การออกแบบและการวิเคราะห์เชิงตัวเลขสำหรับอิทธิพลของรูปทรงและตำแหน่งการติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงต่อการตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังเก็บสารเคมีแบบผนังสองชั้นภายใต้สภาวะการรับความดันภายนอก

บทคัดย่อ

ปริญญานิพนธ์นี้ศึกษาวิจัยเพื่อปรับปรุงการออกแบบโครงสร้างถังเก็บสารเคมีอุณหภูมิต่า แบบผนังสองชั้น เนื่องจากพบว่าแบบจาลองเดิม ไม่สามารถต้านทานภาระกรรมได้หลังผ่านการใช้งาน 20 ปี จากผนังที่มีการกัดกร่อน (Corrosion) รวมถึงบริเวณ ช่องทางเข้าซ่อมบารุง (Manhole) มีค่า ความเค้นเกินเกณฑ์มาตรฐาน API 650 หรือ มาตรฐานสากลจากสถาบันปิโตรเลียมอเมริกัน เมื่อ เผชิญสภาวะวิกฤต การวิจัยดาเนินการด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ เพื่อวิเคราะห์การตอบสนองเชิง โครงสร้างภายใต้แรงลม แรงดันภายใน สภาวะสุญญากาศ และการกัดกร่อน ผลการวิเคราะห์นาไปสู่ การ ออกแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรงใหม่ และการปรับปรุงโครงสร้างเสริมความแข็งแรงบริเวณ ช่องทางเข้าซ่อมบารุงโดยใช้แผ่นเสริมความแข็งแรงช่องเปิด เพื่อเพิ่มเสถียรภาพและต้านทานการโก่ง ตัว ให้สอดคล้องกับมาตรฐานความปลอดภัยตลอดอายุการใช้งานของถังเก็บสารเคมี คาสาคัญ: ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ / ถังเก็บสารเคมีผนัง สองชั้น / การโก่งเดาะ / วงแหวนเสริม ความแข็งแรง / แผ่นเสริมความแข็งแรงช่องเปิด Name Thesis Title Natapohn Phomsen Tatcha Suwannarat Dollapat Lerstviriyajitt Design of Wind Girder Geometry and Layout for a Double-walled Chemical Storage Tank under External Loading Conditions Department Mechanical and Aerospace Engineering Advisor Assoc.Prof. Chinarong Srikulwong, Ph.D. Academic year 2025 Abstract This research investigates the structural integrity of Double-walled chemical storage tanks, specifically addressing the failure of existing designs after 20 years of service life due to corrosion. Finite Element Analysis (FEA) revealed that the original structure lacks sufficient buckling resistance, and the maintenance manholes exhibit stress concentrations exceeding API 650 standards. The study develops an optimized wind girder configuration and reinforced manhole designs to withstand critical loading conditions, including wind loads, internal pressure, and vacuum. The results provide a practical framework for enhancing structural stability and ensuring long-term safety compliance for large-scale chemical storage units. Keywords: Finite Element Analysis / Double-walled Chemical Storage Tank / Buckling / Wind girder / Reinforcement pad กิตติกรรมประกาศ โครงงานเรื่อง “การออกแบบรูปทรงและการจัดวางวงแหวงเสริมความแข็งแรงของถังเก็บ สารเคมี แ บบผนั ง สองชั้ น ภายใต้ ส ภาวะแรงดั น ภายนอก”ฉบั บ นี้ สาเร็ จ ลุ ล่ ว งไปได้ ด้ ว ยดี ตาม วัตถุประสงค์ของโครงงานที่มุ่งเน้นในการศึกษาผลตอบสนองเชิงโครงสร้างและออกแบบวงแหวนเสริม ความแข็งแรงด้วยระเบียบวิธีเชิงไฟไนต์ คณะผู้จัดทาขอกราบขอบพระคุณ รศ.ดร.ชัยณรงค์ ศรีกุลวงศ์ ที่ปรึกษาโครงงาน ที่คอยให้คาแนะนาและคอยเสนอความเห็นอันเป็นประโยชน์แก่โครงงาน ขอขอบคุณ บริษัท พีทีที โกลบอล เคมิคอล จากัด (มหาชน) สาหรับ การมอบข้อมูลเชิงลึก ของถังอุตสาหกรรมอันได้ใช้เป็นต้นแบบในการศึกษาครั้งนี้ และวิศวกรของบริษัทที่เข้ามามีส่วนร่วมให้ ความช่วยเหลือ รวมถึงเอื้ออานวยในการศึกษาดูงานภายในพื้นที่การผลิตของบริษัทเช่นกัน ขอขอบคุณ ดร.สิริพงษ์ ดาวเจริญพร อาจารย์ประจาภาควิชาวิศวกรรมศาสตร์ที่ ให้ความ ช่วยเหลือด้านอุปกรณ์และทรัพยากรสาหรับการดาเนินโครงงานครั้งนี้ รวมไปถึงข้อแนะนาที่เป็น ประโยชน์ต่าง ๆ ที่ทาให้โครงงานสาเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดี ขอขอบคุณ ภาควิชาวิศวกรรมศาสตร์ วิศวกรรมเครื่องกลและการบิน -อวกาศ สาหรับทุน สนับสนุนในการดาเนินโครงงานและคณะกรรมการโครงงานทุกท่านสาหรับ คาติชมและคาแนะนา ทั้งหลายที่ทาให้ทราบถึงข้อผิดพลาดและจุดที่ต้องพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อให้โครงงานสมบูรณ์ยิ่งขึ้น ท้ายที่สุดของความสาเร็จในครั้งนี้ คณะผู้จัดทาขอขอบพระคุณทุกท่านที่เข้ามามีส่วนร่วมใน การจัดทาปริญญานิพนธ์ชิ้นนี้จนสาเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดี ทั้งบุค คลที่ได้ถูกกล่าวถึงและยังไม่ได้ถูก กล่าวถึงขอขอบพระคุณบิดา มารดา ที่ให้ชีวิตและสติปัญญา รวมถึงบุคคลใกล้ชิด พี่น้อง และทุก ๆ คนที่สนับสนุนในทุกทางที่สามารถทาได้และช่วยเหลือทุกอย่างด้วยดีเสมอมา คุณค่าที่เกิดจากการทา โครงงานในครั้งนี้ ขอมอบคุณค่านั้นแด่พวกท่านทุกคนที่ให้การสนับสนุน ให้ความช่วยเหลือ ความ ห่วงใย และให้กาลังใจแก่คณะผู้จัดทาตลอดมา หากมีสิ่งใดบกพร่อง ผู้จัดทาของน้อมรับไว้และขออภัย ไว้ ณ โอกาสนี้ นายณัฐพร นายธัฌฌา นายดลภัทร ก พรมเสน สุวรรณรัตน์ เลิศวิริยจิตต์ 1. สารบัญ 1. สารบัญ ..................................................................................................................................... ข 2. สารบัญภาพ .............................................................................................................................. ช 3. สารบัญตาราง ........................................................................................................................... ฎ 4. สารบัญสมการ .......................................................................................................................... ฏ 1. บทที่1 บทนา ............................................................................................................................1 1.1. ที่มาและความสาคัญ ........................................................................................................1 1.2. วัตถุประสงค์ของโครงงาน ................................................................................................2 1.3. ขอบเขตการทางาน ..........................................................................................................3 1.4. ประโยชน์ที่จะได้รับ ..........................................................................................................4 1.5. งบประมาณ ......................................................................................................................4 1.6. แผนการดาเนินงาน ..........................................................................................................5 2. บทที่2 งานวิจัยและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ........................................................................................7 2.1. เกริ่นนา ............................................................................................................................7 2.2. ถังอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ทรงกระบอก ............................................................................7 2.3. การจัดประเภทของถังกักเก็บก๊าซเหลวอุณหภูมิต่า ...........................................................7 2.3.1. ถังแบบหนึ่งชั้นกักเก็บ (Single containment) ......................................................8 2.3.2. ถังแบบสองชั้นกักเก็บ (Double containment) ....................................................9 2.3.3. ถังกักเก็บเต็มรูปแบบ (Full containment) ...........................................................9 2.4. รายละเอียดของถัง ........................................................................................................ 10 2.5. การออกแบบของตัวถัง .................................................................................................. 11 2.5.1. การคานวณแรงภายใน ......................................................................................... 11 2.5.2. การออกแบบผนัง ................................................................................................. 12 2.5.3. การโก่งตัวของถังจากแรงภายนอก ....................................................................... 13 2.5.4. การออกแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรง ............................................................. 14 ข 2.5.5. 2.6. การหาตาแหน่งที่เหมาะสมสาหรับการติดตั้งวงแหวน ........................................... 14 ภาระกรรมที่เกิดกับตัวถัง .............................................................................................. 15 2.6.1. แรงลม.................................................................................................................. 16 2.6.2. ความดันสุญญากาศ.............................................................................................. 16 2.6.3. ความดันจากของเหลวในตัวถัง ............................................................................. 17 2.6.4. ความดันจากฉนวนเพอร์ไลท์ ................................................................................ 17 2.6.5. แรงจากน้าหนักของโครงสร้าง .............................................................................. 18 2.7. การวิเคราะห์ความเค้นที่เกิดขึ้นกับถังทรงกระบอก........................................................ 18 2.7.1. ความเค้นตามแนวเส้นรอบวง ( Hoop stress ) ................................................... 19 2.7.2. ความเค้นตามแนวยาว (Longitudinal stress) .................................................... 19 2.8. การวิเคราะห์หาความดันวิกฤติอันก่อให้เกิดการเสียรูปของถังทรงกระบอก ................... 20 2.9. วัสดุสาหรับโครงสร้างถัง ................................................................................................ 21 2.9.1. A283-C................................................................................................................ 21 2.9.2. SS316L ............................................................................................................... 21 2.9.3. SS304 ................................................................................................................. 22 2.9.4. Perlite................................................................................................................. 22 2.10. ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์............................................................................................ 22 2.10.1. ประเภทเอลิเมนต์ ................................................................................................. 22 2.11. การวิเคราะห์แบบสภาพนิ่งแบบไม่เชิงเส้น (Non-linear Static analysis) .................... 23 2.11.1. วิธีเพิ่มขึ้นทีละส่วน (Incremental method) ...................................................... 23 2.11.2. วิธีส่วนโค้งความยาว (Arc-length method) ....................................................... 24 2.12. การโก่งเดาะ (Buckling) ............................................................................................... 25 2.12.1. การวิเคราะห์การโก่งเดาะเชิงเส้น (Linear Buckling Analysis) .......................... 25 2.12.2. ทฤษฏีการแตกแขนงและสภาวะหลังการเสียรูปภายใต้การโก่งเดาะ ..................... 26 2.12.3. เสถียรภาพภายใต้การโก่งเดาะ ............................................................................. 27 ค 2.12.4. การวิเคราะห์การโก่งเดาะแบบไม่เชิงเส้น (Non-linear buckling analysis) ....... 28 2.13. ความไม่เป็นเชิงเส้นในระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ ......................................................... 28 2.13.1. ความไม่สมบูรณ์ของรูปร่าง (Geometric imperfections) .................................. 28 2.13.2. Material Nonlinearity....................................................................................... 29 2.13.3. Boundary nonlinearity .................................................................................... 30 2.14. งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ........................................................................................................ 31 2.14.1. ผลกระทบของฉนวนต่อประสิทธิภาพการรับแรง .................................................. 31 2.14.2. ผลตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังบรรจุก๊าซธรรมชาติเหลว .................................. 32 2.14.3. การวิเคราะห์ความปลอดภัยของถังเต็มรูปแบบ .................................................... 32 2.14.4. อิทธิพลของระดับของเหลวในถังและวงแหวนเสริมความแข็งแรง ......................... 32 3. บทที3่ การออกแบบงานวิจัยและวิธีการดาเนินงาน ................................................................. 33 3.1. เกริ่นนา ......................................................................................................................... 33 3.2. ความต้องการของโครงงาน ............................................................................................ 33 3.3. มาตรฐานการออกแบบโครงงาน .................................................................................... 33 3.3.1. มาตรฐานการออกแบบถังอุตสาหกรรม ................................................................ 34 3.3.2. มาตรฐานความเร็วลม .......................................................................................... 35 3.3.3. มาตรฐานการทดลองชิ้นงาน ................................................................................ 38 3.3.4. มาตรฐานการยืนยันผลซิมูเลชั่น............................................................................ 39 3.4. ข้อกาหนดในการจาลอง ................................................................................................ 39 3.5. ข้อจากัดการทดลอง ...................................................................................................... 39 3.6. ขั้นตอนการดาเนินงาน .................................................................................................. 40 3.7. การเตรียมชิ้นงานทดสอบ .............................................................................................. 41 3.8. การทดสอบความแข็งแรงของวัสดุ ................................................................................. 45 3.9. การนาค่าวัสดุเข้าสู่ซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ ............................................................... 49 3.9.1 ขั้นตอนการนาสมบัติเชิงกลของวัสดุ SA240-304 ไปใช้งานในซอฟต์แวร์ ...................... 49 ง 3.9.2 การเลือกช่วงเพื่อไปทาการวิเคราะห์.............................................................................. 52 3.9.2 ขั้นตอนการนาสมบัติเชิงกลของวัสดุ SA240-316L ไปใช้งานในซอฟต์แวร์ .................... 53 3.9.3 การเลือกช่วงเพื่อไปทาการวิเคราะห์.............................................................................. 56 3.10. การสร้างแบบจาลองของถังอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ...................................................... 57 3.11. การพัฒนาแบบจาลองไฟไนต์เอลิเมนต์ผ่านโครงข่ายระบบเมช ...................................... 58 3.11.1. การตั้งค่าการจาลองโมเดล ................................................................................... 58 3.11.2. การกาหนดเงื่อนไขขอบเขตในการวิเคราะห์ ......................................................... 61 3.11.3. การยืนยันความเหมาะสมของเมช ........................................................................ 67 3.12. แนวทางการดาเนินการสร้างแบบวิเคราะห์.................................................................... 68 3.13. รูปร่างของวงแหวนเสริมความแข็งแรงสาหรับการออกแบบ .......................................... 69 4. บทที่4 ผลการทดลอง .............................................................................................................. 71 4.1. บทนา ............................................................................................................................ 71 4.2. ผลการวิเคราะห์จากระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ ............................................................ 71 4.2.1. แบบจาลองโครงสร้างถังใหม่ ................................................................................ 71 4.2.2. แบบจาลองโครงสร้างถังหลังการใช้งาน 20 ปี ...................................................... 72 4.3. ผลการออกแบบ ............................................................................................................ 74 4.3.1. วงแหวนรับแรงลมของผนังชั้นนอก ....................................................................... 74 4.3.2. วงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นล่าง ....................................................................... 77 4.3.3. วงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นบน ........................................................................ 80 4.3.4. วงแหวนเสริมความแข็งแรงของผนังชั้นใน ............................................................ 84 4.3.5. การเสริมความแข็งแรงของโครงสร้างบริเวณช่องเปิด ........................................... 85 4.4 แบบจาลองโครงสร้างถังที่ได้รับแรงกระทาที่เกิดขึ้นจริง ........................................................ 87 5. บทที5่ รายละเอียดการออกแบบ ........................................................................................... 89 5.1. รายละเอียดของวงแหวนเสริมความแข็งแรง .................................................................. 89 5.2. การประกอบและติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรง ....................................................... 