Pressure Vessel Design & Calculation: คู่มือออกแบบตาม ASME Sec VIII Div 1

Pressure Vessel คืออะไร

Pressure vessel คือถังปิด (closed container) ที่ออกแบบมาเพื่อบรรจุก๊าซหรือของเหลว ภายใต้ความดันที่ต่างจากความดันบรรยากาศอย่างมีนัยสำคัญ พบได้ทั่วไปในอุตสาหกรรม chemical, oil & gas, power และ pharmaceutical

เพราะภายในมีพลังงานสะสมสูง การออกแบบจึงยึดตามมาตรฐาน โดยที่นิยมที่สุดคือ ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section VIII Division 1 ซึ่งกำหนดสูตรคำนวณ ความหนาขั้นต่ำของแต่ละส่วนเพื่อให้ stress ที่เกิดขึ้นไม่เกิน allowable stress ของวัสดุ

ประเภทของ Pressure Vessel

แบ่งได้หลายแบบขึ้นกับมุมมอง:

• ตามรูปทรง (By shape): Cylindrical, Spherical
• ตามการวาง (By orientation): Horizontal, Vertical
• ตามการใช้งาน (By service): Storage, Reactor, Heat exchanger, Separator, Receiver

ส่วนประกอบหลัก

ถังทรงกระบอกแนวนอนทั่วไปประกอบด้วย:

• Shell — เปลือกทรงกระบอกที่รับความดันหลัก
• End head — ฝาปิดหัวท้าย (นิยม 2:1 elliptical หรือ hemispherical)
• Nozzle — รูต่อท่อเข้า/ออก ต้องเสริม reinforcement รอบรู
• Manhole — ช่องเข้าตรวจสอบ/ซ่อมบำรุง
• Safety valve — วาล์วระบายความดันเกิน
• Support / Saddle — ฐานรองรับน้ำหนักถัง
• Drain — จุดระบายของเหลว

ข้อมูลออกแบบ (Design Data) — ตัวอย่าง

ก่อนคำนวณต้องกำหนด design data ให้ครบ ตัวอย่างชุดข้อมูลที่จะใช้ทั้งบทความนี้:

พารามิเตอร์	สัญลักษณ์	ค่า
Internal design pressure	$P$	10 bar (gauge) = 1.0 MPa
Internal temperature	$T$	150 °C
Material	—	SA-516 Gr.70 (Normalized)
Welded joint efficiency	$E$	0.85 (spot-examined longitudinal weld)
Corrosion allowance	$c$	3 mm
Inside diameter	$D$	1200 mm (รัศมี $R$ = 600 mm)
Allowable stress	$S$	112 MPa
Design life	—	20 ปี

สมการออกแบบตาม ASME Sec VIII Div 1

สำคัญ: สูตรของ shell และ hemispherical head ใช้ รัศมีภายใน ($R$) ไม่ใช่ เส้นผ่านศูนย์กลาง ($D$) — เป็นจุดที่พลาดกันบ่อยและทำให้ความหนาคลาดเคลื่อนเป็นเท่าตัว

(a) Cylindrical shell — circumferential stress (longitudinal joint), UG-27:

$$t = \frac{P \cdot R}{S \cdot E - 0.6\,P} + c$$

(b) Hemispherical head — UG-32:

$$t = \frac{P \cdot R}{2\,S\,E - 0.2\,P} + c$$

(c) 2:1 Ellipsoidal head — UG-32 (สูตรนี้ใช้เส้นผ่านศูนย์กลาง $D$):

$$t = \frac{P \cdot D}{2\,S\,E - 0.2\,P} + c$$

โดยที่:

• $t$ = ความหนาขั้นต่ำที่ต้องการ (mm)
• $P$ = design pressure (MPa)
• $R$ = รัศมีภายใน (mm), $D$ = เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (mm)
• $S$ = allowable stress ของวัสดุที่อุณหภูมิออกแบบ (MPa)
• $E$ = welded joint efficiency (0.6 – 1.0)
• $c$ = corrosion allowance (mm)

