Khi thiết kế hệ thống đường ống chịu áp lực, kỹ sư thiết kế thường sẽ chỉ định rằng hệ thống đường ống phải tuân thủ một hoặc nhiều phần của Tiêu chuẩn Đường ống chịu áp lực ASME B31. Vậy các kỹ sư tuân thủ đúng các yêu cầu của tiêu chuẩn như thế nào khi thiết kế hệ thống đường ống?
Trước tiên, kỹ sư phải xác định tiêu chuẩn thiết kế nào nên được lựa chọn. Đối với hệ thống đường ống chịu áp lực, điều này không nhất thiết chỉ giới hạn ở tiêu chuẩn ASME B31. Các tiêu chuẩn khác do ASME, ANSI, NFPA hoặc các tổ chức quản lý khác ban hành có thể được áp dụng tùy thuộc vào vị trí dự án, ứng dụng, v.v. Hiện tại, ASME B31 có bảy phần riêng biệt đang có hiệu lực.
Tiêu chuẩn ASME B31.1 Đường ống điện: Phần này bao gồm đường ống trong các nhà máy điện, nhà máy công nghiệp và thể chế, hệ thống sưởi địa nhiệt, và hệ thống sưởi và làm mát trung tâm và khu vực. Điều này bao gồm đường ống bên ngoài và không bên ngoài nồi hơi được sử dụng để lắp đặt nồi hơi theo tiêu chuẩn ASME Mục I. Phần này không áp dụng cho thiết bị thuộc phạm vi của Bộ luật Nồi hơi và Bình áp lực ASME, một số đường ống phân phối sưởi và làm mát áp suất thấp, và nhiều hệ thống khác được mô tả trong đoạn 100.1.3 của ASME B31.1. Nguồn gốc của ASME B31.1 có thể được truy ngược lại những năm 1920, với ấn bản chính thức đầu tiên được xuất bản vào năm 1935. Lưu ý rằng ấn bản đầu tiên, bao gồm cả phụ lục, chỉ có chưa đến 30 trang, và ấn bản hiện tại dài hơn 300 trang.
Tiêu chuẩn ASME B31.3 Đường ống công nghiệp: Phần này bao gồm hệ thống đường ống trong các nhà máy lọc dầu; nhà máy hóa chất, dược phẩm, dệt may, giấy, bán dẫn và nhà máy đông lạnh; và các nhà máy chế biến và trạm trung chuyển liên quan. Phần này rất giống với ASME B31.1, đặc biệt là khi tính toán độ dày thành tối thiểu cho ống thẳng. Phần này ban đầu là một phần của B31.1 và được phát hành riêng lần đầu tiên vào năm 1959.
Tiêu chuẩn ASME B31.4 Hệ thống vận chuyển đường ống cho chất lỏng và bùn: Phần này bao gồm hệ thống đường ống vận chuyển chủ yếu các sản phẩm dạng lỏng giữa các nhà máy và kho chứa, cũng như trong nội bộ các kho chứa, trạm bơm, trạm điều chỉnh và trạm đo lường. Phần này ban đầu là một phần của tiêu chuẩn B31.1 và được phát hành riêng lần đầu tiên vào năm 1959.
Tiêu chuẩn ASME B31.5 Đường ống làm lạnh và các bộ phận truyền nhiệt: Phần này bao gồm đường ống cho chất làm lạnh và chất làm mát thứ cấp. Phần này ban đầu là một phần của tiêu chuẩn B31.1 và được phát hành riêng lần đầu tiên vào năm 1962.
Tiêu chuẩn ASME B31.8 Hệ thống đường ống truyền tải và phân phối khí: Tiêu chuẩn này bao gồm đường ống vận chuyển chủ yếu các sản phẩm khí giữa các nguồn và điểm cuối, bao gồm máy nén, trạm điều chỉnh và đo lường; và đường ống thu gom khí. Phần này ban đầu là một phần của tiêu chuẩn B31.1 và được phát hành riêng lần đầu tiên vào năm 1955.
Tiêu chuẩn ASME B31.9 Đường ống dịch vụ tòa nhà: Phần này bao gồm các loại đường ống thường thấy trong các tòa nhà công nghiệp, thể chế, thương mại và công cộng; và các khu nhà ở nhiều căn hộ không yêu cầu kích thước, áp suất và phạm vi nhiệt độ được quy định trong ASME B31.1. Phần này tương tự như ASME B31.1 và B31.3, nhưng ít nghiêm ngặt hơn (đặc biệt là khi tính toán độ dày thành tối thiểu) và chứa ít chi tiết hơn. Nó chỉ giới hạn ở các ứng dụng áp suất thấp, nhiệt độ thấp như được chỉ ra trong đoạn 900.1.2 của ASME B31.9. Tiêu chuẩn này được xuất bản lần đầu vào năm 1982.