89 จ 5.3 รายละเอียดของแผ่นเสริมความแข็งแรงช่องเปิด ................................................................... 90 6. บทที่6 สรุปผลการทดลองและข้อเสนอแนะ ........................................................................... 91 6.1. การออกแบบรูปร่างของวงแหวน ................................................................................... 91 6.2. การออกแบบตาแหน่งติดตั้งวงแหวน ............................................................................. 91 6.3. การเสริมความแข็งแรงของช่องเปิด ............................................................................... 92 6.4. ข้อเสนอแนะ ................................................................................................................. 93 7. เอกสารอ้างอิง ......................................................................................................................... 94 8. ภาคผนวก ............................................................................................................................... 98 ก. การคานวนลม.................................................................................................................... 98 ก.1. การคานวณโหลดจากแรงลม ......................................................................................... 98 ก.2. การคานวณมุมปะทะของแรงลมกับตัวถัง ...................................................................... 99 ข. การออกแบบวงแหวนผนังชั้นนอก ................................................................................... 101 ข.1. การคานวณตาแหน่งติดตั้งวงแหวนของผนังชั้นนอก .................................................... 101 ข.2. การคานวนขนาดวงแหวนเสริมความแข็งแรง .............................................................. 102 ข.3. แบบเชิงวิศวกรรมสาหรับวงแหวนเสริมความแข็งแรง .................................................. 103 ค. การคานวนตามมาตรฐาน ASME V&V............................................................................. 104 ค.1. การคานวณความเหมาะสมของเมช ............................................................................. 104 ง. การคานวณแรงดันเพอร์ไรท์ ............................................................................................ 105 ฉ 2. สารบัญภาพ รูปที่ 2.1 แผนผังการจัดกลุ่มถังสาหรับถังกักเก็บก๊าซเหลวอุณหภูมิต่า ............................................... 8 รูปที่ 2.2 ตัวอย่างองค์ประกอบของถังชั้นเดียว .................................................................................. 8 รูปที่ 2.3 ตัวอย่างองค์ประกอบของถังสองชั้น ................................................................................... 9 รูปที่ 2.4 ตัวอย่างองค์ประกอบถังกักเก็บเต็มรูปแบบ ...................................................................... 10 รูปที่ 2.5 ลักษณะของถังในโครงงาน ............................................................................................... 10 รูปที่ 2.6 รูปแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรง .................................................................................. 14 รูปที่ 2.7 การยุบตัวของถังในประเทศอาเจนติน่า............................................................................. 16 รูปที่ 2.8 การยุบตัวของถังภายใต้ความดันสุญญากาศ [6] ............................................................... 17 รูปที่ 2.9 การเพิ่มขึ้นของแรงแบบ Increment [12] ....................................................................... 23 รูปที่ 2.10 การวาดเส้น Arc length เพื่อหาจุดสมดุล [13].............................................................. 24 รูปที่ 2.11 กราฟแสดงพฤติกรรมการโก่งตัวจากการทดลอง [14] .................................................... 26 รูปที่ 2.12 กราฟแสดงจุดแยกตัวที่อยู่ก่อนภาระโหลดสูงสุด [14] .................................................... 27 รูปที่ 2.13 ความไม่เชิงเส้นของผิวสัมผัส[21].................................................................................... 30 รูปที่ 2.14 การเปลี่ยนแปลงของแรงวิกฤตสืบเนื่องจากความแข็งแรงของฉนวน ............................... 31 รูปที่ 3.1 แผนที่การแบ่งกลุ่มความเร็วลมอ้างอิง .............................................................................. 35 รูปที่ 3.2 เส้นโค้งเดิร์สต์................................................................................................................... 36 รูปที่ 3.3 ตัวอย่างขนาดชิ้นงานสาหรับทดสอบด้วยแรงดึง ............................................................... 38 รูปที่ 3.4 แผนภาพขั้นตอนการดาเนินงาน ....................................................................................... 40 รูปที่ 3.5 แบบชิ้นงาน SA240-316L ............................................................................................... 41 รูปที่ 3.6 การเลื่อยชิ้นงาน SA240-316L......................................................................................... 41 รูปที่ 3.7 ชิ้นงานสาหรับการขึ้นรูป .................................................................................................. 42 รูปที่ 3.8 การปรับผิวและขนาดชิ้นงาน ............................................................................................ 42 รูปที่ 3.9 การกัดชิ้นงาน .................................................................................................................. 43 รูปที่ 3.10 ชิ้นงานสาหรับการทดสอบ ............................................................................................. 43 รูปที่ 3.11 แบบชิ้นงาน SA240-304 ............................................................................................... 44 รูปที่ 3.12 ชิ้นงานสาหรับการทดสอบ ............................................................................................. 45 รูปที่ 3.13 การกาหนดความยาวเกจบนชิ้นงาน ............................................................................... 45 ช รูปที่ 3.14 แรงจับขณะทาการทดสอบ ............................................................................................. 46 รูปที่ 3.15 การจับชิ้นงานในเครื่องทดสอบ ...................................................................................... 46 รูปที่ 3.16 ชิ้นทดสอบปกติเทียบกับชิ้นที่ทาการทดสอบแล้ว ........................................................... 47 รูปที่ 3.17 รุ่นและยี่ห้อของเครื่องทดสอบ ....................................................................................... 47 รูปที่ 3.18 วันสอบเทียบของเครื่องจักร ........................................................................................... 47 รูปที่ 3.19 ขีดจากัดแรงกระทาของเครื่อง ........................................................................................ 48 รูปที่ 3.20 ความชื่นและอุณหภูมิสาหรับการทดสอบ ....................................................................... 48 รูปที่ 3.21 กราฟเชิงวิศวกรรมของวัสดุ SA240-304 ทั้ง 3 ชิ้น ........................................................ 49 รูปที่ 3.22 กราฟความเค้นจริงและความเครียดจริง ......................................................................... 51 รูปที่ 3.23 กราฟความเค้นและความเครียดแสดงถึงช่วงการแข็งตัวจากความเครียด........................ 52 รูปที่ 3.24 ค่าความเค้นจริงและเครียดจริงทั้ง 12 จุด ...................................................................... 52 รูปที่ 3.25 กราฟเชิงวิศวกรรมของวัสดุ SA240-316L ทั้ง 3 ชิ้น ...................................................... 53 รูปที่ 3.26 กราฟความเค้นจริงและความเครียดจริง ......................................................................... 55 รูปที่ 3.27 ค่าความเค้นจริงและเครียดจริงทั้ง 12 จุด ...................................................................... 56 รูปที่ 3.28 ถังเก็บสารเอทีลีน ........................................................................................................... 57 รูปที่ 3.29 แบบจาลองถังเก็บสารเอทีลีน ......................................................................................... 57 รูปที่ 3.30 โมเดลถังแบบเต็มใบ ....................................................................................................... 58 รูปที่ 3.31 Shell 181[35] .............................................................................................................. 59 รูปที่ 3.32 Solid 185[36]............................................................................................................... 60 รูปที่ 3.33 Beam 188[37] ............................................................................................................. 60 รูปที่ 3.34 ค่าคุณสมบัติเชิงกลของ SA240-304 ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ ................................ 61 รูปที่ 3.35 ค่า Multilinear Isotropic Hardening ของ SS304 ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ ....... 62 รูปที่ 3.36 ค่าคุณสมบัติเชิงกลของ SA240-316L ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ .............................. 62 รูปที่ 3.37 ค่า Multilinear Isotropic Hardening ของ SS316L ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ ..... 62 รูปที่ 3.38 การแปลงชิ้นงานผนังบาง ............................................................................................... 63 รูปที่ 3.39 การหันองศาลม .............................................................................................................. 63 รูปที่ 3.40 การระบุประเภทวัสดุ...................................................................................................... 64 รูปที่ 3.41 การเชื่อมต่อผนังถัง......................................................................................................... 64 ซ รูปที่ 3.42 การสร้างรูปแบบเมช ...................................................................................................... 65 รูปที่ 3.43 แรงกระทาของผนังชั้นนอก ............................................................................................ 65 รูปที่ 3.44 การเรียกค่าผลลัพธ์ ........................................................................................................ 66 รูปที่ 3.45 การสร้างแบบจาลองจากวัสดุไม่เชิงเส้น .......................................................................... 68 รูปที่ 3.46 การสร้างแบบจาลองจากรูปร่างและวัสดุไม่เชิงเส้น ......................................................... 69 รูปที่ 3.47 หน้าตัดวงแหวนรูปแบบตัวแอล ...................................................................................... 69 รูปที่ 3.48 หน้าตัดวงแหวนรูปแบบตัวที .......................................................................................... 70 รูปที่ 3.49 หน้าตัดวงแหวนรูปแบบตัวซี........................................................................................... 70 รูปที่ 4.1 ผลความเค้นของถังใหม่ .................................................................................................... 71 รูปที่ 4.2 ผลการโก่งตัวของถังใหม่ ................................................................................................... 72 รูปที่ 4.3 ผลความเค้นของถังผ่านการใช้งาน 20 ปี .......................................................................... 72 รูปที่ 4.4 ผลการโก่งตัวของถังผ่านการใช้งาน 20 ปี ......................................................................... 73 รูปที่ 4.5 ผลความเค้นจากการติดวงแหวนรับลมตัวแอล .................................................................. 74 รูปที่ 4.6 ผลการโก่งตัวจากการติดวงแหวนรับลมตัวแอล ................................................................ 74 รูปที่ 4.7 ผลความเค้นจากการติดวงแหวนรับลมตัวที ...................................................................... 75 รูปที่ 4.8 ผลการโก่งตัวจากการติดวงแหวนรับลมตัวที ..................................................................... 75 รูปที่ 4.9 ผลความเค้นจากการติดวงแหวนรับลมตัวซี ...................................................................... 76 รูปที่ 4.10 ผลการโก่งตัวจากการติดวงแหวนรับลมตัวซี ................................................................... 76 รูปที่ 4.11 การติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นล่าง ณ ตาแหน่งต่างๆ....................................... 78 รูปที่ 4.12 กราฟแสดงผลการเสียรูปและตัวคูญการโก่งเดาะเทียบกับโหมดการโก่ง ......................... 79 รูปที่ 4.13 การติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นบน ณ ตาแหน่งต่างๆ ....................................... 81 รูปที่ 4.14 ลักษณะการโก่งเดาะในแต่ละโหมด ................................................................................ 81 รูปที่ 4.15 กราฟการเสียรูปของผนังจากการติดตั้งวงแหวนชั้นบน ................................................... 82 รูปที่ 4.16 กราฟแสดงผลการเสียรูปและตัวคูณการโก่งเดาะเทียบกับโหมดการโก่ง ......................... 83 รูปที่ 4.17 ผลค่าความเค้นของผนังชั้นใน......................................................................................... 84 รูปที่ 4.18 ค่าความเค้นก่อนติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิด ....................................................................... 85 รูปที่ 4.19 ค่าความปลอดภัยก่อนติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิด ............................................................... 85 รูปที่ 4.20 ค่าความเค้นหลังติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิด ........................................................................ 86 ฌ รูปที่ 4.21 ค่าความปลอดภัยหลังติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิด ............................................................... 86 รูปที่ 4.22 ค่าความปลอดภัยหลังติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิดของตัวผนัง .............................................. 87 รูปที่ 4.23 ค่าความเค้นของผนังจากแรงกระทาที่เกิดขึ้นจริง ........................................................... 88 รูปที่ 4.24 ผลการโก่งตัวของผนังจากแรงกระทาที่เกิดขึ้นจริง .......................................................... 88 รูปที่ 5.1 รูปแบบการประกอบวงแหวนเสริมความแข็งแรง .............................................................. 89 รูปที่ 5.2 ขนาดของแผ่นเสริมความแข็งแรงช่องเปิด ........................................................................ 90 รูปที่ ก.1 กราฟองศาปะทะของลมที่ตัวผนังถัง............................................................................... 100 รูปที่ ก.2 กราฟสัมประสิทธิ์แรงดันเทียบกับองศา .......................................................................... 100 ญ 3. สารบัญตาราง ตารางที่ 1.1 งบประมาณสาหรับโครงงาน ......................................................................................... 4 ตารางที่ 1.2 แผนการดาเนินงาน ....................................................................................................... 5 ตารางที่ 3.1 ค่าคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ SA240-304 ทั้ง3 ชิ้น ...................................................... 50 ตารางที่ 3.2 ตัวอย่างความเค้นวิศวกรรมและความเครียดวิศวกรรม................................................ 50 ตารางที่ 3.3 ตัวอย่างตารางความเค้นจริงและความเครียดจริง ........................................................ 51 ตารางที่ 3.4 ค่าความเค้นจริงและเครียดจริงทั้ง 12 จุด ................................................................... 53 ตารางที่ 3.5 ค่าคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ SA240-316L ทั้ง 3 ชิ้น................................................... 54 ตารางที่ 3.6 ตัวอย่างความเค้นวิศวกรรมและความเครียดวิศวกรรม................................................ 54 ตารางที่ 3.7 ตัวอย่างตารางความเค้นจริงและความเครียดจริง ........................................................ 54 ตารางที่ 3.8 ค่าความเค้นจริงและเครียดจริงทั้ง 12 จุด ................................................................... 56 ตารางที่ 3.9 รายละเอียดวัสดุผนังถังชั้นนอก ................................................................................... 61 ตารางที่ 3.10 รายละเอียดวัสดุผนังถังชั้นใน .................................................................................... 61 ตารางที่ 3.11 การจัดกลุ่มแรงสาหรับทดสอบ.................................................................................. 66 ตารางที่ 3.12 ค่าการเสียรูปในแต่ละขนาดเอเลเมนต์ ...................................................................... 67 ตารางที่ 3.13 จานวนและประเภทเอเลเมนต์ในแบบจาลอง ............................................................ 67 ตารางที่ 4.1 ผลการติดตั้งวงแหวนรับลมของผนังชั้นนอก ................................................................ 77 ตารางที่ 4.2 ตาแหน่งการติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นล่าง .................................................. 77 ตารางที่ 4.3 ตาแหน่งการติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นบน................................................... 80 ตารางที่ 6.1 ผลการออกแบบวงแหวน ............................................................................................ 