نیازهای اساسی در طراحی و ساخت مخازن وجود دارند. نرم‌افزارهای تجاری بسیاری نیز برای طراحی‌های پایه در بازار یافت می‌شود، از‌این‌رو طراحان مخازن به طور کامل بر نرم‌افزار متکی‌اند و ممکن است درک دقیقی از فرایند دقیق چگونگی محاسبات و همچنین نوع تغییرات مورد نیاز با توجه به شرایط محیطی و امکانات اجرای کار نداشته باشند. برخلاف وجود استانداردها و آیین‌نامه‌های مختلف، دستورالعمل‌ها و قوانین محدودی در خصوص طراحی سقف‌های شناور وجود دارند که منجر به غرق شدن و اشکال در سقف‌های شناور شده است و موجب خطرات و احتمال آسیب به نفرات بهره‌بردار می‌گردد. مسائل مرتبط با طراحی و ایمنی یک نگرانی بزرگی است که در راستای موارد حریق و انفجار ناشی از مشکلات مخزن به‌طور فزاینده‌ای مطرح شده‌اند.
هدف اصلی این کتاب نحوۀ طراحی یک مخزن با سقف شناور(1) می‌باشد و هدف از نوشتن این کتاب توسعۀ قوانین و دستورالعمل‌های پایه، رفع نگرانی‌ها، ساخت و بهرهبرداری یک سقف شناور در یک پروژۀ نفتی موجود به همراه اطلاعات در دسترس به‌عنوان اساس کار برای طراحی مخزن و شناسایی مشکلات و دروس آموخته‌شده در این پروژه می‌باشد.
فهرست مطالب
فصل 1 : مقدمه 3
1-1 مبنای کار 3
1-2 هدف کتاب 4
1-2-1 اهداف تحریر کتاب 4
1-3 روش تحقیق 4
1-3-1 رویکرد (هدف از) تحقیق 4
1-3-2 مطالعه موردی 5
1-3-3 تحقیقات محصول 5
1-3-4 روش طراحی 5
1-3-5 اثر متعاقب خطا در طراحی 5
1-3-6 طراحی و ساخت ویژه 5
فصل 2 : رویکرد نگارش کتاب 7
2-1 مقدمه 9
2-2 انواع مخازن ذخیره‌سازی 11
2-2-1 مخازن با سقف روباز 11
2-2-2 مخازن با سقف ثابت 11
2-2-3 مخازن با سقف شناور 13
2-3 آیین‌نامه‌ها و استانداردهای طراحی 14
2-4 مخازن با سقف شناور 15
2-4-1 پیشینه و مقدمه 15
2-4-2 اصول سقف‌های شناور 15
2-4-3 مزایای مخزن ذخیره با سقف شناور 17
2-5 بررسی اطلاعات طراحی 17
2-6 شرح فرایند و الزامات 18
2-7 شرح فرایند و ملاحظات طراحی 20
2-8 انتخاب مصالح و ارزیابی خوردگی 22
2-8-1 خورندگی CO2 22
2-8-2 مدل‌سازی خوردگی با دی‌اکسید‌کربن 24
2-9 انتخاب مکانیکی نوع فولاد کربن‌دار 25
2-10 طراحی مکانیکی 27
2-11 روش طراحی بدنۀ مخزن مطابق با API 650 29
2-11-1 محاسبه ضخامت با روش 1-Foot 29
2-11-2 محاسبه ضخامت با روش طراحی متغیر در هر نقطه (Variable-Design-Point) 29
2-11-3 محاسبه ضخامت با تحلیل الاستیک 30
2-12 ملاحظات طراحی مکانیکی 30
2-13 طراحی ورق کف مخزن 32
2-13-1 خمش قائم بدنه مخزن 32
2-14 طراحی سقف شناور 33
2-15 ملاحظات خاص 34
2-15-1 نشست خاک 34
2-15-2 طراحی لرزه‌ای سقف شناور 35
2-16 حالات گسیختگی ناشی از اثرات لرزه‌ای بر مخازن با سقف شناور 36