Tiêu chuẩn ASME B31.12 Đường ống dẫn hydro và hệ thống đường ống: Phần này bao gồm hệ thống đường ống trong dịch vụ hydro dạng khí và lỏng, và hệ thống đường ống trong dịch vụ hydro dạng khí. Phần này được xuất bản lần đầu vào năm 2008.
Việc lựa chọn tiêu chuẩn thiết kế nào phù hợp nhất cuối cùng là tùy thuộc vào chủ đầu tư. Phần giới thiệu của tiêu chuẩn ASME B31 nêu rõ: “Chủ đầu tư có trách nhiệm lựa chọn phần tiêu chuẩn phù hợp nhất với hệ thống đường ống dự kiến.” Trong một số trường hợp, “nhiều phần tiêu chuẩn có thể áp dụng cho các phần khác nhau của hệ thống.”
Phiên bản năm 2012 của tiêu chuẩn ASME B31.1 sẽ được sử dụng làm tài liệu tham khảo chính cho các thảo luận tiếp theo. Mục đích của bài viết này là hướng dẫn kỹ sư thiết kế thực hiện một số bước chính trong việc thiết kế hệ thống đường ống áp lực tuân thủ tiêu chuẩn ASME B31. Việc tuân theo các hướng dẫn của ASME B31.1 cung cấp một cái nhìn tổng quan tốt về thiết kế hệ thống. Các phương pháp thiết kế tương tự được sử dụng nếu tuân theo tiêu chuẩn ASME B31.3 hoặc B31.9. Phần còn lại của tiêu chuẩn ASME B31 được sử dụng trong các ứng dụng hẹp hơn, chủ yếu cho các hệ thống hoặc ứng dụng cụ thể, và sẽ không được thảo luận thêm. Mặc dù các bước chính trong quy trình thiết kế sẽ được nêu bật ở đây, nhưng cuộc thảo luận này không đầy đủ và toàn bộ tiêu chuẩn luôn phải được tham khảo trong quá trình thiết kế hệ thống. Tất cả các tham chiếu đến văn bản đều đề cập đến ASME B31.1 trừ khi có ghi chú khác.
Sau khi chọn đúng mã, người thiết kế hệ thống cũng phải xem xét bất kỳ yêu cầu thiết kế cụ thể nào của hệ thống. Đoạn 122 (Phần 6) đưa ra các yêu cầu thiết kế liên quan đến các hệ thống thường thấy trong các ứng dụng đường ống điện, chẳng hạn như hơi nước, nước cấp, xả đáy và xả tràn, đường ống thiết bị đo lường và hệ thống giảm áp. ASME B31.3 chứa các đoạn tương tự như ASME B31.1, nhưng ít chi tiết hơn. Các cân nhắc trong đoạn 122 bao gồm các yêu cầu về áp suất và nhiệt độ cụ thể của hệ thống, cũng như các giới hạn về thẩm quyền khác nhau được phân định giữa chính nồi hơi, đường ống bên ngoài nồi hơi và đường ống bên ngoài không phải nồi hơi được kết nối với đường ống nồi hơi theo định nghĩa ASME Phần I. Hình 2 thể hiện những giới hạn này của nồi hơi kiểu trống.
Người thiết kế hệ thống phải xác định áp suất và nhiệt độ mà hệ thống sẽ hoạt động cũng như các điều kiện mà hệ thống cần được thiết kế để đáp ứng.
Theo khoản 101.2, áp suất thiết kế bên trong không được nhỏ hơn áp suất làm việc liên tục tối đa (MSOP) trong hệ thống đường ống, bao gồm cả ảnh hưởng của cột áp tĩnh. Đường ống chịu áp suất bên ngoài phải được thiết kế cho áp suất chênh lệch tối đa dự kiến ​​trong điều kiện vận hành, dừng hoạt động hoặc thử nghiệm. Ngoài ra, cần phải xem xét các tác động môi trường. Theo khoản 101.4, nếu việc làm mát chất lỏng có khả năng làm giảm áp suất trong đường ống xuống dưới áp suất khí quyển, đường ống phải được thiết kế để chịu được áp suất bên ngoài hoặc phải có biện pháp để phá vỡ chân không. Trong trường hợp sự giãn nở của chất lỏng có thể làm tăng áp suất, hệ thống đường ống phải được thiết kế để chịu được áp suất tăng lên hoặc phải có biện pháp để giảm áp suất dư thừa.
