Các yếu tố cần cân nhắc khi sử dụng ống thép duplex đường kính lớn trong điều kiện chân không: Độ dày thành ống và áp suất sụp đổ

Sập đổ. sập đổ sự khác biệt này rất quan trọng khi lựa chọn ống thép không gỉ duplex đường kính lớn cho dịch vụ chân không, chẳng hạn như trong hệ thống đường ống cách nhiệt chân không dùng cho LNG cryogenic, ứng dụng dưới biển hoặc hệ thống ngưng tụ.

Khác với thiết kế chịu áp suất bên trong—dựa vào độ bền kéo—thiết kế chịu chân không lại được chi phối bởi độ ổn định đàn hồi ống phải có khả năng chống lại hiện tượng mất ổn định (buckling) dưới áp suất khí quyển (khoảng 14,7 psi hoặc 0,1 MPa) tác động từ bên ngoài. Đối với các ống duplex có đường kính lớn và thành mỏng, đây là một bài toán phi tuyến mà nhiều tiêu chuẩn áp lực B31 thông thường xử lý một cách bảo thủ—nhưng không phải lúc nào cũng chính xác.

Bài viết này phân tích các biến số then chốt nhằm đảm bảo ống duplex của bạn chịu được điều kiện chân không mà không xảy ra hiện tượng mất ổn định thành ống một cách nghiêm trọng.

Cơ chế sụp đổ: Không phải phép tính áp suất thông thường

Đối với áp suất bên trong, công thức Barlow (P = 2St/D) cho biết ứng suất trong thành ống. Còn đối với áp suất bên ngoài, cơ chế phá hoại lại khác biệt. Lúc này, ống hoạt động như một cột chịu nén, nhưng ở dạng hình trụ. Áp suất sụp đổ tới hạn (Pc) đối với một hình trụ dài, không gia cường, bị mất ổn định đàn hồi được xác định bởi:

$$P_c=\frac{2E}{(1-{\nu }^2)}{\left(\frac{t}{D_o}\right)}^3$$

Ở đâu:

• E = Mô-đun đàn hồi (Mô-đun Young)

• ν = Hệ số Poisson

• t = Độ dày thành ống

• D_o = Đường kính ngoài

Lưu ý biến số then chốt: (t/D₀)³ . Đây là hàm lũy thừa bậc ba. Nếu bạn tăng gấp đôi đường kính trong khi giữ độ dày thành ống không đổi, áp suất sụp đổ sẽ giảm đi tám lần. Vì lý do này, các ống có đường kính lớn dễ bị sụp đổ dưới chân không hơn nhiều theo cấp số mũ so với các ống nhỏ .

Các lưu ý đặc thù đối với thép duplex

Đối với thép duplex (22% Cr) và siêu duplex (25% Cr), mô-đun đàn hồi (E) vào khoảng 200 GPa — tương tự như các loại thép không gỉ austenit như 316L. Tuy nhiên, độ bền chảy cao hơn của thép duplex không trực tiếp giúp cải thiện khả năng chống co giãn mất ổn định do uốn dọc (buckling).

Dưới đây là điểm tinh tế:

• Mất ổn định đàn hồi: Nếu ứng suất sập tính toán thấp hơn giới hạn chảy, thì sự phá hủy xảy ra hoàn toàn ở trạng thái đàn hồi. Ở đây, thép duplex không mang lại lợi thế nào; mô-đun đàn hồi của nó giống như của thép 316L.

• Mất ổn định dẻo (dẻo hóa): Nếu hình học của cấu kiện tương đối đặc (tỷ số D/t thấp), ứng suất tại thời điểm sập có thể vượt quá điểm chảy. Trong trường hợp này, giới hạn chảy cao hơn của thép duplex (65–70 ksi so với 35 ksi của thép 316L) mang lại lợi thế rõ rệt, cho phép sử dụng thành ống mỏng hơn trước khi xảy ra biến dạng dẻo. .

Do đó, thép duplex phát huy hiệu quả nhất trong điều kiện làm việc chân không khi tỷ số D/t ở mức trung bình (thường < 40), giúp bạn tận dụng khả năng chịu lực cao của nó để chống lại hiện tượng sập dẻo.

Thách thức đối với ống hai lớp

Trong các ứng dụng nhiệt độ thấp sâu và LNG, ống hai lớp cách nhiệt chân không là giải pháp phổ biến. Cấu tạo gồm một ống bên trong (dẫn chất lỏng cryogenic) và một ống bên ngoài (vỏ chân không). .