2-17 طراحی و الزامات مربوط به اتصالات 38
2-18 اتصالات و لوازم جانبی معمول برای سقف شناور 39
2-18-1 سیستم آببندی سقف 39
2-18-2 پایۀ نگهدارنده 41
2-18-3 سیستم زهکشی سقف 42
2-18-4 دریچه‌های هواگیری BLEEDER VENT 46
2-18-5 لوله متمرکز‌کننده و ضد چرخش سقف شناور 46
2-18-6 نردبان متحرک و سکوی اندازه‌گیری 47
2-19 سیستم اطفای حریق و دیوارۀ فوم 47
فصل 3 : طراحی مخزن 49
3-1 مقدمه 51
3-2 طراحی بدنه 51
3-2-1 تنش طولی 52
3-2-2 تنش پیرامونی 53
3-2-3 تنش طولی در مقابل تنش پیرامونی 54
3-2-4 معادله ضخامت تنش پیرامونی و روش 1-Foot 54
3-2-5 محاسبه ضخامت طراحی بدنه 55
3-2-6 طراحی تقویت‌کنندۀ فوقانی و مهارکنندۀ باد میانی 57
3-2-6-1 تقویت‌کننده فوقانی/ مهارکننده باد فوقانی 57
3-2-6-2 مهارکنندۀ باد میانی 59
7-3-2 پایداری در برابر واژگونی ناشی از بار باد 63
3-2-8 طراحی لرزه‌ای 65
3-2-8-1 اطلاعات طراحی هندسی سایت (محل ساخت مخزن) برای طراحی لرزه‌ای 67
3-2-8-2 پایداری در برابر واژگونی 67
3-2-8-3 شتاب طیفی طراحی 68
3-2-8-4 پارامترهای مورد نیاز برای طراحی لرزه‌ای 69
3-2-8-5 وزن مؤثر محصول 73
3-2-8-6 مرکز کنش برای نیروهای جانبی مؤثر 74
3-2-8-7 لنگر رینگ دیواره (دیواره بتنی) 76
3-2-8-8 نیروی برش پایه 76
3-2-8-9 مقاومت در برابر واژگونی 77
3-2-8-10 طراحی مهاربندی 81
3-2-8-11 فاصله آزاد Freeboard 81
3-2-8-12 خلاصه طراحی لرزه‌ای 82
3-3 طراحی سقف 82
3-3-1 انتخاب نوع سقف 83
3-3-2 طراحی پانتون و deck مرکزی 84
3-3-2-1 طراحی تنش سقف 85
3-3-2-2 اثر تغییر مکان زیاد بر عرشه مرکزی 86
3-3-2-3 پایداری پانتون- طراحی حلقه پانتون 89
3-3-3 طراحی اتصالات و لوازم جانبی 92
3-3-3-1 سیستم آببندی سقف شناور 93
3-3-3-2 نوع جنس آببندی سقف 98
3-3-3-3 پایۀ نگهدارنده سقف 99
3-3-3-4 سیستم تهویۀ هوا 101
3-3-3-5 سیستم زهکشی سقف 106
3-3-3-6 نردبان متحرک و سکوی اندازه‌گیری 113
3-3-3-7 سیستم اطفای حریق و دیوارۀ فوم (Foam Dam) 115
فصل 4 : ساخت مخزن 119
4-1 مقدمه 121
4-2 فونداسیون 122
4-3 قرارگیری ورق کف 123
4-4 نصب بدنه 126
4-5 آزمایش مخزن 126
4-5-1 آزمایش کف مخزن 126
4-5-2 آزمایش بدنه مخزن 129
4-5-3 آزمایش سقف شناور 129
فصل 5 : ملاحظات خاص 131
5-1 ملاحظات طراحی 132
5-1-1 ملاحظات طراحی فونداسیون 133
5-1-2 ملاحظات طراحی بدنه مخزن 135
5-2 ملاحظات ساخت 135
5-2-1 قطر اسمی نسبت به قطر داخلی 135
5-2-2 مستطیلی بودن ورق‌ها 136
5-2-3 آسیب باد 136
5-3 ملاحظات آزمایش 136
5-3-1 آزمون با آب/ آزمون آب 136
فصل 6 : نتیجه‌گیری 139