Bắt đầu từ Mục 101.3.2, nhiệt độ kim loại dùng trong thiết kế đường ống phải thể hiện điều kiện nhiệt độ tối đa dự kiến ​​có thể duy trì. Để đơn giản, người ta thường giả định rằng nhiệt độ kim loại bằng nhiệt độ chất lỏng. Nếu muốn, có thể sử dụng nhiệt độ kim loại trung bình miễn là biết nhiệt độ thành ngoài. Cần đặc biệt chú ý đến chất lỏng được hút qua bộ trao đổi nhiệt hoặc từ thiết bị đốt để đảm bảo tính đến các điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt nhất.
Thông thường, các nhà thiết kế sẽ thêm một biên độ an toàn vào áp suất và/hoặc nhiệt độ làm việc tối đa. Kích thước của biên độ này phụ thuộc vào ứng dụng. Điều quan trọng nữa là phải xem xét các hạn chế về vật liệu khi xác định nhiệt độ thiết kế. Việc chỉ định nhiệt độ thiết kế cao (lớn hơn 750°F) có thể yêu cầu sử dụng vật liệu hợp kim thay vì thép carbon tiêu chuẩn hơn. Các giá trị ứng suất trong Phụ lục Bắt buộc A chỉ được cung cấp cho nhiệt độ cho phép của từng vật liệu. Ví dụ, thép carbon chỉ có thể cung cấp các giá trị ứng suất lên đến 800°F. Việc tiếp xúc lâu dài của thép carbon với nhiệt độ trên 800°F có thể khiến ống bị cacbon hóa, làm cho nó giòn hơn và dễ bị hỏng. Nếu hoạt động trên 800°F, cần phải xem xét cả hiện tượng hư hỏng do biến dạng dẻo tăng tốc liên quan đến thép carbon. Xem đoạn 124 để thảo luận đầy đủ về giới hạn nhiệt độ của vật liệu.
Đôi khi các kỹ sư cũng có thể chỉ định áp suất thử nghiệm cho từng hệ thống. Đoạn 137 cung cấp hướng dẫn về thử nghiệm ứng suất. Thông thường, thử nghiệm thủy tĩnh sẽ được chỉ định ở mức 1,5 lần áp suất thiết kế; tuy nhiên, ứng suất vòng và ứng suất dọc trong đường ống không được vượt quá 90% cường độ chảy của vật liệu trong đoạn 102.3.3 (B) trong quá trình thử nghiệm áp suất. Đối với một số hệ thống đường ống bên ngoài không phải nồi hơi, thử nghiệm rò rỉ trong quá trình vận hành có thể là phương pháp thực tế hơn để kiểm tra rò rỉ do khó khăn trong việc cách ly các bộ phận của hệ thống, hoặc đơn giản vì cấu hình hệ thống cho phép thử nghiệm rò rỉ đơn giản trong quá trình vận hành ban đầu. Đồng ý, điều này là chấp nhận được.
Sau khi các điều kiện thiết kế được xác định, có thể tiến hành chỉ định đường ống. Điều đầu tiên cần quyết định là sử dụng vật liệu nào. Như đã đề cập trước đó, các vật liệu khác nhau có giới hạn nhiệt độ khác nhau. Đoạn 105 đưa ra các hạn chế bổ sung đối với các vật liệu đường ống khác nhau. Việc lựa chọn vật liệu cũng phụ thuộc vào chất lỏng trong hệ thống, chẳng hạn như sử dụng hợp kim niken trong các ứng dụng đường ống hóa chất ăn mòn, sử dụng thép không gỉ để cung cấp khí nén sạch cho thiết bị, hoặc sử dụng thép carbon có hàm lượng crom cao (lớn hơn 0,1%) để ngăn ngừa ăn mòn do dòng chảy tăng tốc. Ăn mòn do dòng chảy tăng tốc (FAC) là một hiện tượng xói mòn/ăn mòn đã được chứng minh là gây ra hiện tượng mỏng thành ống nghiêm trọng và hỏng ống trong một số hệ thống đường ống quan trọng nhất. Việc không xem xét đúng mức hiện tượng mỏng thành ống có thể và đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng, chẳng hạn như vào năm 2007 khi một đường ống giảm nhiệt tại nhà máy điện IATAN của KCP&L bị vỡ, khiến hai công nhân thiệt mạng và một người khác bị thương nặng.
