Khi thiết kế hệ thống đường ống chịu áp lực, kỹ sư chỉ định thường sẽ chỉ định rằng hệ thống đường ống phải tuân thủ một hoặc nhiều phần của Quy định về đường ống chịu áp lực ASME B31. Các kỹ sư tuân thủ đúng các yêu cầu của quy định như thế nào khi thiết kế hệ thống đường ống?
Đầu tiên, kỹ sư phải xác định nên chọn thông số kỹ thuật thiết kế nào. Đối với hệ thống đường ống chịu áp lực, điều này không nhất thiết phải giới hạn ở ASME B31. Các quy chuẩn khác do ASME, ANSI, NFPA hoặc các tổ chức quản lý khác ban hành có thể được điều chỉnh theo vị trí dự án, ứng dụng, v.v. Trong ASME B31, hiện có bảy phần riêng biệt 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 cơ sở, hệ thống sưởi ấm địa nhiệt và hệ thống sưởi ấm và làm mát trung tâm và khu vực. Bao gồm đường ống bên ngoài nồi hơi và bên ngoài không phải nồi hơi được sử dụng để lắp đặt nồi hơi ASME Mục I. Phần này không áp dụng cho các thiết bị thuộc Bộ luật nồi hơi và bình chịu áp suất ASME, một số đường ống phân phối sưởi ấm 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 bắt nguồn từ những năm 1920, với phiên bản chính thức đầu tiên được xuất bản vào năm 1935. Lưu ý rằng phiên bản đầu tiên, bao gồm cả phần phụ lục, dài chưa đến 30 trang và phiên bản hiện tại dài hơn 300 trang.
Tiêu chuẩn ASME B31.3 về đường ống quy trình: Phần này đề cập đến đường ống trong các nhà máy lọc dầu; nhà máy hóa chất, dược phẩm, dệt may, giấy, bán dẫn và đông lạnh; và các nhà máy chế biến và thiết bị đầu cuối liên quan. Phần này rất giống với tiêu chuẩn ASME B31.1, đặc biệt là khi tính toán độ dày thành tối thiểu cho đường ống thẳng. Phần này ban đầu là một phần của tiêu chuẩn B31.1 và được phát hành riêng vào năm 1959.
ASME B31.4 Hệ thống vận chuyển đường ống cho chất lỏng và bùn: Phần này đề cập đến đường ống vận chuyển chủ yếu các sản phẩm dạng lỏng giữa các nhà máy và bến cảng, và bên trong các bến cảng, trạm bơm, xử lý và đo lường. Phần này ban đầu là một phần của B31.1 và được phát hành riêng vào năm 1959.
Tiêu chuẩn ASME B31.5 về đường ống làm lạnh và các bộ phận truyền nhiệt: Phần này đề cập đến 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 vào năm 1962.
ASME B31.8 Hệ thống đường ống truyền tải và phân phối khí: Bao gồm đường ống vận chuyển chủ yếu các sản phẩm khí giữa các nguồn và thiết bị đầu cuối, bao gồm máy nén, trạm điều hòa và đo lường; và đường ống thu gom khí. Phần này ban đầu là một phần của B31.1 và được phát hành riêng vào năm 1955.
Tiêu chuẩn ASME B31.9 về đường ống dịch vụ tòa nhà: Phần này đề cập đến đường ống thường thấy trong các tòa nhà công nghiệp, cơ quan, thương mại và công cộng; và các khu nhà ở nhiều đơn vị không yêu cầu phạm vi kích thước, áp suất và nhiệt độ được đề cập trong ASME B31.1. Phần này tương tự như ASME B31.1 và B31.3, nhưng ít bảo thủ hơn (đặc biệt là khi tính toán độ dày thành tối thiểu) và ít chi tiết hơn. Phần này chỉ giới hạn ở các ứng dụng áp suất thấp, nhiệt độ thấp như được chỉ ra trong ASME B31.9 đoạn 900.1.2. Phần này được xuất bản lần đầu tiên vào năm 1982.
ASME B31.12 Đường ống và hệ thống ống dẫn hydro: Phần này đề cập đến đường ống trong dịch vụ hydro khí và lỏng, và đường ống trong dịch vụ hydro khí. Phần này được xuất bản lần đầu tiên vào năm 2008.