92 ตารางที่ ก.1 ค่าการปะทะในแต่ละองศา ......................................................................................... 99 ตารางที่ ง.1 ค่าแรงดันเพอร์ไรท์ที่กระทาต่อผนังถัง ....................................................................... 105 4. ฎ สารบัญสมการ สมการที่ (2.1) ................................................................................................................................................................................. 11 สมการที่ (2.2) ............................................................................................................................................................................... 11 สมการที่ (2.3) ................................................................................................................................................................................. 12 สมการที่ (2.4) ............................................................................................................................................................................... 12 สมการที่ (2.5) ................................................................................................................................ 12 สมการที่ (2.6) ............................................................................................................................................................................... 13 สมการที่ (2.7) ............................................................................................................................................................................... 13 สมการที่ (2.8) ............................................................................................................................................................................... 14 สมการที่ (2.9) ............................................................................................................................................................................... 15 สมการที่ (2.10) ............................................................................................................................................................................ 15 สมการที่ (2.11) .............................................................................................................................. 17 สมการที่ (2.12) ............................................................................................................................................................................ 19 สมการที่ (2.13) ............................................................................................................................................................................ 19 สมการที่ (2.14) ............................................................................................................................................................................ 20 สมการที่ (2.15) ............................................................................................................................................................................ 20 สมการที่ (2.16) ............................................................................................................................................................................ 21 สมการที่ (2.17) ............................................................................................................................................................................ 25 สมการที่ (2.18) ............................................................................................................................................................................ 26 สมการที่ (2.19) ............................................................................................................................................................................ 27 สมการที่ (2.20) ............................................................................................................................................................................ 29 สมการที่ (2.21) ............................................................................................................................................................................ 29 สมการที่ (2.22)........................................................................................................................................................................... 30 สมการที่ (3.1) ............................................................................................................................................................................... 36 สมการที่ (3.2) ............................................................................................................................................................................... 37 สมการที่ (3.3) ............................................................................................................................................................................... 37 สมการที่ (3.4) ............................................................................................................................................................................... 37 ฏ สมการที่ (3.5)……………………………………………………………………………………………………………. ........ 38 สมการที่ (3.6)................................................................................................................................................................................. 49 สมการที่ (3.7) ................................................................................................................................................................................. 49 ฐ 1. บทที่1 บทนา 1.1. ที่มาและความสาคัญ ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีและเคมีภัณฑ์ ถังเก็บสารเคมีขนาดใหญ่มีบทบาทสาคัญในการ จัดเก็บและควบคุมสารเคมีที่มีคุณสมบัติระเหยง่าย ซึ่งรูปทรงที่นิยมใช้สาหรับการออกแบบมักเป็น ผนังบางทรงกระบอกเนื่องจากมีความแข็งแรงสูงเมื่อเทียบกับน้าหนัก (strength to weight ratio) อย่างไรก็ตามทรงกระบอกแผ่นบางเหล่านี้ สามารถเสียรูปได้ผ่านสองกรณี หลักคือหนึ่ง การที่ผนังถัง ได้รับภาระกรรมในแนวระนาบผิว (membrane stress) เกิดขีดจากัดของวัสดุ หรือสองเมื่อ เกิด การโก่งตัวของผนังซึ่งขึ้นอยูก่ับลักษณะภาระกรรมที่เกิดขึ้นและลักษณะทางรูปทรงของถัง ในปัจจุบันแนวโน้มการสร้างถังเริ่มมีการมุ่งเน้นไปที่ เพิ่มความกว้างของตัวถังที่มากขึ้นกว่า ปกติและลดอัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง (Aspect ratio) H/D ลง อาทิในประเทศจีน [1] ได้มีการริเริ่มใช้งานถังขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 เมตรและบรรจุของเหลวได้มากถึง 100,000 ลูกบาศก์ลิตร นอกจากนั้นแล้ว บริษัทในไทยก็ได้มีการใช้ถังที่ไม่ค่อยมีการพบเห็นได้โดยทั่ว ไปใน อุตสาหกรรมอยู่เช่นเดียวกัน อาทิ บริษัท พีทีที โกลบอล เคมิคอล จากัด (มหาชน) ก็ได้มีการใช้ถัง ที่ไม่ค่อยมีการพบเห็นได้โดยทั่วไปในอุตสาหกรรมเช่นเดียวกัน สาหรับถังที่มีการหยิบยกมาเป็นแบบ โครงสร้างสาหรับศึกษาในโครงงานนี้ เป็นถังสาหรับบรรจุเอทิลีน ซึ่งมีการออกแบบเป็นถึงคว บคุม ความเย็น (Cryogenic tank) โดยมีผนังบางสองชั้นรูป ทรงกระบอกซึ่ง เป็นการออกแบบที่ช่วยใน การรับแรงและสามารถใส่ฉนวนเพื่อช่วยรักษาอุณหภูมิภายในตัวถัง ได้ โดยถังเก็บขนาดใหญ่เหล่านี้ ต้องได้รับการออกแบบตามมาตรฐานทางวิศวกรรม เพื่อให้สามารถรองรับสภาวะการใช้งานจริงที่มี แรงกระทาภายนอกหลากหลาย เช่ น แรงลม แรงดั น และแรงสุ ญ ญากาศภายในถั ง เนื่ อ งจาก แรงเหล่านี้ส่งผลต่อความมั่นคงของผนังถังโดยตรงโดยเฉพาะเมื่อตัวถังอยู่ในสภาวะว่างเปล่าหรือ ไม่ได้ บรรจุของเหลวด้านในมากพอและในบางกรณีอาจเสียรูปในระหว่างการก่อสร้าง 1 นอกจากนี้ถังเก็บสารเคมียังต้องเผชิญกับสภาวะแวดล้อมและคุณสมบัติของสารเคมีที่จัดเก็บ ซึ่งอาจนาไปสู่การกัดกร่อนของวัสดุถังตามกาลเวลา การกัดกร่อนนี้ส่งผลให้ความหนาของผนัง ถัง ลดลง ความแข็งแรงของวัส ดุ ก็เสื่อมสภาพและเพิ่ มความเสี่ยงต่ อ การเสียหายของโครงสร้า งได้ ดั ง นั้ น การเสริ ม ความแข็ ง แรงรอบตั ว ถั ง จึ ง มี ค วามจาเป็ น โดยเฉพาะการติ ด ตั้ ง วงหวนเสริ ม ความแข็งแรง (Wind girder) เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและป้องกันการวิบัติของโครงสร้าง Fan Bu [2] ได้มีการหยิบยกประเด็นที่น่าสนใจถึงการออกแบบถังผนังบางไว้ว่ามาตรฐานใน ปัจจุบัน อาทิ API650 ใช้สมมุติฐานที่เรียบง่ายเกินไปในการออกแบบซึ่งนาไปสู่การใช้ทรัพยากรที่ เพิ่มขึ้นในการก่อสร้างและการลงทุน ดังนั้นหากเสริมการออกแบบตามมาตรฐานด้วยการจาลอง โมเดลเสมือนสามมิติและดู ผลตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังที่เกิดขึ้นจะเป็นแนวทางที่จะช่วยเพิ่ม ความแม่นยาในการออกแบบและลดความสูญเสียได้ ดังนั้นวัตถุประสงค์ของโครงงานนี้จึงเป็นการออกแบบและพัฒนาวงแหวนเสริมความแข็งแรง ต่อจากผลการตอบสนองเชิงโครงสร้างของตัวถังรูปแบบดั้งเดิมที่ได้ออกแบบไว้ในเงื่อนไขต่าง ๆ ตามมาตรฐาน โดยคานึงถึงผลจากแรงภายนอกและการกัดกร่อนตามกาลเวลา พร้อมทั้งศึกษารูปร่าง และตาแหน่งที่เหมาะสมในการติดตั้งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้านความมั่นคงและความปลอดภัยของ ถังเก็บสารเคมีให้ดียิ่งขึ้น 1.2. วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1. ศึกษาการตอบสนองเชิงโครงสร้างของถัง กรณี ถังใหม่ 2. ศึกษาการตอบสนองเชิงโครงสร้างถัง กรณี ถังมีอายุการใช้งาน 20 ปีกล่าวคือ ผ่านการกัด กร่อนเป็นระยะ 3 มิลลิเมตร 3. หาตาแหน่งที่เหมาะสมสาหรับติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรง (wind girder) สาหรับผนัง ถังทั้งด้านนอกและด้านในตามลาดับ 4. ใช้วิธีการวิเคราะห์แบบ non-linear static structural analysis กับ non-linear buckling analysis 2 1.3. ขอบเขตการทางาน 1. พิจารณาเฉพาะถังทรงกระบอกแนวตั้งชนิดผนังสองชั้นพร้อมหลังคาทรงโดม 2. ศึกษาการตอบสนองเชิงโครงสร้างและปรับปรุงพัฒนาถังเพิ่มเติมผ่านมาตรฐาน API 650, 620, 625 และอื่น ๆ 3. ใช้วัสดุผนังถังภายในเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม SS304 (shell plate) และ SS316 (liners) ส่วน ผนังถัง ภายนอกเป็นเหล็กเกรด A283-C 4. ไม่พิจารณาภาระแผ่นดินไหวในการวิเคราะห์ 5. วิเคราะห์เปรียบเทียบทั้งกรณีถังใหม่และถังที่ถูกใช้งานมาแล้ว 20 ปี 6. ใช้ซอฟต์แวร์ Ansys สาหรับงานโครงสร้างแบบไม่เชิงเส้น 3 1.4. ประโยชน์ที่จะได้รับ 1. ทราบถึงผลการตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังแบบเต็มรูปแบบ 2. สามารถนาผลการวิ เ คราะห์ ไ ปใช้ ใ นการออกแบบหรื อ ปรั บ ปรุ ง ถั ง เก็ บ สารเคมี ใ ห้ มี ประสิทธิภาพและความปลอดภัยมากยิ่งขึ้น 3. เป็นแนวทางสาหรับการกาหนดตาแหน่งขององค์ประกอบเสริมความแข็งแรง เช่น wind girder อย่างเหมาะสม 4. พัฒนาทักษะด้านการใช้ซอฟต์แวร์ Ansys และการวิเคราะห์เชิงโครงสร้างของนิสิตในระดับ ปริญญาตรี 5. ได้นาองค์ความรู้ในรายวิชาที่เกี่ยวข้องทางด้านโครงสร้างและวัส ดุศาสตร์มาใช้ในการ วิเคราะห์และออกแบบบงานจริง 1.5. งบประมาณ งบประมาณที่ใช้ในการดาเนินการโครงงานเป็นไปดังแสดงในตารางที่ 1.1 ตารางที่ 1.1 งบประมาณสาหรับโครงงาน รายละเอียด ทาชิ้นงานทดสอบ อุปกรณ์เก็บข้อมูล รวม งบประมาณ (บาท) 3,550 2790 6340 4 1.6. แผนการดาเนินงาน การดาเนินงานที่วางแผนไว้ แบ่งเป็นกิจกรรมดังต่อไปนี้ ตารางที่ 1.2 แผนการดาเนินงาน 5 6 2. บทที่2 งานวิจัยและทฤษฎีที่เกีย่ วข้อง 2.1. เกริ่นนา ภายในบทนี้จะเป็นการกล่าวถึง ภาพรวมของรูปแบบถังอุตสาหกรรมรวมถึงพื้นฐานการวิบัติของ โครงสร้างเพื่อให้ผู้อ่านได้เข้าใจถึง พฤติกรรมของถังภายใต้ภาระกรรมและนาเสนอต่อไปสู่แนวทาง การวิเคราะห์โครงสร้างด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์แบบไม่เชิงเส้นโดยมีการนาเสนอข้อมูลจาก งานวิจัยและการตีพิมพ์ตา่ ง ๆ ประกอบควบคู่ไปด้วย 2.2. ถังอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ทรงกระบอก เป็นภาชนะหรือโครงสร้างที่ออกแบบมาเพื่อใช้บรรจุ สารเคมีโนโรงงานอุตสาหกรรมโดย รูปทรงที่มักพบได้บ่อยคือทรงกระบอกแผ่นบางและทรงกลมตั้งอยู่บนพื้นดิน โดยอาจมี คอนกรีต รองรับเป็นฐานหรือวัสดุอื่น ๆ เสริมโครงสร้างทั้งบนผิวดินและรอบตัวถัง การจาแนกสามารถแบ่งออก ได้หลายวิธี ไม่ว่าจะแบ่งจากลักษณะการติดตั้ง รูปแบบโครงสร้าง หรือแม้กระทั้งประเภทของสาร ที่บรรจุอยู่ภายใน เนื่องจากภายในโครงงานมุ่งเน้นไปที่ ถังกักเก็บสารเอทิลีน ดังนั้นในหัวข้อนี้จึง นาเสนอวิธีการจัดกลุ่มถังดังต่อไปนี้ 2.3. การจัดประเภทของถังกักเก็บก๊าซเหลวอุณหภูมิต่า สาหรับการจัดประเภทของถังกัก เก็บก๊าซเหลวอุณหภูมิต่า(LNG) ใช้การคานึงตามความ ปลอดภั ย เป็ น ปั จ จั ย ในการเลื อ กใช้ ถั ง ที่ เ หมาะสมได้ แ ก่ ประเภทของสารที่ กั ก เก็ บ ภายในถั ง สภาพแวดล้อมในการกักเก็บสาร และผลกระทบจากความอันตรายของการรั่วไหล ซึ่งสิ่งเหล่านี้นาไปสู่ การจัดกลุ่มรูปแบบของถัง 3 ประเภทตามมาตรฐาน EEMUA147 [3] แบ่งได้ด้วยกันดังต่อไปนี้ 7 รูปที่ 2.1 แผนผังการจัดกลุ่มถังสาหรับถังกักเก็บก๊าซเหลวอุณหภูมิต่า 2.3.1. ถังแบบหนึ่งชั้นกักเก็บ (Single containment) เป็นลักษณะถังที่พบได้บ่อยที่สุดและสามารถจัดกลุ่มแยกย่อยได้อีกในเชิงโครงสร้าง ซึ่งรูปแบบ ผนังอาจเป็นได้ทั้งผนังชั้นเดียวและสองชั้น แต่หากมีโครงสร้างผนังชั้นนอกผนังด้านนอก ชั้นนอกจะมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อรักษาและปกป้องฉนวน และไม่ได้ออกแบบมาเพื่อกักเก็บ ของเหลวในกรณีที่ผลิตภัณฑ์รั่วไหลออกจากภาชนะด้านใน มักพบได้ในรูปแบบผนังโลหะ หรือคอนกรีตเคลือบอีพ็อกซี่โดยสาหรับถังเหล่านี้ มีราคาทีไ่ ม่แพงและง่ายต่อการจัดวาง รูปที่ 2.2 ตัวอย่างองค์ประกอบของถังชั้นเดียว 8 2.3.2. ถังแบบสองชั้นกักเก็บ (Double containment) มีลักษณะผนังแบ่งเป็นสองชั้นที่ออกแบบและสร้างขึ้นเพื่อให้ทั้งผนังด้านในและด้านนอก สามารถกักเก็บของเหลวทาความเย็นที่เก็บไว้ได้ เพื่อลดปริมาณของเหลวที่รั่วไหล ผนังด้านนอก โดยทั่วไปควรอยู่ห่างจากผนังด้านในไม่เกิน 6 เมตร ถังด้านในจะเก็บของเหลวทาความเย็นภายใต้ สภาวะการทางานปกติ ส่วนถังด้านนอกจะกักเก็บของเหลวทาความเย็นที่รั่วไหลออกมาจากถังด้านใน รูปที่ 2.3 ตัวอย่างองค์ประกอบของถังสองชั้น 2.3.3. ถังกักเก็บเต็มรูปแบบ (Full containment) เป็นถังผนังสองชั้นได้รับการออกแบบและสร้างขึ้นเพื่อให้ทั้งถังด้านในและด้านนอกสามารถ บรรจุของเหลวแช่เย็นที่เก็บไว้ได้ ผนังด้านนอกจะมีระยะห่างจากผนังด้านในประมาณ 1 ถึง 2 เมตร ถังด้านในจะเป็นทีเ่ ก็บของเหลวแช่เย็นภายใต้สภาวะการทางานปกติ หลังคาด้านนอกได้รับการรองรับ โดยผนังด้านนอก ถังด้านนอกสามารถบรรจุของเหลวแช่เย็นและไอระเหยที่เกิดจากการรั่วไหลของ ผลิตภัณฑ์จากถังด้านในได้ ซึ่งสามารถแบ่งย่อยออกเป็นประเภทต่าง ๆ ได้ดังนี้ 1. ประเภท A(1): ถังบรรจุเต็มถัง ซึ่งภาชนะ/ส่วนประกอบโลหะหรือคอนกรีตภายนอกอาจไม่ สามารถต้านทานแรงกดจากภายนอกได้ 2. ประเภท A(2): เช่นเดียวกับประเภท A(1) แต่ถังด้านในถูกสร้างเป็นภาชนะคอนกรีตอัดแรง โดยไม่มีแผ่นบุโลหะ 3. ประเภท B(1): ถังบรรจุเต็มถัง ซึ่งภาชนะคอนกรีตภายนอกได้รับการออกแบบและสร้างขึ้น ให้ต้านทานแรงกดจากภายนอกได้ทั้งหมด เช่น แรงกระแทกจากการระเบิด วัตถุที่ปลิวว่อน การก่อเพลิงไหม้ และถังด้านในเป็นภาชนะที่ปิดสนิทสาหรับของเหลว ภายใต้การใช้งานปกติ 4. ประเภท B(2): เช่นเดียวกับประเภท B(1) แต่ถังด้านในถูกสร้างเป็นภาชนะคอนกรีตอัดแรง โดยไม่มีแผ่นบุโลหะ 9 รูปที่ 2.4 ตัวอย่างองค์ประกอบถังกักเก็บเต็มรูปแบบ 2.4. รายละเอียดของถัง สาหรับถังที่ใช้ศึกษาในโครงงานนี้ เป็นถังสาหรับบรรจุเอทิลีนซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 28 เมตร และ มีความสูง 30 เมตร มีฉนวนเพอร์ไลต์สาหรับกักเก็บอุณหภูมิแทรกระหว่างผนังถังและ ยึดฐานโครงสร้างด้วยเสาเข็ม โดยจะเป็นไปตามการจัดกลุ่มของ EEMUA 147 [3] ในรูปแบบถัง แบบหนึ่งชั้นกักเก็บในรูปแบบผนังสองชั้นดังภาพด้านล่าง รูปที่ 2.5 ลักษณะของถังในโครงงาน 10 2.5. การออกแบบของตัวถัง สาหรับตัวถังที่ใช้ศึกษาในโครงงานเป็นถังที่ได้มีการดาเนินการออกแบบและดาเนินการใช้ ในขณะปัจจุบัน ดังนั้นการในหัวข้อการออกแบบตัวถัง นี้จึงไม่ลงรายละเอียดในทุกส่วนแต่มุ่งเน้นไปที่ ส่วนของโครงสร้างที่ สนใจและอยู่ในขอบเขตของโครงงาน ซึ่งเป็นการกล่าวถึงแนวคิดการออกแบบ และคานวณเบื้องต้นเพื่อให้ผู้ศึกษาได้เข้าใจถึงแนวคิดและที่มาที่ไปของการออกแบบของวิศวกร ผู้รับผิดชอบ โดยสามารถศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมที่ลึกขึ้นได้ตามมาตรฐานทางวิศวกรรมซึ่งจะ อ้างอิงในลาดับต่อไป 2.5.1. การคานวณแรงภายใน ในการออกแบบถังแบบหนึ่งชั้นกักเก็บ ผนังชั้นในจะต้องได้รับการออกแบบให้รองรับแรงดัน จากฉนวนซึ่งแรงดันเกิดจากการขยายตัวของฉนวนขณะอุ่นเครื่องหลังจากช่วงใช้งานและแรงดันไล่ อากาศหรือแรงดันใช้งานของช่องว่างระหว่างเปลือกถังด้านในและด้านนอก เว้นแต่แรงดันจะเท่ากัน ทั้งสองด้านของถังด้านใน และส่วนของผนังชั้นนอกจะต้องออกแบบตามกาหนดของถังแบบผนังชั้น เดี ย วเช่ น เดี ย วกั น โดยการออกแบบจะให้ สามารถรองรั บ สภาวะผิ ด ปกติ ไ ด้ เช่ น น้า หนั ก ของ โครงสร้างถัง แรงดัน ภายในถังที่ใช้ในการออกแบบ และแรงดันที่เกิดจากน้าหนักของของเหลว ภายในถัง 𝐿𝑜𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝐷𝑙 + 𝑃𝑔 + 𝑃𝑙 (2.1) 𝐿𝑜𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝐷𝑙 + 𝑊𝐿 + 0.4 𝑃𝑣 (2. 2) โดยที่ 𝐷𝑙 คือ น้าหนักตายตัว หน่วย กิโลกรัม 𝑃𝑔 คือ ความดันออกแบบของภาชนะบรรจุของเหลวรองหรือระบบ ถังบรรจุแบบเมมเบรน หน่วย ปาสกาล 𝑃𝑙 คือ หัวแรงดันของของเหลวที่บรรจุ หน่วย ปาสกาล 𝑃𝑣 คือ ความดันสุญญากาศ หน่วย ปาสกาล 11 2.5.2. การออกแบบผนัง สาหรับคานวณหาความหนาของเปลือกถังที่ใช้ในการออกแบบและการทดสอบสาหรับถังที่มี เส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 60 เมตร สามารถหาได้ตามสมการต่อไปนี้ 𝑡𝑑 = 4.9𝐷(𝐻 − 0.3)𝐺 + 𝐶𝐴 (𝑆𝑑 )𝐸 𝑡𝑡 = โดย (2. 