Phương trình 7 và Phương trình 9 trong đoạn 104.1.1 lần lượt xác định độ dày thành tối thiểu cần thiết và áp suất thiết kế bên trong tối đa cho ống thẳng chịu áp suất bên trong. Các biến số trong các phương trình này bao gồm ứng suất cho phép tối đa (từ Phụ lục Bắt buộc A), đường kính ngoài của ống, hệ số vật liệu (như thể hiện trong Bảng 104.1.2 (A)) và bất kỳ dung sai độ dày bổ sung nào (như mô tả bên dưới). Với rất nhiều biến số liên quan, việc xác định vật liệu đường ống, đường kính danh nghĩa và độ dày thành phù hợp có thể là một quá trình lặp đi lặp lại, cũng có thể bao gồm vận tốc chất lỏng, tổn thất áp suất và chi phí đường ống và bơm. Bất kể ứng dụng nào, độ dày thành tối thiểu cần thiết phải được kiểm chứng.
Có thể thêm dung sai độ dày bổ sung để bù đắp cho nhiều lý do khác nhau, bao gồm cả FAC. Dung sai có thể được yêu cầu do việc loại bỏ ren, rãnh, v.v. vật liệu cần thiết để tạo ra các mối nối cơ khí. Theo đoạn 102.4.2, dung sai tối thiểu phải bằng chiều sâu ren cộng với dung sai gia công. Dung sai cũng có thể được yêu cầu để cung cấp thêm độ bền nhằm ngăn ngừa hư hỏng đường ống, sụp đổ, võng quá mức hoặc cong vênh do tải trọng chồng chất hoặc các nguyên nhân khác được thảo luận trong đoạn 102.4.4. Dung sai cũng có thể được thêm vào để tính đến các mối hàn (đoạn 102.4.3) và khuỷu (đoạn 102.4.5). Cuối cùng, dung sai có thể được thêm vào để bù đắp cho sự ăn mòn và/hoặc xói mòn. Độ dày của dung sai này tùy thuộc vào quyết định của nhà thiết kế và phải phù hợp với tuổi thọ dự kiến ​​của đường ống theo đoạn 102.4.1.
Phụ lục IV tùy chọn cung cấp hướng dẫn về kiểm soát ăn mòn. Lớp phủ bảo vệ, bảo vệ catốt và cách điện (như mặt bích cách điện) đều là các phương pháp ngăn ngừa ăn mòn bên ngoài của đường ống chôn ngầm hoặc ngập nước. Có thể sử dụng chất ức chế ăn mòn hoặc lớp lót để ngăn ngừa ăn mòn bên trong. Cần lưu ý sử dụng nước thử thủy tĩnh có độ tinh khiết thích hợp và, nếu cần, phải xả hết nước trong đường ống sau khi thử thủy tĩnh.
Độ dày thành ống tối thiểu hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật cần thiết cho các tính toán trước đây có thể không cố định trên toàn bộ đường kính ống và có thể yêu cầu các tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau cho các đường kính khác nhau. Các giá trị tiêu chuẩn kỹ thuật và độ dày thành ống thích hợp được xác định trong tiêu chuẩn ASME B36.10 Ống thép rèn hàn và liền mạch.
Khi lựa chọn vật liệu ống và thực hiện các phép tính đã thảo luận trước đó, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng các giá trị ứng suất cho phép tối đa được sử dụng trong các phép tính phù hợp với vật liệu đã được chỉ định. Ví dụ, nếu ống thép không gỉ A312 304L được chỉ định không chính xác thay vì ống thép không gỉ A312 304, độ dày thành ống có thể không đủ do sự khác biệt đáng kể về giá trị ứng suất cho phép tối đa giữa hai vật liệu. Tương tự, phương pháp sản xuất ống cũng phải được chỉ định phù hợp. Ví dụ, nếu giá trị ứng suất cho phép tối đa của ống liền mạch được sử dụng cho phép tính, thì phải chỉ định ống liền mạch. Nếu không, nhà sản xuất/lắp đặt có thể cung cấp ống hàn nối, điều này có thể dẫn đến độ dày thành ống không đủ do giá trị ứng suất cho phép tối đa thấp hơn.