Cuối cùng, quyết định sử dụng mã thiết kế nào là tùy thuộc vào chủ sở hữu. Phần giới thiệu về ASME B31 nêu rõ: “Chủ sở hữu có trách nhiệm lựa chọn phần mã gần đúng nhất với hệ thống đường ống được đề xuất lắp đặt”. Trong một số trường hợp, “nhiều phần mã có thể áp dụng cho các phần khác nhau của hệ thống lắp đặt”.
Phiên bản ASME B31.1 năm 2012 sẽ đóng vai trò là tài liệu tham khảo chính cho các cuộc thảo luận tiếp theo. Mục đích của bài viết này là hướng dẫn kỹ sư chỉ định thực hiện một số bước chính trong quá trình thiết kế hệ thống đường ống chịu áp suất tuân thủ ASME B31. Việc tuân theo các hướng dẫn của ASME B31.1 cung cấp một đại diện tốt cho thiết kế hệ thống chung. Các phương pháp thiết kế tương tự được sử dụng nếu tuân theo ASME B31.3 hoặc B31.9. Phần còn lại của 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 mã phải luôn được tham chiếu trong quá trình thiết kế hệ thống. Tất cả các tài liệu tham khảo văn bản đều tham chiếu đến ASME B31.1 trừ khi có quy định khác.
Sau khi chọn đúng mã, nhà thiết kế hệ thống cũng phải xem xét mọi yêu cầu thiết kế cụ thể 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 đáy, đường ống 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 quyền tài phán 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 ASME Phần I. định nghĩa. Hình 2 cho thấy những hạn chế này của nồi hơi tang 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 phải được thiết kế để đáp ứng.
Theo đoạn 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 tác động của cột áp tĩnh. Đường ống chịu áp suất bên ngoài phải được thiết kế để có chênh lệch áp suất tối đa dự kiến ​​trong điều kiện vận hành, ngừng hoạt động hoặc thử nghiệm. Ngoài ra, cần xem xét các tác động đến môi trường. Theo đoạn 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 thực hiện các 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 hoặc phải thực hiện các biện pháp để giảm áp suất dư thừa.
Bắt đầu từ Mục 101.3.2, nhiệt độ kim loại để thiết kế đường ống phải đại diện cho các điều kiện duy trì tối đa dự kiến. Để đơn giản, người ta thường cho 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 được nhiệt độ thành ngoài. Cũng cần đặc biệt chú ý đến chất lỏng được lấy qua bộ trao đổi nhiệt hoặc từ thiết bị đốt để đảm bảo tính đến các điều kiện nhiệt độ xấu nhất.
Thông thường, các nhà thiết kế thêm một biên độ an toàn vào áp suất làm việc tối đa và/hoặc nhiệt độ. Kích thước của biên độ phụ thuộc vào ứng dụng. Điều quan trọng là phải xem xét các ràng buộc 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 cacbon 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 cacbon chỉ có thể cung cấp các giá trị ứng suất lên đến 800 F. Tiếp xúc lâu dài của thép cacbon với nhiệt độ trên 800 F có thể khiến đường ống bị cacbon hóa, khiến nó giòn hơn và dễ bị hỏng hơn. Nếu vận hành trên 800 F, cũng cần xem xét đến hư hỏng do biến dạng tăng tốc liên quan đến thép cacbon. Xem đoạn 124 để biết 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% giới hạn 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 khi đang hoạt động có thể là phương pháp thực tế hơn để kiểm tra rò rỉ do khó khăn trong việc cô lập các bộ phận của hệ thống hoặc đơn giản là vì cấu hình hệ thống cho phép thử nghiệm rò rỉ đơn giản trong quá trình bảo dưỡng ban đầu. Đồng ý, điều này là chấp nhận được.
Sau khi các điều kiện thiết kế được thiết lập, có thể 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 của 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 sạch cho dụng cụ hoặc sử dụng thép cacbon có hàm lượng crom cao (lớn hơn 0,1%) để ngăn ngừa ăn mòn do dòng chảy. Ăn mòn do dòng chảy (FAC) là hiện tượng xói mòn/ăn mòn đã được chứng minh là gây ra tình trạng thành ống mỏng nghiêm trọng và hỏng đường ống ở một số hệ thống đường ống quan trọng nhất. Việc không cân nhắc đúng mức đến tình trạng mỏng các bộ phận của hệ thống ống nước có thể và đã gây ra hậu quả nghiêm trọng, chẳng hạn như vào năm 2007 khi một đường ống khử quá nhiệt tại nhà máy điện IATAN của KCP&L bị vỡ, khiến hai công nhân tử vong và một công nhân thứ ba bị thương nặng.