3) 4.9𝐷(𝐻−0.3) (𝑆𝑡 )𝐸 𝑡𝑑 คือ ความหนาในการออกแบบ หน่วย มิลลิเมตร 𝑡𝑡 คือ ความหนาผนังสาหรับการทดสอบแรงดันด้วยน้า หน่วย มิลลิเมตร 𝐷 คือ เส้นผ่านศูนย์กลางใน หน่วย เมตร 𝐺 คือ ความถ่วงจาเพาะของของเหลวที่จะจัดเก็บ 𝐻 คือ ระดับน้าออกแบบ Ε คือ ประสิทธิภาพรอยเชื่อม 𝐶𝐴 คือ ระยะเผื่อของความหนาสาหรับการกัดกร่อน หน่วย มิลลิเมตร 𝑆𝑑 คือ ความเค้นสูงสุดที่ยอมรับได้ตามสภาพการใช้งาน หน่วย เมกกะปาสกาล 𝑆𝑡 คือ ความเค้นสูงสุดที่ยอมรับได้ของการทดสอบด้วยแรงดันน้า หน่วย เมกกะปาสกาล 12 (2.4) 2.5.3. การโก่งตัวของถังจากแรงภายนอก สาหรับโครงสร้างถังที่ไม่ได้รับการเสริม ด้วยวงแหวงเสริมความแข็งแรงการโก่งตัว มีโอกาส เกิดขึ้นได้ตามแนวผนังถังจึงได้มีข้อกาหนดของระยะที่ ปลอดภัยต่อการโก่งตัวจากแรงภายนอกของ ผนังถังซึ่งไม่ได้รับการเสริมความแข็งแรงตามมาตรฐาน API 620[4] ดังต่อไปนี้ โดยอาจมีข้อยกเว้น ในกรณีพิเศษ อาทิ ถังที่มีความสูงหรือต่ามาก ๆ หรือถังที่มีผนังหนามากกว่าปกติ ซึ่งต้องไปพิจารณา กับมาตรฐานอื่น ๆ เพิ่มเติม 𝐻1 = 6 × ( โดย 𝑉120𝑚𝑝ℎ 100 × 𝑡 3 ) ×( ) 𝐷 𝑉3𝑠𝑒𝑐 (2. 5) 𝐻1 คือ ความสูงของผนังถังที่ปลอดภัย หน่วย เมตร 𝑡 คือ ความหนาของผนังชั้นบนสุด หน่วย เมตร 𝐷 คือ เส้นผ่านศูนย์กลาง หน่วย เมตร 𝑉120𝑚𝑝ℎ คือ ความเร็วลมอ้างอิงมีค่า 120 หน่วย ไมล์ต่อชั่วโมง 𝑉3𝑠𝑒𝑐 คือ ความเร็วลมที่สนใจในช่วง3วินาที หน่วย ไมล์ต่อชัวโมง สาหรับถังที่ความหนาไม่ได้เท่ากันตลอดทั้งความสูงถัง ระยะการเปลี่ยนแปลงของความหนา 𝐻𝑡𝑠 จะออกแบบได้ผ่านเงื่อนไขดังนี้ 1. ให้ใช้ระยะที่จะเปลี่ยนความหนาผ่านการคานวณด้วยผลรวมของความกว้างผนังที่ ระบุตามข้อ 2 2. ความกว้างในแต่ละช่วงสามารถคานวณได้ผ่านการคูณความสูงในแต่ละช่วงด้วย อัตราส่วน (𝑡𝑠1 ⁄𝑡𝑎𝑐𝑡 ) 𝐻𝑇𝑆 = ℎ1 ( 2.5 ซึง่ 𝑡𝑠1 = 𝑡𝑎𝑐𝑡 สาหรับผนังชั้นบนสุดของถัง 𝑡𝑠1 2.5 𝑡𝑠1 ) + ℎ2 + … ℎ𝑛 ( )2.5 𝑡𝑠1 𝑡𝑠𝑛 (2. 6) โดยหลักการข้างต้นนี้ทายังทาให้ผู้ออกแบบสามารถสร้างแบบจาลองถังเสมือนที่มีความหนา คงที่แต่มีความสูงที่ถูกปรับแก้แล้ว เพื่อให้การวิเคราะห์พฤติกรรมภายใต้แรงกดภายนอก เช่น แรงลม ได้ผลลัพธ์ที่เทียบเท่ากับถังจริงที่มีความหนาไม่เท่ากัน 13 2.5.4. การออกแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรง วงแหวนเสริมความเข็งแรงเป็นอุปกรณ์เสริมซึ่งจะช่วยในการต้านทานการโก่งตัวของผนังหรือ ยุบเข้าจากแรงกดดัน โดยเฉพาะเมื่อถังมีความสูงมาก ๆ โดยออกแบบผ่านหลักการเพิ่มความเฉี่อย (I) ให้กับผนังถัง ซึง่ เพิ่มความสามารถของหน้าตัดวัตถุในการต้านทานการดัดโค้งหรือโก่งตัวเนื่องจากหน้า ตัดของผนังถังบริเวณนั้นมีขนาดใหญ่ขึ้น นอกจากนั้นแล้ว เมื่อถังถูกใช้งานในสภาวะที่มีแรงดัน ภายนอก เช่น ถังที่ถูกดูดอากาศออก การยุบตัวอาจเกิดขึ้นแบบฉับพลัน (buckling) วงแหวนเหล่านี้ ช่วยเสริมความมั่นคง (stability) ในการรักษารูปทรงให้กับโครงสร้างโดยรวมของถังทาให้ทนต่อแรงได้ ดีขึ้น ซึ่งจะเห็นได้จากตัวอย่างรูปแบบวงแหวนเสริมความเข็งแรงในภาพด้านล่าง รูปที่ 2.6 รูปแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรง 2.5.5. การหาตาแหน่งที่เหมาะสมสาหรับการติดตั้งวงแหวน เมื่อผู้ออกแบบถังต้องการเสริมโครงสร้างผ่านอุปรณ์ชิ้นนี้จาเป็นต้องออกแบบให้สอดคล้อง กับระยะปลอดภัย ( 𝐻1) โดยเมื่อทราบระยะที่ปลอดภัยซึ่งปราศจากการเสริมความแข็งแรงแล้ ว ผู้ออกแบบสามารถใช้ 𝐻1 ในการหาจานวนวงแหวนที่ต้องติดตั้งสาหรับความสูงทั้งหมดได้ดังนี้ โดย หากค่าที่ได้มีค่าติดลบจะหมายถึงไม่จาเป็นต้องติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรง 𝑁𝑠 + 1 = 14 𝐻𝑇𝑆 𝐻1 (2. 7) สาหรับระยะห่างระหว่างวงแหวนในแต่ชั้นจะหาได้จาก 𝐿𝑥 = 𝐻1 [ โดย 𝑡𝑠𝑥 𝑡𝑠𝑚𝑖𝑛 ]2.5 (2. 8) 𝐿𝑥 คือ ระยะห่างระหว่างวงแหวนแต่ละชั้น หน่วย เมตร 𝑡𝑠𝑥 คือ ความหนาของผนังที่สนใจ หน่วย เมตร 𝑡𝑠𝑚𝑖𝑛 คือ ความหนาน้อยที่สุดของเปลือกถัง หน่วย เมตร แต่สาหรับระยะห่างของวงแหวนในกรณีที่ความหนาของผนังไม่ได้มีค่าเดียวสามารถหาได้จาก ข้อแนะนาด้านล่าง ตามมาตรฐาน API 620 1. ระยะห่างระหว่างวงแหวน 𝐿𝑠 ของชั้นที่มีความหนาน้อยสุดคือ 𝑡𝑠𝑚𝑖𝑛 = 𝐻𝑠𝑎𝑓𝑒 2. ระยะห่างระหว่างวงแหวน 𝐿𝑠 ของชั้นที่มีความหนาอื่น ๆ จะมีค่า 𝐿𝑠 = (𝐻𝑠𝑎𝑓𝑒 ) ( โดย 𝑡𝑠𝑥 𝑡𝑠𝑚𝑖𝑛 2.5 ) (2. 9) 𝐻1 ระยะที่ปลอดภัยของช่วงผนังที่ไม่ได้เสริมความแข็งแรง หน่วย เมตร 𝑡𝑠𝑥 คือ ความหนาของผนังที่สนใจ หน่วย เมตร 𝑡𝑠𝑚𝑖𝑛 คือ ความหนาน้อยที่สุดของเปลือกถัง หน่วย เมตร 3. สาหรับการออกแบบระยะห่างระหว่างวงแหวนให้ครอบคลุมความหนาเปลือก ถังที่แตกต่างกันให้ปรับแก้ระยะห่างจริงตามระยะช่วงผนังถังที่เปลี่ยนไปด้วย 2.6. ภาระกรรมที่เกิดกับตัวถัง ภายใต้การปฏิบัติงานของถัง เก็ บเอทิ ลี นและรวมถึ งสารอื่น ๆ ในอุตสาหกรรมต้ องผ่า น การใช้งานในรูปแบบสภาพแวดล้อมที่มีความหลากหลายตลอดทั้งปีรวมถึงลักษณะการปฏิบัติงานของ ตัวถังก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งของภาระกรรมที่เกิดขึ้นกับตัวถังเช่นกัน การทาความเข้าใจถึงสภาพแวดล้อม และเงื่อนไขการปฏิบัติงานที่จะเกิดขึ้น เป็นพื้นฐานสาคัญที่จะช่วยให้ถังที่ออกแบบสามารถใช้งานได้ จนถึงอายุขัยที่ต้องการ 15 2.6.1. แรงลม แรงลมเป็นปัจจัย สาคัญที่ผู้ออกแบบต้องคานึงถึงเนื่องจากความสูงของถังอุตสาหกรรมที่ มี ความสู ง โดยแรงดั น ลมในแนวรั ศ มี จะแตกต่า งกั น ไปตามเส้ น รอบวงและความสู ง ของผนั ง ถังทรงกระบอกโดยเฉพาะในช่วงที่ถังไม่ได้มีของเหลวเติมเต็มอยู่ภายในเท่าที่ ควร และเงื่อนไขสภาพ ภูมิประเทศเองก็มีส่วนเช่นกันโดยมีกรณีศึกษาให้เห็น อาทิ การยุบตัวของถังปิโตรเคมีขณะก่อสร้าง ในประเทศอาเจนติน่า [5] รูปที่ 2.7 การยุบตัวของถังในประเทศอาเจนติน่า 2.6.2. ความดันสุญญากาศ ภายใต้ การปฏิ บั ติ งานของถั ง บรรจุ สารขนาดใหญ่ น อกจากผลกระทบจากแรง จาก สภาพแวดล้อมภายนอกแล้วยังมีสภาพแวดล้อมภายในบางประการที่ต้องได้รับการพิจารณาเพิ่มเติม เพื่อความปลอดภัยด้านการออกแบบ โดยปัจจัยหลักที่เป็นสาเหตุของภาวะสุ ญญากาศมากจากของ ไหลที่ถูกบรรจุอยู่ภายในซึ่งผลิตแก๊สหรือไอระเหยออกมา และเมื่อของไหลเหล่านั้นถูกดูดออกอย่าง รวดเร็วโดยไม่มีอากาศเข้ามาแทนที่ จะเกิดพื้นที่สุญญากาศภายในถัง ซึ่งจะทาให้ความดันบรรยากาศ ภายนอกถังเข้ามากระทาอย่างรุนแรงต่อผนังถังและส่งผลให้ถังยุบตัวลง หรือแม้กระทั้งปัจจัยด้าน อุ ณ หภู มิ เ องซึ่ ง อาจเร่ ง กระบวนการกลั่ น ตั ว และความดั น ที่ ล ดลงอย่า งรวดเร็ ว เที ย บกั บ ความดันบรรยากาศจึงเกิดการยุบตัวของถังขึ้น 16 รูปที่ 2.8 การยุบตัวของถังภายใต้ความดันสุญญากาศ [6] 2.6.3. ความดันจากของเหลวในตัวถัง ในถังทรงกระบอกบางความดันจากของเหลวภายในถัง เป็นปั จจัยที่สร้างความเค้นตาม แนวรัศมีให้แก่ตัวถังและอาจนาไปสู่การแอ่นออกโดยเฉพาะในช่วงกลางของแผ่น และหากมีการเติม และระบายของเหลวบ่อยครั้งจะทาให้แรงดันภายในเปลี่ยนแปลงซ้าจนอาจเกิดเป็นการล้าภายในของ วัสดุตามมาได้อีกด้วย 2.6.4. ความดันจากฉนวนเพอร์ไลท์ ฉนวนเพอร์ ไ ลท์ มี ลั ก ษณะเป็ น เม็ ด กลมถู ก บี บ อั ด ระหว่า งผนั ง ชั้ น ตามความสู ง ของผนั ง ถั ง ซึ่ ง สามารถวิเคราะห์ได้ คล้ายกั บพฤติกรรมของน้า หนักของของไหลที่ อยู่ นิ่ ง ซึ่ง กดทับลงมาเนื่องจาก แรงโน้มถ่วง (Hydrostatic pressure) ซึ่งความดันจะถูกแปรเปลี่ยนตามความสูงแต่จะมีความต่าง ในพื้นที่สัมผัสและแรงเสียดทาที่เกิดขั้นระหว่างอนุภาคอันเองและระหว่างภาชนะที่สัมผัสโดยสามารถ ใช้สมการของ Janssen[7] และ งานวิจัยคุณสมบัติเพอร์ไลท์หลวม[8] ซึง่ คานวณได้ดังด้านล่าง 𝜎𝑧 = โดยที่ 𝜌𝑔𝐷 4𝑘𝜇 (1 − 𝑒 −4𝑘𝜇 𝑧 𝐷 ) (2.10) 𝜎𝑧 คือ แรงดันผนังถัง หน่วย ปาสกาล 𝜌 คือ ความหนาแน่นของเพอร์ไลท์ หน่วย กิโลกรัมต่อลูกบากศ์เมตร 𝐷 คือ คือเส้นผ่านศูนย์กลางของถัง หน่วย เมตร 𝑘 คือ อัตราส่วนแรงดันด้านข้างต่อแรงดันแนวดิ่ง 𝜇 คือ สัมประสิทธิ์ความเสียดทานที่ผนัง 17 𝑧 คือ ระยะความสูง หน่วย เมตร 𝑔 คือ ความเร่งโน้มถ่วง (9.81 เมตรต่อวินาทีกาลังสอง) อัตราส่วนแรงดันด้านข้างต่อแรงดันแนวดิ่ง สามารถหาได้จาก 𝑘 = (1 − sin ∅) โดยที่ (2.11) ∅ คือ ค่ามุมเสียดทานภายใน หน่วย องศา 2.6.5. แรงจากน้าหนักของโครงสร้าง น้าหนักของโครงสร้างถังเกิดจากมวลของแผ่นเปลือก,หลังคา, โครงเสริม (Stiffeners) และ องค์ประกอบอื่น ๆ ซึ่งกระทาต่อโครงสร้างถังในทิศทางลงตามแรงโน้มถ่วงของโลกซึ่งมีอยู่ตลอดเวลา ทั้งในสภาวะที่ถังว่างและถังบรรจุสารเคมี สาหรับถึงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เกินไปแม้แต่ตัวหลังคา ก็ ไ ม่ สามารถรั บ น้า หนั ก ตั ว เองที่ เ กิ ด ขึ้ นในสภาวะปกติ ไ ด้ จาเป็ น ต้ อ งมี โ ครงสร้า งเสริ ม สาหรับ การถ่ายน้าหนักหลังคาโดยเฉพาะ และเมื่อทางานร่วมกับแรงอัดที่เกิดจากแรงภายนอกทาให้ความ เสี่ยงต่อการโก่งตัวเพิ่มขึ้น 2.7. การวิเคราะห์ความเค้นที่เกิดขึ้นกับถังทรงกระบอก เมื่อถังทรงกระบอกได้รับแรงกระทาตามแนวผนังจากภายในหรือภายนอกจะเกิดความเค้น 𝑅 ขึ้นในผนังรอบตัวถังโดยในกรณีถังผนังบางที่ 𝑡 > 10 ความเค้นจะเกิดขึ้นในสองแนวดังนี้ 18 2.7.1. ความเค้นตามแนวเส้นรอบวง ( Hoop stress ) เป็นความเค้นที่เกิดขึ้นตามแนวเส้นรอบวงของถังสามารถหาได้จากสูตร 𝜎ℎ = โดยที่ 𝑞𝑅 2𝑡 (2. 12) 𝜎ℎ คือ ความเค้นในแนวเส้นรอบวง หน่วย ปาสกาล 𝑞 คือ แรงต่อพื้นที่หน้าตัดของถัง หน่วย ปาสกาล 𝑡 คือ ความหนาของผนังถัง หน่วย เมตร 𝑅 คือ รัศมีของถัง หน่วย เมตร 2.7.2. ความเค้นตามแนวยาว (Longitudinal stress) เป็นความเค้นที่เกิดขึ้นตามแนวเส้นรอบวงของถังสามารถหาได้จากสูตร 𝜎𝑙 = โดยที่ 𝑞𝑅 𝑡 (2. 13) 𝜎𝑙 คือ ความเค้นในแนวเส้นรอบวง หน่วย ปาสกาล 𝑞 คือ แรงต่อพื้นที่หน้าตัดของถัง หน่วย ปาสกาล 𝑡 คือ ความหนาของผนังถัง หน่วย เมตร 𝑅 คือ รัศมีของถัง หน่วย เมตร 19 2.8. การวิเคราะห์หาความดันวิกฤติอันก่อให้เกิดการเสียรูปของถังทรงกระบอก การรั บ แรงของถั ง ทรงกระบอกภายใต้ แรงกระทาผนั ง อย่า งคงที่ (uniform lateral -pressure ) จะเกิดการเสียรูปเมื่อผนังมีความเค้นเกินจุดครากของวัสดุหรือจากการการโก่งเดาะที่เกิด ก่อนจุดคราก โดยตัว แปรลักษณะเฉพาะของโครงสร้างถัง ที่ใช้อธิบายถึง ขีดจากัด ในการทนต่ อ การโก่ ง (Buckling strength) ของถั ง ที่ นิ ย มใช้ กั น มีส องรู ป แบบได้ แ ก่ อั ต ราส่ ว นความสู งต่อ เส้นผ่านศูนย์กลาง (Aspect ratio) H/D และ อัตราส่วนความชะลูด (Slenderness ratio) R/t ซึ่ง Warren และ Richard [9] ได้มีการนาเสนอหาค่าแรงวิกฤติที่ทนต่อการโก่งเดาะนี้จะถูกจัดกลุ่ม ผ่านระยะความยาวประสิทธิผลเมื่อถังมีลักษณะตามเงื่อนไข 𝑟 𝑟 𝑡 𝑡 𝑙 > 4.90𝑟√ และ > 10 (2. 14) โดยที่ 𝑡 คือ ความหนาของผนังถัง หน่วย เมตร 𝑟 คือรัศมีเฉลี่ยของถัง หน่วย เมตร ซึ่งสามารถวิเคราะห์แรงวิกฤติได้จากสมการ 1 𝐸 𝑡3 𝑞 = ( ) 4 1 − 𝜈2 𝑟3 ′ โดยที่ 𝑞 ′ คือ แรงสูงสุดที่ถังทรงกระบอกทนได้ หน่วย ปาสกาล 𝐸 คือ มอดูลัสของความยืดหยุ่น หน่วย เมตร 𝑣 คือ อัตราส่วนปัวซง หน่วย เมตร 20 (2. 15) แต่ สาหรั บ ในกรณี ที่ ถั ง ไม่ ไ ด้ มี ลั ก ษณะตรงตามโครงสร้า งข้า งต้ น จะถู ก จั ด อยู่ ใ นกลุ่ ม ทรงกระบอกสั้นโดย Warren ได้แนะนาให้ใช้สูตรโดยประมาณซึ่ง มาจากผลการทดลองการวิเคราะห์ ความเค้นแบบโฟโตอิลาสติก (Photo elastic Stress Analysis) ของ Stanley [10] ดังต่อไปนี้ 𝐸𝑡 2 4 1 𝑡2 3 √ 𝑞 = 0.807 ( ) 𝑙𝑟 1 − 𝜈2 𝑟2 ′ (2. 16) โดยที่ 𝑞 ′ คือ แรงสูงสุดที่ถังทรงกระบอกทนได้ หน่วย ปาสกาล 𝐸 คือ มอดูลัสของความยืดหยุ่น หน่วย เมตร 𝑣 คือ อัตราส่วนปัวซง หน่วย เมตร 𝑡 คือ ความหนาถัง หน่วย เมตร 2.9. วัสดุสาหรับโครงสร้างถัง การออกแบบถังโดยปกติจะต้องมีการคานึงถึ งลักษณะและสภาพแวดล้อมการใช้งาน และใช้ มาตรฐานสากลรองรับในการออกแบบควบคู่กันไปสาหรับถังบรรจุเอทิลีนที่มีการศึกษาในโครงงานนี้ นั้นเป็นลักษณะของถ้าที่มีอุณหภูมิปฏิบัติงาน -104˚ ซึ่งเป็นช่วงที่ต่าและส่งผลต่อ โครงสร้างอย่างมี นัยสาคัญจึงมีการเลือกวัสดุที่มีความรัดกุมเป็นพิเศษโดยสามารถจาแนกเป็น 4 วัสดุหลัก ๆ ดังนี้ 2.9.1. A283-C เป็นเหล็กแผ่นที่มีโครงสร้างคาร์บอนต่า ผลตามมาตรฐาน ASTM A283 ซึ่งเป็นมาตรฐานของ เหล็กกล้าคาร์บอนที่มีความต้านทานแรงดึงต่าถึงปานกลาง โดยเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายใน การก่อสร้างและงานโครงสร้างทั่วไป เช่น อาคาร สะพาน ถังเก็บ และโครงสร้างทางวิศวกรรมอื่น ๆ จุดเด่นของวัสดุชนิดนี้คือ สามารถเชื่อมและขึ้นรูปได้ง่ายและราคาไม่สูงเท่าวัสดุกลุ่มเหล็กกล้าไร้สนิม จึงมีการนามาใช้เป็นวัสดุในการสร้างภาชนะชั้นนอกของตัวถังเก็บเอทิลีน 2.9.2. SS316L จัดอยู่ในกลุ่มสเตนเลสออสเทนนิติกหรือเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีโครงสร้างแบบออสเทไนต์ โดย L ในที่นี้มาจากมาตรฐาน AISI ซึ่งแสดงถึงปริมาณคาร์บอนที่ต่ามากกว่าปกติ โดยอยู่ที่ 0.03% จุดเด่นของSS316L อยู่ที่การเติม โมลิบดีนัม (Mo) ในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อเพิ่มความต้านทานต่อ การเกิดการกัดกร่อนแบบหลุม (pitting corrosion) และการกัดกร่อนแบบร่อง (crevice corrosion). 21 2.9.3. SS304 เหล็ ก กล้า ไร้ ส นิ ม ตามมาตรฐาน AISI เป็ น วั ส ดุ ที่ ใช้ กั น มากที่ สุ ด ในเหล็ ก กล้า ไร้ ส นิ ม มีความสามารถในการทนการกัดกร่อนที่ดี ขึ้นรูปและเชื่อมได้ง่าย จึงเป็นที่นิยมในงานโครงสร้าง ถังทรงกระบอก ในบางครั้งอาจถูกเรียกด้วยชื่อ เหล็ก 18/8 ซึ่งมีที่มาจาก ปริมาณโครเมียม 18% และ นิกเกิล 8% 2.9.4. Perlite เป็ น หิ น ภู เขาไฟธรรมชาติ โ ดยเกิ ด จากการที่ น้า เข้า ไปทาปฏิ กิ ริ ยากั บ หิ น อ๊ อ บซิ เ ดี ย น โดยจุดเด่นของหินชนิดนี้คือน้าหนักที่เบาและกักเก็บความชื่ นกับอุณหภูมิได้ดี สามารถรับแรงใน แนวกดได้ จึงได้ถูกนามาใช้เป็นวัสดุฉนวนรักษาอุณหภูมิของถัง ถังไครโอเจนิก (Cryogenic Tank) ตามมาตรฐาน [11] และ EEMUA147 [3] 2.10. ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ การวิเคราะห์โ ครงสร้างถึงภาระกรรมและพฤติกรรมของวัสดุสามารถทาได้ หลากหลาย รู ป แบบผ่า นสมการเชิ ง คณิ ต ศาสตร์ ทฤษฎี ด้า นโครงสร้า ง และวั ส ดุ ศาสตร์ แต่ ปั ญ หาจริ ง ใน ชีวิตประจาวันไม่ได้จากัดแค่รูปทรงเรขาคณิตทั่วไป หรือขอบเขตโจทย์ปัญหาที่ง่ายในการคานวณ หรือรูปแบบโจทย์ปัญหาที่ตายตัว แต่การจะคิดคาตอบของปัญหาที่ซับซ้อนสามารถใช้ระเบียบวิธีการ ไฟไนต์เอลิเมนต์ ในการแบ่งโครงสร้างเป็นชิ้นเล็ก ๆ เพื่อแก้ทีละจุดโดยอาศัย หลักการคานวณของ คอมพิวเตอร์จึงได้คาตอบที่แม่นยา และสะท้อนพฤติกรรมใกล้เคียงความจริงของระบบ 2.10.1. ประเภทเอลิเมนต์ ในการแก้ ปั ญ หาด้ ว ยระเบี ย บวิ ธี ไ ฟไนต์ เ อลิ เ มนต์ รู ป ร่า งของปั ญ หาจะถู ก แบ่ ง เป็ น ชิ้นส่วนเล็ก ๆ (เอลิเมนต์) เพื่อใช้ในการวิเคราะห์ปัญหาเฉพาะจุดก่อนจะนาความสัมพันธ์ของชิ้นส่วน เหล่านั้นมาสร้างเป็นผลลัพธ์การตอบสนองเชิงโครงสร้างของวัสดุ สาหรับการแบ่งประเภทเอลิ เมนต์ จะถูกจัดกลุ่มผ่านรูปร่างได้สามกลุ่มดังนี้ 1. เอลิเมนต์ 1 มิติ เป็นเอลิเมนต์รูปแบบอย่างง่ายที่สุดเกิดสร้างผ่านจุดสองจุดต่อกัน โดยใช้ จาลองโครงสร้า งที่ มี การเปลี่ ย นแปลงในแนวเดี ย ว อาทิ โครงถั ก (Truss) หรือคาน(Beam) โดยมีการเก็บข้อมูลหน้าตัดของคานแยกไว้สาหรับการแปลงผล 2. เอลิ เมนต์ 2 มิติ เรียกอีกอย่างว่าเอลิ เมนต์ผิว (surface element) มีรูปร่าง สามเหลี่ย มหรือสี่เหลี่ย มแบบแผ่น เป็นหลัก เหมาะสาหรับ การวิเคราะห์ การตอบสนอง ตามแนวผิวประกอบด้วยโนด 4 ถึง 8 จุดในเอลิ เมนต์สี่เหลี่ยม(Quadrilateral elements) และ3 ถึง 6 จุดใน เอลิเมนต์แบบสามเหลี่ยม (Triangular elements) 22 3.เอลิเมนต์ 3 มิติ ใช้สาหรับงานโครงสร้างสามมิติที่มี การตอบสนองของโครงสร้าง ทั้งสามแกนโดยรูป ทรงที่ พบได้บ่อ ยจะเป็น ทรงสี่ห น้า (TET) และทรงหกหน้า (HEX) นอกจากนั้นยังมีรูปทรงทางเลือกอื่น ๆ อาทิ ทรงห้าหน้า (Wedge) หรือพีระมิด โดยเอลิ เมนต์ แต่ละประเภทมี ฟังก์ชันรูปร่าง (Shape Function) และ จานวนโหนด (Nodes) ที่แตกต่างกัน อาทิ Quadratic Element ซึ่งจะเพิ่มโนดตรงกลางมาในแต่ละหน้าของ เอลิเมนต์ซึ่งจะได้ความละเอียดในการคานวณมากขึ้นแต่แลกมาด้วยทรัพยากรการคานวณที่เพิ่มขึ้น ตาม ดังนั้นการเลือกประเภทเอลิ เมนต์ให้เหมาะสมจึงขึ้นอยู่กับ ลักษณะของปัญหา ความแม่นยาที่ ต้องการ และ ทรัพยากรในการคานวณ 2.11. การวิเคราะห์แบบสภาพนิ่งแบบไม่เชิงเส้น (Non-linear Static analysis) เป็นการศึกษาและวิเคราะห์วัตถุที่อยู่ในสภาวะสมดุล โดยพิจารณาแรงและโมเมนต์ที่กระทา ต่อวัตถุ โดยที่วัตถุไม่มีการเปลี่ยนแปลงความเร็วหรือการเคลื่อนที่ เพื่อประเมินความแข็งแรงและ ความมั่นคงของโครงสร้างภายใต้สภาวะโหลดที่คงที่ แต่เมื่อมีความไม่เชิงเส้นมาเกี่ยวข้องในระบบ เช่น ความไม่สมบูรณ์ (imperfections) ซึ่งพฤติกรรมเปลี่ยนแปลงอย่างไม่คงที่ดังนั้น จึงต้องค่อย ๆ ใส่โ หลด (incremental loading) เพื่อ ติดตามการเปลี่ยนแปลงของความแข็งและสถานะของ โครงสร้างไปทีละขั้น 2.11.1. วิธีเพิ่มขึ้นทีละส่วน (Incremental method) วิธีพื้นฐานสาหรับการวิเคราะห์แบบไม่เชิงเส้นคือแรงจะถูกแบ่งเป็นส่วน ๆ และใส่ลงไปทีละ ส่ ว นในระบบเพื่ อ ติ ด ตามพฤติ ก รรมและจะใส่ เ พิ่ ม ต่ อ ไปเมื่ อ โครงสร้า งเข้า สู่ ส ภาวะจากแรง ส่ว นก่อนหน้าที่ใส่ไปแล้ว ผ่านการวิเคราะห์ ค่าปกติ (norm) ของแรงที่ไม่ส มดุล เพื่อให้แน่ใจว่า โครงสร้างเข้าสู่สภาวะสมดุลที่ถูกต้องในแต่ละขั้น ดังภาพด้านล่าง และยิ่งแบ่งแรงเป็นส่วนย่อย ๆ มากขึ้นเท่าไหร่โอกาสที่การคานวณจะลู่เข้าสู่จุดที่ต้องการก็ยิ่งสูงขึ้น โดยเฉพาะในโครงสร้างที่ซับซ้อน แต่ก็แลกมาด้วยทรัพยากรการคานวณที่สูงขึ้นเช่นกัน รูปที่ 2.9 การเพิ่มขึ้นของแรงแบบ Increment [12] 23 2.11.2. วิธีส่วนโค้งความยาว (Arc-length method) วิธีนี้มักถูกนามาประยุกต์ใช้เมื่อการทา increment ไม่สามารถให้คาตอบที่ลู่เข้าได้โดยแทนที่ จะควบคุมแรงหรือการกระจัดอย่างเดียว วิธีส่วนโค้งความยาวจะโฟกัสไปที่การควบคุมความยาวรวม ของขั้นตอนบน equilibrium path โดยวาดเส้นโค้งความยาวคงที่ (Arc-Length) ซึ่งใช้วิธีเชิงตัวเลข อย่าง Newton-Raphson เพื่อหาคาตอบหลายจุดที่สมดุล แล้วเอามา พล็อตเป็นเส้น รอบจุดปัจจุบัน แล้วค้นหาจุดถัดไปที่อยู่ทั้งบนวงกลม และบนเส้นสมดุลพอดี ข้อดีคือสามารถติดตามพฤติกรรมของ โครงสร้างได้แม้ในช่วงที่เกิด การยุบตัวแบบกะทันหัน (snap) หรือโหลดลดลงซึ่งมีการย้อนกลับของ เส้นทางที่วิธีทั่วไปไม่สามารถทาได้เนื่องจากวิธีเพิ่มขึ้นทีละส่วนจะเดินหน้าอย่างเดียว รูปที่ 2.10 การวาดเส้น Arc length เพื่อหาจุดสมดุล [13] 24 2.12. การโก่งเดาะ (Buckling) ในการวิเคราะห์แบบสภาพนิ่ง (Static analysis) โครงสร้างสร้างที่สมบูรณ์แบบ (perfect structures) โดยทั่ ว ไปแล้ ว จะเสีย รูป ผ่า นสองกรณี คือ เมื่ อ ได้ รั บ ความเค้ น มากกว่า ความเค้น ณ จุดครากของวัสดุ และอีกประการคือการเสียรูปของวัสดุก่อนถึงจุดคราก ซึ่งมักจะเริ่มที่การเสียรูป เพียงเล็กน้อยเท่านั้น แต่เป็นสัญญาณบ่งชี้ถึงความไม่เสถียรของโครงสร้าง ซึ่งอาจนาไปสู่การพังทลาย ในที่สุด สาหรับโครงสร้างแบบเปลือกแล้ว Bushnell [14] ได้มีการอธิบายไว้ว่า คุณสมบัติการรับแรง แรงที่กระทาอยู่ในระนาบของผิว (membrane stiffness) มีค่าสูงกว่าความแข็งแรงของการดัด (bending stiffness) หลายเท่าตัว ซึ่งเมื่อเปลือกบางถูกกดอัดพลังงานความเครียดจะถูกสะสมอยู่ใน รูปของพลังงานเมมเบรน โครงสร้างจะพยายามหาวิธีที่จะปลดปล่อยพลังงานนี้ออกมา แต่หากวัสดุ แข็งเกินไปจนไม่สามารถปลดปล่อยออกไปในรูปแบบของพลังงานเมมเบรนได้ หรือไม่สามารถย่อตัวลง ไปได้มากกว่านี้ พลังงานจะหาวิธีการเสียรูปที่ง่ายกว่า ทาให้เปลือกบางเกิดการโก่งเดาะอย่างรวดเร็ว แม้ว่าแรงอัดรวมอาจจะยังไม่สูงมากก็ตาม 2.12.1. การวิเคราะห์การโก่งเดาะเชิงเส้น (Linear Buckling Analysis) แนวทางการหาค่าของแรงกระทาวิกฤตที่ทาให้โครงสร้างเกิดการโก่งเดาะ (buckling load) ที่ง่ายที่สุดคือการสมมติว่าโครงสร้างยังคงอยู่ในช่วงพฤติกรรมเชิงเส้น (linear elastic) และการเสียรูป มีค่าน้อย ผ่านโมเดลคณิตศาตร์ของปัญหาค่าลักษณะเฉพาะ (Eigen-problems) ซึ่งค่า eigenvalue ที่ต่าสุดจะสอดคล้องกับค่า elastic critical load และค่า eigenvector จะอธิบายรูปทรงที่เสียรูป ของโครงสร้างในลักษณะการโก่งเดาะนั้น ๆ ซึ่งเป็นไปดังสมการ ([𝐾] + 𝜆𝑖 [𝑆]){𝜓}𝑖 = {0} โดย [𝐾] คือ stiffness matrix [𝑆] คือ stress stiffness matrix 𝜆𝑖 คือ ค่าไอเก้นของระบบ (ขนาดการโก่งตัว) {𝜓}𝑖 คือ ไอเก้นเวกเตอร์ของระบบ (โหมดการโก่งตัว) 25 (2. 