Ví dụ, giả sử nhiệt độ thiết kế của đường ống là 300°F và áp suất thiết kế là 1.200 psig. Sẽ sử dụng dây thép carbon (thép liền mạch A53 cấp B) với đường kính 2″ và 3″. Xác định sơ đồ đường ống phù hợp để đáp ứng các yêu cầu của phương trình 9 trong tiêu chuẩn ASME B31.1. Trước tiên, các điều kiện thiết kế được giải thích như sau:
Tiếp theo, xác định các giá trị ứng suất cho phép tối đa đối với thép A53 cấp B ở các nhiệt độ thiết kế nêu trên từ Bảng A-1. Lưu ý rằng giá trị được sử dụng là giá trị dành cho ống liền mạch vì ống liền mạch được quy định như sau:
Cần phải cộng thêm dung sai độ dày. Đối với ứng dụng này, dung sai 1/16 inch được giả định là dung sai ăn mòn. Dung sai phay riêng sẽ được thêm vào sau.
3 inch. Ống sẽ được chỉ định trước. Giả sử sử dụng ống Schedule 40 và dung sai phay 12,5%, hãy tính áp suất tối đa:
Ống Schedule 40 đạt yêu cầu với đường kính 3 inch trong điều kiện thiết kế đã nêu ở trên. Tiếp theo, kiểm tra đường kính 2 inch. Đường ống sử dụng cùng các giả định sau:
2 inch. Theo các điều kiện thiết kế đã nêu ở trên, đường ống sẽ cần có độ dày thành ống lớn hơn so với tiêu chuẩn Schedule 40. Hãy thử 2 inch. Ống Schedule 80:
Mặc dù độ dày thành ống thường là yếu tố giới hạn trong thiết kế áp suất, nhưng việc kiểm tra xem các phụ kiện, linh kiện và mối nối được sử dụng có phù hợp với các điều kiện thiết kế đã quy định hay không vẫn rất quan trọng.
Theo nguyên tắc chung, phù hợp với các đoạn 104.2, 104.7.1, 106 và 107, tất cả các van, phụ kiện và các bộ phận chịu áp suất khác được sản xuất theo các tiêu chuẩn được liệt kê trong Bảng 126.1 đều được coi là phù hợp để sử dụng trong điều kiện hoạt động bình thường hoặc dưới mức áp suất-nhiệt độ định mức của các tiêu chuẩn đó. Người sử dụng cần lưu ý rằng nếu một số tiêu chuẩn hoặc nhà sản xuất có thể áp đặt các giới hạn nghiêm ngặt hơn đối với các sai lệch so với hoạt động bình thường so với các giới hạn được quy định trong ASME B31.1, thì các giới hạn nghiêm ngặt hơn đó sẽ được áp dụng.
Tại các điểm giao nhau của đường ống, các khớp nối chữ T, khớp nối ngang, khớp nối chữ thập, các mối nối hàn nhánh, v.v., nên sử dụng các loại ống được sản xuất theo tiêu chuẩn được liệt kê trong Bảng 126.1. Trong một số trường hợp, các điểm giao nhau của đường ống có thể yêu cầu các mối nối nhánh đặc biệt. Đoạn 104.3.1 đưa ra các yêu cầu bổ sung cho các mối nối nhánh để đảm bảo có đủ vật liệu đường ống chịu được áp suất.
Để đơn giản hóa thiết kế, nhà thiết kế có thể chọn đặt các điều kiện thiết kế cao hơn để đáp ứng định mức mặt bích của một cấp áp suất nhất định (ví dụ: cấp ASME 150, 300, v.v.) được xác định bởi cấp áp suất-nhiệt độ cho các vật liệu cụ thể được quy định trong tiêu chuẩn ASME B16.5 Mặt bích ống và khớp nối mặt bích, hoặc các tiêu chuẩn tương tự được liệt kê trong Bảng 126.1. Điều này được chấp nhận miễn là nó không dẫn đến sự gia tăng không cần thiết về độ dày thành hoặc các thiết kế thành phần khác.
Một phần quan trọng trong thiết kế đường ống là đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc của hệ thống đường ống được duy trì khi chịu tác động của áp suất, nhiệt độ và các lực bên ngoài. Tính toàn vẹn cấu trúc của hệ thống thường bị bỏ qua trong quá trình thiết kế và nếu không được thực hiện tốt, có thể là một trong những phần tốn kém nhất của thiết kế. Tính toàn vẹn cấu trúc được thảo luận chủ yếu ở hai phần, Đoạn 104.8: Phân tích thành phần đường ống và Đoạn 119: Sự giãn nở và tính linh hoạt.