Phương trình 7 và Phương trình 9 trong đoạn 104.1.1 lần lượt xác định độ dày thành tối thiểu bắt buộc và áp suất thiết kế bên trong tối đa cho đường ống thẳng chịu áp suất bên trong. Các biến trong các phương trình này bao gồm ứng suất cho phép tối đa (từ Phụ lục bắt buộc A), đường kính ngoài của đường ống, hệ số vật liệu (như thể hiện trong Bảng 104.1.2 (A)) và bất kỳ khoản phụ cấp độ dày bổ sung nào (như mô tả bên dưới). Với rất nhiều biến liên quan, việc chỉ định vật liệu đường ống thích hợp, đường kính danh nghĩa và độ dày thành có thể là một quá trình lặp đi lặp lại cũng có thể bao gồm vận tốc chất lỏng, độ giảm áp suất và chi phí đường ống và bơm. Bất kể ứng dụng nào, độ dày thành tối thiểu bắt buộc phải được xác minh.
Có thể thêm phụ cấp độ dày bổ sung để bù đắp cho nhiều lý do khác nhau bao gồm FAC. Có thể yêu cầu thêm phụ cấp do loại bỏ ren, khe, v.v. vật liệu cần thiết để tạo mối nối cơ học. Theo đoạn 102.4.2, phụ cấp tối thiểu phải bằng độ sâu ren cộng với dung sai gia công. Cũng có thể yêu cầu thêm phụ cấp 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 lên hoặc các nguyên nhân khác được thảo luận trong đoạn 102.4.4. Cũng có thể thêm phụ cấp để tính đến mối hàn (đoạn 102.4.3) và khuỷu tay (đoạn 102.4.5). Cuối cùng, có thể thêm dung sai để bù đắp cho sự ăn mòn và/hoặc xói mòn. Độ dày của phụ cấp 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 những phương pháp ngăn ngừa ăn mòn bên ngoài của đường ống chôn ngầm hoặc ngập nước. Chất ức chế ăn mòn hoặc lớp lót có thể được sử dụng để ngăn ngừa ăn mòn bên trong. Cũng cần cẩn thận khi sử dụng nước thử thủy tĩnh có độ tinh khiết phù hợp và nếu cần, xả hoàn toàn đường ống sau khi thử thủy tĩnh.
Độ dày thành ống tối thiểu hoặc lịch trình yêu cầu cho các tính toán trước đó có thể không phải là hằng số trên toàn bộ đường kính ống và có thể yêu cầu thông số kỹ thuật cho các lịch trình khác nhau cho các đường kính khác nhau. Giá trị lịch trình và độ dày thành phù hợp được xác định trong Ống thép rèn hàn và liền mạch ASME B36.10.
Khi chỉ định vật liệu ống và thực hiện các tính toán 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 khớp với vật liệu đã 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 được cung cấp 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 như vậy, phương pháp sản xuất ống phải được chỉ định một cách thích hợp. Ví dụ, nếu giá trị ứng suất cho phép tối đa đối với ống liền mạch được sử dụng để tính toán, thì ống liền mạch phải được chỉ định. Nếu không, nhà sản xuất/lắp đặt có thể cung cấp ống hàn mối 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. 2″ và 3″. Dây thép cacbon (A53 Cấp B liền mạch) sẽ được sử dụng. Xác định sơ đồ đường ống thích hợp để chỉ định nhằm đáp ứng các yêu cầu của ASME B31.1 Phương trình 9. Đầu tiên, các điều kiện thiết kế được giải thích:
Tiếp theo, xác định giá trị ứng suất cho phép tối đa đối với A53 Cấp B ở nhiệt độ thiết kế trên từ Bảng A-1. Lưu ý rằng giá trị cho ống liền mạch được sử dụng vì ống liền mạch được chỉ định:
Cũng phải thêm dung sai độ dày. Đối với ứng dụng này, dung sai ăn mòn là 1/16 inch. Dung sai phay riêng sẽ được thêm vào sau.
