Tại sao hệ thống đường ống cần thiết kế đảm bảo bù trừ giãn nở nhiệt ?

THIẾT KẾ ĐẢM BẢO BÙ TRỪ GIÃN NỞ NHIỆT ?

Trong các hệ thống đường ống công nghiệp vận hành ở nhiệt độ cao như hơi nóng, dầu tải nhiệt, khí nóng, hóa chất, lò hơi, HVAC, nhiệt điện, thực phẩm, dệt nhuộm hay dầu khí,… hiện tượng giãn nở nhiệt đường ống là một trong những nguyên nhân lớn nhất gây:

Cong vênh đường ống
Nứt mối hàn
Gãy mặt bích
Hư hỏng van, bơm
Xé gối đỡ
Rung động mạnh
Gây nổ hệ thống đường ống

Tuy nhiên, rất nhiều hệ thống lại bỏ qua việc tính toán giãn nở nhiệt ngay từ giai đoạn thiết kế. Trong quá trình vận hành, nếu hệ thống đường ống bị giãn nở nhiệt quá lớn, nó có thể phá hủy kết cấu đường ống và gây hư hỏng thiết bị. Điều này dẫn đến tổn thất tài chính do máy dừng ngoài kế hoạch và chi phí sửa chữa lớn.

1. Giãn nở nhiệt đường ống là gì ?

Khi nhiệt độ tăng lên, vật liệu kim loại sẽ nở dài ra theo chiều dài đường ống.

Hình 1: Chiều dài ống sẽ tăng 1 đoạn DL₁ khi nhiệt độ tăng từ T₀ lên T₁ từ và giảm 1 đoạn DL₂

khi nhiệt độ giảm từ T₀ xuống T₂

Đường ống thép carbon dài 100 mét
Nhiệt độ làm việc tăng từ 30°C lên 250°C

Chiều dài đường ống có thể tăng thêm 264 mm.

2. Điều gì xảy ra nếu không thiết kế bù trừ giãn nở nhiệt ?

Khi đường ống bị nung nóng nhưng không có khả năng dịch chuyển, ứng suất nhiệt sẽ tích tụ lớn trong hệ thống đường ống.

Hệ quả thường gặp:

2.1 Ứng suất tích tụ lớn

Khi nhiệt độ tăng, ống bị cố định hai đầu (anchor), sự giãn nở không có chỗ “giải phóng” sẽ biến thành lực nén:

Đường ống dài ra
Ống cong lên hoặc biến dạng dọc trục
Tạo lực đẩy vào thiết bị

Hình 2: Ứng suất tích tụ gây biến dạng dọc trục và lực đẩy xô lệch thiết bị

2.2. Hư hỏng mối hàn và mặt bích

Mối hàn bị kéo – nén liên tục → nứt vi mô → rò rỉ
Gioăng mặt bích bị phá hủy → xì lưu chất → mất/giảm áp suất làm việc của hệ thống

Hình 3: Ống bị giãn nở nhiệt gây nứt mối hàn và hư gioăng mặt bích gây rò rỉ lưu chất

2.3. Cong vênh và lệch trục

Ống bị “uốn cong” không kiểm soát
Gây sai lệch vị trí ban đầu của hệ thống

Hình 4: Ống bị giãn nở nhiệt gây uốn cong và sai lệch vị trí của đường ống

2.4. Phá hủy thiết bị đầu cuối

Bơm, turbine, thiết bị trao đổi nhiệt bị “kéo lệch” dẫn đến giảm tuổi thọ nghiêm trọng

Hình 5: Ống bị giãn nở nhiệt gây phá hủy thiết bị của hệ thống

3.Đường ống giãn ra như thế nào khi có nhiệt độ ?

Ví dụ 1:

Đường ống inox 304 dài 40 mét, nhiệt độ làm việc tăng từ 30°C → 300°C

Chiều dài giãn nở nhiệt của đường ống:

ΔL = 17.3 × 10⁻⁶ × 40000 × 170 » 187mm

Đường ống có thể dài thêm gần 187 mm

Nếu không có giải pháp bù trừ giãn nở, lực nén sẽ phá hủy toàn bộ hệ thống đỡ ống.

Ví dụ 2:

Đường ống thép đúc dẫn hơi nóng có chiều dài L₀ = 200m tại t₀ = 20⁰C. Biết nhiệt độ làm việc t₁ = 180⁰C.