Mục 104.8 liệt kê các công thức mã cơ bản được sử dụng để xác định xem hệ thống đường ống có vượt quá ứng suất cho phép theo mã hay không. Các phương trình mã này thường được gọi là tải trọng liên tục, tải trọng gián đoạn và tải trọng dịch chuyển. Tải trọng liên tục là tác động của áp suất và trọng lượng lên hệ thống đường ống. Tải trọng gián đoạn là tải trọng liên tục cộng với tải trọng gió, tải trọng địa chấn, tải trọng địa hình và các tải trọng ngắn hạn khác. Giả định rằng mỗi tải trọng gián đoạn được áp dụng sẽ không tác động lên các tải trọng gián đoạn khác cùng một lúc, do đó mỗi tải trọng gián đoạn sẽ là một trường hợp tải trọng riêng biệt tại thời điểm phân tích. Tải trọng dịch chuyển là tác động của sự giãn nở nhiệt, sự dịch chuyển của thiết bị trong quá trình vận hành hoặc bất kỳ tải trọng dịch chuyển nào khác.
Đoạn 119 thảo luận về cách xử lý sự giãn nở và độ linh hoạt của đường ống trong hệ thống đường ống và cách xác định tải trọng phản lực. Độ linh hoạt của hệ thống đường ống thường quan trọng nhất tại các điểm nối thiết bị, vì hầu hết các điểm nối thiết bị chỉ có thể chịu được lực và mômen tối thiểu tác dụng tại điểm nối. Trong hầu hết các trường hợp, sự giãn nở nhiệt của hệ thống đường ống có ảnh hưởng lớn nhất đến tải trọng phản lực, vì vậy điều quan trọng là phải kiểm soát sự giãn nở nhiệt trong hệ thống một cách phù hợp.
Để phù hợp với tính linh hoạt của hệ thống đường ống và đảm bảo hệ thống được hỗ trợ đúng cách, việc hỗ trợ các ống thép theo Bảng 121.5 là một thực hành tốt. Nếu người thiết kế cố gắng đáp ứng khoảng cách hỗ trợ tiêu chuẩn trong bảng này, điều đó sẽ đạt được ba mục tiêu: giảm thiểu độ võng do trọng lượng bản thân, giảm tải trọng duy trì và tăng ứng suất khả dụng cho tải trọng dịch chuyển. Nếu người thiết kế đặt giá đỡ theo Bảng 121.5, thông thường sẽ dẫn đến độ võng hoặc dịch chuyển do trọng lượng bản thân nhỏ hơn 1/8 inch giữa các giá đỡ ống. Giảm thiểu độ võng do trọng lượng bản thân giúp giảm nguy cơ ngưng tụ trong các đường ống dẫn hơi nước hoặc khí. Tuân theo các khuyến nghị về khoảng cách trong Bảng 121.5 cũng cho phép người thiết kế giảm ứng suất duy trì trong đường ống xuống khoảng 50% giá trị cho phép liên tục của tiêu chuẩn. Theo Phương trình 1B, ứng suất cho phép đối với tải trọng dịch chuyển tỷ lệ nghịch với tải trọng duy trì. Do đó, bằng cách giảm thiểu tải trọng duy trì, dung sai ứng suất dịch chuyển có thể được tối đa hóa. Khoảng cách khuyến nghị cho các giá đỡ ống được thể hiện trong Hình. 3.
Để đảm bảo tải trọng phản lực của hệ thống đường ống được xem xét đúng mức và đáp ứng các yêu cầu về ứng suất theo quy định, một phương pháp phổ biến là thực hiện phân tích ứng suất đường ống bằng máy tính. Có một số phần mềm phân tích ứng suất đường ống khác nhau hiện có, chẳng hạn như Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex, hoặc một trong các phần mềm thương mại khác. Ưu điểm của việc sử dụng phân tích ứng suất đường ống bằng máy tính là cho phép người thiết kế tạo ra mô hình phần tử hữu hạn của hệ thống đường ống để dễ dàng kiểm chứng và thực hiện các thay đổi cần thiết đối với cấu hình. Hình 4 minh họa một ví dụ về mô hình hóa và phân tích một đoạn đường ống.