17) หากต้องการหาค่าแรงที่ทาให้เกิดการโก่งตัวสามารถนาขนาดการโก่งตัวจากสมการไอเก้น (𝜆𝑖 ) ไปคูณกับแรงที่ใส่ไปในระบบตอนเริ่มต้นจริง ได้ดังตัวอย่าง 𝑃𝑐𝑟 = 𝜆𝑖 × 𝑃𝑎𝑝𝑝𝑙𝑖𝑒𝑑 (2. 18) 2.12.2. ทฤษฏีการแตกแขนงและสภาวะหลังการเสียรูปภายใต้การโก่งเดาะ โครงสร้างที่ไม่ได้ให้ตัวเท่าที่ควรภายใต้โหลดในแนวแกนจะเกิดการพัง ทลาย (Collapse) จากความเค้นที่มากเกินขีดจากัดวัสดุ แต่เมื่อยังคงรับแรงต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ โครงสร้างมีโอกาสพบจุด แยกที่ โ ครงสร้างเริ่ ม มีทางเลื อ กในการเสี ย รู ป แม้แรงที่ ก ระทาจะเท่า เดิม จากการทดลองของ L.H.Sobel [15] โครงสร้างอาจเดินตาม ABC และเสียรูปอย่างสมมาตรในแนวแกนหรืออาจเดินตาม เส้น ABD โดยเสียรูปอย่างสมมาตรในช่ว งแรกและเกิดการดัดตัว อย่างรุนแรง (Snap-through) หลั ง จุ ด B ซึ่ ง อาจมี รู ป ร่า งแตกต่า งไปอย่า งสิ้ น เชิ ง จากพฤติ ก รรมการเสี ย รู ป ในเส้ น ทางหลั ก (Fundamental path) โดยจุ ด แยกตั ว นี้ สามารถหาได้ จากคาตอบของสมการลั ก ษณะเฉพาะ (Characteristic equations) หรือ ดีเทอมิแนนต์ของปัญหาไอเก้นมีค่าเป็นศูนย์ รูปที่ 2.11 กราฟแสดงพฤติกรรมการโก่งตัวจากการทดลอง [14] 26 2.12.3. เสถียรภาพภายใต้การโก่งเดาะ ณ จุดแยกทางของการเสียรูป (bifurcation point) ซึ่งในบางครั้งอาจเกิดขึ้นก่อนหน้าโหลด สูงสุดที่วัสดุรับได้ ในกรณีเช่นนี้ โครงสร้างมีความเป็นไปได้ที่จะเสียรูปและรับแรงต่อตามเส้นทาง BA หรือเสียรูปอย่างรุนแรงตามเส้นทาง BD ดังด้านล่าง รูปที่ 2.12 กราฟแสดงจุดแยกตัวที่อยู่ก่อนภาระโหลดสูงสุด [14] การจะเช็คถึ งเสถียรภาพของพฤติกรรมหลังการโก่งตัวสามรถทาได้ผ่านการเช็กค่าไอเก้น ที่ลดลงหลังจุดแยกตัวหรือการเช็คผ่านสมการของ Koiter ซึ่งแจกแจงเป็นสมการอนุกรมของพลังงาน รอบจุดแยกตัวดังนี้ 𝜆 = 1 + 𝑎𝜉 + 𝑏𝜉 2 + ⋯ 𝜆𝑐 โดย 𝜆𝑐 คือ โหลดที่จุด bifurcation 𝑎 และ 𝑏 คือ ค่าคงที่ (ขึ้นกับรูปร่างเรขาคณิตและเงื่อนไขโหลด) 𝜉 คือ ความกว้างของการกระจัดในรูป buckling mode 27 (2. 19) โดยในงานวิจัยของ Peter [16] ได้ให้ข้อสังเกตุของพฤติกรรมหลังการแยกตัวในสมการของ Koiter ไว้เป็นสองประเด็นหลักด้วยกันดังนี้ 1.เมื่อ a≠0 พฤติกรรมหลังการแยกตัวจะเป็นแบบไม่สมมาตร (asymmetric) 2.เมื่อ a=0 พฤติกรรมการโก่งเดาะจะเป็นแบบสมมาตร (symmetric) 2.1 เมื่อ b < 0 โครงสร้างจะไม่เสถียรหลังการโก่งเดาะซึ่งจะสูญเสียความสามารถ ในการรับน้าหนักลงอย่างรวดเร็ว 2.2 เมื่อ b < 0 โครงสร้างจะเสถียรหลังการโก่งเดาะจึงสามารถรับน้าหนักได้เพิ่มขึ้น อีก หรือยังคงรักษาสภาพสมดุลได้ 2.12.4. การวิเคราะห์การโก่งเดาะแบบไม่เชิงเส้น (Non-linear buckling analysis) สาหรับโครงสร้างที่ไม่ได้มีการพังในช่วง Elastic การจะทานายซึ่งพฤติกรรมหลังการเสียรูป ไปแล้ว แต่ยังคงรับ ภาระกรรมจะมีความซับซ้อนมากกว่า โดยในช่ ว งการเสียรูปถาวร (Plastic) เนื่ อ งจากต้ อ งคานึ ง ถึ ง ความไม่ เ ป็ น เชิ ง เส้ น ทั้ ง ในด้า นวั ส ดุ แ ละรู ป ทรง โดยข้ อ บกพร่ อ งต่า ง ๆ อาทิ พฤติกรรมพลาสติก ช่องว่าง และการเสียรูปขนาดใหญ่ สามารถสร้างและรวมอยู่ในแบบจาลอง ไฟไนต์ โดยใช้การวิเคราะห์ประเภทนี้ 2.13. ความไม่เป็นเชิงเส้นในระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ การจะได้มาซึ่งผลลัพธ์ที่มีความไม่เชิงเส้นจากการทาระเบียบวิธีไฟไนต์จาเป็นต้องมีการ กาหนดความไม่สมบูรณ์พื้นฐานเพื่อที่จะให้โครงสร้างมีการตอบสนองที่ต่างออกไปโดยหลัก ๆ แล้ว ความไม่เชิงเส้นระบบสามารถแบ่งได้สามแบบดังนี้ 2.13.1. ความไม่สมบูรณ์ของรูปร่าง (Geometric imperfections) ความผิดปกติของรูปทรงจากรูปทรงในอุดมคติ ซึ่งมักเกิดจากกระบวนการผลิต การขนย้าย ความไม่สม่าเสมอของวัสดุ หรือสภาวะการใช้งาน แม้เพียงความเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากรูปร่างในอุดม คติก็ส่งผลต่อพฤติกรรมของโครงสร้างอย่างมีนัยสาคัญ โดยเฉพาะเมื่อถูกใช้งานภายใต้แรงกระทา โดย ประสิทธิภาพที่ลดลงผ่านความผิดปกติของรูปทรงได้มีการนาเสนอโดย Koiter ผ่านตัวแปรชื่อว่า Knockdown factor ซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงวิกฤติระหว่างการโก่งทางทฤษฎี และการทดลองจริง NASA [17] ได้เสนอแนวทางการคานวณผ่านสมการที่เป็นLower bound ไว้ดังนี้ 28 ความผิดปกติของรูปทรงจากรูปทรงในอุดมคติ ซึ่งมักเกิดจากกระบวนการผลิต การขนย้าย ความไม่สม่าเสมอของวัสดุ หรือสภาวะการใช้งาน แม้เพียงความเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากรูปร่างในอุดม คติก็ส่งผลต่อพฤติกรรมของโครงสร้างอย่างมีนัยสาคัญ โดยเฉพาะเมื่อถูกใช้งานภายใต้แรงกระทา โดย ประสิทธิภาพที่ลดลงผ่านความผิดปกติของรูปทรงได้มีการนาเสนอโดย Koiter ผ่านตัวแปรชื่อว่า Knockdown factor ซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงวิกฤติระหว่างการโก่งทางทฤษฎี และการทดลองจริง NASA [17] ได้เสนอแนวทางการคานวณผ่านสมการที่เป็น Lower bound ไว้ดังนี้ −√𝑅⁄𝑡 𝐾𝐷𝐹 = 1 − 0.92 (1 − 𝑒 16 ) โดย (2. 20) 𝐾𝐷𝐹 คือ ค่าสัมประสิทธิการโก่ง 𝑅 คือ รัศมีของทรงกระบอก หน่วย เมตร 𝑡 คือ ความหนาของผนัง หน่วย เมตร 2.13.2. Material Nonlinearity ในการวิเคราะห์การโก่งแบบเชิงเส้นผู้วิเคราะห์จะใช้ค่า E ที่คงที่ในการคานวณแต่สาหรับการ วิเคราะห์แบบไม่เชิงเส้นในมิติของวัสดุนั้น ค่าความแข็งจะลดลงตามพฤติกรรมวัสดุจริง ทาให้วัสดุทน การโก่งได้น้อยกว่าตอนคานวณเชิงเส้น ความไม่เชิงเส้นของวัสดุเป็นพฤติกรรมที่ไม่เชิงเส้นของวัสดุระหว่าง stress–strain สามารถ เกิดขึ้นได้หลายกรณี ไม่ว่าจะเป็นการที่วัสดุได้รับโหลดเกินจุดคราก (yielded) และเข้าสู่ช่วงพลาสติก หรือ การที่วัสดุมีความแข็งขึ้นเมื่อยืดมากขึ้น (strain hardening) ซึ่งสามารถวิเคราะห์ได้ผ่านการ ทดสอบวัสดุจริงหรือใช้แบบจาลองเชิงวิเคราะห์ เช่น Ramberg–Osgood model[18] ในกรณี ข อง stainless steel พฤติ ก รรมไม่ เ ป็ นเชิ งเส้ นเกิด ขึ้น ตั้ง แต่ก่ อ นถึ ง จุ ดคราก (0.2% proof stress) ทาให้ต้องใช้โมเดลวัสดุที่สามารถอธิบายความโค้งของกราฟ stress–strain ได้ แม่นยากว่าการใช้แบบจาลองบิลิเนียร์ ซี่งได้มีการกล่าวถึงใน[19] ดังสมการด้านล่าง 𝜎 𝜎 + 0.002( )𝑛 𝐸 𝑓𝑦 𝜀= 𝑓𝑦 𝜎 − 𝑓𝑦 𝜎 − 𝑓𝑦 𝑚 0.002 + + + 𝜀𝑢 ( ) 𝐸 𝐸𝑦 𝑓𝑢 − 𝑓𝑦 { 29 สาหรับ 𝜎 ≤ 𝑓𝑦 (2. 21) สาหรับ 𝑓𝑦 ≤ 𝜎 ≤ 𝑓𝑢 โดยที่ 𝜎 คือ ความเค้น 𝐸 และ 𝐸𝑦 คือ Young’s modulus และ Tangent modulus ที่จุดคราก 𝑓𝑦 และ 𝑓𝑢 คือ 0.2% proof stress และ ultimate tensile strength 𝜀𝑢 คือ ความเครียดทีจุ่ด 𝑓𝑢 ซึง่ ตัวแปร n นี้มีความสาคัญอย่างมาก เนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อ 𝐸𝑦 โดยคานวณได้จาก 𝐸𝑦 = 𝐸 𝐸 1 + 0.002 × 𝑛 × 𝑓𝑦 (2. 22) 2.13.3. Boundary nonlinearity เกิดขึ้นเมื่อเงื่อนไขขอบเขต (boundary conditions) ของระบบมีการเปลี่ย นแปลงหรือ ไม่ต่อเนื่องขนาดจาลองจะเห็นได้ชัดเจนจากวัสดุสองสองชิ้นเริ่มสัมผัสกัน หลังจากเกิดการสัมผัส ไปแล้วเงื่อนไขขอบเขตของระบบจะไม่เหมือนกับช่วงก่อนสัมผัส [20] หรือในกรณีของลมเมื่อกระทา กับพื้นผิวที่โค้งงอ อาทิ ทรงกระบอกบาง เมื่อพื้นผิวโค้งงอเปลี่ยนไปทิศทางของแรงดันลมที่กระทา ก็จะเปลี่ยนไปทาให้เกิดความไม่เป็นเชิงเส้นที่ขอบเขตของแรง รูปที่ 2.13 ความไม่เชิงเส้นของผิวสัมผัส[21] 30 2.14. งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ในห้วข้อนี้มุ่งเน้นไปที่การรวบรวมข้อมูลงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์โครงสร้างของถัง ประเภทเต็มรูปแบบและการออกแบบติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงสาหรับ ถังที่เป็นรูป แบบ โครงสร้างที่มีผนังสองชั้นแบบโดยเฉพาะ 2.14.1. ผลกระทบของฉนวนต่อประสิทธิภาพการรับแรง Thompson [22] ได้ ศึกษาการวิบัติแบบยืดหยุ่นของถังเก็บ LNG เอาไว้ซึ้งเป็นถัง ที่มี โครงสร้างแบบผนังสองชั้นทรงกระบอกโดยมีฉนวนเพอร์ไลท์ และใยแก้วอยู่ระหว่างเปลือกในและ เปลือกนอก โดยในงานวิจัย ได้แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของฉนวนเพอร์ไลท์ ที่ไม่ใช่แค่การรักษา อุณหภูมิแต่รวมไปถึงการเพิ่มความแข็งแรงให้กับโครงสร้างผ่านการถ่ายแรงระหว่างเปลือกทั้งสอง ด้ ว ยการจาลองผ่านโปรแกรมเฉพาะ BOSOR4 พบว่า ความแข็ ง ในแนวรั ศ มี ข องฉนวนมี ผ ลต่อ ค่าแรงดันวิบัติ (Critical load) อย่างมีนัยสาคัญ โดยจากกราฟผลลัพธ์ด้านล่างเมื่อ ค่าความแข็งแรง ของฉนวนเพิ่มขึ้นความสามารถในการรับแรงก่อนจะถึงจุดวิบัติก็จะเพิ่มขึ้น ทั้งในกรณีที่ถูกกดจากแรง ภายนอกและการขยายตัวจากอุณหภูมิ รูปที่ 2.14 การเปลี่ยนแปลงของแรงวิกฤตสืบเนื่องจากความแข็งแรงของฉนวน 31 2.14.2. ผลตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังบรรจุก๊าซธรรมชาติเหลว ในการศึกษาของ Kim [23] ใช้ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ในการวิเคราะห์เพื่อประเมินความ ปลอดภัยของถังเก็บก๊าซธรรมชาติเหลว(LNG) แบบผนังสองชั้นเต็มรูปแบบผ่านสภาพแวดล้อมต่าง ๆ อาทิ แรงลม และ พายุ โดยพบว่า จุดรับแรงหลักของโครงสร้างอยู่ตรงบริเวณคานเสริมรอบถั ง (Ring beam) ซึ่งเป็นจุดระหว่างรอยต่อของผนังถังและหลังคา แสดงให้เห็นถึงจุดอ่อนไหวของถังและ เป็นตัวอย่างในการวางแผนหาตาแหน่งติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงที่เหมาะสมต่อไป 2.14.3. การวิเคราะห์ความปลอดภัยของถังเต็มรูปแบบ ในรายงานของ Fecht [24] ได้พูดถึงภาพรวมของถังได้อย่างครอบคลุม โดยเฉพาะในถังเต็ม รูปแบบซึ่งมีผนังสองชั้นพร้อมกับฉนวน โดยได้มีการสารวจผ่านมุมมองเงื่อนไขความปลอดภัยจาก ปัจจัยด้านต่าง ๆ อาทิ วาตภัย อุทกภัย อัคคีภัย และ ปัจจัยด้านการดาเนินงาน เช่น การเพิ่มขึ้นของ ความดันและปริมาณสารในถังบรรจุที่เกินกาหนด หรือในกรณีที่ลดลงอย่างรวดเร็ว นอกจากนั้น แล้ว ยังมีการพูดถึง ความแตกต่างของภาระในผนังสองชั้น จากไอของ LNG ที่ ระเหยจากของเหลวในถั ง ด้า นในจะถู ก ปล่ อ ยเข้า สู่ ช่ อ งว่า งระหว่า งถั ง ชั้ น ในและชั้ น นอก (annular space) ทาให้ ค วามดั น ภายในถั ง ด้า นในและในช่ อ งว่า งมี ค่า ที่ ใ กล้ เ คี ย งกั น นาไปสู่ ความแตกต่างของความดันผนังของถังชั้นในลดลงอย่างมีนัยสาคัญ 2.14.4. อิทธิพลของระดับของเหลวในถังและวงแหวนเสริมความแข็งแรง Khalleefah [25] ได้ทาศึกษาการออกแบบและวิเคราะห์พฤติกรรมการวิบัติ (buckling) ของ ถังเก็บ น้ามัน ชนิดหลังคาลอยภายนอก (external floating roof tank) ภายใต้แรงลม โดยใช้ มาตรฐาน API 650 และการวิเคราะห์ ไฟไนต์เอลิ เมนต์ ด้วยโปรแกรม ANSYS เพื่อประเมินความ มั่นคงของถังในกรณีที่ไม่มีวงแหวนเสริมแรง (wind girder), มีวงแหวนเสริมแรงด้านบนเพียงหนึ่งวง และมีสองวง (ด้านบนและกลางถัง) ผลการศึกษาพบว่าแรงดันจากระดับของเหลวที่บรรจุอยู่ช่วยเพิ่ม ความต้านทานต่อแรงลมได้อย่างมีนัยสาคัญ และการติดตั้งวงแหวนเสริมแรงด้านบนช่วยลดการวิบัติ ของถังได้อย่างชัดเจน อย่างไรก็ตาม การเพิ่มวงแหวนเสริมแรงตัวที่สองในตาแหน่งกลางถังไม่ได้แสดงผลการปรับปรุง ความมั่นคงอย่างชัดเจนในแบบจาลองที่ใช้ ซึ่งอาจเกิดจากข้อจากัดในการออกแบบหรือการเลือก ตาแหน่งที่ไม่เหมาะสม จึงแนะนาให้มีการศึกษาต่อเพิ่มเติมเกี่ยวกับการออกแบบวงแหวนเสริมแรง ตัวที่สอง และการทดลองจริง เพื่อยืนยันความแม่นยาของผลการวิเคราะห์ด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์ -เอลิเมนต์ และปรับปรุงแนวทางการออกแบบให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นในอนาคต 32 3. บทที่3 การออกแบบงานวิจัยและวิธีการดาเนินงาน 3.1. เกริ่นนา ในบทนี้เป็นการแสดงถึง การกาหนดความต้องการของโครงงาน มาตรฐานในการออกแบบ ตัวถังข้อกาหนดและข้อจากัดในการจาลองที่ได้วางร่ว มกันระหว่างทีมผู้ออกแบบที่ปรึกษาและ บริษัทพีทีที โกลบอล เคมิคอล จากัด (มหาชน) (PTT Global Chemical Public Company -Limited) โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อกาหนดแนวทางในการออกแบบโครงงานและวิธีการวิเคราะห์ เพื่อ การพัฒนาต่อยอดในการตอบสนองความต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด 3.2. ความต้องการของโครงงาน โครงงานนี้มีจุดประสงค์มุ่งเน้นออกแบบหาตาแหน่งที่เหมาะสมสาหรับติดตั้ง วงแหวนเสริม ความแข็ ง แรง (Wind girder) สาหรั บ ถั ง อุ ต สาหกรรมขนาดใหญ่ ซึ่ ง มี ผ นั ง สองชั้ น ให้ สามารถ ทนรับภาระแรงที่มากระทากับตัวถังให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเทียบกับตัวถังที่ติดตั้งวงแหวนเสริม ความแข็งแรงรูปแบบดั้งเดิมและ ศึกษาการตอบสนองของโครงสร้างถังกรณี ถังใหม่ เทียบกับ ถังที่มี อายุ 20 ปี โดยมีการเผื่อระยะความหนาของผนังถังสาหรับสนิมกัดกร่อนอยู่ที่ 3 มิลลิเมตร โดยภาระ ที่ตัวถังได้รับ ได้แก่ ภาระการเกิดสุญญากาศตัวถัง ภาระแรงลมที่มากระทาตัวถัง ภาระความดันไฮโดร สเตติกส์ 3.3. มาตรฐานการออกแบบโครงงาน ในการออกแบบการทดลองและการออกแบบปรับปรุงถังอุตสาหกรรม จาเป็นต้องปฏิบัติตาม ข้อกาหนดในมาตรฐาน ซึ่งเป็น ข้อกาหนดที่ช่วยในการออกแบบที่มีความปลอดภัย และช่ว ยใน การวิเคราะห์ที่มีมาตรฐาน เพื่อให้มีประสิทธิภาพในการใช้งาน โดยมาตรฐานที่เกี่ยวข้องมี ดั งนี้ 33 3.3.1. มาตรฐานการออกแบบถังอุตสาหกรรม 1. มาตรฐาน API STANDARD 650 [26] คือมาตรฐานที่กาหนดโดย สถาบันปิโตรเลียมแห่ง สหรัฐอเมริกา เป็นมาตรฐานสาหรับการออกแบบ การผลิต การติดตั้ง และการตรวจสอบถังเก็บ ของเหลวแบบเชื่อม ทรงกระบอกแนวตั้งอยู่เหนือพื้นดิน โดยตัวถังเน้นเก็บของเหลวความดันต่า และใช้ในอุณหภูมิตั้งแต่ -40°C (-40°F) ถึง 93°C (200°F) โดยเป็นถังเชื่อมที่มีขนาด และความจุ หลากหลาย ซึ่งสร้างจากเหล็กและวัสดุอื่น ๆ โดยมาตรฐานนี้ไม่ได้กาหนดขนาดถังที่แน่นอนหรือชุดที่ ตายตัวในการออกแบบ 2. มาตรฐาน API STANDARD 653 [27] คือมาตรฐานที่กาหนดโดย สถาบันปิโตรเลียมแห่ง สหรัฐอเมริกา เป็นมาตรฐานสาหรั บการปฏิบัติงาน การผลิต และการซ่อมบารุง โดยมีวัตถุประสงค์ เพื่อเป็นแนวทางในการตรวจสอบ การซ่อมแซม การดัดแปลง และการสร้างใหม่ของถังเก็บของเหลว ในอุตสาหกรรมปิโ ตรเลีย มและเคมีภั ณ ฑ์ ตามมาตรฐาน API 650 และ API 620 โดยมุ่ง เน้ น การตรวจสอบความสมบูรณ์ของตัวถัง เช่น การแตกร้าว (Cracking) การกัดกร่อน (Corrosion) หรือความเสียหายอื่น ๆ จากการใช้งาน โดยการปฏิบัติตามมาตรฐาน ช่วยให้มั่นใจในความปลอดภัย ในการใช้งาน ป้องกันการรั่วไหลของสารบรรจุซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและชุมชน รวมทั้ง เพิ่มประสิทธิภาพของตัวถังอีกด้วย 3. มาตรฐาน API STANDARD 620 [28] คือมาตรฐานที่กาหนดโดย สถาบันปิโตรเลียมแห่ง สหรัฐอเมริกา เป็นมาตรฐานสาหรับ การจัดซื้อถัง ซึ่งช่วยในการกาหนด การออกแบบ การติดตั้ง การตรวจสอบ และการทดสอบตัวถัง ในมาตรฐานนี้ตัวถังนั้นสามารถรับ ของเหลวแรงดันสูงกว่า API 650 ซึง่ API 620 สามารถรับแรงดันได้ถึง 15 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว และอุณหภูมิการเก็บของเหลว อยู่ที่ตั้งแต่-198°C (-325°F) ถึง 121°C (250°F) ซึ่งเหมาะกับการเก็บเอทิลีนเหลวมากกว่า API 650 4. EEMUA 147 [3] คือเอกสารที่จาแนกประเภท การตรวจสอบ และการบารุงรักษาถังเก็บ ของเหลวแช่เย็น ในลักษณะของถัง ประเภท กักเก็บชั้นเดียว กักเก็บสองชั้น และแบบเต็มรูปแบบ ซึ่งใช้สาหรับการเก็บสารที่อุณหภูมิต่าสุด -109°C ถึง -165 °C และอยู่ในสภาวะแรงดันใกล้เคียงกับ บรรยากาศ อาทิ เอทิลีนเหลว ก๊าซธรรมชาติเหลว เป็นต้น 34 3.3.2. มาตรฐานความเร็วลม 1. ความเร็วลมตามมาตรฐาน E.I.T.1018-46 [29] ความเร็วลมอ้างอิงเฉลี่ยในประเทศไทยมาตรฐาน E.I.T 1018-46 เป็นมาตรฐานใน การออกแบบโครงสร้างอาคารให้มีความแข็งแรงและปลอดภัย โดยได้ใช้สภาพลมในประเทศ ไทยในการทาแผนที่ความเร็วลมอ้างอิง จะถูกบันทึกในช่วง 1 ชั่วโมง หรือ 3600 วินาที ตลอดช่วง 50 ปีที่ผ่านมา ในสภาพภูมิประเทศเปิดโล่ง โดยแบ่งตามภูมิภาค ซึ่งสามารถ แบ่งกลุ่ม ความเร็วลมออกเป็น 5 กลุ่ม ดังแสดงในรูปที่ 3.1 และสูตรคานวณแรงลมรวม ที่กระทาต่ออาคารดังสมการที่ 3.1 รูปที่ 3.1 แผนที่การแบ่งกลุ่มความเร็วลมอ้างอิง โดยที่ V50 คือ คาความเร็วลมที่คาบเวลากลับ 50 ปและ TF คือ คาประกอบไต ฝุ น จะ แบ่งกลุ่มได้ดังนี้ กลุ่มที่ 1 กลุ่มที่ 2 กลุ่มที่ 3 กลุ่มที่ 4A กลุ่มที่ 4B V50 = 25 เมตรต่อวินาที และ TF =1.0 V50 = 27 เมตรต่อวินาที และ TF =1.0 V50 = 29 เมตรต่อวินาที และ TF =1.0 V50 = 25 เมตรต่อวินาที และ TF =1.2 V50 = 25 เมตรต่อวินาที และ TF =1.08 35 ซึ่งสามารถคานวณความเร็วลมอ้างอิงได้จากสมการที่ 𝑉̅ = 𝑉50 × 𝑇𝐹 โดยที่ (3. 1) 𝑉̅ คือ ความเร็วลมอ้างอิง หน่วย เมตรต่อวินาที 𝑉50 คือ ความเร็วลมที่คาบเวลากลับ 50 ปี หน่วย เมตรต่อวินาที 𝑇𝐹 คือ ค่าประกอบไต้ฝุ่น 2. ความเร็วลมตามมาตรฐาน ASCE7[30] ความเร็ว ลมมาตรฐาน ASCE7 เป็นรูปความเร็วลมกระโชกที่ช่ว งเวลา 3 วินาที โดยพิจารณาจากพื้นฐานความน่าจะเป็นที่จะเกิน 2% ต่อปี ในช่วงค่าเฉลี่ยการเกิดซ้า 50 ปี เมื่อนาความเร็วลมตามมาตรฐาน E.I.T 1018-46 มาแปลงเป็น ช่วงเวลา 3 วินาที สามารถทา ได้จากเส้นโค้งเดิร์สต์ดังรูปที่ 3.2 และ สมการที่ 3.2 รูปที่ 3.2 เส้นโค้งเดิร์สต์ 36 โดยสมการที่จะทาการแปลง ความเร็วลมอ้างอิงที่ช่วงเวลา 3600 วินาที เป็น 3 วินาที เป็นดังนี้ 𝑉3 𝑠𝑒𝑐 =𝑌 𝑉3600 𝑠𝑒𝑐 โดยที่ (3. 2) 𝑉3 𝑠𝑒𝑐 คือ ความเร็วลมกระโชกที่ช่วงเวลา 3 วินาที หน่วย เมตรต่อวินาที 𝑉3600 𝑠𝑒𝑐 คือ ความเร็วลมอ้างอิงที่ช่วงเวลา 3600 วินาที หน่วย เมตรต่อวินาที 𝑌 คือ ค่าพารามิเตอร์ที่ได้จากเส้นโค้งเดิร์สต์ 3.ความเร็วลมตามมาตรฐาน [31] ความเร็วลมมาตรฐาน API 650 เป็นความเร็วลมที่ถูกกาหนดเมื่อออกแบบถัง อุตสาหกรรม โดยแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ ความดันลมปะทะผนังถังด้านนอก และความดัน ลมยกหลังคา โดยความเร็วลมที่นามาใช้ต้องเป็น ความเร็วลมกระโชกที่ช่วงเวลา 3 วินาที ที่ได้จากการแปลงค่ามาของสมการ 3.2 เพื่อให้ได้ตรงตามมาตรฐานที่กาหนด โดยสมการ การคานวณความดันลมปะทะผนังถังด้านนอก และความดันลมยกหลังคาเป็นดังสมการ ที่ 3.3 และสมการที่ 3.4 1. ความดันลมปะทะผนังถังด้านนอก สามารถคานวณได้จาก 𝑉 2 𝑃𝑤,𝑑𝑟𝑎𝑔 = 0.89 × ( 3 𝑠𝑒𝑐) (3. 3) 190 โดยที่ 𝑃𝑤,𝑑𝑟𝑎𝑔 คือ ความดันลมปะทะผนังถังด้านนอก หน่วย กิโลปาสกาล 2. ความดันลมยกหลังคา สามารถคานวณได้จาก 𝑉3 𝑠𝑒𝑐 2 𝑃𝑤,𝑙𝑖𝑓𝑡 = 1.48 × ( ) 190 โดยที่ 𝑃𝑤,𝑙𝑖𝑓𝑡 คือ ความดันลมยกหลังคา หน่วย กิโลปาสกาล 37 (3. 