3 inch. Ống sẽ được chỉ định trước. Giả sử ống theo tiêu chuẩn Schedule 40 và dung sai phay là 12,5%, hãy tính áp suất tối đa:
Tiêu chuẩn ống 40 phù hợp với ống 3 inch trong các điều kiện thiết kế nêu trên. Tiếp theo, kiểm tra ống 2 inch. Đường ống sử dụng các giả định tương tự:
2 inch. Theo các điều kiện thiết kế nêu trên, đường ống sẽ yêu cầu độ dày thành ống dày hơn Tiêu chuẩn 40. Hãy thử 2 inch. Đường ống Tiêu chuẩn 80:
Mặc dù độ dày thành ống thường là yếu tố hạn chế trong thiết kế áp suất, nhưng vẫn cần phải xác minh xem các phụ kiện, thành phần và kết nối được sử dụng có phù hợp với các điều kiện thiết kế đã chỉ định hay không.
Theo quy định chung, theo các đoạn 104.2, 104.7.1, 106 và 107, tất cả các van, phụ kiện và các thành phần chịu áp suất khác được sản xuất theo các tiêu chuẩn được liệt kê trong Bảng 126.1 sẽ được coi là phù hợp để sử dụng trong điều kiện vận hành bình thường hoặc dưới các tiêu chuẩn về định mức áp suất-nhiệt độ được chỉ định trong. Người dùng nên biết rằng nếu một số tiêu chuẩn hoặc nhà sản xuất có thể áp đặt các giới hạn chặt chẽ hơn đối với các độ lệch so với hoạt động bình thường so với các giới hạn được chỉ định trong ASME B31.1, thì các giới hạn chặt chẽ hơn sẽ được áp dụng.
Tại các giao điểm của đường ống, ống chữ T, ống ngang, ống chữ thập, mối hàn nhánh, v.v. được sản xuất theo các tiêu chuẩn được liệt kê trong Bảng 126.1 được khuyến nghị. Trong một số trường hợp, các giao điểm của đường ống có thể yêu cầu các kết nối nhánh riêng biệt. Mục 104.3.1 đưa ra các yêu cầu bổ sung đối với các kết nối nhánh để đảm bảo có đủ vật liệu đường ống để 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 loại áp suất nhất định (ví dụ: loại ASME 150, 300, v.v.) theo định nghĩa của loại áp suất-nhiệt độ đối với các vật liệu cụ thể được chỉ định trong ASME B16 .5 Mặt bích ống và mối 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 việc tăng độ dày thành ống hoặc các thiết kế thành phần khác một cách không cần thiết.
Một phần quan trọng của thiết kế đường ống là đảm bảo tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của hệ thống đường ống được duy trì sau khi chịu tác động của áp suất, nhiệt độ và lực bên ngoài. Tính toàn vẹn về mặt 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 về mặt cấu trúc chủ yếu được thảo luận ở hai nơi, Mục 104.8: Phân tích thành phần đường ống và Mục 119: Mở rộng và 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 liên tục, tải thỉnh thoảng và tải dịch chuyển. Tải duy trì là tác động của áp suất và trọng lượng lên hệ thống đường ống. Tải ngẫu nhiên là tải liên tục cộng với tải gió, tải động đất, tải địa hình và các tải ngắn hạn khác có thể có. Giả định rằng mỗi tải ngẫu nhiên được áp dụng sẽ không tác động lên các tải ngẫu nhiên khác cùng một lúc, vì vậy mỗi tải ngẫu nhiên sẽ là một trường hợp tải riêng biệt tại thời điểm phân tích. Tải dịch chuyển là tác động của sự phát triển nhiệt, dịch chuyển thiết bị trong quá trình vận hành hoặc bất kỳ tải 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 phản ứng. Độ linh hoạt của hệ thống đường ống thường quan trọng nhất ở các kết nối thiết bị, vì hầu hết các kết nối thiết bị chỉ có thể chịu được lực và mômen tối thiểu tác dụng tại điểm kết nối. Trong hầu hết các trường hợp, sự tăng trưởng nhiệt của hệ thống đường ống có tác động lớn nhất đến tải phản ứng, do đó, điều quan trọng là phải kiểm soát sự tăng trưởng nhiệt trong hệ thống cho phù hợp.