Khi thiết kế một hệ thống mới, các nhà thiết kế hệ thống thường quy định rằng tất cả đường ống và các bộ phận phải được chế tạo, hàn, lắp ráp, v.v. theo yêu cầu của bất kỳ quy chuẩn nào được sử dụng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp nâng cấp hoặc các ứng dụng khác, việc một kỹ sư được chỉ định hướng dẫn về một số kỹ thuật sản xuất nhất định có thể mang lại lợi ích, như được mô tả trong Chương V.
Một vấn đề thường gặp trong các ứng dụng cải tạo là gia nhiệt trước khi hàn (đoạn 131) và xử lý nhiệt sau khi hàn (đoạn 132). Bên cạnh những lợi ích khác, các phương pháp xử lý nhiệt này được sử dụng để giảm ứng suất, ngăn ngừa nứt và tăng cường độ bền mối hàn. Các yếu tố ảnh hưởng đến yêu cầu xử lý nhiệt trước và sau khi hàn bao gồm, nhưng không giới hạn ở: nhóm số P, thành phần hóa học của vật liệu và độ dày của vật liệu tại mối nối cần hàn. Mỗi vật liệu được liệt kê trong Phụ lục Bắt buộc A đều có một số P được chỉ định. Đối với gia nhiệt trước, đoạn 131 quy định nhiệt độ tối thiểu mà kim loại cơ bản phải được nung nóng trước khi hàn. Đối với xử lý nhiệt sau hàn (PWHT), Bảng 132 quy định phạm vi nhiệt độ giữ và thời gian giữ nhiệt vùng hàn. Tốc độ gia nhiệt và làm nguội, phương pháp đo nhiệt độ, kỹ thuật gia nhiệt và các quy trình khác phải tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn được quy định trong tiêu chuẩn. Các tác động bất lợi không mong muốn lên vùng hàn có thể xảy ra do không xử lý nhiệt đúng cách.
Một vấn đề tiềm ẩn khác cần quan tâm trong hệ thống đường ống chịu áp lực là các đoạn uốn cong của ống. Việc uốn cong ống có thể gây ra hiện tượng mỏng thành ống, dẫn đến độ dày thành ống không đủ. Theo đoạn 102.4.5, quy định cho phép uốn cong miễn là độ dày thành ống tối thiểu đáp ứng cùng công thức được sử dụng để tính toán độ dày thành ống tối thiểu cho ống thẳng. Thông thường, một lượng dư được thêm vào để tính đến độ dày thành ống. Bảng 102.4.5 cung cấp các lượng dư giảm độ dày uốn cong được khuyến nghị cho các bán kính uốn cong khác nhau. Các đoạn uốn cong cũng có thể yêu cầu xử lý nhiệt trước và/hoặc sau khi uốn cong. Đoạn 129 cung cấp hướng dẫn về việc sản xuất các cút nối.
Đối với nhiều hệ thống đường ống chịu áp lực, việc lắp đặt van an toàn hoặc van xả áp là cần thiết để ngăn ngừa hiện tượng quá áp trong hệ thống. Đối với các ứng dụng này, Phụ lục II tùy chọn: Quy tắc thiết kế lắp đặt van an toàn là một nguồn tài liệu rất có giá trị nhưng đôi khi lại ít được biết đến.
Theo khoản II-1.2, van an toàn có đặc điểm là mở hoàn toàn khi dùng cho khí hoặc hơi nước, trong khi van an toàn mở tương đối so với áp suất tĩnh phía thượng nguồn và chủ yếu được sử dụng cho chất lỏng.
Các cụm van an toàn được phân loại dựa trên việc chúng là hệ thống xả hở hay kín. Trong hệ thống xả hở, khuỷu nối tại cửa ra của van an toàn thường sẽ xả vào ống xả ra khí quyển. Thông thường, điều này sẽ dẫn đến áp suất ngược thấp hơn. Nếu áp suất ngược đủ lớn được tạo ra trong ống xả, một phần khí thải có thể bị đẩy ra hoặc thổi ngược từ đầu vào của ống xả. Kích thước của ống xả phải đủ lớn để ngăn chặn hiện tượng thổi ngược. Trong các ứng dụng thông hơi kín, áp suất tăng lên tại cửa ra của van an toàn do sự nén khí trong đường ống thông hơi, có khả năng gây ra sự lan truyền sóng áp suất. Trong đoạn II-2.2.2, khuyến nghị rằng áp suất thiết kế của đường xả kín phải lớn hơn ít nhất hai lần so với áp suất làm việc ổn định. Hình 5 và 6 lần lượt thể hiện việc lắp đặt van an toàn ở trạng thái mở và đóng.