4) 4. องศาการปะทะของลม[32] องศาของมุ ม ที่ ล มปะทะเมื่ อ เที ย บกั บ โครงสร้า งถั ง เป็ น ไปตามมาตรฐาน EN 1991-4-4 ซึ่งกล่าวถึงการออกแบบลงที่เหมาะสมในการวิเคราะห์ปัจจัยต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับ ลมโดยองศาการปะทะเป็นไปตามสมการด้านล่าง 𝑑𝑐 𝑑𝑐 𝑑𝑐 𝐶𝑝 = −0.54 + 0.16 ( ) {0.28 + 0.04 } cos 𝜃 + {1.04 − 0.2 ( )} cos 2𝜃 𝐻 𝐻 𝐻 𝑑 𝑑 + {0.36 − 0.05 ( 𝐻𝑐 )} cos 3𝜃 − {0.14 − 0.05 ( 𝐻𝑐 )} cos 4𝜃 โดยที่ (3.5) 𝐶𝑝 คือ ค่าคงที่ของความดันลม 𝑑𝑐 คือ เส้นผ่านศูนย์กลางถัง หน่วย เมตร 𝐻 คือ ความสูงของถัง หน่วย เมตร θ คือ องศาปะทะ หน่วย องศา 3.3.3. มาตรฐานการทดลองชิ้นงาน 1. ASTM E8/E8M [33] เป็นมาตรฐานสากลที่นิยมใช้สาหรับการทดสอบแรงดึงของโลหะ เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกล เช่น ความแข็งแรง การยืดตัว และการเสียรูปของวัสดุ ซึ่งมาตรฐานนี้ ครอบคลุมถึงการทดสอบความเครียด การดัด การทรงตัว และการกระแทก โดยตัวชิ้นงานจะเป็น ลักษณะ แบบแผ่นในการทดสอบ ขนาดความยาว และความหนาของชิ้นงาน ดังแสดงในรูปที่ 3.3 รูปที่ 3.3 ตัวอย่างขนาดชิ้นงานสาหรับทดสอบด้วยแรงดึง 38 3.3.4. มาตรฐานการยืนยันผลซิมูเลชั่น 1. ASME V&V 10.1 เป็นมาตรฐานสาหรับการยืนยันผลการซิมูเลชั่นสาหรับโจทย์ปัญหา ทางด้านกลศาสตร์วิศวกรรมโดยมีการใช้ทฤษฎีทางระเบียบวิธีเชิงคานวณ อาทิเช่น การ ประมาณค่าริชาร์ดสัน (Richardson Extrapolation) ในการประมินค่าจริงจากผลการ ซิมูเลชั่นในเงื่อนไขต่าง ๆ และดูความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้น 3.4. ข้อกาหนดในการจาลอง 1. Multilinear Isotropic Hardening เป็นวิธีการรูปแบบหนึ่งของการจาลองพฤติกรรมของ วัสดุโลหะที่เมือ่ วัสดุ เข้าสู่ ภาวะเสียรูปแบบถาวร (plastic deformation) นิยมใช้ในโปรแกรม Ansys ซึ่งให้ผลลัพธ์แม่นยากว่าแบบ วัสดุแบบยืดหยุ่น (Elastic–Perfectly Plastic) หรือ การแข็งตัวแบบ สองช่วง (Bilinear Hardening) ซึ่งวิธีการเหมาะกับการวิเคราะห์ ไฟไนต์เอลิเมนต์ ที่ต้องการความ แม่นยาสูง 2. การจาลองสมมาตร (Symmetry Simulation) เป็นเทคนิคในงานวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์ เอลิเมนต์ (FEA) ที่ใช้ความสมมาตรของชิ้นงาน เพื่อลดขนาดของโมเดลที่วิเคราะห์ลง โดยยังคง ผลลัพธ์แม่นยาเหมือนการวิเคราะห์ชิ้นงานเต็ม โดยวิธีการนี้สามารถนามาประยุกต์ใช้ในโครงงานได้ เนื่องข้อจากัดบางส่วนจากประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ 3.5. ข้อจากัดการทดลอง โครงงานนี้มีข้อจากัดเรื่องประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์สาหรับการจาลองเนื่องจากถังเก็บ สารเคมีเต็มรูปแบบซึ่งมีผนังสองชั้น มีรายละเอียดที่ซับซ้อนและขนาดใหญ่จึงทาให้คอมพิวเตอร์ของ ผู้จัดทานั้น ไม่มีป ระสิทธิภาพมากพอที่จะจาลองแบบเต็มถัง จึงได้ใช้ทฤษฎีการจาลองสมมาตร และเว้นแรงกระทาจากแผ่นดินไหวในการจาลอง เพื่อศึกษาการเสียรูปของถังสารเก็บเคมีผนังสองชั้น 39 3.6. ขั้นตอนการดาเนินงาน เพื่อให้การการทดลองมีความชัดเจนในการดาเนินงานจาเป็นจะต้องมีการออกแบบแนวทาง ปฏิบัติในรูปแบบแผนภาพกล่องซึ่งแสดงให้เห็นถึงขั้นตอนที่จะเกิดขึ้นทั้งหมดในกระบวรการออกแบบ และสร้างความเข้าใจแก่ผู้ดาเนินงานให้เห็นซึ่งภาพรวมและตัวชี้วัดที่ต้องการในแต่ละขั้นตอนรวมถึ ง กระบวนการตัดสินใจเบื้องต้นอันให้ได้มาซึ่งผลลัพธ์ที่เหมาะสมโดยเป็นไปตามแผนภาพด้านล่าง รูปที่ 3.4 แผนภาพขั้นตอนการดาเนินงาน 40 3.7. การเตรียมชิ้นงานทดสอบ 3.7.1 ขั้นตอนการขึ้นรูปชิ้นงาน วัสดุ SA240-316L ในหัวข้อนี้เป็นการขึ้นรูปชิ้นงานจากแผ่นผนังถัง เพื่อสาหรับการนาไปทดสอบความแข็งแรงของ วัสดุโดยมีรายละเอียดดังนี้ 1. สร้างแบบชิ้นงานใน SOLIDWORKS สาหรับนาไปผลิตชิ้นงานโดยอ้างอิงขนาดจาก มาตรฐาน ASTM E8/E8M ดังรูปที่ 3.5 รูปที่ 3.5 แบบชิ้นงาน SA240-316L 2. นาวัสดุ SA240-316L มาเลื่อยขอบบริเวณที่ได้รับผลจากความร้อนที่เกิดจากการตัดแก๊ส เนื่องจากบริเวณนั้นมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุแล้วจึงใช้งานไม่ได้ รูปที่ 3.6 การเลื่อยชิ้นงาน SA240-316L 41 3. ทาการเลื่อยแบ่งชิ้นงานเป็นขนาดที่เหมาะสมสาหรับการขึ้นรูปชิ้นงานการทดสอบ รูปที่ 3.7 ชิ้นงานสาหรับการขึ้นรูป 4. ทาการปรับขนาดและผิวชิ้นงานลงให้ได้ 6 มิลลิเมตรตามมาตรฐาน ASTM E8 Subsize ด้วยเครื่องมิลลิ่ง หรือ เครื่องกัด รูปที่ 3.8 การปรับผิวและขนาดชิ้นงาน 42 5. ทาการกัดชิ้นงานให้ได้ตามแบบ ตามมาตรฐาน ASTM E8 ดังรูปที่ 3.5 รูปที่ 3.9 การกัดชิ้นงาน 6. ทาการเจียรราบผิวชิ้นงานทั้ง 2 ด้านให้เรียบได้ตามแบบและเช็คขนาดให้ได้ตามแบบดัง รูปที่ 3.5 รูปที่ 3.10 ชิ้นงานสาหรับการทดสอบ 43 3.7.2 ขั้นตอนการขึ้นรูปชิ้นงาน วัสดุ SA240-304 ในหัวข้อนี้เป็นการขึ้นรูปชิ้นงานจากเหล็กของวงแหวนเสริมความแข็งแรง เพื่อสาหรับการนาไป ทดสอบความแข็งแรงของวัสดุ โดยมีรายละเอียดดังนี้ 1. สร้างแบบชิ้นงานใน SOLIDWORKS สาหรับนาไปผลิตชิ้นงานโดยอ้างอิงขนาดจากมาตรฐาน ASTM E8/E8M ดังรูปที่ 3.3 รูปที่ 3.11 แบบชิ้นงาน SA240-304 2. นาวัสดุ SA240-304 มาเลื่อยขอบบริเวณที่ได้รับผลจากความร้อนที่เกิดจากการตัดแก๊ส เนื่องจากบริเวณนั้นมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุแล้วจึงใช้งานไม่ได้ 3. ทาการเลื่อยแบ่งชิ้นงานเป็นขนาดที่เหมาะสมสาหรับการขึ้นรูปชิ้นงานการทดสอบ 4. ทาการปรับขนาดและผิวชิ้นงานลงให้ได้ 5 มิลลิเมตร ตามมาตรฐาน ASTM E8 Subsize ด้วยเครื่องมิลลิ่ง หรือ เครื่องกัด 5. ทาการกัดชิ้นงานให้ได้ตามแบบ ตามมาตรฐาน ASTM E8 ดังรูปที่ 3.11 6. ทาการเจียรราบผิวชิ้นงานทั้ง 2 ด้านให้เรียบได้ตามแบบ และเช็คขนาดให้ได้ตามแบบดัง รูปที่ 3.11 44 3.8. การทดสอบความแข็งแรงของวัสดุ ในหัวข้อนี้เป็นการนาชิ้นงานสาหรับการทดสอบไปทดสอบวัสดุ โดยอ้างอิงตามมาตรฐาน ASTM E8 ทาการทดสอบแรงดึง (Tensile test) เพื่อนาข้อมูลที่ได้จาการทดสอบที่ถูกต้องมาเพื่ อใช้ ในการคานวณทางวิ ศ วกรรมต่ อ ไป โดยในการทดสอบวั ส ดุ จะคานึ ง ถึ ง คุ ณ สมบั ติ ข องวั ส ดุ เช่น ความแข็งแรงและการยืดตัว ความเค้น ความเครียดของวัสดุ ค่ามอดุลัสของยัง ค่าการทดสอบ -แรงดึง จุดคราก เป็นต้น ซึ่งได้ทาการทดสอบที่ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (National -Metal and Materials Technology Center - MTEC) โดยจะมีขั้นตอนดังนี้ 1. ทาการวัดขนาดของชิ้นงานก่อนการทดสอบเพื่อนาไปใช้ในการกรอกค่าเข้าโปรแกรม รูปที่ 3.12 ชิ้นงานสาหรับการทดสอบ 2. ทาการกาหนดระยะความยาวเกจ (Gauge length) เพื่อใช้เป็นตาแหน่งอ้างอิงให้ กับ อุปกรณ์เพื่อคานวณระยะการยืดตัวของวัสดุ โดยมีตาแหน่งระยะอยู่ที่ 25 มิลลิเมตร รูปที่ 3.13 การกาหนดความยาวเกจบนชิ้นงาน 45 3. นาชิ้นงานไปทดสอบโดยนาชิ้นงานไปจับกับแขนยึดโดยมีระยะจับยาว 40 มิลลิเมตรจาก ทั้ง 2 ด้าน โดยแรงจับอยู่ที่ 2,200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว จากนั้นให้ใส่แรงกระทาจนกว่า ชิ้นงานทดสอบจะยืดจนขาดโดยอัตราการดึงอยู่ที่ 1 มิลลิเมตรต่อนาที รูปที่ 3.14 แรงจับขณะทาการทดสอบ รูปที่ 3.15 การจับชิ้นงานในเครื่องทดสอบ 46 รูปที่ 3.16 ชิ้นทดสอบปกติเทียบกับชิ้นที่ทาการทดสอบแล้ว 3.8.1 ประสิทธิภาพของเครื่องทดสอบและสภาพแวดล้อมของการทดสอบ โดยในหัวข้อนี้เป็นการกล่าวถึง ลักษณะเครื่องทดสอบที่ใช้ในการทดสอบเช่น การสอบเทียบ ของเครื่องจักร แรงกระทาสูงสุดของเครื่องจักร และสภาพแวดล้อมขณะทาการทดสอบวัสดุ รูปที่ 3.17 รุ่นและยี่ห้อของเครื่องทดสอบ รูปที่ 3.18 วันสอบเทียบของเครื่องจักร 47 รูปที่ 3.19 ขีดจากัดแรงกระทาของเครื่อง รูปที่ 3.20 ความชื่นและอุณหภูมิสาหรับการทดสอบ 48 3.9. การนาค่าวัสดุเข้าสู่ซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ หลังจากทาการทดสอบวัสดุ จะได้คุณสมบัติของวัสดุจากนั้นจะนาคุณสมบัติไปใส่ในแบบจาลอง โดยประกอบไปด้ว ย ความเค้น แรงดึง (Tensile Stress) ความเครียดแรงดึง (Tensile Strain) ความเค้นสูงสุด (Ultimate Strength) ความเค้นคราก (Yield Strength) และความยืดหยุ่นของวัสดุ (Young’s Modulus) ก่ อ นนาคุ ณ สมบั ติ ความเค้ น และความเครี ย ดไปใช้ จาเป็ น ต้ อ งแปลง ค่าที่ได้มานั้น ให้อยู่ในรูปแบบความเค้นจริง (True Stress) ความเครียดจริง (True Strain) โดยใช้ สมการดังนี้ 𝜀 = ln(1 + 𝑒) 𝜎 = 𝑠(1 + 𝑒) โดย 𝜀 คือ ความเครียดจริง หน่วย มิลลิเมตรต่อมิลลิเมตร 𝜎 คือ ความเค้นจริง หน่วย เมกะปาสกาล 𝑒 คือ ความเครียดทางวิศวกรรม หน่วย มิลลิเมตรต่อมิลลิเมตร 𝑠 คือ ความเค้นทางวิศวกรรม หน่วย เมกะปาสกาล 3.9.1 ขั้นตอนการนาสมบัติเชิงกลของวัสดุ SA240-304 ไปใช้งานในซอฟต์แวร์ ค่าคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุหลังจากทาง MTECH ได้ทาการทดสอบนั้นมีดังนี้ รูปที่ 3.21 กราฟเชิงวิศวกรรมของวัสดุ SA240-304 ทั้ง 3 ชิ้น 49 (3. 6) (3. 7) ตารางที่ 3.1 ค่าคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ SA240-304 ทั้ง3 ชิ้น Sample Max load Number (kN) 1 2 3 24.57 24.10 24.00 Stress at Yield(offset 0.2 %)(MPa) 303.60 302.94 294.32 Young Modulus (GPa) 197.98 199.61 201.16 Tensile Strength (MPa) 803.14 822.54 820.54 Thk (mm) Width (mm) 4.88 4.95 4.95 6.27 5.92 5.91 ตารางที่ 3.2 ตัวอย่างความเค้นวิศวกรรมและความเครียดวิศวกรรม กราฟที่ ไ ด้ จากการทดสอบและข้ อ มู ล จากการทดสอบนั้ น จั ด เป็ น ข้ อ มู ล เชิ ง วิ ศ วกรรม ซึ่งไม่สามารถนาข้อมูล มาใช้ในซอฟต์แวร์ได้ จึงต้องแปลงข้อมูล ที่ได้รับมาให้อยู่ในรูปแบบของ ความเค้นจริงและความเครียดจริง ซึ่งมีวิธีการดังนี้ 50 1. นาข้อมูลความเค้นวิศวกรรมและความเครียดวิศวกรรมมาแปลงโดยใช้สมการที่ 3.5 ตารางที่ 3.3 ตัวอย่างตารางความเค้นจริงและความเครียดจริง 2. จากนั้นนาข้อมูลความเค้นจริงและความเครียดจริงมาสร้างกราฟ โดยกราฟที่ได้จะแสดงดัง รูปที่ 3.22 รูปที่ 3.22 กราฟความเค้นจริงและความเครียดจริง หากเปรียบเทียบกราฟเชิงวิศวกรรมกับกราฟความเค้นจริงและความเครียดจริงจะพบความ แตกต่างอย่างชัดเจนในช่วงพลาสติกคือ หลัง จุดคราก และจากกราฟที่ได้นั้นพบว่าชิ้นงานที่ 1 และ 2 ไม่มีความแตกต่างอย่างนัยสาคัญ ดังนั้นจึงเลือกพิจารณาเฉพาะชิ้นงานทดสอบที่ 1 ได้ 51 3.9.2 การเลือกช่วงเพื่อไปทาการวิเคราะห์ เนื่ อ งจากวิ ศ วกรทั่ ว ไปจะสนพฤติ ก รรมโครงสร้า งทั้ ง ช่ ว งอี ลาสติ ก (Elastic Region) และช่วงพลาสติก (Plastic Region) แต่ในการวิเคราะห์จะนาข้อมูลจากความเค้นจริงและความเครียด จริงเฉพาะช่วงการแข็งตัวจากความเครียด (Strain Hardening) มาใช้ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์ เอลิเมนต์ โดยช่วงการแข็งตัวจากเครียดนั้นเริ่มจากความเค้นครากจนถึงความเค้นสูงสุดเท่านั้น ดังรูปที่ 3.23 รูปที่ 3.23 กราฟความเค้นและความเครียดแสดงถึงช่วงการแข็งตัวจากความเครียด หลังจากได้ค่าความเค้นจริงและความเครียดจริง ให้นามาสร้างกราฟ และพล็อต 12 จุดใน กราฟเพื่อนาค่าความเค้นจริงและความเครียดจริงมาใส่ในซอฟต์แวร์ไฟนไนต์เอลิเมนต์ รูปที่ 3.24 ค่าความเค้นจริงและเครียดจริงทั้ง 12 จุด 52 ตารางที่ 3.4 ค่าความเค้นจริงและเครียดจริงทั้ง 12 จุด ความเครียดพลาสติก ลาดับข้อมูล (มิลลิเมตร/มิลลิเมตร) 1 0.00 2 0.02 3 0.05 4 0.10 5 0.15 6 0.20 7 0.25 8 0.30 9 0.35 10 0.40 11 0.45 12 0.50 ความเค้นจริง (เมกะปาสกาล) 306.72 390.61 447.44 537.88 625.97 725.52 844.12 961.66 1082.77 1193.49 1269.9 1314.65 3.9.2 ขั้นตอนการนาสมบัติเชิงกลของวัสดุ SA240-316L ไปใช้งานในซอฟต์แวร์ รูปที่ 3.25 กราฟเชิงวิศวกรรมของวัสดุ SA240-316L ทั้ง 3 ชิ้น 53 ตารางที่ 3.5 ค่าคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ SA240-316L ทั้ง 3 ชิ้น Sample Number Max load (kN) Stress at Yield(offset 0.2 %)(MPa) Young Modulus (Gpa) 1 2 3 21.46 21.82 22.57 263.38 274.97 280.44 159.72 169.49 159.00 Tensile Strength (MPa) 586.32 610.45 601.69 Thk (mm) Width(mm) 5.99 5.87 5.87 6.11 6.09 6.39 ตารางที่ 3.6 ตัวอย่างความเค้นวิศวกรรมและความเครียดวิศวกรรม กราฟที่ได้จากการทดสอบและข้อมูลจากการทดสอบนั้นจัดเป็นข้อมูลเชิงวิศวกรรม ซึ่งไม่ สามารถนาข้อมูลมาใช้ในซอฟต์แวร์ได้ จึงต้องแปลงข้อมูลที่ได้รับมาให้อยู่ในรูปแบบของ ความเค้นจริง และความเครียดจริง ซึ่งมีวิธีการดังนี้ 1. นาข้อมูลความเค้นวิศวกรรมและความเครียดวิศวกรรมมาแปลงโดยใช้สมการที่ 3.5 ตารางที่ 3.7 ตัวอย่างตารางความเค้นจริงและความเครียดจริง 54 2. จากนั้นนาข้อมูลความเค้นจริงและความเครียดจริงมาสร้างกราฟ โดยกราฟที่ได้จะแสดง ดังรูปที่ 3.26 รูปที่ 3.26 กราฟความเค้นจริงและความเครียดจริง หากเปรี ย บเที ย บกราฟเชิ ง วิ ศ วกรรมกั บ กราฟความเค้ น จริ ง และความเครี ย ดจริ ง จะพบ ความแตกต่างอย่างชัดเจนในช่วงพลาสติกคือ หลังจุดคราก และจากกราฟที่ได้นั้นพบว่าชิ้นงานที่ 1 และ 3 ไม่มีความแตกต่างอย่างนัยสาคัญ ดังนั้นจึงเลือกพิจารณาเฉพาะชิ้นงานทดสอบที่ 1 ได้ 55 3.9.3 การเลือกช่วงเพื่อไปทาการวิเคราะห์ เนื่ อ งจากวิ ศ วกรทั่ ว ไปจะสนพฤติ ก รรมโครงสร้า งทั้ ง ช่ ว งอี ลาสติ ก (Elastic Region) และช่วงพลาสติก (Plastic Region) แต่ในการวิเคราะห์จะนาข้อมูลจากความเค้นจริงและความเครียด จริงเฉพาะช่วงการแข็งตัวจากความเครียด (Strain Hardening) มาใช้ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ โดยช่วงการแข็งตัวจากเครียดนั้นเริ่มจากความเค้นครากจนถึงความเค้นสูงสุดเท่านั้น ดังรูปที่ 3.27 หลังจากได้ค่าความเค้นจริงและความเครียดจริง ให้นามาสร้างกราฟเปรียบเทียบ และพล็อต 12 จุดในกราฟเพื่อนาค่าความเค้นจริงและความเครียดจริงมาใส่ในซอฟต์แวร์ไฟน์ไนต์เอลิเมนต์ รูปที่ 3.27 ค่าความเค้นจริงและเครียดจริงทั้ง 12 จุด ตารางที่ 3.8 ค่าความเค้นจริงและเครียดจริงทั้ง 12 จุด ความเครียดพลาสติก ลาดับข้อมูล (มิลลิเมตร/มิลลิเมตร) 1 0.00 2 0.02 3 0.05 4 0.10 5 0.15 6 0.20 7 0.25 8 0.30 9 0.35 10 0.40 11 0.42 12 0.45 56 ความเค้นจริง (เมกะปาสกาล) 286.58 362.34 418.06 504.43 583.07 654.04 718.88 780.14 842.16 894.23 916.36 935.83 3.10. การสร้างแบบจาลองของถังอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ในหัวข้อนี้เป็นการสร้างแบบจาลองถังอุตสาหกรรมขนาดใหญ่จากโปรแกรม SOLIDWORKS โดยอ้างอิงจาก แบบแปลนที่ทางบริษัทส่งมาให้ทางผู้จัด รูปที่ 3.28 ถังเก็บสารเอทีลีน รูปที่ 3.29 แบบจาลองถังเก็บสารเอทีลีน 57 3.11. การพัฒนาแบบจาลองไฟไนต์เอลิเมนต์ผ่านโครงข่ายระบบเมช การออกแบบและสร้างโครงข่ายเมชที่เหมาะสมกับปัญหาทางวิศวกรรมเป็นส่วนที่สาคัญที่สุดใน การสร้างพื้นฐานที่ เหมาะสมให้กับการวิเคราะห์ปัญหาทางวิศวกรรม โครงข่ายเมชที่เหมาะสมต้อง ประกอบไปด้วยการศึกษาในหลาย ๆ องค์ประกอบที่ถูกประกอบรวมกันเป็นโครงข่ายไม่ว่าจะเป็น ประเภทของเอลิเมนต์ที่เหมาะสม ขนาดของเอลิเมนต์ที่ต้องละเอียดให้มากพอสาหรับความแม่นยาใน ผลลัพธ์แต่ต้องรักษาไว้ซึ่งประสิทธิภาพการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ในขณะเดียวกันซึ่งสามารถ แจงเป็นหัวข้อได้ดังนี้ 3.11.1. การตั้งค่าการจาลองโมเดล ถังรูปแบบหนึ่งชั้นกักเก็บมีความซับซ้ อนในแง่ขององค์ประกอบและโครงสร้างซึ่ง เปรียบได้กับ อาคารที่มีส่วนประกอบของโครงสร้างตั้งแต่ฐานรากไปจนถึงหลังคาดัง รูปที่ 2.5 ซึ่งความซับซ้อน เหล่านี้มีความกว้างในแง่ขององค์ความรู้ที่ต้องใช้ในการออกแบบ รวมถึงขอบเขตที่เกินกว่าโครงงานนี้ ได้ตั้งเอาไว้ดังนั้นแบบจาลองสาหรับการออกแบบจึงได้หยิบในส่วนของผนังถังและโครงหลังคาซึ่งเป็น ปัจจัยหลักที่เกี่ยวข้องกับภาระกรรมในผนังถังมาเพียงเท่านั้น รูปที่ 3.30 โมเดลถังแบบเต็มใบ 58 1) การเลือกประเภทเอลิเมนต์ สาหรับเอลิเมนต์ที่ใช้สาหรับวิเคราะห์สามารถแบ่งได้เป็น 2 ส่วนได้แก่ ส่วนของผนังถังซึ่งได้รับ การแปลงเป็ น เอลิ เ มนต์ แ บบเปลื อ กเพื่ อ ป้ อ งกั น การที่ เ อลิ เ มนต์ ใ ห้ ตั ว น้ อ ยกว่า ความเป็ น จริ ง (Shear locking) กับ เอเลเมนต์คานและของแข็ง โดยมีรายละเอียดดังต่อไปนี้ 1. Shell 181 เอลิ เมนต์ช นิดนี้มีความสามารถในการดัด ตัว ประกอบด้ว ยโนด 4 โนด และ 6 ทิศ ทางการหมุน เหมาะสาหรับรูปแบบการวิเคราะห์ที่หลากหลาย ใช้ได้ทั้งการวิเคราะห์ในรูปแบบ เชิงเส้นและไม่เป็นเชิง ที่ซับซ้อนเช่นการเสียรูปแบบหมุนเยอะ (Large Rotation) หรือชิ้งงาน ที่มีความเครียดสูง (Large Strain)[34] รูปที่ 3.31 Shell 181[35] 59 2. Solid 185 เป็นเอลิเมนต์ของแข็งที่มีจานวนโนด8 โนด ให้ความแม่นยาสูงในการวิเคราะห์การ เสียรูปของโครงสร้าง โดยแต่ละโนดสามารถเคลื่อนที่ได้3แกนอิสระ ใช้ได้ในงานหลายรูปแบบ และสามารถวางตั ว สาหรั บ วิ เ คราะห์ ไ ด้ แ บบเนื้ อ เดี ย ว(Homogeneous) และแบบ เป็นชั้น(Layered) รูปที่ 3.32 Solid 185[36] 3. Beam188 เป็นเอเลเมนต์คานสามมิติ พัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของทฤษฎีคานของ Timoshenko ใน1เอเลเมนต์จะมี2โนดหลัก แต่ละโนดจะมี 7 การเคลื่อนที่อิสระ UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ, และ WARP.นอกจากนี้ ยังรองรับคุณสมบัติ Large Strain และ Nonlinear Material รูปที่ 3.33 Beam 188[37] 60 3.11.2. การกาหนดเงื่อนไขขอบเขตในการวิเคราะห์ 1. ทาการเลือกโหมดการวิเคราะห์เป็นแบบ Static Structural 2. นาข้อมูลที่ได้จากการทาการทดสอบมาใส่ใน Engineering Data โดยแยกวัสดุที่ต้องใช้ในแต่ ละชิ้นของถังชั้นในและชั้นนอกออกเป็นได้ดังนี้ ตารางที่ 3.9 รายละเอียดวัสดุผนังถังชั้นนอก ถังชัน้ นอก ชือ่ ผนังถัง ผนังถังชัน้ ที่1 ผนังถังชัน้ ที่12 แผ่นเสริมความแข็งแรง วงแหวนเสริมความแข็งแรง วัสดุ A283-C SA240-304 A516 Gr.70 SA240-304 SS400 ตารางที่ 3.10 รายละเอียดวัสดุผนังถังชั้นใน ถังชัน้ ใน ชือ่ ผนังถัง วงแหวนเสริมความแข็งแรง วงแหวนเสริมความแข็งแรงชัน้ 10 วงแหวนเหล็กฉากด้านบน วัสดุ SA240-304 SA240-316L SA240-304 SA240-304 รูปที่ 3.34 ค่าคุณสมบัติเชิงกลของ SA240-304 ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ 61 รูปที่ 3.35 ค่า Multilinear Isotropic Hardening ของ SA240-304 ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ รูปที่ 3.36 ค่าคุณสมบัติเชิงกลของ SA240-316L ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ รูปที่ 3.37 ค่า Multilinear Isotropic Hardening ของ SA240-316L ในซอฟต์แวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ 62 4. ทาการนาเข้าโมเดลที่สร้างไว้จากซอฟต์แวร์ SOLIDWORKS จากนั้นในส่วนการกาหนดชนิด ของเอลิเมนต์ที่จะใช้ในการทาแบบจาลองโดยใช้ฟังก์ชั่น Mid-surface ในหัวข้อ Prepare เพื่อเปลี่ยนผนังถังจากเอลิเมนต์แบบ 3 มิติ ให้เป็นเอลิเมนต์แบบผนังบางเพื่อลดการใช้ เอลิเมนต์ให้น้อยลง รูปที่ 3.38 การแปลงชิ้นงานผนังบาง 5. ทาการสร้างแนวองศาลมผ่านเครื่องมือใน SpaceClaim ของโปรแกรม Ansys เป็นระยะ 60 องศา ซึง่ สามารถดูการคานวณเพิ่มเติมได้จาก ภาคผนวก ก.4 รูปที่ 3.39 การหันองศาลม 63 6. หลังจากนั้นเปิด Model แล้วเลือกหัวข้อ Geometry เพื่อทาการเปลี่ยนวัสดุของแต่ละชิ้นให้ ถูกต้องตามตารางที่ 3.9 และ ตารางที่ 3.10 รูปที่ 3.40 การระบุประเภทวัสดุ 7. ทาการเชื่อมชิ้นส่วนของถังเข้าด้วยกันโดยใช้ฟังก์ชั่น Contacts โดยในขั้นตอนนี้ต้องทาการ เชื่อมชิ้นงานให้ถูกต้องและตรวจสอบเพื่อไม่ให้เกิดข้อผิดพลาด รูปที่ 3.41 การเชื่อมต่อผนังถัง 64 8. ทาการเมชแต่ละส่วน โดยส่วนของผนัง, แผ่นเสริมความแข็งแรงและแผ่นหลังคาจะใช้วิธีการ Multizone Quad/Tri และใช้ขนาดเอลิเมนต์อยู่ที่ 0.15 ส่วนของโครงสร้างหลังคาใช้วิธี Edge sizing ขนาดเอลิเมนต์อยู่ที่ 0.15 เมตร รูปที่ 3.42 การสร้างรูปแบบเมช 9. ทาการใส่เงื่อนไขขอบเขตแบบการเคลื่อนที่ (Displacement) ที่หน้าตัดของถังและใส่ค่าแรง โน้มถ่วงเพื่อให้เกิดแรงจากตัวน้าหนักของถังกับแรงที่กระทาต่อตัวถังทั้งหมด รูปที่ 3.43 แรงกระทาของผนังชั้นนอก 65 สาหรับแรงที่กระทาต่อตัวถังในการทดลองจะแบ่งกลุ่มออกเป็น 3 กรณี ซึ่งอ้างอิงตามการจัด กลุ่มผ่านมาตรฐาน API 620 ซึ่งจะใช้เป็นกรณีหลักสาหรับการออกแบบ ก่อนที่จะนาผลลัพธ์ที่ได้ไป ทดสอบกับกรณีกลุ่มแรงอื่น ๆ ที่สอดคล้องกับสถาณการณ์หน้างานจริง เป็นไปตามตารางด้านล่าง ตารางที่ 3.11 การจัดกลุ่มแรงสาหรับทดสอบ กรณี กรณี 1 กรณี 2 การจัดกลุ่มแรง 𝐷𝑙 + 𝑃𝑤 + 0.4𝑃𝑣 𝐷𝑙 + 𝑃𝑤 + 𝑃𝑖 + 𝑃𝑣 + 𝑃𝑔 + 𝑃𝑙 คาอธิบาย การจัดกลุ่มแรงตามมาตรฐาน API 620 เงื่อนไขปฏิบัติงานจริง 10. ทาการจาลองเพื่อดูค่าจากผลการจาลองที่ต้องการในส่วนของการเสียรูปของถังและการเสีย รูปแบบการโก่งเดาะ รูปที่ 3.44 การเรียกค่าผลลัพธ์ 66 3.11.3. การยืนยันความเหมาะสมของเมช การการยืนยันความเหมาะสมของเมชผู้จัดทาได้ปฏิบัติตามมาตรฐานการยืนยันผล ASME V&V ซึ่งใช้สาหรับสาหรับโจทย์ปัญหาทางกลศาสตร์ของแข็ง (Solids mechanics) โดยเฉพาะ โดยมีการ เปรียบเทียบความละเอียดของเมช 3 ระดับด้วยกันซึ่งได้ผลการทดลองดังนี้ ตารางที่ 3.12 ค่าการเสียรูปในแต่ละขนาดเอเลเมนต์ Element Size (mm) 150 270 486 Total Deformation (mm) 18.863 18.609 17.5 จากค่าที่ได้ในในความละเอียดเมชที่ต่างกันสามารถหาความคลาดเคลื่อนจากผลลัพธ์ค่าจริงได้ ผ่านการคานวณค่า CGI ตามมารตฐานซึ่งอ้างอิงจากทฤษฎีประมาณค่าริชาร์ดสันโดยให้ผลลัพธ์อยู่ที่ 0.5% ซึง่ อยู่ในช่วงยอมรับได้ที่ต่ากว่า 5% โดยสามารถดูขั้นตอนการคานวณได้จากภาคผนวก ค. สาหรับการกาหนดขนาดเมชที่ 0.15 เมตรนั้น โครงสร้างถังจะมี จานวนเอเลเมนต์ทั้งหมด 292,683 ประเภทเอเลเมนต์และจานวนเป็นไปตามตารางด้านล่าง ตารางที่ 3.13 จานวนและประเภทเอเลเมนต์ในแบบจาลอง โครงสร้าง 1. ผนัง 2. หลังคา 3. คาน 4. เสา 5. ฝ้าเพดาน 6. วงแหวนรอบฝ้าเพดาน 7. วงแหวน 8.