أسطوانة غاز مضغوط
أسطوانة الغاز (إنگليزية: gas cylinder)، هي وعاء ضغط يستخدم لتخزين واحتواء الغازات فوق الضغط الجوي. أسطوانات الغاز عالية الضغط تسمى أيضاً عبوات. داخل الأسطوانة، قد تكون المحتويات المخزنة في حالة غاز مضغوط، أو بخار فوق سائل، سوائل فوق حرجة، أو مذاب في مادة مركزة، اعتماداً على الخصائص الفيزيائية للمحتويات. يكون تصميم أسطوانة الغاز النموذجي ممدود، ويقف في وضع مستقيم على طرف سفلي مسطح، مع وجود الصمام وتركيبه في الأعلى للتوصيل بجهاز الاستقبال.
لا ينبغي الخلط بين المصطلح أسطوانة في هذا السياق و خزان، فالأخيرة عبارة عن حاوية مفتوحة أو ذات فتحات تهوية تخزن السوائل تحت تأثير الجاذبية.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
المواد
فرضت رموز التصميم ومعايير التطبيق وتكلفة المواد اختيار الفولاذ بدون لحام لمعظم أسطوانات الغاز؛ يتم معالجة الفولاذ لمقاومة التآكل. بعض أسطوانات الغاز خفيفة الوزن المطورة حديثًا مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والمواد المركبة. نظراً لقوة الشد العالية جداً لـ الپوليمر المقوى بألياف الكربون، يمكن أن تكون هذه الأوعية خفيفة جداً، ولكن يصعب تصنيعها.[1]
عادةً ما يجب فحص الأسطوانات المقواة أو المبنية بمادة ليفية أكثر من الأسطوانات المعدنية، على سبيل المثال، كل 5 سنوات بدلاً من 10 سنوات، ويجب فحصها بدقة أكثر من الأسطوانات المعدنية.
زادت فترة فحص الاسطوانات الفولاذية من 5 أو 6 سنوات إلى 10 سنوات. [بحاجة لمصدر] يجب فحص أسطوانات الغطس المستخدمة في المياه في كثير من الأحيان. عندما تبين أنها أصبحت أقل أماناً، تم سحب بعض سبائك الصلب والألومنيوم من الخدمة.
الأسطوانات المصنوعة من الألياف المركبة أولاً عندما تكون محددة بعمر محدود يبلغ 15 أو 20 أو 30 عاماً، بينما يتم سحب الأسطوانات الفولاذية في الوقت الحاضر بعد 70 عاماً. [بحاجة لمصدر] منذ بعض السنوات، تم ترشيح أسطوانات مركبة لفترة عمل غير محدودة (NLL)، طالما لا يمكن رؤية أي ضرر.
أنواع الأسطوانات
منذ أن تم استخدام المواد المركبة من الألياف الزجاجية لتقوية الأسطوانات، هناك أنواع مختلفة من بناء أوعية الضغط العالي:[بحاجة لمصدر][مطلوب توضيح]
- المعدن فقط. معظمها معدن مصوغ غير ملحوم. ولكن بالنسبة لضغط العمل المنخفض، على سبيل المثال، البيوتان المسال، توجد أوعية فولاذية ملحومة أيضاً.
- وعاء معدني، حلقة ملفوفة بمركب ليفي فقط حول الجزء الأسطواني من "الأسطوانة". (هندسياً، هناك حاجة إلى ضعف مقاومة الشد على المنطقة الأسطوانية مقارنة بالأغطية الكروية للأسطوانة.)
- بطانة معدنية رقيقة (تحافظ على الوعاء مشدوداً، ولكنها لا تساهم في ضغط العمل) مغلفة بالكامل بألياف في مادة مصفوفة.
- بطانة خالية من المعدن من البلاستيك ومغلفة بالكامل بمواد من الألياف. لا يزال المسمار، مركز رأس (رؤوس) الأسطوانة من المعدن ويتضمن الخيط الخاص بالصمام.