پیوست A محاسبه طراحی 143
پیوست B جوینت‌های جوشکاری 181
منابع 189
فهرست شکل‌ها
شکل 2-1 حوادث آتش‌سوزی و انفجار مخازن 10
شکل 2-2 انواع مخازن ذخیره‌سازی 11
شکل 2-3 انواع مخازن با سقف ثابت 12
شکل 2-4 سقف شناور از نوع پانتون تک عرشه‌ای (Bob. L & Bob. G،
صفحه 155) 13
شکل 2-5 سقف شناور از نوع عرشه دوبل (Bob. L & Bob. G، صفحه 155) 14
شکل 2-6 مخزن با سقف شناور تک عرشه‌ای (EEMUA، 2003، نسخه 1،
صفحه 15) 16
شکل 2-7 مخزن با سقف شناور عرشه دوبل (EEMUA، 2003، نسخه 1، صفحه 15) 16
شکل 2-8 ظرفیت و سطوح مخزن ذخیره سازی 19
شکل 2-9 طرح شماتیک مخزن میعان تثبیت شده 20
شکل 2-10 منحنی معافیت آزمایش اثرگذاری (ASME VIII، Div. 1، 2007، UCS-66) 26
شکل 2-11 انفجار مخزن (Bob. L & Bob. G، صفحه 26) 28
شکل 2-12 نمودار بارگذاری در بدنة یک مخزن 31
شکل 2-13 دوران نقطه اتصال بدنه به کف (Bob. L & Bob. G.، صفحه 47) 32
شکل 2-14 خم شدن سقف تک عرشه‌ای با آب باران سیلابی 33
شکل 2-15 بالا رفتن تراز سقف شناور از بدنه مخزن (Praveen، 2006) 36
شکل 2-16 کمانش پانتون (Tetsuaya، 2007) 37
شکل 2-17 کمانش الماسی (مخازن کوچک با ضخامت کم) (Praveen، 2006) 37
شکل 2-18 کمانش پا‌فیلی (مخازن بزرگ) (Praveen، 2006) 37
شکل 2-19 مخازن آتش گرفته (John، 2006) 38
شکل 2-20 تانک فارم آتش گرفته (Praveen، 2006) 38
شکل 2-21 آببندی مکانیکی 40
شکل 2-22 آببندی پارچه‌ای پر شده با مایع 41
شکل 2-23 تغییر مکان جانبی پایۀ نگهدارنده 42
شکل 2-24 سیستم لوله‌کشی مفصلی 43
شکل 2-25 سیستم لوله‌کشی فولادی منعطف در داخل مخزن 44
شکل 2-26 سیستم لوله‌کشی زهکشی مفصلی نصب شده در داخل مخزن 45
شکل 2-27 اتصال آزاد منعطف 45
شکل 2-28 دریچه‌های هواگیری (EEMUA، 2003، نسخه 1، صفحه 15) 46
شکل 2-29 سیستم اطفای حریق فومی 48
شکل 3-1 نیروهای طولی اعمالی بر استوانه نازک تحت فشار داخلی 52
شکل 3-2 نیروهای پیرامونی اعمالی بر استوانه تحت فشار داخلی 53
شکل 3-3 معادله ضخامت تنش پیرامونی برای معادله روش 1-Foot 55
شکل 3-4 طرح شماتیک دیوارۀ بدنه با ضخامت طراحی 56
شکل 3-5 مقطع معمول برای مهارکننده باد در بدنه 58
شکل 3-6 تیر T شکل ساخته‌شده برای wind girder فوقانی 59
شکل 3-7 ارتفاع بدنه تبدیل شده 61
شکل 3-8 تیر T شکل ساخته‌شده برای مهارکننده باد میانی 62
شکل 3-9 بررسی واژگونی مخزن در اثر بار اعمال شده ناشی باد 63
شکل 3-10 خلاصۀ نتیجه برای پایداری در برابر واژگونی ناشی از بار باد 65
شکل 3-11 نمودار لرزه‌ای برای یک مخزن با سقف شناور 65
شکل 3-12 طیف پاسخ طراحی برای مخازن ذخیره سازی مایعات که برروی زمین ساخته می‌شوند (API 650، 2007) 68