ปากทางเข้าซ่อมบารุง ประเภทเอเลเมนต์ ขนาดเอเลเมนต์ (เมตร) จานวนเอเลเมนต์ Shell181 0.15 224,958 Shell181 0.15 31,022 Beam188 0.15 5,387 Beam188 0.15 3,564 Shell181 0.15 9,550 Solid186 0.15 8,963 Shell181 0.15 8,617 Shell181 0.15 622 67 3.12. แนวทางการดาเนินการสร้างแบบวิเคราะห์ ถังเก็บสารเคมีที่ต้องเผชิญกับโหลดและแรงดันภายนอกสิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นภาระที่ก่อให้เกิดการ วิบัติของโครงสร้างแบบไม่เชิงเส้น ดังนั้นการวิเคราะห์การโก่งเดาะแบบเชิงเส้น (LBA) จะให้ผลลัพธ์ที่ ไม่แม่นยามากพอเมื่อเทียบกับโครงสร้างวัสดุจริง ดังนั้นจึงต้องมีการนาโมเดลเชิงเส้นนั้นมาเพิ่มความ ไม่เป็นเชิงเส้นลงไปในการวิเคราะห์ผ่านปัจจัยต่าง ๆ เพื่อให้มีความสมจริงมากยิ่งขึ้น โดยผู้จัดทาได้ หยิบยกแนวทางการวิเคราะห์แบบไม่เชิงเส้นที่เป็นไปได้ในโครงงานนี้มาสองวิธีได้แก่ 1. การสร้างแบบจาลองจากวัสดุไม่เชิงเส้น (Material Nonlinear Analysis-MNA) เป็นการจาลองพฤติกรรมไม่เชิงเส้นของวัสดุ ซึ่งสามารถทาได้โดยการหยิบโมเดลวัสดุแบบ Multilinear isotropic hardening มาใช้งานเพื่อจาลองพฤติกกรมการเสียรูปจริงของวัสดุผ่านกราฟ ความเค้นจริง (True stress) โดยหากวิเคราะห์ผ่านโปรแกรม Ansys ขั้นตอนการทาแบบวิเคราะห์จะ เป็นตามแผนภาพด้านล่าง รูปที่ 3.45 การสร้างแบบจาลองจากวัสดุไม่เชิงเส้น 2. การสร้างแบบจาลองจากรูปร่างและวัสดุไม่เชิงเส้น (GMNA) สาหรับวิธีนี้ใช้แนวคิดเดียวกับการวิเคราะห์ MNA แต่จะคานึงถึงปัจจัย ด้านความไม่สมบูรณ์ เริ่มต้นของรูปทรง (Geometry Nonlinearity) สาหรับการนาแนวคิดนี้ไปประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์ ด้วยโปรแกรมสามารถทาได้โดยการนาแบบจาลองไปสร้างความบกพร่องเบื้องต้นก่อนรับโหลดจริง การสร้างแบบจาลองนี้อ้างอิงทฤษฎีเรื่อง Eigenmode affine imperfections[38] ที่กล่าวถึง ขีดจากัดในการรับโหลดที่น้อยลงจากความไม่สมบูรณ์ของวัสดุในโหมดแรก โดยสามารถวิเคราะห์ผ่าน โปรแกรม Ansys ได้ผ่านการนาผลลัพธ์จากการโก่งเดาะในโหมดแรกมาลดขนาดลงให้อยู่ในขอบเขต การคลาดเคลื่อนของการผลิต ตาม API 620[4] ซึ่งจะช่วยเหมือนการกระตุ้นให้แบบจาลองเสียรูปใน แนวทางที่อ่อนแอตาม Mode Shape นั้นเองโดยมีลาดับการวิเคราะห์ตามแนวทางด้านล่าง 68 รูปที่ 3.46 การสร้างแบบจาลองจากรูปร่างและวัสดุไม่เชิงเส้น 3.13. รูปร่างของวงแหวนเสริมความแข็งแรงสาหรับการออกแบบ วงแหวนเสริมความแข็งแรงเป็น โครงสร้างเสริมความแข็งแรงของผนังโดยตัวแปรหลักที่ใช้บอก ประสิทธิภาพของวงแหวนเสริมความแข็งแรงในการเพิ่มเสถียรภาพของผนังคือค่า Section Modulus (โมดูลัสของหน้าตัด) การออกแบบนี้เสนอแนวทางของรูปร่างที่เป็นไปได้สามรูปร่างที่มีค่าโมดูลัสของ หน้าตัดที่ใกล้เคียงกัน เพื่อการเลือกรูปร่างที่เหมาะสมสาหรับการออกแบบ ผู้จัดทาต้องยืนยันความ แข็งแรงผ่านผลวิเคราะห์ก่อน จากนั้นจึงดูความเหมาะสมในมิติอื่น ๆ อันเกิดจากรูปร่าง อาทิ ขนาด ระยะการติดตั้ง และความเหมาะสมของการผลิต 1.หน้าตัดรูปตัวแอล (L-section) เป็นรูปแบบที่ทาจากเหล็กฉากสามารถสร้างโมดูลัสของหน้าตัดได้ดีในขณะที่ใช้พื้นที่การติดตั้ง น้อย โดยทั่วไปสามารถซื้อสาเร็จรูปหรือใช้เหล็กแผ่นสองชิ้นเชื่อมประกอบกันตามรัศมีความโค้งผนัง ช่วยลดความเค้นสะสมบนผนังถังและเพิ่มความเสถียรของโครงสร้างได้ดี รูปที่ 3.47 หน้าตัดวงแหวนรูปแบบตัวแอล 69 2. หน้าตัดรูปตัวที (T-section) หน้าตัดรูปแบบนี้มีการเชื่อมส่วนขา (Web) ของหน้าตัดเข้ากับผนังถัง ผนังถังจะทาหน้าที่ เสมือนเป็นปีก (Flange) อีกด้านหนึ่ง ส่งผลให้หน้าตัดรวมมีพฤติกรรมเสมือนหน้าตัดรูปตัว I ที่มีค่า โมเมนต์ความเฉื่อย (I) และค่ามอดูลัสหน้าตัด (Z) สูงมาก และเสถียรต่อการบิดตัวเนื่องด้วยความ สมมาตรของหน้าตัดทาให้จุดศูนย์กลางแรงกระทาผ่านแกนกลางพอดี จึงช่วยป้องกันการเกิดการพลิก คว่าของหน้าตัด (Tripping) ภายใต้ภาระแรงลม รูปที่ 3.48 หน้าตัดวงแหวนรูปแบบตัวที 3. หน้าตัดรูปตัวซี (C-section) เป็นหน้าตัดที่มีเสถียรภาพสูงเมื่อเทียบกับหน้าตัดอื่นๆช่ วยป้องกันการโก่งเดาะตามพื้นที่ ย่อย ๆ (Local Buckling) ได้ดีการการเพิ่มความหนาของผนังถังโดยตรง แต่ยังมีข้อน่ากังวลในเรื่องของ น้าหนักวงแหวนที่มากเมื่อเทียบกับรูปแบบอื่นๆ ซึ่งจาเป็นต้องทดลองติดตัง้ และศึกษาเพิ่มเติม รูปที่ 3.49 หน้าตัดวงแหวนรูปแบบตัวซี 70 4. บทที่4 ผลการทดลอง 4.1. บทนา ในส่วนนี้จะเป็นผลการทดลองจากการวิเคราะห์การเสียรูป และการโก่งตัวของโครงสร้างถัง ภายใต้โหลด และสภาวะแรงดันรูปแบบต่าง ๆ เพื่อหาเงื่อนไขการออกแบบที่เหมาะสมสาหรับการ ติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรง 4.2. ผลการวิเคราะห์จากระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ หลังจากมีการจัดเตรียมแบบจาลองและศึกษาถึง ความน่าเชื่อถือของโมเดล แล้วขั้นต่อมาคือ การดูผลการวิเคราะห์ที่เกิดขึ้นจากระเบียบวิธีเชิงไฟไนต์เอเลเมนต์เพื่อ หาสภาพวิกฤติที่จะนาไปใช้ สาหรับการออกแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรงต่อไป โดยผลการวิเคราะห์จะได้ดังต่อไปนี้ 4.2.1. แบบจาลองโครงสร้างถังใหม่ รูปที่ 4.1 ผลความเค้นของถังใหม่ 71 รูปที่ 4.2 ผลการโก่งตัวของถังใหม่ ผลตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังใหม่มีค่าความเค้นของตัวถังมีค่าที่ไม่มาก และระยะการโก่ง ตัวทีน่้อย เนื่องจากตัวถังใหม่มีผนังที่หนาตามระยะความเผื่อในช่วงการออกแบบ สังเกตได้จากตัวคูณ การโก่งเดาะจะมีค่าที่เกิน 1 กล่าวคือมีความปลอดภัยในโหลดขนาดปัจจุบันเมื่อได้รับโหลดที่มากกว่า เท่าตัว 4.2.2. แบบจาลองโครงสร้างถังหลังการใช้งาน 20 ปี รูปที่ 4.3 ผลความเค้นของถังผ่านการใช้งาน 20 ปี 72 รูปที่ 4.4 ผลการโก่งตัวของถังผ่านการใช้งาน 20 ปี จากการศึกษาผลตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังผ่านการใช้งาน 20 ปี พบว่าค่าความเค้นของ ตัวถังมีค่าที่สูงกว่า และระยะการโก่งตัวที่มากเมื่อนามาเทียบกับถังใหม่ เนื่องจากตัวถังมีผนังที่บางลง จากการกัดกร่อนจะสังเกตได้จากตัวคูณการโก่ง เดาะที่มีค่าลดลงอยู่ที่ประมาณ 1 ซึ่งเป็นไปตาม สมมติฐานบนหลักการออกแบบของมาตรฐาน API ที่ออกแบบโดยกาหนดค่าความปลอดภัยผ่านความ หนาผนังที่เผื่อไว้จากการกักกร่อน โดยเมื่อระยะปลอดภัยนั้นหายไป ผลการวิเคราะห์เชิงไฟไนต์จึง แสดงให้เห็นถึงขีดจากัดในการรับภาระกรรมที่ พอดีต่อโหลด ณ ปัจจุบัน โดยไม่มีความปลอดภัย เพิ่มเติม 73 4.3. ผลการออกแบบ 4.3.1. วงแหวนรับแรงลมของผนังชั้นนอก จากการคานวณตามมาตรฐาน API 620 ตาภาคผนวก ข.1 ทาให้ทราบถึงตาแหน่ งที่ต้อง ติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงเข้าไป โดยผู้จัดทาได้หยิบยก 3 แนวทางด้านการออกแบบรูปร่าง เพื่อใช้สาหรับติดตั้งเสริมความแข็งแรงซึ่งจาลองผ่านกรณีถังเปล่าที่ผ่านการใช้งานมา 20 ปี ซึ่งต้อง เผชิญแรงลมและสภาพสุญญากาศตามการจัดกลุ่มแรง (Load combinations) ตามมาตรฐานของ API 620 ตามภาคผนวก ข.2 โดยให้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้ 4.3.1.1.วงแหวนรับลมหน้าตัดตัวแอล รูปที่ 4.5 ผลความเค้นจากการติดวงแหวนรับลมตัวแอล รูปที่ 4.6 ผลการโก่งตัวจากการติดวงแหวนรับลมตัวแอล 74 จากการทดลองผลตอบสนองเชิงโครงสร้างของวงแหวนหน้าตัดตัวแอลนั้นเป็นรูปแบบตาม มาตรฐาน API 620 ที่ได้จากการคานวณตามมาตรฐาน ซึ่งจากผลการทดลองจะสังเกตได้ว่าการเสีย รูปและค่าความเค้น มีค่าที่น้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับแบบจาลองที่ไม่มีการติดวงแหวนรับแรงลม แต่ การทนต่อการโก่งเดาะยังมีค่าที่น้อยกว่า 1 เนื่องจากต้องรับภาระกรรมจากแรงอื่นนอกจากแรงลมจึง ต้องติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงเพิ่มเพื่อช่วยลดภาระที่ต้องได้รับ 4.3.1.2. วงแหวนรับลมหน้าตัดตัวที รูปที่ 4.7 ผลความเค้นจากการติดวงแหวนรับลมตัวที รูปที่ 4.8 ผลการโก่งตัวจากการติดวงแหวนรับลมตัวที 75 ผลตอบสนองเชิงโครงสร้างรูปตัวทีแสดงถึงการเสียรูปของผนังชั้นนอกที่ใกล้เคียงกับการใช้วง แหวนรูปตัวแอล ซึ่งอยู่ในเกณฑ์ความปลอดภัยตามมาตรฐาน API 620 แต่การโก่งของผนังให้ค่าที่สูง กว่าอยู่ที่ 0.99 ซึ่งแสดงถึงการรับกลุ่มแรงที่ดีกว่า 4.3.1.3. วงแหวนรับลมหน้าตัดตัวซี รูปที่ 4.9 ผลความเค้นจากการติดวงแหวนรับลมตัวซี การติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงรูปตัวซี ทาให้ลดค่าความเค้นได้ดีอันเนื่องมาจากความ หนาของผนังที่เพิ่มขึ้นผ่านการเสริมส่วนของวงแหวนเสริมความแข็งแรงตัวซี รูปที่ 4.10 ผลการโก่งตัวจากการติดวงแหวนรับลมตัวซี 76 โดยค่าการเสียรูปก็เป็นไปในแนวโน้มเดียวกันซึ่งมีค่า ลดลงได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับรูปแบบวง แหวนสองอันก่อนหน้า แต่สาหรับตัวคูณการโก่งเดาะแล้วจะเห็นได้ว่าค่าที่ ได้ยังต่ากว่าในวงแหวน รูปแบบตัวที ซึ่งสามารถรับโหลดได้ดีกว่าโดยสามารถสรุปออกมาได้ดังตารางด้านล่าง ตารางที่ 4.1 ผลการติดตั้งวงแหวนรับลมของผนังชั้นนอก รูปแบบวงแหวน ค่าการเสียรูป (มม.) หน้าตัดตัวที หน้าตัดตัวแอล หน้าตัดตัวที ค่าความเค้น (เมกะปาสกาล) 20.542 20.542 13.703 737.80 730.81 725.13 ตัวคูณการโก่งเดาะ 0.9107 0.994 0.955 จากการติดตั้งวงแหวนทั้งสามรูปแบบพบว่า ผลลัพธ์จากการติดตั้งนั้นค่าที่ได้ ไม่ได้มีความ แตกต่างกันอย่างมีนัยยะสาคัญ สาหรับการออกแบบ จึงจาเป็นที่จะต้องพิจารณาปัจจัยด้านอื่นๆร่วม ด้วยทั้งความง่ายต่อการติดตั้ง การบารุงรักษา และ อัตราหน้าตัดมอดูลัสต่อพื้นที่ ซึ่งจากการพิจารณา ร่วมกันแล้วหน้าตัดตัวที่ดูมีความเหมาะสมมากที่สุด เนื่องจากให้ค่าตัวคูณการโก่งเดาะที่สูงสุดละง่าย ต่อการบารุงรักษาและการติดตั้ง โดยตัวคูณการโก่งเดาะมีค่าต่ากว่า 1 อันเนื่องมาจากภาระกรรมที่ พิจารณาสุญญากาศร่วมด้วยตามมาตรฐานซึ่งต้องเสริมความแข็งแรงต่อไป 4.3.2. วงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นล่าง ในการออกแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรงผู้จัดทาได้ออกแบบผ่านการทดลองติดตั้งวงแหวน ในแต่ละชั้นเพื่อดูผลตอบสนองเชิงโครงสร้างและหาตาแหน่งที่เหมาะสมที่สุดจากแนวโน้มพฤติกรรม โดยแบ่งการทดลองได้ตามกรณีและผลตามตารางด้านล่าง ตารางที่ 4.2 ตาแหน่งการติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นล่าง กรณี 1 2 3 4 วงแหวนรับลม ความสูง (ม.) ชั้นที่ 6 15.45 ชั้นที่ 6 15.45 ชั้นที่ 6 15.45 ชั้นที่ 6 15.45 วงแหวนเสริมความแข็งแรง ชั้นที่ 2 ชั้นที่ 3 ชั้นที่ 4 ชั้นที่ 5 77 ความสูง (ม.) 3.85 6.75 9.65 12.55 กรณี 1 กรณี 2 กรณี 3 กรณี 4 รูปที่ 4.11 การติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นล่าง ณ ตาแหน่งต่างๆ 78 4.3.2.1 การเปรียบเทียบผลการติดตั้งต่อเสถียรภาพการโก่งเดาะ จากการดาเนินการติดตั้งไปทั้งหมด 4 รูปแบบในช่วงด้านใต้ของวงแหวนรับลมแล้วนามา เปรียบเทียบผลจะได้ค่าตามกราฟที่ปรากฎดังต่อไปนี้ (ก) (ข) รูปที่ 4.12 กราฟแสดงผลการเสียรูปและตัวคูญการโก่งเดาะเทียบกับโหมดการโก่ง 79 4.3.3. วงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นบน จากผลการออกแบบวงแหวนชั้นล่างทาให้ทราบถึงความสาคัญในการติดวงแหวนเสริมความ แข็งแรงเพิ่มขึ้นเพื่อให้การปฏิบัติงานของถังมีความปลอดภัยภายใต้สภาวะโหลดภายนอกและความ ดันสุญญากาศอันเนื่องมาจากความหนาของผนังที่ลดลงโดยได้ออกแบบผ่านการทดลองติดตั้งและ วิเคราะห์ผลซึ่งแบ่งออกได้เป็น 4 กรณีดังตารางต่อไปนี้ ตารางที่ 4.3 ตาแหน่งการติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นบน กรณี วงแหวนรับลม ความสูง (ม.) วงแหวนเสริมความแข็งแรง 1 ชั้นที่ 6 15.45 ชั้นที่ 5 และ 7 2 ชั้นที่ 6 15.45 ชั้นที่ 5 และ 8 3 ชั้นที่ 6 15.45 ชั้นที่ 5 และ 9 4 ชั้นที่ 6 15.45 ชั้นที่ 5 และ 10 กรณี 1 ความสูง (ม.) 12.55 และ 18.35 12.55 และ 21.25 12.55 และ 24.15 12.55 และ 27.05 กรณี 2 80 กรณี 3 กรณี 4 รูปที่ 4.13 การติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงชั้นบน ณ ตาแหน่งต่างๆ Mode1 Mode2 Mode 3 Mode4 Mode5 Mode6 รูปที่ 4.14 ลักษณะการโก่งเดาะในแต่ละโหมด 81 การเปรียบเทียบผลการเสียรูปของถังในแต่ละกรณี รูปที่ 4.15 กราฟการเสียรูปของผนังจากการติดตั้งวงแหวนชั้นบน จากกราฟการเสียรูปของถังตามแนวความสูงจะสังเกตเห็นได้ว่า ยิ่งระยะระหว่างวงแหวนที่ ติดตั้งมีค่ามากขึ้นช่วงพื้นที่การโก่งของผนังถังจะมากขึ้นตามโดนการแปะวงแหวนชั้น บนที่สูงมาก เกินไป อาทิ ชั้น 10 จะส่งผลการโก่งตัวของโซนผนังด้านบนที่สูงอย่างมีนัยยะสาคัญซึ่งสามารถ ปรับปรุงให้การโกงตัวลดลงมาได้หากติดในช่วงชั้นที่ต่างลงมาตามลาดับ 82 (ก) (ข) รูปที่ 4.16 กราฟแสดงผลการเสียรูปและตัวคูณการโก่งเดาะเทียบกับโหมดการโก่ง การติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงตัวที่สามช่วยเพิ่มเสถียรภาพของถังได้ดียิ่งขึ้น ในแง่ของ การรับโหลดภายนอกและภาวะสุญญากาศแต่สาหรับค่าการโก่งเดาะจากการติดตั้งตาแหน่งที่แตกต่าง กันนั้นไม่ได้ให้ความแตกต่างกันอย่างมีนัยยะสาคัญ ผู้ออกแบบจึงเลือกตาแหน่งชั้นที่ 8 เป็นแนวทาง หลักในการเสริมความแข็งแรงอันเห็นได้จากกราฟในรูปที่4.12 การติดในตาแหน่งที่สูงจนเกินไปจะ ส่งผลให้ผนังในช่วงด้านบนนั้นมีการเสียรูปมากกว่า สาหรับเงื่อนไขอื่น ๆ หลังการเลือกรูปแบบติดตั้งที่ เหมาะสมแล้วนั้นจาเป็นต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติมในลาดับถัดไป 83 4.3.4. วงแหวนเสริมความแข็งแรงของผนังชั้นใน จากการวิเคราะห์ผ ลกระทบของแรงภายนอกที่ กระทากั บตัว ถั ง ในหั ว ข้ อที่ 4.2 พบว่า ผลกระทบที่เกิดขึ้นจากการเสียรูปส่งผลแค่เพียงผนังชั้นนอกด้วยระยะเสียรูปที่ 716.436 มม.ซึ่งอยู่ ในระยะช่วงของช่องว่างผนังด้วยเหตุนี้ในโครงงานจึงมุ่งเน้นไปที่การตรวจสอบความปลอดภัยของวง แหวนเดิมที่ตดิ ตั้งอยู่แล้ว รูปที่ 4.17 ผลค่าความเค้นของผนังชั้นใน จากการออกแบบผนังชั้นในด้ว ยการติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงจานวน 5 ชิ้นในชั้นที่ 12, 11, 10, 8 และ 6 ตามลาดับ ความเค้นที่เกิดขึ้นกับผนังถังจากของเหลวที่บรรจุภายใน อยู่ใน ช่วง 200 เมกะปาสกาล ซึ่งภายใต้ความเค้นครากของวัสดุมี เพียงบริเวณจุดรอบช่องเปิดด้านล่างที่ความ เค้นสูงมากกว่าปกติซึ่งจะต้องได้รับการปรับปรุงต่อไป 84 4.3.5. การเสริมความแข็งแรงของโครงสร้างบริเวณช่องเปิด ช่องเปิดที่ถูกสร้างขึ้นรอบโครงสร้างถังเป็นจุดที่ส่งผลต่อการเกิดความเค้นสะสมของผนังถังซึ่ง หากไม่ได้รับการออกแบบที่เหมาะสมจะส่งผลให้ถังมีโอกาสเสียหายและเกิดการรั่วไหลได้ โดยจาก การวิเคราะห์แบบจาลองก่อนหน้านี้ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเค้นที่ สูงเกินจุดครากวัสดุ ผู้จัดทาได้มี การนาแผ่นเสริมความแข็งแรงติดเพิ่มเติมรอบช่องเปิดโดยใช้ขนาด Ø1255x29 มม. ตามแนวทาง การออกแบบแผ่นเสริมที่กาหนดไว้ ใน API 650 รูปที่ 4.18 ค่าความเค้นก่อนติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิด รูปที่ 4.19 ค่าความปลอดภัยก่อนติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิด 85 รูปที่ 4.20 ค่าความเค้นหลังติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิด รูปที่ 4.21 ค่าความปลอดภัยหลังติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิด 86 เมื่อเสริมความแข็งแรงบริเวณรอบช่องเปิดจะเห็นได้ว่าค่าความปลอดภัยอยู่ที่ช่วง 2.0 ซึง่ มากกว่าค่าที่ยอมรับได้ตามมาตรฐาน API 650 ที่ 1.5 บริเวณรอบแผ่นเสริมความแข็งแรง และสาหรับ ตัวผนังเองจะอยู่ในช่วงที่มากกว่านั้นจากความหนาที่ถูกเพิ่มขึ้นเป็นไปตามภาพด้านล่าง รูปที่ 4.22 ค่าความปลอดภัยหลังติดตั้งแผ่นเสริมช่องเปิดของตัวผนัง 4.4 แบบจาลองโครงสร้างถังที่ได้รับแรงกระทาที่เกิดขึ้นจริง หลังจากที่ได้ออกแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรงครบแล้วหลังจากนั้นได้นาแบบโครงสร้างที่ ออกแบบเรียบร้อยเสร็จสมบูรณมาทาการจาลองในกรณีทไี่ ด้รับแรงกระทาที่เกิดขึ้นจริงในหน้างานโดยแรงที่ กระทาจะเป็นไปตามกรณีที่ 2 ดังตารางที่ 3.11 โดยมี 1.แรงลม 2.น้าหนักโครงสร้าง 3.แรงจากเพอร์ไลท์ 4. แรงดันสุญญากาศ 5.แรงยกหลังคา 6.