สูตร thin-wall ข้างต้นใช้ได้เมื่อ $t < R/2$ หรือ $P \le 0.385\,S\,E$ ซึ่งครอบคลุม งานออกแบบส่วนใหญ่

ตัวอย่างการคำนวณ

ใช้ design data ด้านบน ($P$ = 1.0 MPa, $R$ = 600 mm, $S$ = 112 MPa, $E$ = 0.85, $c$ = 3 mm)

ความหนาของ cylindrical shell:

$$\begin{aligned} t &= \frac{1.0 \times 600}{112 \times 0.85 - 0.6 \times 1.0} + 3 \\[4pt] &= \frac{600}{95.2 - 0.6} + 3 = \frac{600}{94.6} + 3 \\[4pt] &= 6.34 + 3 = 9.34 \ \text{mm} \end{aligned}$$

→ เลือก plate มาตรฐาน 10 mm

ความหนาของ hemispherical head:

$$\begin{aligned} t &= \frac{1.0 \times 600}{2 \times 112 \times 0.85 - 0.2 \times 1.0} + 3 \\[4pt] &= \frac{600}{190.4 - 0.2} + 3 = \frac{600}{190.2} + 3 \\[4pt] &= 3.15 + 3 = 6.15 \ \text{mm} \end{aligned}$$

→ เลือก 8 mm

ความหนาของ 2:1 ellipsoidal head:

$$\begin{aligned} t &= \frac{1.0 \times 1200}{2 \times 112 \times 0.85 - 0.2 \times 1.0} + 3 \\[4pt] &= \frac{1200}{190.2} + 3 = 6.31 + 3 = 9.31 \ \text{mm} \end{aligned}$$

→ เลือก 10 mm

จะเห็นว่า hemispherical head หนาน้อยที่สุดเพราะรูปทรงรับความดันได้ดีที่สุด แต่ 2:1 elliptical กลับนิยมกว่าเพราะผลิตและขนส่งง่ายกว่า

ตาราง Allowable Stress — SA-516 Gr.70

ค่า $S$ ต้องอ่านที่ อุณหภูมิออกแบบ จาก ASME Sec II Part D ค่าตัวอย่าง:

Temperature (°C)	≤38	93	149	204	260	343	399
Allowable stress $S$ (MPa)	138	130	122	112	96.5	89.7	86.2

ยิ่งอุณหภูมิสูง allowable stress ยิ่งลดลง ทำให้ความหนาที่ต้องการเพิ่มขึ้น — อย่าลืม ใช้ค่า $S$ ที่ตรงกับ design temperature เสมอ

ความเค้นพื้นฐานในผนังถัง

สำหรับถังผนังบาง (thin cylinder) ความเค้นในแนวเส้นรอบวงจะเป็นสองเท่าของแนวยาว จึงเป็นเหตุผลที่ shell มักวิบัติตามแนวยาวก่อน:

$$\sigma_h = \frac{P \cdot D}{2\,t} \qquad\qquad \sigma_l = \frac{P \cdot D}{4\,t}$$

ขั้นตอนการออกแบบโดยสรุป

1. กำหนด design $P$, $T$, วัสดุ, และ $D$
2. อ่าน allowable stress $S$ ของวัสดุที่อุณหภูมิออกแบบ
3. คำนวณความหนาขั้นต่ำของ shell และ head
4. บวก corrosion allowance ($c$)
5. ปัดขึ้นเป็นความหนา plate มาตรฐานที่ถัดไป
6. ออกแบบ nozzle, opening และ reinforcement
7. ออกแบบ support (saddle / lug / leg)
8. ตรวจสอบทุกชิ้นส่วนตาม ASME Sec VIII
9. จัดทำ fabrication drawing

Safety มาก่อนเสมอ: ตรวจให้ครบทั้ง correct data, correct formula, correct units, correct material และ safe design ก่อนสรุปความหนา

หลักการหาความหนาจากความดันภายในของ shell ใช้สูตรตระกูลเดียวกับการหาความหนาท่อ — ลองคำนวณเทียบได้ด้วย Pipe Wall Thickness Calculator และแปลงหน่วยความดัน bar ↔ MPa ได้ที่ Unit Converter for Engineers