يمكن أيضاً تصنيف أوعية الضغط لتخزين الغاز حسب الحجم. في جنوب إفريقيا، تتضمن أسطوانة تخزين الغاز حاوية قابلة للنقل قابلة لإعادة الملء بسعة مائية تصل إلى 150 لتراً. يشار إلى الحاويات الأسطوانية القابلة للنقل القابلة لإعادة الملء من 15 إلى 3000 لتر من سعة المياه بالأنابيب.[2]
التنظيمات واختبارات الأسطوانات
يتم تنظيم نقل أسطوانات الضغط العالي من قبل العديد من الحكومات في جميع أنحاء العالم. تتطلب السلطة الحاكمة عموماً مستويات مختلفة من الاختبارات للبلد الذي سيتم نقله فيه. في الولايات المتحدة، هذه السلطة هي وزارة النقل الأمريكية (DOT). وبالمثل في المملكة المتحدة، يتم تنفيذ لوائح النقل الأوروبية (ADR) من قبل وزارة النقل (DfT). بالنسبة لكندا، هذه السلطة هي هيئة النقل الكندية (TC). قد يكون للأسطوانات متطلبات إضافية موضوعة على التصميم و / أو الأداء من وكالات اختبار مستقلة مثل مختبرات أندررايترز (UL). يتعين على كل مصنع لأسطوانات الضغط العالي أن يكون لديه وكيل جودة مستقل يقوم بفحص المنتج من حيث الجودة والسلامة.
داخل المملكة المتحدة، تنفذ السلطة المختصة — وزارة النقل (DfT)؛ اللوائح وتعيين مختبري الأسطوانات المعتمدين بواسطة خدمة اعتماد المملكة المتحدة (UKAS)، الذين يقدمون التوصيات إلى وكالة اعتماد المركبات (VCA) للموافقة على الهيئات الفردية.
هناك مجموعة متنوعة من الاختبارات التي يمكن إجراؤها على اسطوانات مختلفة. بعض أنواع الاختبارات الأكثر شيوعاً هي الاختبار الهيدروستاتيكي واختبار الاندفاع و مقاومة الشد القصوى و اختبار تأثير شارپي ودورة الضغط.
أثناء عملية التصنيع، عادةً ما يتم ختم المعلومات الحيوية أو تمييزها بشكل دائم على الأسطوانة. تتضمن هذه المعلومات عادةً نوع الأسطوانة، وضغط العمل أو الخدمة، والرقم التسلسلي، وتاريخ التصنيع، ورمز التصنيع المسجل وأحياناً ضغط الاختبار. يمكن أيضاً ختم المعلومات الأخرى، اعتماداً على متطلبات التنظيم.
يمكن اختبار الأسطوانات عالية الضغط التي يتم استخدامها عدة مرات - كما هو الحال في معظم الأحيان - واختبارها هيدروستاتيكياً أو فوق صوتياً وفحصها بصرياً كل بضع سنوات.[3]في الولايات المتحدة، يُطلب الاختبار الهيدروستاتيكي / بالموجات فوق الصوتية إما كل خمس سنوات أو كل عشر سنوات، اعتماداً على الأسطوانة وخدمتها.
وصلات الصمام
تحتوي أسطوانات الغاز على زاوية توقف صمام في نهاية الجزء العلوي. أثناء التخزين والنقل والمعالجة عندما لا يكون الغاز قيد الاستخدام، قد يتم تثبيت غطاء فوق الصمام البارز لحمايته من التلف أو الانهيار في حالة سقوط الأسطوانة. بدلاً من الغطاء، تحتوي الأسطوانات عادةً على طوق واقٍ أو حلقة عنق حول مجموعة صمام النظام.
عندما يتم استخدام الغاز الموجود في الأسطوانة عند ضغط منخفض، يتم نزع الغطاء ويتم توصيل مجموعة تنظيم الضغط بالصمام الحابس. يحتوي هذا المرفق عادةً على منظم ضغط مع المنبع (مدخل) والمصب (مخرج) مقاييس الضغط ووصلة أخرى صمام إبري ووصلة مخرج. بالنسبة للغازات التي تظل غازية في ظل ظروف التخزين المحيطة، يمكن استخدام مقياس ضغط المنبع لتقدير كمية الغاز المتبقية في الأسطوانة وفقاً للضغط. بالنسبة للغازات السائلة تحت التخزين، على سبيل المثال، البروپان، يعتمد ضغط المخرج على ضغط البخار للغاز، ولا يسقط حتى تنفد الأسطوانة تقريباً على الرغم من أنها ستختلف وفقاً لدرجة حرارة الأسطوانة محتويات. يتم ضبط المنظم للتحكم في ضغط المصب، والذي سيحد من أقصى تدفق للغاز من الأسطوانة عند الضغط الموضح بواسطة مقياس المصب. وصلة المنفذ متصلة بكل ما يحتاج إلى إمداد الغاز، مثل البالون على سبيل المثال. لبعض الأغراض، مثل اللحام، سيكون للمنظم أيضاً مقياس التدفق على جانب المصب.