Ống bên trong được thiết kế để chịu áp lực bên trong (áp lực nổ) và co nhiệt. Tuy nhiên, trong quá trình bơm chân không hoặc nếu ống trong bị rò rỉ, khoảng không vành khăn sẽ bị hút chân không. Khi đó, ống trong phải chịu được áp lực bên ngoài từ khí quyển, đồng thời vẫn ở nhiệt độ cryogenic.

Ống ngoài luôn chịu áp lực bên ngoài (áp suất khí quyển) và phải chống lại hiện tượng xẹp lún mà không làm suy giảm độ chân không.

Một nghiên cứu năm 2024 về ứng suất của ống hai lớp cách nhiệt chân không dùng cho LNG đã phân tích sự tương tác giữa đường kính và chiều dày thành ống của ống trong và ống ngoài. Nghiên cứu kết luận rằng tổ hợp tối ưu giữa đường kính và chiều dày thành ống không chỉ phụ thuộc vào độ bền riêng lẻ của từng ống, mà còn phụ thuộc vào sự tương tác giữa hai ống dưới tải trọng tổng hợp—bao gồm cả vai trò hỗ trợ (hoặc thiếu hụt hỗ trợ) từ các miếng chêm đỡ và các gradient nhiệt .

Các tiêu chuẩn thiết kế và giới hạn của chúng

Hầu hết các hệ thống ống bọc chân không đều nằm trong phạm vi áp dụng của ASME B31.3 (Đường ống công nghệ) hoặc B31.5 (Đường ống lạnh) .

• ASME B31.3, Điều 304.1.3 đưa ra các quy tắc áp dụng cho đường ống thẳng chịu áp lực ngoài. Tài liệu này viện dẫn Phần VIII của Bộ Quy chuẩn về Nồi hơi và Thiết bị Chịu áp lực (UG-28) để xác định chiều dày thành ống.

• Phương pháp UG-28 sử dụng biểu đồ để xác định áp lực ngoài cho phép dựa trên tỷ số D/t và chiều dài. Tuy nhiên, các biểu đồ này được xây dựng dựa trên đặc tính của thép cacbon và yêu cầu điều chỉnh khi áp dụng cho thép không gỉ do mô-đun đàn hồi thấp hơn ở nhiệt độ cao.

Đối với thép duplex ở nhiệt độ cryogenic, mô-đun đàn hồi thực tế tăng cường tăng nhẹ. Đây là điều kiện thuận lợi, nhưng các biểu đồ UG-28 tiêu chuẩn có thể không phản ánh chính xác điều này. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) thường được yêu cầu đối với các đường ống có đường kính lớn và mang tính then chốt nhằm tránh việc thiết kế quá bảo thủ dẫn đến yêu cầu chiều dày thành ống quá lớn.

Chiều dày thành ống: Yếu tố quyết định

Khi quy định độ dày thành ống duplex có đường kính lớn dưới điều kiện chân không, các cỡ ống tiêu chuẩn (Sch 10S, Sch 40S) thường không đủ đối với các ống có đường kính danh nghĩa (NPS) trên 12 inch.

Xét một ống duplex đường kính 24 inch (DN 600):

• Sch 10s (độ dày thành khoảng 6,35 mm) có tỷ số D/t khoảng 96. Ống này sẽ bị xẹp ngay lập tức dưới áp suất chân không toàn phần nếu không có các vòng gia cường.

• Sch 40S (độ dày thành khoảng 15,09 mm) có tỷ số D/t khoảng 40. Giá trị này ở mức giới hạn. Áp suất ngoài cho phép theo tiêu chuẩn ASME có thể chỉ vừa trên hoặc vừa dưới 15 psi, tùy thuộc vào chiều dài và độ lệch tròn của ống.

• Thành ống đặc biệt dày (20–25 mm) thường được yêu cầu để đảm bảo hệ số an toàn chống mất ổn định do uốn dọc.

Giải pháp thường không phải là tăng độ dày thành ống, mà là các vòng gia cường (vòng cứng). Bằng cách giảm chiều dài đoạn ống không được đỡ (L), bạn có thể sử dụng ống duplex thành mỏng hơn mà vẫn đảm bảo khả năng chống xẹp. Đây là yếu tố kinh tế then chốt, bởi ống duplex thành dày có đường kính lớn rất đắt đỏ và thời gian giao hàng kéo dài. .