แรงดันจากของเหลวที่บรรจุ โดยผลการทดลองได้ดังนี้ 87 รูปที่ 4.23 ค่าความเค้นของผนังจากแรงกระทาที่เกิดขึ้นจริง รูปที่ 4.24 ผลการโก่งตัวของผนังจากแรงกระทาที่เกิดขึ้นจริง เห็นได้ว่าค่าตัวคูณการโก่งเดาะที่เกิดขึ้นจากสภาวะการใช้งานจริงมีค่าที่สูงมาก แสดงให้เห็นถึง ความปลอดภัยที่ดีขึ้น รวมถึงการเสียรูปเบื้องต้นก็มีค่าที่ลดต่าลงอย่างมีนัยยะสาคัญ ดังนั้นเองรูปแบบ การติดตั้งที่ได้ออกแบบไว้ถือว่ามีความเหมาะสมที่จะนาไปใช้ปรับปรุงโครงสร้างจริงเพื่อเสริมความ แข็งแรงในกรณีที่ถังมีการใช้งานครบอายุ 20ปี 88 5. บทที่5 รายละเอียดการออกแบบ 5.1. รายละเอียดของวงแหวนเสริมความแข็งแรง ในการออกแบบวงแหวนเสริมความแข็งแรงนั้น วัสดุที่นามาใช้สาหรับการขึ้นรูปวงแหวนเสริม ความแข็งแรง ผู้ติดตั้งจะต้องเลือกวัสดุที่ใช้สาหรับกับผนังภายนอกได้ โดยใช้วัสดุที่ตามมาตรฐานของ JIS G31010 เหล็กเกรด SS400 ซึ่งเป็นเหล็กโครงสร้างที่เหมาะสมสาหรับการขึ้นรูปวงแหวนเสริม ความแข็ง และรายละเอียดการคานวณและการออกแบบเป็นไปตามภาคผนวกที่ ก.1,2 5.2. การประกอบและติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรง สาหรับวงแหวนที่ได้รับการออกแบบมานั้น เพื่อให้มีความเหมาะสมในการนาไปใช้งานจริง จาเป็นต้องคานึงถึงการประกอบและการติดตั้งผู้ออกแบบจึงได้นาเสนอรูปแบบการประกอบและติดตั้ง วงแหวนจากแผ่นเหล็กที่แยกส่วนกันโดยอ้างอิงความเหมาะสมตามมาตรฐาน API ซึ่งสามารดูขนาด เพิ่มเติมได้ที่ภาคผนวก ข.2 ซึง่ สามารถจาแนกส่วนประกอบออกได้เป็นสองส่วนดังรูป รูปที่ 5.1 รูปแบบการประกอบวงแหวนเสริมความแข็งแรง 1) แผ่นปีก (Flange plate) เป็นแผ่นที่รับแรงดึงและแรงอัดจากแรงลมซึ่งเพื่มโมเมนต์ความเฉื่อยให้กับหน้าตัดวง แหวนโดยติดตั้งในแนวตั้งขนานกับผนังถัง 89 2) แผ่นแกนกลาง (Web plate) แผ่นตัวกลางที่เชื่อมระหว่างผนังถังและแผ่นปีกโดยสร้างระยะเยื้องที่ทาให้หน้าตัด มอดูลัสมีค่าเพิ่มขึ้นโดยจะต้องมีการสร้างรูระบายเพิ่มเติมในการประกอบกับผนังถัง สาหรับการเชื่อมประกอบมีข้อกาหนดตามมาตรฐาน API 650 และ 620 ดังนี้ 1) การประกอบวงแหวนแต่ละท่อนจะต้องเป็นการเชื่อมแบบ Full-penetration butt welds เพื่อให้ถ่ายแรงได้ 100% ตามข้อกาหนดใน Section 5.9.10 2) การเชื่อมวงแหวนเข้ากับผนังโดยปกติจะใช้การเชื่อมพอกตลอดความยาว(Continuous Fillet Weld) ทั้งด้านบนและด้านล่าง เพื่อป้องกันความชื้นเข้าไปสะสมระหว่างช่องว่าง ซึ่งจะก่อให้เกิดการกัดกร่อน(Crevice Corrosion) 3) ติดตัง้ รูหนู(Rat hole) ตามแนววงแหวนเพื่อใช้สาหรับหลบรอบเชื่อมแนวตั้งและระบาย น้าขังในกรณีฝนตกโดยให้แนวเชื่อมเว้นห่างจากรูเป็นระยะขั้นต่า 2 นิ้ว 5.3 รายละเอียดของแผ่นเสริมความแข็งแรงช่องเปิด ในการออกแบบแผ่นเสริมความแข็งแรงช่องเปิดนั้นจะต้องมีขนาดเป็นไปตามมาตรฐานของ API 650 ซึ่งจะกาหนดขนาดความกว้างของแผ่นเสริมความแข็งแรง และวัสดุที่จะนามาใช้งานนั้นต้อง เป็นชนิดเดียวกันกับวัสดุผนังคือ SS304 ซึ่งขนาดความหนาและความกว้างของตัวแผ่นที่ผู้จัดทาได้ทา นั้นเป็นดังนี้ รูปที่ 5.2 ขนาดของแผ่นเสริมความแข็งแรงช่องเปิด 90 6. บทที่6 สรุปผลการทดลองและข้อเสนอแนะ 6.1. การออกแบบรูปร่างของวงแหวน การออกแบบรูปร่างของวงแหวนในโครงงานนี้ยึดการเลือกจากค่า โมเมนต์ความเฉื่อยตาม มาตรฐานการออกแบบ API 620 เพื่อหาการออกแบบที่เหมาะสม โดยเลือกรูปทรงเรขาคณิ ต ที่ แตกต่างกันสามแบบสาหรับการจาลองได้แก่ รูปร่างตัวที ตัวซี และตัวแอล ซึ่งได้มีการคานวนหาค่า หน้าตัดมอดูลัสอยู่ในภาคผนวก ข. โดยจากการนาวงแหวนรูปแบบต่างๆไปสร้างโมเดลสามมิติและติดตั้งลงไปบนผนังถัง ณ จุดที่ อ่อนไหวที่สุดให้ผลการวิเคราะห์เป็นไปตามตารางที่ 4.1 โดยรูปทรงตัวทีจะให้ค่าตัวคูณการโก่งเดาะ มากที่สุด รวมทั้งพิจารณาร่วมกับปัจจัยอื่นๆ อาทิ ความง่ายต่อการผลิต อัตราส่วนหน้าตัดโมดูลัสต่อ พืน้ ที่ การกัดกร่อน ทาให้เลือกรูปทรงตัวทีทมี่ีความเหมาะสมมาใช้ในการออกแบบวงแหวนตัวกลางซึ่ง ใช้สาหรับป้องกันการโก่งของถังจากแรงลม 6.2. การออกแบบตาแหน่งติดตั้งวงแหวน จากผลตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังรูปแบบเก่า และรูปแบบใหม่ ภายใต้การกระทาของ โหลดในกรณีต่าง ๆ โดยกรณีที่ 1 เป็น ผลตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังที่ได้รับภาระกรรมตาม ข้อกาหนดของมาตราฐาน API และกรณีที่ 2 เป็นสภาวะถังเมื่อนาไปใช้งานจริง ซึ่งเทียบรูปแบบการ ออกแบบของถังเก่าดั้งเดิมที่มีการออกแบบและใช้งานจริง ณ ปัจจุบัน และรูปแบบถังใหม่ที่ได้รับการ ออกแบบรูปร่างและตาแหน่งการติดตั้ง วงแหวนเสริมความแข็งแรงใหม่ภายใต้โครงงานนี้มีผลสรุป เป็นไปตามตารางด้านล่าง 91 ตารางที่ 6.1 ผลการออกแบบวงแหวน กรณี 1 ถังรูปแบบเก่า ถังรูปแบบใหม่ ตัวคูณการโก่งเดาะ 1.0013 1.497 ความเค้น(เมกะปาสกาล) 18.692 12.433 การเสียรูป (มิลลิเมตร) 716.43 642 ค่าความปลอดภัยที่ช่องเปิด 1.3571 2.0037 กรณี 2 ถังรูปแบบเก่า ถังรูปแบบใหม่ 1.0116 3.3659 17.577 12.011 719.59 571.25 1.3571 2.0037 จากผลการทดลองเห็นได้ว่าทั้งในกรณีที่ 1 และกรณีที่ 2 ถังรูปแบบใหม่ให้ค่าตัวคูณการโก่งเดาะ ค่าความเค้น ค่าการเสียรูป และค่าความปลอดภัยที่ช่องเปิด มีค่าทีเ่ พิ่มขึ้น ทั้งในกรณี 1 ซึ่งยังไม่มีการ เติมฉนวนเพอร์ไรท์ และกรณีสองซึ่งให้ค่าตัวคูณการโก่งเดาะสูงขั้นอย่างมีนัยยะสาคัญจากการใส่ผง เพอร์ไรท์ระหว่างผนังถังและมีของเหลวบรรจุภายใน ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าการติดตั้งวงแหวนเสริมความ แข็งแรงตามที่ได้รับการออกแบบมา ช่วยให้ ตัวถังมีประสิทธิภาพความแข็งแรงที่สูงขึ้น ซึ่งเหมาะสม สาหรับนาไปใช้และปฏิบัติงานจริง 6.3. การเสริมความแข็งแรงของช่องเปิด นอกจากผนังที่ได้รับการเสริมความแข็งแรงแล้วนั้น จากการศึกษาโครงสร้างทาให้เห็นว่าช่อง เปิดสาหรับการซ่อมบารุงมีความเค้นสะสมอยู่ที่บริเวณขอบสูงจนเกินไป เมื่อผ่านการใช้งานมีอายุการ ใช้งานที่มากขึ้นอาจทาให้เกิด อันตรายได้ จึงทาการใส่แผ่นเสริมความแข็งแรงให้กับช่องเปิดตามแนว ทางการออกแบบของ API 650 ซึ่งผลจากการติดตั้งแผ่นเสริมความแข็งแรงรอบช่องเปิดช่วยลดค่า ความเค้น ที่ขอบของช่องเปิ ด จาก 220.31 เมกะปาสกาล เป็น 139.39 เมกะปาสกาล และเมื่ อ วิเคราะห์ค่าความปลอดภัยของผนังถังจะเห็นได้ว่าบริเวณแผ่นปิดมีค่าความปลอดภัยที่ 2.0037 และ ตัวผนังถังที่ได้รับการเสริมความแข็งแรงมีค่าความปลอดภัยอยู่มากกว่า 2 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ ด้านความปลอดภัยอย่างชัดเจนจากการเสริมโครงสร้างผ่านโครงงานนี้ 92 6.4. ข้อเสนอแนะ นอกเหนือจากการวิเคราะห์ในโครงงานนี้แล้วหากต้องการเพิ่มความละเอียดของแบบจาลองให้มี ความไม่เป็นเชิงเส้นและซับซ้อนมากขึ้น สามารถเพิ่มการทาแนวเชื่อมเพื่อช่วยให้ผลการวิเคราะห์มี ความแม่นยามากขึ้นและลดจุดที่เกิดความเค้นสูงได้ เนื่องจากมีเสถียรภาพและไม่มคี วามคลาดเคลื่อน จากความหยาบของเมช เมื่อกาหนดคุณสมบัติวัสดุ เงื่อนไขขอบเขต และแรงกระทาได้ถูกต้อง หรือแม้ กระทั้งการใช้พลศาสตร์ของไหลมาช่วยสร้างพฤติกรรมของลมก็จะช่วยให้ แบบจาลองจะใกล้เคียง สภาพจริงมากขึ้น ทาให้ผลการวิเคราะห์มีความน่าเชื่อถือสูงขึ้นและสามารถนาไปใช้ในการออกแบบได้ อย่างมั่นใจ แต่ทั้งนี้เองการจาลองถังที่มีความซับซ้ อนจาเป็นต้ องใช้ค อมพิว เตอร์ที่มีประสิทธิภาพสู ง เนื่องจากแบบจาลองไฟไนต์เอลิเมนต์ที่มีความละเอียดมากจะมีองค์ประกอบของเอเลเมนต์เป็น จานวนมาก อีกทั้งการใช้งานเครื่องมือต่าง ๆ ยังต้องอาศัยความสามารถในการประมวลผลที่สูงเพื่อ รองรับการคานวณที่ซับซ้อนดังนั้นผู้ดาเนินงานต้องพึงตระหนักในส่วนนี้ด้วย 93 7. เอกสารอ้างอิง [1] Y. Zhao and Y. Lin, “Buckling of cylindrical open-topped steel tanks under wind load,” Thin-Walled Structures, vol. 79, pp. 83–94, Jun. 2014, doi: 10.1016/j.tws.2014.02.010. [2] F. Bu and C. Qian, “A rational design approach of intermediate wind girders on large storage tanks,” Thin-Walled Structures, vol. 92, pp. 76– 81, 2015, doi: 10.1016/j.tws.2015.02.024. [3] Engineering Equipment and Materials Users Association, Recommendations for refrigerated liquefied gas storage tanks PUBLICATION 147, 3rd edition. 2016. [4] American Petroleum Institute, Design and Construction of Large, Welded, Low-pressure Storage Tanks. Standard 620, 12th edition. Washington, D.C., 2021. [5] R. C. Jaca and L. A. Godoy, “Wind buckling of metal tanks during their construction,” Thin-Walled Structures, vol. 48, no. 6, pp. 453–459, Jun. 2010, doi: 10.1016/j.tws.2010.01.001. [6] L. A. Godoy, “Buckling of vertical oil storage steel tanks: Review of static buckling studies,” Jun. 01, 2016, Elsevier Ltd. doi: 10.1016/j.tws.2016.01.026. [7] J. Horabik and M. Molenda, “Properties of Grain for Silo Strength Calculation.” [8] R. Shigapov and O. Kovalchuk, “Study on safety and reliability of lowtemperature tanks with perlite loose insulation during seismic events,” in E3S Web of Conferences, EDP Sciences, May 2019. doi: 10.1051/e3sconf/20199704057. [9] Warren C. Young and Richard G. Budynas, Roark’s formulas for stress and strain, 7th edition. McGraw-Hill, 2002. [10] I. H. Fessler and P. Stanley, “SHOULDERED PLATES AND SHAFTS IN TENSION AND TORSION.” [11] American Petroleum Institute, Tank Systems for Refrigerated Liquefied Gas Storage Standard 625, 1st edition. Washington, D.C., 2010. 94 [12] Autodesk, “Non-linear Static Analysis.” Accessed: Aug. 02, 2025. [Online]. Available: https://help.autodesk.com/view/RSAPRO/2025/JPN/?guid=GUIDFB3C86D3-0E30-43A6-82D6-6C50F429FA0D [13] Nikolaos Vasiosscholar, “Nonlinear Analysis of Structures,” 2015. [14] D. Bushnell, “Buckling of Shells-Pitfall for Designers,” AIAA JOURNAL, vol. 19, pp. 1183–1226, Sep. 1980. [15] S. Z. Newman, “L. H. Sobel Plastic Buckling of Cylindrical Shells Under Axial Compression 1,” 1980. [Online]. Available: http://www.asme.org/about-asme/terms-of-use [16] P. Noe Poulsen and L. Damkilde, “DIRECT DETERMINATION OF ASYMPTOTIC STRUCTURAL POSTBUCKLING BEHAVIOUR BY THE FINITE ELEMENT METHOD,” 1998. [17] NASA, “Buckling of Thin-Walled Circular Cylinders,” 1965. [Online]. Available: http://www.sti.nasa.gov [18] W. Ramberg and W. R. Osgood, “Description of stress-strain curves by three parameters,” 1943. [19] N. Stranghöner, E. Azizi, and A. Gorbachov, “Influence of material nonlinearity on the buckling resistance of stainless steel shells,” J Constr Steel Res, vol. 157, pp. 386–396, Jun. 2019, doi: 10.1016/j.jcsr.2019.02.030. [20] ABAQUS, “Sources of nonlinearity.” Accessed: Aug. 02, 2025. [Online]. Available: https://classes.engineering.wustl.edu/2009/spring/mase5513/abaqus/doc s/v6.6/books/gsa/default.htm?startat=ch08s01.html [21] Neural Concept, “What Is Nonlinear Analysis? Overview, Types, and Differences.” Accessed: Aug. 02, 2025. [Online]. Available: https://www.neuralconcept.com/post/what-is-nonlinear-analysisoverview-types-and-differences [22] V. K. Thompson, “ELASTIC BUCKLING OF DOUBLE WALLED CYLINDRICAL STORAGE TANKS-NUMERICAL AND ANALYTICAL ESTIMATES.” 95 [23] Chung Kyun Kim and Nam In Jeong, “A Study on the Strength Safety Analysis of a Full Containment LNG Storage Tank Due to a Wind Pressure,” Hongik University, 2008. [24] B. A. Fecht, T. E. Gates, K. O. Nelson, and G. D. Marr, “Comparative Safety Analysis of LNG Storage Tanks,” Jul. 1982. [25] A. Khalleefah, H. Darmeesh, A. Geith, and B. Ibraheem, “Design Implementation Based on Wind Girders and Finite Element Analysis Practices towards External Floating Roof Storage Tank,” International Journal of Engineering and Modern Technology E, [Online]. Available: www.iiardjournals.org [26] “American Petroleum Institute, API Standard 650: Welded Tanks for Oil Storage, 13th ed., Washington, D.C.: American Petroleum Institute, 2020.” [27] “American Petroleum Institute, API Standard 653: Tank Inspection, Repair, Alteration,and Reconstruction, 5th ed., Washington, D.C.: American Petroleum Institute, 2013.” [28] “American Petroleum Institute, API Standard 620: Design and Construction of Large, Welded, Low-pressure Storage Tanks, 12th ed., Washington, D.C.: American Petroleum Institute, 2013.,” 2018. [29] “กรมโยธาธิการและผังเมืองกระทรวงมหาดไทย, มาตรฐานการคานวณแรงลมและ การตอบสนองของอาคาร, พิมพ์ครั้งที่ 1, บริษัท เอส. พี. เอ็ม. การพิมพ์จากัด, 2550”. [30] A. Society of Civil Engineers, “ASCE 7: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures,” 2013. [31] American Petroleum Institute, Welded Tanks for Oil Storage. Standard 650, 13th editions. Washington, D.C., 2019. [32] N. Europeenne and E. Norm, “EUROPEAN STANDARD Eurocode 3-Design of steel structures-Part 4-1: Silos,” 2007. [33] “Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials,” Jul. 01, 2013, ASTM International, West Conshohocken, PA. doi: 10.1520/E0008_E0008M-13A. 96 [34] Inc. ANSYS, “SHELL 281 element.” Accessed: Oct. 15, 2025. [Online]. Available: https://ansyshelp.ansys.com/public/account/secured?returnurl=/Views/S ecured/corp/v242/en/ans_elem/Hlp_E_SHELL281.html?q=shell281 [35] Inc. ANSYS, “Mechanical APDL Theory Reference,” Pennsylvania, Jan. 2025. [Online]. Available: http://www.ansys.com [36] Inc. ANSYS, SOLID 186 element. 2024. Accessed: Oct. 15, 2025. [Online]. Available: https://ansyshelp.ansys.com/public/account/secured?returnurl=/Views/S ecured/corp/v242/en/ans_elem/Hlp_E_SOLID186.html [37] J. G. Teng and C. Y. Song, “Numerical models for nonlinear analysis of elastic shells with eigenmode-ane imperfections.” [Online]. Available: www.elsevier.com/locate/ijsolstr 97 8. ภาคผนวก ก. การคานวนลม ก.1. การคานวณโหลดจากแรงลม 98 ก.2. การคานวณมุมปะทะของแรงลมกับตัวถัง ตารางที่ ก.8.1 ค่าการปะทะในแต่ละองศา รายละเอี ย ดของตัว ถั ง ความสูงตัวถัง (เมตร) 30.15 เส้นผ่านศูนย์กลาง (เมตร) DC/H RATIO q(deg.) 27.82 DC(m) H(m) 27.82 30.15 0.92271973 0 27.82 30.15 0.92271973 15 0.2617992 0.829595864 27.82 30.15 0.92271973 30 0.5235983 0.356747251 27.82 30.15 0.92271973 45 0.7853975 -0.296346122 27.82 30.15 0.92271973 60 1.0471967 -0.92856864 27.82 30.15 0.92271973 75 1.3089958 -1.320055957 27.82 30.15 0.92271973 90 1.570795 -1.341685738 27.82 30.15 0.92271973 105 1.8325942 -1.040232565 27.82 30.15 0.92271973 120 2.0943933 -0.617753955 27.82 30.15 0.92271973 135 2.3561925 -0.300655445 27.82 30.15 0.92271973 150 2.6179917 -0.192155997 27.82 30.15 0.92271973 165 2.8797908 -0.226495403 27.82 30.15 0.92271973 180 3.14159 27.82 30.15 0.92271973 195 3.4033892 -0.226496557 27.82 30.15 0.92271973 210 3.6651883 -0.192155697 27.82 30.15 0.92271973 225 3.9269875 -0.300651088 27.82 30.15 0.92271973 240 4.1887867 -0.617745822 27.82 30.15 0.92271973 255 4.4505858 -1.040224391 27.82 30.15 0.92271973 270 4.712385 -1.341682422 27.82 30.15 0.92271973 285 4.9741842 -1.320060314 27.82 30.15 0.92271973 300 5.2359833 -0.928579686 27.82 30.15 0.92271973 315 5.4977825 -0.296359925 27.82 30.15 0.92271973 330 5.7595817 0.356735275 27.82 30.15 0.92271973 345 6.0213808 0.82958908 27.82 30.15 0.92271973 360 6.28318 99 q(rad) CP 0 1 -0.261545605 1 มุมลมปะทะตัวถัง 345 330 315 300 285 360 1 0 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 15 30 45 60 75 90 270 105 255 240 225 120 210 195 180 165 135 150 รูปที่ ก.1 กราฟองศาปะทะของลมที่ตัวผนังถัง Pressure coefficient vs. 1.5 1 0.5 0 -0.5 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 -1 -1.5 รูปที่ ก.2 กราฟสัมประสิทธิ์แรงดันเทียบกับองศา 100 ข. การออกแบบวงแหวนผนังชั้นนอก ข.1. การคานวณตาแหน่งติดตั้งวงแหวนของผนังชั้นนอก 101 ข.2. การคานวนขนาดวงแหวนเสริมความแข็งแรง 102 ข.3. แบบเชิงวิศวกรรมสาหรับวงแหวนเสริมความแข็งแรง รูปที่ ข.1 ภาพเขียนแบบของวงแหวนเสริมความแข็งแรง 103 ค. การคานวนตามมาตรฐาน ASME V&V ค.1. การคานวณความเหมาะสมของเมช . 104 ง. การคานวณแรงดันเพอร์ไรท์ ตารางที่ ก.28.2 ค่าแรงดันเพอร์ไรท์ที่กระทาต่อผนังถัง อัตราส่วนความ ลึก (Z/H) ความลึก (ม.) 0.017 แรงดัน (ปาสกาล) Jansenn GC Yansen 0.500 75.844 573.885 148.741 0.033 1.000 144.458 573.885 254.744 0.050 1.500 206.532 573.885 330.289 0.066 2.000 262.689 573.885 384.127 0.083 2.500 313.493 573.885 422.495 0.100 3.000 359.454 573.885 449.839 0.116 3.500 401.035 573.885 469.325 0.133 4.000 438.651 573.885 483.213 0.149 4.500 472.682 573.885 493.110 0.166 5.000 503.469 573.885 500.164 0.182 5.500 531.322 573.885 505.190 0.199 6.000 556.519 573.885 508.773 0.216 6.500 579.315 573.885 511.326 0.232 7.000 599.937 573.885 513.145 0.249 7.500 618.594 573.885 514.442 0.265 8.000 635.473 573.885 515.366 0.282 8.500 650.742 573.885 516.025 0.299 9.000 664.556 573.885 516.494 0.315 9.500 677.054 573.885 516.828 0.332 10.000 688.360 573.885 517.067 0.348 10.500 698.588 573.885 517.237 0.365 11.000 707.841 573.885 517.358 0.382 11.500 716.213 573.885 517.444 0.398 12.000 723.786 573.885 517.505 0.415 12.500 730.637 573.885 517.549 0.431 13.000 736.836 573.885 517.581 0.448 13.500 742.443 573.885 517.603 105 0.464 14.000 747.516 573.885 517.619 0.481 14.500 752.106 573.885 517.630 0.498 15.000 756.258 573.885 517.638 0.514 15.500 760.014 573.885 517.644 0.531 16.000 763.412 573.885 517.648 0.547 16.500 766.486 573.885 517.651 0.564 17.000 769.267 573.885 517.653 0.581 17.500 771.783 573.885 517.654 0.597 18.000 774.060 573.885 517.655 0.614 18.500 776.119 573.885 517.656 0.630 19.000 777.982 573.885 517.657 0.647 19.500 779.667 573.885 517.657 0.664 20.000 781.192 573.885 517.657 0.680 20.500 782.571 573.885 517.657 0.697 21.000 783.819 573.885 517.658 0.713 21.500 784.948 573.885 517.658 0.730 22.000 785.970 573.885 517.658 0.747 22.500 786.894 573.885 517.658 0.763 23.000 787.729 573.885 517.658 0.780 23.500 788.486 573.885 517.658 0.796 24.000 789.170 573.885 517.658 0.813 24.500 789.789 573.885 517.658 0.829 25.000 790.349 573.885 517.658 0.846 25.500 790.855 573.885 517.658 0.863 26.000 791.314 573.885 517.658 0.879 26.500 791.728 573.885 517.658 0.896 27.000 792.103 573.885 517.658 0.912 27.500 792.442 573.885 517.658 0.929 28.000 792.749 573.885 517.658 0.946 28.500 793.027 573.885 517.658 0.962 29.000 793.278 573.885 517.658 0.979 29.500 793.506 573.885 517.658 106 0.995 30.000 793.711 573.885 517.658 1.012 30.500 793.897 573.885 517.658 รูปที่ ง.1 กราฟความดันเพอร์ไรท์เทียบกับอัตราส่วนความความลึก 107

Abstract

This research investigates the structural integrity of Double-walled chemical storage tanks, specifically addressing the failure of existing designs after 20 years of service life due to corrosion. Finite Element Analysis (FEA) revealed that the original structure lacks sufficient buckling resistance, and the maintenance manholes exhibit stress concentrations exceeding API 650 standards. The study develops an optimized wind girder configuration and reinforced manhole designs to withstand critical loading conditions, including wind loads, internal pressure, and vacuum. The results provide a practical framework for enhancing structural stability and ensuring long-term safety compliance for large-scale chemical storage units.

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

AM-2568-009

ชื่อเรื่อง

การออกแบบและการวิเคราะห์เชิงตัวเลขสำหรับอิทธิพลของรูปทรงและตำแหน่งการติดตั้งวงแหวนเสริมความแข็งแรงต่อการตอบสนองเชิงโครงสร้างของถังเก็บสารเคมีแบบผนังสองชั้นภายใต้สภาวะการรับความดันภายนอก / Design of Wind Girder Geometry and Layout for a Double-walled Chemical Storage Tank under External Loading Conditions

ผู้จัดทำ

ณัฐพร พรมเสน, ดลภัทร เลิศวิริยจิตต์, ธัฌฌา สุวรรณรัตน์

อาจารย์ที่ปรึกษา

รศ.ดร.ชัยณรงค์ ศรีกุลวงศ์

ปีการศึกษา

2568 (C.E. 2025)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2qkyv004mxtyrlqyluptc