عادةً ما تكون الصمامات الموجودة في الأسطوانات الصناعية والطبية والغوص ذات أحجام وأنواع مختلفة، وكذلك الصمامات الخاصة بفئات الغازات المختلفة، مما يزيد من صعوبة إساءة استخدام الغاز عن طريق الخطأ. على سبيل المثال، لا تتلاءم أسطوانة الهيدروجين مع خط إمداد الأكسجين الذي سينتهي بفشل ذريع. تستخدم بعض التركيبات الخيط الأيمن، بينما يستخدم البعض الآخر الخيط الأيسر؛ عادةً ما يمكن التعرف على التركيبات الخيطية اليسرى من خلال الشقوق أو الأخاديد المقطوعة فيها.
في الولايات المتحدة، يُشار أحياناً إلى توصيلات الصمامات باسم "وصلات CGA"، نظراً لأن Compressed Gas Association (CGA) تنشر إرشادات حول التوصيلات التي يجب استخدامها لأي منتجات؛ على سبيل المثال، في الولايات المتحدة، سيكون لأسطوانة الأرگون وصلة CGA 580 على الصمام.
تستخدم الغازات عالية النقاء أحيانًا CGA-DISS ("نظام أمان مؤشر القطر").
قد تستخدم الغازات الطبية نظام أمان مؤشر الدبوس لمنع التوصيل غير الصحيح للغازات بالنظام.
في الاتحاد الأوروبي، تعد اتصالات DIN أكثر شيوعاً منها في الولايات المتحدة.
في المملكة المتحدة، تضع مؤسسة المعايير البريطانية المعايير. من بين المعايير استخدام الصمامات الملولبة اليسرى لأسطوانات الغاز القابلة للاشتعال (النحاس الأكثر شيوعاً، BS4، الصمامات لمحتويات الأسطوانة غير القابلة للتآكل أو الفولاذ المقاوم للصدأ، BS15، الصمامات للمحتويات المسببة للتآكل). تم تجهيز أسطوانات الغاز غير القابلة للاشتعال بصمامات ملولبة يمنى (معظمها نحاس، BS3، صمامات للمكونات غير القابلة للتآكل أو الفولاذ المقاوم للصدأ، BS14، صمامات المكونات المسببة للتآكل).[4]
| نوع الغاز | منفذ صمام CGA (الولايات المتحدة الأمريكية) | منفذ صمام BS (المملكة المتحدة)[4] |
|---|---|---|
| الأسيتيلين | 510 | 2, 4 |
| هواء للتنفس | 346, 347 | 3 |
| هواء صناعي | 590 | 3 |
| آرگون | 580, 718, 680 (3500 psi), 677 (6000 psi) | 3 |
| البيوتان | 510 | 4 |
| ثنائي أكسيد الكربون | 320, 716 | 8 |
| أحادي أكسيد الكربون | 350, 724 | 4 |
| كلور | 660, 728 | 6 |
| هليوم | 580, 718, 680 (3500 psi) | 3 |
| الهيدروجين | 350, 724, 695 (3500 psi) | 4 |
| ميثان | 350 | 4 |
| نيون | 580, 718 | 3 |
| نيتروجين | 580, 718, 680 (3500 psi), 677 (6000 psi) | 3 |
| أكسيد النيتروز | 326, 712 | 13 |
| أكسجين | 540, 714 | 3 |
| مخاليط الأكسجين(>23.5%) | 296 | تسري إرشادات أخرى |
| پروپان | 510 | 4 |
| زينون | 580, 718 | 3 |
المعايير والسلامة
نظراً لأن المحتويات تخضع للضغط وأحياناً تكون مواد خطرة، يتم تنظيم التعامل مع الغازات المعبأة. قد تشمل اللوائح ربط الزجاجات لمنع السقوط وإتلاف الصمام، والتهوية المناسبة لمنع الإصابة أو الوفاة في حالة التسرب واللافتات للإشارة إلى المخاطر المحتملة إذا انقلبت أسطوانة غاز مضغوط، مما تسبب في قطع كتلة الصمام، قد يؤدي إطلاق الغاز عالي الضغط إلى تسريع الأسطوانة باتقاد، مما قد يتسبب في تلف الممتلكات أو الإصابة أو الوفاة. لمنع حدوث ذلك، يتم عادةً تأمين الأسطوانات بجسم ثابت أو عربة نقل بحزام أو سلسلة.