Để thích ứng với tính linh hoạt của hệ thống đường ống và đảm bảo hệ thống được hỗ trợ đúng cách, nên hỗ trợ các ống thép theo Bảng 121.5. Nếu nhà thiết kế cố gắng đáp ứng khoảng cách hỗ trợ tiêu chuẩn cho bảng này, họ sẽ hoàn thành ba điều: giảm thiểu độ lệch trọng lượng bản thân, giảm tải trọng liên tục và tăng ứng suất khả dụng cho tải trọng dịch chuyển. Nếu nhà thiết kế đặt giá đỡ theo Bảng 121.5, thông thường sẽ dẫn đến độ dịch chuyển hoặc độ võng trọng lượng bản thân nhỏ hơn 1/8 inch giữa các giá đỡ ống. Giảm thiểu độ lệch trọng lượng bản thân giúp giảm khả năng ngưng tụ trong các đường ống dẫn hơi nước hoặc khí. Thực hiện theo các khuyến nghị về khoảng cách trong Bảng 121.5 cũng cho phép nhà thiết kế giảm ứng suất liên tục trong đường ống xuống khoảng 50% giá trị cho phép liên tục của quy định. Theo Phương trình 1B, ứng suất cho phép đối với tải trọng dịch chuyển có mối quan hệ nghịch đảo với tải trọng liên tục. Do đó, bằng cách giảm thiểu tải trọng liên tục, có thể tối đa hóa dung sai ứng suất dịch chuyển. Khoảng cách khuyến nghị cho các giá đỡ ống được hiển thị trong Hình 3.
Để giúp đảm bảo rằng tải phản ứng của hệ thống đường ống được xem xét đúng cách và đáp ứng được ứng suất theo quy định, một phương pháp phổ biến là thực hiện phân tích ứng suất đường ống có sự hỗ trợ của máy tính đối với hệ thống. Có một số gói phần mềm phân tích ứng suất đường ống khác nhau, chẳng hạn như Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex hoặc một trong các gói thương mại khác có sẵn. Ưu điểm của việc sử dụng phân tích ứng suất đường ống có sự hỗ trợ của máy tính là nó cho phép nhà thiết kế tạo ra mô hình phần tử hữu hạn của hệ thống đường ống để dễ dàng xác minh và có khả năng thực hiện các thay đổi cần thiết đối với cấu hình. Hình 4 cho thấy một ví dụ về mô hình hóa và phân tích một phần đường ống.
Khi thiết kế một hệ thống mới, các nhà thiết kế hệ thống thường chỉ định rằng tất cả các đường ống và thành phần phải được chế tạo, hàn, lắp ráp, v.v. theo yêu cầu của bất kỳ quy định nào được sử dụng. Tuy nhiên, trong một số cải tạo hoặc ứng dụng khác, có thể có lợi khi có một kỹ sư được chỉ định hướng dẫn về một số kỹ thuật sản xuất nhất định, 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). Trong số 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 của mối hàn. Các mục ảnh hưởng đến các yêu cầu xử lý nhiệt trước khi hàn và sau khi hàn bao gồm, nhưng không giới hạn ở những điều sau: Nhóm số P, thành phần hóa học của vật liệu và độ dày của vật liệu tại mối hàn. Mỗi vật liệu được liệt kê trong Phụ lục bắt buộc A đều có một số P được chỉ định. Đối với quá trình gia nhiệt trước, đoạn 131 cung cấp nhiệt độ tối thiểu mà kim loại cơ bản phải được nung nóng trước khi có thể hàn. Đối với PWHT, Bảng 132 cung cấp phạm vi nhiệt độ giữ và thời gian giữ vùng hàn. Tốc độ làm nóng 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 nêu trong quy tắc. Có thể xảy ra tác động bất lợi không mong muốn lên vùng hàn do không xử lý nhiệt đúng cách.
Một khu vực tiềm ẩn khác cần quan tâm trong hệ thống đường ống chịu áp suất là các khúc cua ống. Các ống uốn có thể làm 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 độ dày thành ống tối thiểu cho ống thẳng. Thông thường, một khoản phụ cấp được thêm vào để tính đến độ dày thành ống. Bảng 102.4.5 cung cấp các khoản phụ cấp giảm độ cong được khuyến nghị cho các bán kính uốn khác nhau. Các khúc cua cũng có thể yêu cầu xử lý nhiệt trước khi uốn và/hoặc sau khi uốn. Đoạn 129 cung cấp hướng dẫn về sản xuất khuỷu tay.
Đối với nhiều hệ thống đường ống chịu áp lực, cần phải lắp van an toàn hoặc van xả để tránh áp suất quá mức trong hệ thống. Đối với những ứng dụng này, Phụ lục II tùy chọn: Quy tắc thiết kế lắp đặt van an toàn là một nguồn tài nguyên rất có giá trị nhưng đôi khi ít được biết đến.