شکل 3-13 ضریب دوره تلاطم، Ks (API 650، 2007) 70
شکل 3-14 منحنی طیف پاسخ 73
شکل 3-15 وزن مؤثر نسبت مایع (API 650، 2007) 74
شکل 3-16 مرکز کنش برای نیروهای مؤثر (API 650، 2007) 75
شکل 3-17 لنگر لرزه‌ای و نمودار نیرو 77
شکل 3-18 الزام ورق محیطی کف 79
شکل 3-19 موج متلاطم مایع درون مخزن 82
شکل 3-20 سقف شناور تک عرشه‌ای 83
شکل 3-21 عرشه مرکزی دارای 2 سوراخ بخش مجاور 84
شکل 3-22 حداقل مقادیر مورد نیاز برای سقف شناور پانتون single deck (EEMUA، 2003، نسخه 1، صفحه 118) 85
شکل 3-23 حالت 1- بار مرده 85
شکل 3-24 حالت 2- بار مرده + 10 اینچ جمع شدگی باران 86
شکل 3-25 (الف) تغییر مکان عرشه در حالت 1 (ب) تغییر مکان عرشه در حالت 2 87
شکل 3-26 نیروهای شعاعی اعمالی بر لبه داخلی پانتون- تعداد بارهای نقطه‌ای در هر میلیمتر برابر رابطه فوق است. 90
شکل 3-27 جزئیات مقطع پانتون 91
شکل 3-28 لوازم و تجهیزات استاندارد برای سقف تک عرشه‌ای 92
شکل 3-29 آویز پانتوگراف (برگرفته از VACONOSEAL) 94
شکل 3-30 آویز قیچی (برگرفته از HMT) 95
شکل 3-31 آویز پانتوگراف کاملاً مونتاژ شده (برگرفته از WB) 95
شکل 3-32 مقطع انتهایی آویز پانتوگراف (برگرفته از WB) 96
شکل 3-33 آب‌بند پر شده با فوم (برگرفته از VACONOSEAL) 96
شکل 3-34 آب‌بند پر شده با مایع (برگرفته از VACONOSEAL) 97
شکل 3-35 آب‌بند ثانویه (برگرفته از VACONOSEAL) 98
شکل 3-36 تعداد و موقعیت پایه‌های نگهدارنده 100
شکل 3-37 (الف) عملکرد دریچۀ تهویه در طول دَم (آغاز) (ب) عملکرد دریچۀ تهویه در طول بازدَم (خاتمه) 102
شکل 3-38 (الف) عملکرد دریچۀ تهویه در طول بازدَم (آغاز) (ب) عملکرد دریچۀ تهویه در طول بازدَم (خاتمه) 103
شکل 3-39 (الف) زهکشی سقف با بالا رفتن سقف و (ب) زهکشی سقف با پایین آمدن سقف 106
شکل 3-40 سیستم لوله‌کشی زهکشی مفصلی 107
شکل 3-41 (الف) مفصل آزاد معمول در سیستم لوله‌کشی زهکشی مفصلی (ب) مونتاژ مفصل آزاد (برگرفته از WB) 108
شکل 3-42 سیستم لوله‌کشی زهکشی منعطف 109
شکل 3-43 (الف) مقطع داخلی لوله COFLEXIP (برگرفته از TECHNIP-COFLEXIP) 1- جنس اصلی فولاد ضد زنگ (بدون امکان شکسته شدن) AISI 304. 2- غلاف پلاستیکی خارجی (RILSAN) (ب) لوله COFLEXIP در ابعاد مختلف (برگرفته از TECHNIP-COFLEXIP) 110
شکل 3-44 اتصال انتهایی لوله COFLEXIP (برگرفته از TECHNIP-COFLEXIP) 110
شکل 3-45 سیستم لوله‌کشی زهکشی منعطف نصب‌شده در مخازن مختلف 111
شکل 3-46 تصویر نردبان متحرک و سکوی اندازه‌گیری در یک مخزن با سقف شناور 114