في الحريق، الضغط في أسطوانة غاز يرتفع بالتناسب المباشر مع درجة حرارتها. إذا تجاوز الضغط الداخلي الحدود الميكانيكية للأسطوانة ولم تكن هناك وسيلة لتنفيس الغاز المضغوط بأمان في الغلاف الجوي، فإن الوعاء سيفشل ميكانيكياً. إذا كانت محتويات الوعاء قابلة للاشتعال، فقد ينتج عن هذا الحدث "كرة نارية".[5] ستنتج المؤكسدات مثل الأكسجين والفلور تأثيراً مشابهاً عن طريق تسريع الاحتراق في المنطقة المتأثرة. إذا كانت محتويات الأسطوانة سائلة، ولكنها أصبحت غازاً في الظروف المحيطة، يُشار إلى هذا عادةً باسم انفجار بخار سائل مغلي ممدد (BLEVE).
تحتوي أسطوانات الغاز الطبي في المملكة المتحدة وبعض البلدان الأخرى على قابس قابل للانصهار من معدن وود في كتلة الصمام بين مركز الصمام والأسطوانة.[بحاجة لمصدر] هذا القابس يذوب في درجة حرارة منخفضة نسبياً (70 °C) ويسمح لمحتويات الأسطوانة بالخروج إلى المناطق المحيطة قبل أن تضعف الأسطوانة بشكل كبير بفعل الحرارة، مما يقلل من خطر الانفجار.
أكثر وسائل تخفيف الضغط شيوعاً هي قرص انفجار بسيط مثبت في قاعدة الصمام بين الأسطوانة وقاعدة الصمام. قرص الانفجار هو حشية ميكانيكية معدنية صغيرة مصمم ليتمزق عند ضغط محدد مسبقاً. يتم دعم بعض الأقراص المتفجرة بمعدن ذي نقطة انصهار منخفضة، بحيث يجب أن يتعرض الصمام للحرارة الزائدة قبل أن يتمزق قرص الانفجار.[بحاجة لمصدر]
تنشر جمعية الغاز المضغوط عدداً من الكتيبات والنشرات حول التعامل الآمن مع الغازات المعبأة واستخدامها.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
المعايير الدولية والوطنية
الترميز اللوني
غالباً ما تكون أسطوانات الغاز مرمزة لونياً، لكن الرموز ليست قياسية في مختلف ولايات قضائية مختلفة، وفي بعض الأحيان لا يتم تنظيمها. لا يمكن استخدام لون الأسطوانة بأمان لتحديد المنتج الإيجابي؛ وتحتوي الأسطوانات على ملصقات لتحديد الغاز الذي تحتويه.
أحجام الأسطوانات الشائعة
فيما يلي أمثلة على أحجام الأسطوانات ولا تشكل معياراً صناعياً.