Các hệ thống van an toàn có thể chịu tác động của nhiều lực khác nhau như đã tóm tắt trong đoạn II-2. Các lực này bao gồm ảnh hưởng của sự giãn nở nhiệt, sự tương tác của nhiều van xả áp đồng thời, ảnh hưởng của địa chấn và/hoặc rung động, và ảnh hưởng của áp suất trong các sự kiện xả áp. Mặc dù áp suất thiết kế đến cửa ra của van an toàn phải phù hợp với áp suất thiết kế của đường ống dẫn xuống, nhưng áp suất thiết kế trong hệ thống xả phụ thuộc vào cấu hình của hệ thống xả và đặc tính của van an toàn. Các phương trình được cung cấp trong đoạn II-2.2 để xác định áp suất và vận tốc tại khuỷu xả, cửa vào ống xả và cửa ra ống xả cho hệ thống xả hở và kín. Sử dụng thông tin này, các lực phản lực tại các điểm khác nhau trong hệ thống xả có thể được tính toán và xem xét.
Một ví dụ về bài toán ứng dụng xả hở được trình bày trong đoạn II-7. Có những phương pháp khác để tính toán đặc tính dòng chảy trong hệ thống xả van an toàn, và người đọc cần lưu ý kiểm tra xem phương pháp được sử dụng có đủ tính thận trọng hay không. Một phương pháp như vậy được mô tả bởi GS Liao trong bài báo “Phân tích nhóm xả van an toàn và an toàn nhà máy điện” do ASME xuất bản trên Tạp chí Kỹ thuật Điện, tháng 10 năm 1975.
Vị trí của van an toàn phải duy trì khoảng cách tối thiểu giữa đoạn ống thẳng và bất kỳ đoạn cong nào. Khoảng cách tối thiểu này phụ thuộc vào mục đích sử dụng và hình dạng hình học của hệ thống như được định nghĩa trong đoạn II-5.2.1. Đối với các hệ thống lắp đặt có nhiều van an toàn, khoảng cách khuyến nghị cho các kết nối nhánh van phụ thuộc vào bán kính của đường ống nhánh và đường ống dịch vụ, như được hiển thị trong Chú thích (10)(c) của Bảng D-1. Theo đoạn II-5.7.1, có thể cần phải kết nối các giá đỡ đường ống nằm ở đầu ra của van an toàn với đường ống vận hành thay vì kết nối với cấu trúc liền kề để giảm thiểu ảnh hưởng của sự giãn nở nhiệt và tương tác địa chấn. Tóm tắt các cân nhắc thiết kế này và các cân nhắc thiết kế khác trong thiết kế cụm van an toàn có thể được tìm thấy trong đoạn II-5.
Rõ ràng, không thể bao quát hết tất cả các yêu cầu thiết kế của tiêu chuẩn ASME B31 trong phạm vi bài viết này. Tuy nhiên, bất kỳ kỹ sư nào tham gia thiết kế hệ thống đường ống chịu áp lực đều nên ít nhất nắm vững tiêu chuẩn thiết kế này. Hy vọng rằng, với những thông tin trên, người đọc sẽ thấy ASME B31 là một nguồn tài liệu hữu ích và dễ tiếp cận hơn.
Monte K. Engelkemier là trưởng dự án tại Stanley Consultants. Ông là thành viên của Hiệp hội Kỹ sư Iowa, NSPE và ASME, đồng thời là thành viên của Ủy ban và Tiểu ban Mã Đường ống Điện B31.1. Ông có hơn 12 năm kinh nghiệm thực tế trong bố trí, thiết kế hệ thống đường ống, đánh giá hệ giằng và phân tích ứng suất. Matt Wilkey là Kỹ sư Cơ khí tại Stanley Consultants. Ông có hơn 6 năm kinh nghiệm chuyên môn trong thiết kế hệ thống đường ống cho nhiều khách hàng thuộc lĩnh vực tiện ích, đô thị, tổ chức và công nghiệp, và là thành viên của ASME và Hiệp hội Kỹ sư Iowa.
Bạn có kinh nghiệm và chuyên môn về các chủ đề được đề cập trong nội dung này không? Bạn nên cân nhắc đóng góp vào đội ngũ biên tập của CFE Media và nhận được sự công nhận mà bạn và công ty của bạn xứng đáng. Nhấp vào đây để bắt đầu.