Tính toán sự giãn nở nhiệt đường ống

1. Khái quát

Trong các hệ thống dẫn hơi nóng, dầu nóng, nước nóng, khí nóng hoặc hóa chất nhiệt độ cao, hiện tượng giãn nở nhiệt của đường ống là yếu tố bắt buộc phải tính toán ngay từ giai đoạn thiết kế. Nếu bỏ qua, hệ thống rất dễ xảy ra các sự cố như:

• Cong vênh đường ống
• Nứt mối hàn
• Hư bơm, van, mặt bích
• Gãy giá đỡ
• Rò rỉ môi chất
• Nổ đường ống do ứng suất nhiệt

Hình 1: Các dạng hư hỏng do giãn nở nhiệt đường ống gây ra

Đây là lý do tại sao trong các hệ thống công nghiệp hiện đại, kỹ sư luôn phải kết hợp giữa:

• Tính toán giãn nở nhiệt
• Thiết kế gối đỡ
• Điểm cố định (Fixed Point)
• Gối dẫn hướng (Guide Support)
• Và đặc biệt là sử dụng ống mềm bù trừ giãn nở nhiệt / khớp nối mềm inox

Hình 2: Hệ thống đường ống thiết kế đầy đủ điểm cố định, gối đỡ, gối trượt và ống mềm

2. Giãn nở nhiệt đường ống là gì ?

Khi nhiệt độ tăng, vật liệu kim loại sẽ giãn dài ra theo phương dọc trục. Đối với đường ống dài hàng chục mét hoặc hàng trăm mét, độ giãn nở này có thể lên tới vài chục mm hoặc hàng trăm mm.

Ví dụ:

• Đường ống thép dài 50 mét
• Nhiệt độ tăng từ 30°C → 250°C

Độ giãn nở có thể vượt quá 130 mm.

Nếu không có giải pháp bù trừ:

• Đường ống sẽ bị ép cứng
• Sinh ra ứng suất nhiệt cực lớn
• Làm hư toàn bộ hệ thống

Hình 3: a) Đường ống chưa giãn nở; b) Đường ống bị giãn nở nhiệt

3. Tính toán sự giãn nở nhiệt của đường ống

Sự tăng nhiệt độ của đường ống từ nhiệt độ môi trường lên nhiệt độ làm việc sẽ gây ra sự giãn nở nhiệt làm thay đổi chiều dài của ống.

Kích thước của một chi tiết là hoàn toàn phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ của chính nó. Có nghĩa là chiều dài của 1 chi tiết có giá trị L_o tại t₀ = ⁰C và khi nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp thì chi tiết sẽ có giá trị chiều dài L₁ tại giá trị t₁ = ⁰C.

Khi chi tiết chịu ảnh hưởng nhiệt độ tăng lên thì chiều dài L ₀ tại t₀⁰C sẽ thay đổi đến giá trị L₁ tại t₁⁰C

Công thức tính đoạn giãn nở dài (∆L) do đường ống nhiệt độ ban đầu t₀ tăng đến nhiệt độ làm việc t₁

Chiều dài L₁ tại t₁⁰C được xác định bởi công thức 

Trong đó:

ΔL (L₁ – L₀): độ giãn nở của ống [mm]

L: chiều dài của ống [m]

Δt (t₁ - t₀): chênh lệch giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ hoạt động [°C]

α: hệ số giãn nở nhiệt trung bình [mm/m°C x 10 ^-3]

Bảng hệ số giãn nở nhiệt trung bình α [mm/m°C x 10 ^-3 ]

Hệ số giãn nở nhiệt trung bình α được lấy từ các tiêu chuẩn vật liệu kim loại quốc tế: ASTM E228 , ASTM A240, ASTM A312, DIN EN 10088, ASME B31.3

Ví dụ 1: Chiều dài của ống thép cacbon L₀ = 50 m tại nhiệt độ ban đầu t₀ = 20°C, dùng để vận chuyển nước nóng có t₁ = 180°C.

Ví dụ 2: Hệ thống hơi nóng sử dụng:

Đường ống Inox 304 dài: 40 mét, nhiệt độ môi trường 30°C, nhiệt độ vận hành 280°C. Tính độ giãn nở nhiệt của đường ống.

Vậy khi nhiệt độ tăng từ 30°C lên 280°C, đường ống Inox sẽ giãn nở một đoạn 173 mm

Nếu hệ thống bị cố định cứng mà không có giải pháp hấp thụ chuyển vị này, ứng suất nhiệt sẽ tăng rất lớn và gây phá hủy đường ống.

4. Giải pháp thiết kế chuẩn kỹ thuật

Kỹ sư sẽ bố trí:

• Fixed Point (điểm cố định)
• Guide Support (gối dẫn hướng)
• Sliding Support (gối trượt)
• Khớp giãn nở/Vòng giãn nở

để hấp thụ toàn bộ chuyển vị nhiệt.

Hình 4: Sơ đồ bố trí gối đỡ cố định, gối dẫn hướng và khớp giãn nở

Hình 5: Khớp bù trừ giãn nở nhiệt do Công ty Dân Đạt sản xuất

Khớp giãn nở giúp:

• hấp thụ chuyển vị nhiệt
• giảm ứng suất
• bảo vệ thiết bị
• chống rung động

Ưu điểm:

• nhỏ gọn, tiết kiệm không gian, hiệu quả cao
• Lắp đặt nhanh, phù hợp nhiệt độ và áp suất lớn      

5. Các ngành công nghiệp bắt buộc phải tính toán bù trừ giãn nở nhiệt

Các hệ thống sau gần như bắt buộc phải tính toán bù trừ giãn nở nhiệt cho hệ thống đường ống:

6. Kết luận

Tính toán giãn nở nhiệt là một trong những bước quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống đường ống công nghiệp.

Một hệ thống được thiết kế đúng cần:

• Tính chính xác độ giãn nở nhiệt
• Kiểm soát ứng suất nhiệt
• Bố trí gối đỡ hợp lý
• Sử dụng khớp nối mềm giãn nở đúng kỹ thuật

Việc đầu tư đúng ngay từ đầu giúp:

• Tăng tuổi thọ hệ thống
• Giảm chi phí bảo trì
• Tránh dừng máy
• Đảm bảo an toàn vận hành

Đối với các hệ thống nhiệt độ cao, ống mềm bù trừ giãn nở inox là giải pháp gần như không thể thiếu trong thiết kế hiện đại.

Hình 6: Đường ống bị hư hỏng do tính toán độ giãn nở nhiệt chưa hợp lý

7. Tư vấn kỹ thuật

Nếu bạn đang:

• Thiết kế hệ thống đường ống
• Gặp vấn đề rung, nứt, rò rỉ
• Cần chọn đúng ống mềm inox

► Dân Đạt – ISO 9001:2015 sẵn sàng hỗ trợ:

• Tư vấn kỹ thuật miễn phí; Thiết kế theo yêu cầu
• Sản xuất đa dạng chủng loại;
• Giao hàng đúng theo thời gian hợp đồng.

►Hotline: 0862.618.918

►Email: dandatflex@gmail.com

►Website: https://dandat.com.vn