Theo mục II-1.2, van an toàn được đặc trưng bởi tác động bật lên hoàn toàn mở đối với dịch vụ khí hoặc hơi nước, trong khi van an toàn mở so với áp suất tĩnh thượng nguồn và được sử dụng chủ yếu cho dịch vụ chất lỏng.
Các cụm van an toàn được đặc trưng bởi việc chúng là hệ thống xả mở hay đóng. Trong hệ thống xả mở, khuỷu tay ở đầu ra của van an toàn thường sẽ xả vào ống xả ra khí quyển. Thông thường, điều này sẽ dẫn đến áp suất ngược nhỏ hơn. Nếu tạo ra đủ áp suất ngược trong ống xả, một phần khí thải có thể bị đẩy ra hoặc xả ngược từ đầu vào của ống xả. Kích thước của ống xả phải đủ lớn để ngăn ngừa hiện tượng thổi ngược. Trong các ứng dụng thông hơi kín, áp suất tích tụ tại đầu ra của van xả do nén khí trong đường ống thông hơi, có khả năng gây ra sóng áp suất lan truyền. 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 ở trạng thái ổn định. Hình 5 và 6 lần lượt hiển thị quá trình lắp đặt van an toàn ở trạng thái mở và đóng.
Việc lắp đặt van an toàn có thể phải chịu nhiều lực khác nhau như tóm tắt trong đoạn II-2. Các lực này bao gồm hiệu ứng giãn nở nhiệt, sự tương tác của nhiều van xả xả cùng lúc, hiệu ứng động đất và/hoặc rung động, và hiệu ứng áp suất trong các sự kiện xả áp. Mặc dù áp suất thiết kế lên đến đầu ra của van an toàn phải khớp với áp suất thiết kế của ống xuống, nhưng áp suất thiết kế trong hệ thống xả phụ thuộc vào cấu hình của hệ thống xả và các đặc điểm 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, đầu vào của ống xả và đầu ra của ống xả đối với các hệ thống xả mở và đóng. Sử dụng thông tin này, có thể tính toán và giải thích được các lực phản ứng tại các điểm khác nhau trong hệ thống xả.
Một ví dụ về bài toán xả hở được nêu 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 xác minh rằng phương pháp được sử dụng đủ bảo thủ. GS Liao mô tả một phương pháp như vậy trong “Phân tích nhóm xả van an toàn và áp suất của nhà máy điện” do ASME công bố trên Tạp chí Kỹ thuật Điện, tháng 10 năm 1975.
Vị trí của van an toàn phải duy trì khoảng cách tối thiểu của đường ống thẳng so với bất kỳ khúc cua nào. Khoảng cách tối thiểu này phụ thuộc vào dịch vụ và hình dạng của hệ thống như được định nghĩa trong đoạn II-5.2.1. Đối với các 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 dịch vụ, như thể hiện trong Ghi chú (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 cửa xả van an toàn với đường ống vận hành thay vì kết cấu liền kề để giảm thiểu tác động của sự giãn nở nhiệt và tương tác địa chấn. Tóm tắt về những điều 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 là không thể đề cập đến tất cả các yêu cầu thiết kế của ASME B31 trong phạm vi của bài viết này. Nhưng bất kỳ kỹ sư được chỉ định nào tham gia thiết kế hệ thống đường ống chịu áp suất ít nhất phải quen thuộc với quy tắc thiết kế này. Hy vọng rằng với những thông tin trên, độc giả sẽ thấy ASME B31 là một nguồn tài nguyên có giá trị và dễ tiếp cận hơn.
Monte K. Engelkemier là trưởng nhóm dự án tại Stanley Consultants. Engelkemier là thành viên của Iowa Engineering Society, NSPE và ASME, và phục vụ trong Ủy ban và Tiểu ban về Quy định đường ống điện B31.1. Ông có hơn 12 năm kinh nghiệm thực tế trong việc bố trí hệ thống đường ống, thiết kế, đánh giá giá đỡ 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 việc thiết kế hệ thống đường ống cho nhiều khách hàng là các công ty tiện ích, thành phố, tổ chức và công nghiệp và là thành viên của ASME và Iowa Engineering Society.
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 cho nhóm biên tập CFE Media của chúng tôi và nhận được sự công nhận mà bạn và công ty của bạn xứng đáng được hưởng. Nhấp vào đây để bắt đầu quy trình.