Chiều dài giãn nở nhiệt của đường ống:

ΔL = 12 × 10⁻⁶ × 200000 × 160 » 384 mm

4.Hình ảnh mô phỏng đường ống trước và sau khi gia nhiệt

4.1. Trước khi gia nhiệt

Hình 6: Đường ống thẳng hàng, đúng cao độ, chưa xuất hiện ứng suất

4.2. Sau khi tăng nhiệt độ

Sau khi nhiệt độ vận hành tăng, đường ống dài ra, xuất hiện chuyển vị, gối đỡ trượt bắt đầu hoạt động và lực nhiệt truyền lên thiết bị

Hình 7: Sau khi nhiệt độ vận hành tăng, đường ống dài ra, xuất hiện chuyển vị

Hình 8: Hệ thống ống bị giãn dài khi nhiệt độ lưu chất trong ống tăng cao

5. Các giải pháp bù trừ giãn nở nhiệt hiện nay

5.1. Sử dụng khớp giãn nở inox (Expansion Joint)

Hình 9: Khớp bù trừ giãn nở nhiệt do Công ty Dân Đạt sản xuất

Hình 10: Khớp bù trừ giãn nở nhiệt lắp đặt trong hệ thống hơi nóng

Hình 11: Hệ thống đường ống trước và sau khi lắp đặt khớp bù trừ giãn nở

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

*4.2. Thiết kế loop giãn nở (đoạn ống được uốn cong, thường hình chữ U)***

Hình 12: Hệ thống được thiết kế với đoạn ống cong dạng chữ U để bù trừ giãn nở

Đường ống được uốn dạng chữ U, chữ Z hoặc chữ L để hấp thụ chuyển vị do nhiệt sinh ra.

Giải pháp này:

không cần thiết bị cơ khí
tuổi thọ cao

Nhưng:

tốn diện tích
khó áp dụng nơi không gian hẹp

4.3. Gối đỡ cố định và gối trượt

Một hệ thống đường ống chuẩn dẫn hơi nóng phải có:

Fixed Point (điểm cố định: Khóa cứng đường ống tại một vị trí, không cho đường ống dịch chuyển, chịu toàn bộ lực nhiệt và lực áp và điều hướng giãn nở về phía mong muốn)
Guide Support (gối dẫn hướng: Dẫn hướng chuyển động nhiệt)
Sliding Support (gối trượt: Cho phép đường ống trượt khi giãn nở)

Ba loại điểm cố định, gối dẫn hướng và gối trượt không thể thay thế cho nhau, chúng phối hợp đồng thời để điều khiển hướng giãn nở của đường ống.

Hình 13: Sơ đồ bố trí gối đỡ cố định, gối dẫn hướng và khớp giãn nở

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:

Ngành	Mức độ bắt buộc	Ngành	Mức độ bắt buộc
Hơi nóng Boiler	Rất cao	Nhà máy hóa chất	Rất cao
Dầu tải nhiệt	Rất cao	Thực phẩm	Cao
Nhà máy nhiệt điện	Rất cao	Dệt nhuộm	Cao
HVAC Chiller	Cao	LPG / khí nóng	Rất cao

6. Tiêu chuẩn thiết kế quốc tế

Các hệ thống đường ống nhiệt độ cao thường tham khảo các tiêu chuẩn sau: ASME B31.1, ASME B31.3, EJMA (Expansion Joint Manufacturers Association: Hiệp hội các nhà sản xuất khớp giãn nở), ASTM, DIN, JIS.

Các tiêu chuẩn này quy định:

ứng suất cho phép
chuyển vị nhiệt
thiết kế khớp giãn nở
rn
bố trí gối đỡ cố định và gối dẫn hướng

7. Khi nào cần lắp khớp giãn nở nhiệt ?

Thông thường nên xem xét khi:

Đường ống dài > 10 mét
Có fixed point hai đầu
Có thiết bị nhạy cảm như bơm/turbine
Hệ thống làm việc xuất hiện rung động
Áp suất cao

8. Kết Luận

Giãn nở nhiệt là hiện tượng vật lý bắt buộc xảy ra trong mọi hệ thống đường ống nhiệt độ cao.

Nếu không tính toán và thiết kế bù trừ nhiệt phù hợp, hệ thống sẽ nhanh chóng gặp:

nứt gãy
rò rỉ
rung động
hư hỏng thiết bị
dừng sản xuất
Việc đầu tư đúng ngay từ giai đoạn thiết kế sẽ giúp:
tăng tuổi thọ hệ thống
giảm chi phí bảo trì
đảm bảo an toàn vận hành
tối ưu hiệu suất nhà máy
Đặc biệt, giải pháp sử dụng:
khớp giãn nở inox
loop expansion
guide support
fixed point

đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống đường ống công nghiệp hiện đại.

Thiết kế bù trừ giãn nở nhiệt không phải là lựa chọn – mà là bắt buộc

Nếu anh/chị đang cần chọn ống mềm inox, khớp nối mềm, ống giãn nở inox cho hệ thống hơi, nước nóng, hóa chất, HVAC, bơm hoặc đường ống công nghiệp, nên chuẩn hóa dữ liệu vận hành ngay từ đầu để có phương án phù hợp, an toàn và bền lâu.

Để được tư vấn chọn đúng ống mềm inox, khớp nối mềm hoặc khớp giãn nở inox theo áp suất, nhiệt độ và môi chất thực tế, vui lòng liên hệ với chúng tôi: