Làm thế nào để tránh làm hỏng ống khi sử dụng dụng cụ nở?

Tác động của Sự Nở Nhiệt đến Độ Nguyên Vẹn của Đường Ống Khi Sử Dụng Bộ Mở Rộng

Cơ học vật lý của sự nở nhiệt tuyến tính trong các vật liệu ống thông dụng (thép, đồng, PVC)

Các vật liệu ống dẫn đều có xu hướng giãn nở khi nhiệt độ tăng và co lại khi nhiệt độ giảm, tuân theo một nguyên lý cơ bản được mô tả bởi phương trình ΔL = αLΔT (nghĩa là độ thay đổi chiều dài bằng hệ số giãn nở nhân với chiều dài ban đầu nhân với độ thay đổi nhiệt độ). Tuy nhiên, các vật liệu khác nhau lại có hành vi khá khác biệt. Thép giãn nở khoảng 0,0000065 inch trên mỗi inch ống cho mỗi độ Fahrenheit tăng lên. Đồng không chênh lệch nhiều, ở mức khoảng 0,0000090 inch trên mỗi inch cho mỗi độ. Nhưng hãy xem xét ống PVC: giá trị này tăng vọt lên khoảng 0,00003 inch trên mỗi inch cho mỗi độ, khiến nó co giãn gần gấp năm lần so với thép. Để hình dung rõ hơn, hãy tưởng tượng một đoạn ống thép dài 100 feet bị đun nóng tăng 150 độ Fahrenheit — nó sẽ thực tế giãn dài thêm gần 1,2 inch. Cùng độ dài ống PVC trong điều kiện tương tự sẽ giãn nở hơn 5,4 inch. Những khác biệt này tạo ra các điểm ứng suất nghiêm trọng tại mọi vị trí tiếp giáp giữa các vật liệu khác nhau. Vấn đề này trở nên đặc biệt nghiêm trọng trong các hoạt động sử dụng thiết bị nở (expander), bởi vì sự tích tụ nhiệt cục bộ làm gia tăng mạnh các chuyển động này. Lực sinh ra đôi khi có thể đạt mức trên 20.000 pound — đây là một con số không hề nhỏ đối với các kỹ sư thiết kế hệ thống ống dẫn.

Tại sao sự giãn nở không kiểm soát gây ra ứng suất, lệch trục và hỏng khớp gần khu vực bộ giãn nở

Khi chuyển động nhiệt bị hạn chế, đường ống tác dụng lực cực lớn lên các điểm neo, mặt bích và khớp nối. Gần các bộ giãn nở—nơi mà quá trình gia nhiệt và làm nguội chu kỳ tập trung tải cơ học và tải nhiệt—ba dạng hỏng chủ yếu xuất hiện:

• Tập trung ứng suất tại các chỗ uốn và mối hàn, vượt quá giới hạn chảy
• Lỗi Căn Chỉnh Góc của mặt bích, dẫn đến hiện tượng gioăng bị thổi bật
• Tách rời khớp bù trừ dạng chuông trong các hệ thống lắp ghép kiểu đẩy vào, gây rò rỉ

Theo một nghiên cứu gần đây của Viện Ponemon năm 2023, khoảng hai phần ba số sự cố đường ống trong các cơ sở công nghiệp thực tế bắt nguồn từ việc quản lý kém các vấn đề ứng suất nhiệt. Khi đường ống trải qua nhiều chu kỳ gia nhiệt và làm nguội lặp đi lặp lại, điều này dẫn đến sự phát triển nhanh hơn của hiện tượng mỏi. Vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn ở những khu vực mà đường ống bị neo quá chặt hoặc không được đỡ đúng cách. Chẳng hạn, khi lực nén tác động quá lớn lên các ống thành mỏng, chúng có xu hướng bị mất ổn định (buckling). Ngược lại, lực kéo có thể khiến các vết nứt lan rộng trong các vật liệu giòn như PVC. Nếu hệ thống đường ống không được đỡ đầy đủ, những ứng suất này sẽ không chỉ giới hạn ở phạm vi cục bộ. Chúng truyền trực tiếp sang các bộ phận thiết bị khác như van, bơm và nhiều loại dụng cụ đo lường. Điều này tạo ra rủi ro nghiêm trọng đối với những gì kỹ sư gọi là 'sự cố mặt bích thảm khốc'. Ngay cả các hệ thống đạt tiêu chuẩn thông thường cũng có thể hoàn toàn thất bại ở mức áp suất đáng ngạc nhiên thấp — khoảng 740 psi — khi chịu các lực không kiểm soát này trong thời gian dài.

Các Thực Hành Tốt Nhất Về Việc Lựa Chọn và Lắp Đặt Bộ Mở Rộng Phù Hợp

Lựa Chọn Loại Bộ Mở Rộng và Đặc Tuyến Lực Phù Hợp Với Vật Liệu Ống và Độ Dày Thành Ống

Việc lựa chọn bộ giãn nở phù hợp thực chất phụ thuộc vào việc cân bằng giữa lực giãn nở mà thiết bị tạo ra và khả năng chịu lực cơ học của ống. Ống thép có độ bền kéo cao hơn nhiều so với ống đồng hoặc ống PVC, do đó có thể chịu được lực giãn nở hướng kính lớn hơn. Tuy nhiên, cũng đừng quên yếu tố độ dày thành ống vì đây là một yếu tố đóng vai trò rất lớn trong toàn bộ quá trình này. Đối với các hệ thống HVAC có thành ống mỏng hoặc các ứng dụng đường ống công nghiệp nhẹ, chúng ta thường cần giữ tỷ lệ giãn nở ở mức thấp để tránh các vấn đề như cong vênh (buckling) hoặc biến dạng elip (ovalization). Nói về vật liệu, PVC trở nên giòn hơn rõ rệt khi nhiệt độ giảm xuống dưới 40 độ Fahrenheit (khoảng 4 độ Celsius). Việc sử dụng bộ giãn nở khí nén có áp suất trên 800 psi với ống PVC thực tế làm tăng nguy cơ xuất hiện và lan rộng các vết nứt trong vật liệu. Ngược lại, đồng lại có đặc tính khác: do độ dẻo cao hơn nên đồng cho phép dịch chuyển lớn hơn mà không gây hư hại khi sử dụng bộ giãn nở cơ học. Khi triển khai bất kỳ dự án nào, hãy đảm bảo kiểm tra đồng thời một số yếu tố sau: cấp độ cụ thể của vật liệu ống đang sử dụng, chi tiết về lịch biểu độ dày thành ống (wall schedule), cũng như các thông số mô-men xoắn (torque specs) do nhà sản xuất khuyến nghị. Điều này đặc biệt quan trọng tại khu vực các mối hàn, bởi các ứng suất dư còn sót lại sau quá trình hàn có thể khiến ống dễ bị biến dạng hơn dưới tác động của áp lực.

Tránh Mở Rộng Quá Mức: Tính Toán Giới Hạn Dịch Chuyển An Toàn Theo ASME B31.1/B31.9

Việc mở rộng quá mức vẫn là nguyên nhân hàng đầu gây hỏng mối nối trong các hệ thống có áp lực. Tiêu chuẩn ASME B31.1 (Ống dẫn năng lượng) và B31.9 (Ống dẫn phục vụ tòa nhà) quy định mức độ mở rộng cho phép tối đa dựa trên vật liệu, nhiệt độ và hình học. Hiệu chuẩn thiết bị nong theo các giới hạn này đảm bảo biến dạng nằm trong phạm vi đàn hồi, từ đó tránh biến dạng dư hoặc nứt vi mô:

Việc kiểm tra sau khi giãn nở là rất quan trọng: phép đo hình dạng bằng tia laser phải xác nhận đường kính trong (ID) vẫn nằm trong phạm vi ±0,5% so với giá trị danh định. Các sai lệch vượt ngưỡng này làm tăng nguy cơ rò rỉ dưới tác động của tải nhiệt chu kỳ.

Các chiến lược hỗ trợ và cố định nhằm bảo vệ đường ống xung quanh bộ giãn nở

Việc bố trí chiến lược các điểm cố định, điểm dẫn hướng và giá đỡ trượt nhằm hấp thụ chuyển động do bộ giãn nở gây ra

Các hệ thống chống đỡ tốt thực tế xử lý chuyển động nhiệt trong suốt toàn bộ quá trình sử dụng các bộ giãn nở, không chỉ đơn thuần hoạt động như các điểm cố định thụ động mà còn chủ động phân bố lực trên toàn bộ hệ thống. Các điểm neo chịu lực đẩy do áp suất và ngăn chặn mọi chuyển động dọc trục tại những vị trí cố định này. Các giá dẫn hạn chế chuyển động sang ngang trong khi vẫn cho phép một số chuyển động tiến/lùi. Các giá đỡ trượt được thiết kế để xử lý độ dịch chuyển dự kiến thông qua bề mặt ma sát thấp của chúng, thường được lắp đặt cách các mối nối và khu vực giãn nở khoảng 4–10 đường kính ống. Ba thành phần này phối hợp với nhau khá hiệu quả nhằm giải quyết các vấn đề chính mà kỹ sư thường gặp tại hiện trường: sự tích tụ ứng suất tại các điểm hàn, các mối nối bị lệch khỏi vị trí thiết kế và các ống bị cong vênh sang ngang dưới tác dụng của áp lực.