Độ lệch tròn: Yếu tố ẩn

Có một yếu tố mà các tính toán lý thuyết thường bỏ qua, nhưng kinh nghiệm thực tế lại chứng minh đây là yếu tố then chốt: Độ lệch tròn của ống (độ không tròn)  .

ASME Section VIII UG-80 quy định giới hạn độ lệch tròn, tuy nhiên đối với ống duplex có đường kính lớn và thành mỏng, dung sai chế tạo cũng như quá trình vận chuyển, lắp đặt có thể gây ra độ lệch tròn đáng kể. Một ống bị lệch tròn chịu áp suất ngoài sẽ có áp suất sụp đổ thấp hơn nhiều so với một hình trụ hoàn hảo.

Ống lúc này hoạt động như một vòm; ngay khi bắt đầu biến dạng, độ cứng của nó giảm mạnh. Đối với dịch vụ chân không, đặc tả mua hàng phải bao gồm dung sai độ lệch tròn nghiêm ngặt — thường khắt khe hơn cả giới hạn tiêu chuẩn ASTM A790 cho phép. .

Các khuyến nghị thực tiễn

Đối với kỹ sư thiết kế ống duplex đường kính lớn dùng trong điều kiện chân không toàn phần hoặc chịu áp suất ngoài:

1. Tính toán, đừng phỏng đoán: Không nên giả định rằng ống theo tiêu chuẩn thông thường sẽ chịu được chân không. Cần thực hiện tính toán áp suất ngoài theo ASME Section VIII Div. 1 (UG-28) hoặc tiến hành phân tích ổn định mất cân bằng tuyến tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA).

2. Cân nhắc sử dụng các thanh gia cường: Đối với các đường kính trên 16" (DN 400), các vòng gia cường thường kinh tế hơn so với việc tăng đột ngột độ dày thành ống một cách đáng kể.

3. Chỉ định giới hạn độ lệch tròn (ovality): Trong đơn đặt hàng của bạn gửi tới nhà máy sản xuất ống duplex, hãy ghi chú: "Ống được thiết kế cho dịch vụ chân không. Độ lệch tròn (ovality) phải được duy trì ở mức tối đa 1% sau khi chế tạo và vận chuyển."

4. Ảnh hưởng của cấp độ vật liệu: Đối với các tỷ số D/t ở mức trung bình, thép duplex (2205) hoặc siêu duplex (2507) cho phép sử dụng thành ống mỏng hơn so với thép 316L do khả năng chống mất ổn định dẻo (biến dạng dẻo). Đối với các tỷ số D/t rất cao (mất ổn định hoàn toàn đàn hồi), thép duplex không mang lại lợi thế nào so với thép 304/316. .

5. Hệ số hàn: Đối với ống hàn dọc (ASTM A928), hiệu suất mối hàn và phần kim loại hàn dư thừa có thể đóng vai trò như một bộ gia cường. Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể có các đặc tính cơ học khác biệt. Đảm bảo rằng các phép tính sụp đổ của bạn sử dụng giá trị tối thiểu giới hạn chảy đã nêu rõ, hoặc xem xét áp dụng hệ số giảm cường độ hàn nếu ống sẽ được xử lý khử ứng suất hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao. .

Kết luận

Dịch vụ chân không là một ứng dụng yêu cầu khắt khe, kiểm tra độ ổn định hình học của các ống duplex có đường kính lớn. Mặc dù vật liệu duplex mang lại độ bền và khả năng chống ăn mòn xuất sắc, áp suất sụp đổ lại phụ thuộc vào độ cứng của hình trụ (mô-đun đàn hồi và hình học), chứ không chỉ dựa vào độ bền vật liệu.

Để thiết kế thành công, hãy tập trung vào Tỷ số D/t , kiểm soát độ ô van một cách nghiêm ngặt và xem xét toàn bộ hệ thống—bao gồm việc xác định xem việc sử dụng vòng gia cường hay chuyển sang cấu hình ống hai lớp có phù hợp hơn về mặt kinh tế cho dự án hay không. Bằng cách tuân thủ quy luật lập phương liên quan đến tỷ lệ đường kính trên chiều dày, bạn có thể đảm bảo ống duplex của mình duy trì được hình dạng tròn và hoạt động ổn định dưới áp lực không ngừng nghỉ của khí quyển.