| حجم الاسطوانة. | القطر× الارتفاع، بما في ذلك 5.5 بوصة للصمام والغطاء (بوصة) |
الوزن الفارغ الاسمي، بما في ذلك رطل للصمام والغطاء (lb) |
سعة الماء (lb) |
الحجم الداخلي، 70 °F (21 °C), 1 atm |
U.S. DOT specs | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (لتر) | (cu. ft) | |||||
| 2HP | 9 × 51 | 187 | 43.3 | 1.53 | 3AA3500 | |
| K | 9.25 × 60 | 135 | 110 | 49.9 | 1.76 | 3AA2400 |
| A | 9 × 51 | 115 | 96 | 43.8 | 1.55 | 3AA2015 |
| B | 8.5 × 31 | 60 | 37.9 | 17.2 | 0.61 | 3AA2015 |
| C | 6 × 24 | 27 | 15.2 | 6.88 | 0.24 | 3AA2015 |
| D | 4 × 18 | 12 | 4.9 | 2.24 | 0.08 | 3AA2015 |
| AL | 8 × 53 | 52 | 64.8 | 29.5 | 1.04 | 3AL2015 |
| BL | 7.25 × 39 | 33 | 34.6 | 15.7 | 0.55 | 3AL2216 |
| CL | 6.9 × 21 | 19 | 13 | 5.9 | 0.21 | 3AL2216 |
| XL | 14.5 × 50 | 75 | 238 | 108 | 3.83 | 4BA240 |
| SSB | 8 × 37 | 95 | 41.6 | 18.9 | 0.67 | 3A1800 |
| 10S | 4 × 31 | 21 | 8.3 | 3.8 | 0.13 | 3A1800 |
| LB | 2 × 15 | 4 | 1 | 0.44 | 0.016 | 3E1800 |
| XF | 12 × 46 | 180 | 60.9 | 2.15 | 8AL | |
| XG | 15 × 56 | 149 | 278 | 126.3 | 4.46 | 4AA480 |
| XM | 10 × 49 | 90 | 120 | 54.3 | 1.92 | 3A480 |
| XP | 10 × 55 | 55 | 124 | 55.7 | 1.98 | 4BA300 |
| QT | 3 × 14 (يشمل 4.5 بوصة للصمام) | 2.5 (يشمل 1.5 رطل للصمام) | 2.0 | 0.900 | 0.0318 | 4B-240ET |
| LP5 | 12.25 × 18.25 | 18.5 | 47.7 | 21.68 | 0.76 | 4BW240 |
| Medical E | 4 × 26 (لا يشمل الصمام والغطاء) | 14 (لا يشمل الصمام والغطاء) | 4.5 | 0.16 | 3AA2015 | |
أنابيب تخزين الغاز
لوحدات تخزين الغاز ذات الضغط العالي ذات الحجم الأكبر، والمعروفة باسم الأنابيب، متوفرة. عادةً ما يكون قطرها وطولها أكبر من أسطوانات الضغط العالي ، وعادةً ما يكون لها عنق مرن عند كلا الطرفين. يمكن تركيبها بمفردها أو في مجموعات على مقطورات، أو قواعد دائمة، أو إطارات نقل متعدد الوسائط. نظراً لطولها، يتم تثبيتها أفقياً على هياكل متحركة. في الاستخدام العام، غالباً ما يتم تجميعها معاً وإدارتها كوحدة واحدة.
بنوك تخزين الغاز
يمكن تركيب مجموعات ذات حجم مماثل من الأسطوانات معًا وتوصيلها بنظام مشعب مشترك لتوفير سعة تخزين أكبر من الأسطوانة القياسية المفردة. يسمى هذا عادةً بنك الأسطوانة أو بنك تخزين الغاز. يمكن ترتيب المشعب للسماح بالتدفق المتزامن من جميع الأسطوانات ، أو من أجل نظام تعبئة متتالي ، حيث يتم سحب الغاز من الأسطوانات وفقًا لأدنى فرق ضغط إيجابي بين التخزين وأسطوانة الوجهة ، وهو استخدام أكثر كفاءة من الغاز المضغوط.
صفوف التخزين
رباعي أسطوانات الغاز عبارة عن مجموعة من أسطوانات الضغط العالي المركبة على إطار النقل والتخزين. يوجد عادةً 16 أسطوانة، سعة كل منها حوالي 50 لتراً مثبتة في أربعة صفوف من أربعة، على قاعدة مربعة بإطار مخطط مربع مع نقاط رفع في الأعلى وقد تحتوي على فتحات رافعة تفرعية في القاعدة. عادة ما تكون الأسطوانات متصلة ببعضها البعض كمشعب لاستخدامها كوحدة واحدة، ولكن من الممكن وجود العديد من الاختلافات في التصميم والهيكل.
انظر أيضاً
المصادر
- ^ See Composite overwrapped pressure vessel for details
- ^ South African National Standard SANS 10019:2008 Transportable containers for compressed, dissolved and liquefied gases – Basic design,manufacture, use and maintenance (6th ed.). Pretoria, South Africa: Standards South Africa. 2008. ISBN 978-0-626-19228-0.
- ^ Henderson, N. C.; Berry, W. E.; Eiber, R. J.; Frink, D. W. (1970). "Investigation of scuba cylinder corrosion, Phase 1". National Underwater Accident Data Center Technical Report Number 1. University of Rhode Island. Retrieved 2016-01-11.
- ^ أ ب BS 341-3:2002, British Standards Institution, 389 Chiswick High Road, London, W4 4AL.
- ^ "Incident Insights – Trust But Verify". Divers Alert Network.