Việc bố trí đúng vị trí yêu cầu phải xem xét đồng thời các tỷ lệ giãn nở nhiệt và cách bố trí tổng thể của toàn bộ hệ thống, thay vì chỉ dựa vào các ước tính sơ bộ về khoảng cách. Các giá đỡ chính có nhiệm vụ ngăn chặn hiện tượng võng xuống và duy trì sự căn chỉnh chính xác giữa các thành phần khi chịu tải trọng do trọng lượng bản thân các bộ phận gây ra. Các giá đỡ phụ đảm nhận vai trò giảm rung động và kiểm soát hiệu quả các tần số cộng hưởng gây khó chịu. Lớp lót cách ly bên trong các chi tiết kẹp cũng đóng một vai trò thực tế: chúng ngăn không cho các chi tiết kim loại tiếp xúc trực tiếp với nhau, nhờ đó cho phép các bộ phận di chuyển tự do dọc theo trục mà vẫn kiểm soát được lực sinh ra do hiện tượng giãn nở nhiệt. Đối với các điểm cố định nơi tuyệt đối không cho phép xảy ra bất kỳ chuyển động nào — ví dụ như đầu vào bơm hoặc mặt bích van — chúng ta sử dụng các giá đỡ không điều chỉnh được nhằm khóa chặt mọi thứ một cách chắc chắn. Tuy nhiên, đôi khi cần điều chỉnh tại hiện trường, do đó các nhà sản xuất cung cấp các phiên bản có thể hiệu chỉnh mà không làm ảnh hưởng đến hiệu năng tổng thể. Kinh nghiệm thực tiễn trong ngành cho thấy, khi tất cả những yếu tố này phối hợp hoạt động đúng cách, các ứng suất cơ học và nhiệt sẽ được phân bố đều trên toàn bộ hệ thống. Cách tiếp cận kỹ thuật như vậy đã được chứng minh là làm tăng đáng kể tuổi thọ thiết bị, với hồ sơ bảo trì ghi nhận mức cải thiện khoảng 70% theo thời gian.

Các câu hỏi thường gặp

Tầm quan trọng của hiện tượng giãn nở nhiệt trong hệ thống đường ống là gì?

Hiện tượng giãn nở nhiệt đóng vai trò then chốt trong hệ thống đường ống, bởi vì nó có thể khiến các ống giãn nở hoặc co lại đáng kể khi nhiệt độ thay đổi, dẫn đến các điểm chịu ứng suất, lệch trục và nguy cơ hư hỏng kết cấu.

Tại sao PVC dễ bị ảnh hưởng bởi giãn nở nhiệt hơn thép?

Hệ số giãn nở nhiệt của PVC cao hơn so với thép, do đó PVC giãn nở gần như gấp năm lần so với thép dưới cùng một mức thay đổi nhiệt độ. Điều này có thể gây ra các hiệu ứng giãn nở rõ rệt hơn ở ống PVC, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao.

Có những phương pháp nào để giảm thiểu tác động của hiện tượng giãn nở nhiệt trong đường ống?

Việc lựa chọn bộ bù giãn phù hợp, lựa chọn loại bộ bù giãn tương thích với vật liệu ống và độ dày thành ống, cũng như bố trí chiến lược các hệ thống đỡ và neo cố định là những phương pháp chủ chốt nhằm kiểm soát và giảm thiểu tác động của hiện tượng giãn nở nhiệt.

Làm thế nào để tránh hiện tượng giãn nở quá mức trong các hệ thống có áp lực?

Bằng cách tuân thủ các hướng dẫn như ASME B31.1/B31.9 và hiệu chuẩn các thiết bị nở để phù hợp với giới hạn vật liệu và nhiệt độ đã được quy định, hiện tượng nở quá mức có thể được tránh khỏi, từ đó đảm bảo biến dạng vẫn nằm trong phạm vi đàn hồi.