شکل 3-47 نردبان متحرک و سکوی اندازه‌گیری نصب‌شده در یک مخزن با سقف شناور 114
شکل 3-48 چیدمان عمومی محفظه‌های متعدد فوم در مخزن با سقف شناور (NFPA 11، صفحه 53) 115
شکل 3-49 (الف) حفاظت از آتش برای مخازن با سقف شناور (ب) محفظه فوم 116
شکل 3-50 دیواره فوم معمول (NFPA 11، ص 20) 117
شکل 4-1 (الف) مونتاژ تدریجی و جوشکاری و مونتاژ کامل پس از جوشکاری روش درز افقی برای مخازن قائم جوشی (PTS، 1986) (ب) روش بلند کردن و شناوری برای مخازن قائم جوشی (PTS، 1986) 121
شکل 4-2 فونداسیون مخزن با بولت‌های مهاری نصب شده 122
شکل 4-3 طرح کلی چیدمان ورق‌های کف (PTS، 1986) 123
شکل 4-4 ورق‌های کف قرار گرفته بر روی فونداسیون 124
شکل 4-5 مقطع عرضی اتصال معمول در همپوشانی سه‌ورق کف 125
شکل 4-6 جزئیات جوشکاری برای ورق کف 125
شکل 4-7 تکمیل نصب کورس اول مخزن 126
شکل 4-8 (الف) نصب کورس‌های بالایی- داخل مخزن (ب) نصب کورس‌های بالایی- بیرون مخزن 127
شکل 4-9 جعبه خلأ و پمپ (PTS، 1986) 128
شکل 5-1 حداکثر نشست مجاز (EEMUA، 2003، نسخه 1، ص 82) 134
شکل 5-2 حداکثر روادای برای خروج از محور عمودی بدنه مخزن (EEMUA، 2003، نسخه 1، 81) 135
شکل 5-3 همراستایی ورق‌های بدنه برای جوشکاری 136
فهرست جدول‌ها
جدول 2-1 اطلاعات مربوط به طراحی فرایند 21
جدول 2-2 اطلاعات نازل 21
جدول 2-3 نتایج مربوط به حساسیت نرخ خورندگی برای شرایط 50% تابستان و 50% زمستان 24
جدول 2-4 جدول تنش برای SA 516 Gr 65N 25
جدول 2-5 مشخصات مواد برای مخزن کاندنسیت 26
جدول 2-6 راهنمای انتخاب مواد (Moss، ارجاع شده در Bednar، 1991). 27
جدول 2-7 جدول مقایسه قوطی لوبیای پخته و مخزن 28
جدول 2-8 (الف) الزامات مربوط به اتصالات در بدنه مخازن (PTS، 1986) 39
جدول 2-8 (ب) الزامات مربوط به اتصالات در سقف شناور (PTS، 1986) 39
جدول 3-1 خلاصه‌ای از ضخامت طراحی دیواره بدنه 55
جدول 3-2 مقدار Fa به عنوان تابعی از گروه سایت (API 650، 2007) 71
جدول 3-3 مقدار Fv به صورت تابعی از گروه سایت (API 650، 2007) 71
جدول 3-4 ضرایب تصحیح پاسخ برای روش‌های ASD (API 650، 2007) 72
جدول 3-5 خلاصه‌ای از پارامترهای طراحی 72
جدول 3-6 معیار نسبت مهاربندی (API 650، 2007) 78
جدول 3-7 خلاصه نتایج برای حداکثر تغییر مکان و تنش‌ها در عرشه مرکزی 89
جدول 3-8 خلاصه‌ای از نتایج برای پایداری پانتون محیطی 92
جدول 3-9 مادۀ متداول برای انتخاب محصول 99
جدول 3-10 مشخصات ماده آببندی معمول (EEMUA، 2003، نسخه 1،
صفحه 118) 99
جدول 3-11 خلاصه‌ای از نتایج برای پایه‌های نگهدارندۀ سقف 101
جدول 3-12 نمودار طول لوله‌های معادل [NFPA 15, p15] 113
