Ống thép dùng trong dịch vụ đông lạnh xử lý sự co nhiệt như thế nào?
Ống thép dùng trong dịch vụ đông lạnh xử lý sự co nhiệt như thế nào?
Trong các hệ thống đông lạnh, việc giảm nhiệt độ không chỉ làm thay đổi tính chất của chất lỏng. Ống thép cũng co lại khi nhiệt độ giảm, và sự co giãn này có thể tạo ra tải trọng đáng kể tại các điểm đỡ, mối nối, van và thiết bị kết nối. Do đó, các kỹ sư phải xem xét đồng thời đặc tính vật liệu và bố trí đường ống.
Vìđường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhSự co giãn nhiệt trở thành vấn đề thiết kế khi hệ thống chuyển từ điều kiện môi trường xung quanh sang nhiệt độ hoạt động rất thấp. Dòng ống chịu nhiệt độ thấp ASTM A333 của BEILAI bao gồm nhiều mác thép được thiết kế cho hoạt động ở nhiệt độ thấp, với nhiệt độ thử nghiệm va đập lên đến -195°C đối với một số mác thép nhất định.
Tại sao ống thép lại co lại ở nhiệt độ thấp?
Giống như hầu hết các kim loại khác, thép thay đổi kích thước khi nhiệt độ thay đổi. Khi đường ống dẫn khí hóa lỏng nguội đi, ống sẽ ngắn lại và đường kính cũng có thể co lại.
Vìkiểm soát sự co giãn nhiệt của đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhCác kỹ sư cần ước tính sự dịch chuyển này trước khi hoàn thiện việc định tuyến đường ống. Một đường ống thẳng dài có thể tích lũy sự dịch chuyển đáng kể do biến dạng nhiệt xảy ra dọc theo toàn bộ chiều dài đường ống.
Điều này vẫn quan trọng ngay cả khi bản thân đường ống có đủ độ bền. Vật liệu có thể chịu được áp suất một cách an toàn trong khi toàn bộ hệ thống vẫn phát sinh ứng suất nhiệt quá mức.
TRONGHệ thống đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnh cho hệ thống LNG.Sự chênh lệch nhiệt độ giữa điều kiện lắp đặt và điều kiện vận hành có thể đặc biệt đáng kể. Do đó, các hệ thống liên quan đến LNG cần được xem xét cẩn thận cả về độ bền vật liệu và sự giãn nở nhiệt.
Sự co giãn do nhiệt tạo ra ứng suất trong đường ống như thế nào?
Ống dẫn tự do có thể co lại khi nguội. Vấn đề phát sinh khi các giá đỡ, neo, thiết bị kết nối hoặc các yếu tố cấu trúc khác hạn chế sự chuyển động đó.
Sự hạn chế chuyển động tạo ra ứng suất nhiệt.
Vìquản lý ứng suất đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhCác kỹ sư cần hiểu rõ hệ thống có thể di chuyển ở đâu và chuyển động ở đâu cần được kiểm soát. Việc neo giữ mọi phần quá cứng nhắc có thể làm tăng tải trọng, trong khi sự tự do quá mức có thể tạo ra sự dịch chuyển hoặc rung động không mong muốn.
Mục tiêu thiết kế không phải là loại bỏ sự di chuyển, mà là tạo ra một lộ trình di chuyển được kiểm soát.
Vìkiểm soát sự co giãn nhiệt của đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhCác kỹ sư thường đánh giá đồng thời độ linh hoạt của đường ống, vị trí neo, bố trí giá đỡ và tải trọng đầu nối thiết bị.
Tại sao các đường ống dài cần được quan tâm đặc biệt
Sự co giãn do nhiệt trở nên rõ rệt hơn khi chiều dài ống tăng lên.
Một đoạn nối ngắn có thể hấp thụ chuyển động mà không tạo ra sự dịch chuyển lớn. Một đoạn thẳng dài có độ linh hoạt thấp hơn nhiều và có thể tích lũy sự co rút tổng thể lớn hơn.
Điều này làm choHệ thống đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnh cho hệ thống LNG.Đặc biệt nhạy cảm với các quyết định về bố trí. Các đường ống dẫn dài, hệ thống xếp dỡ và đường ống xử lý có thể cần sự linh hoạt được lên kế hoạch thay vì chỉ dựa vào sự chuyển động tự nhiên của đường ống.
Vìquản lý ứng suất đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhCác kỹ sư nên xác định các đoạn thẳng dài ngay từ giai đoạn thiết kế. Việc chờ đến khi chế tạo có thể khiến việc điều chỉnh kiểm soát ứng suất trở nên tốn kém và khó khăn.
Các vòng mở rộng cung cấp tính linh hoạt có kiểm soát.
Các vòng giãn nở có thể tạo không gian cho đường ống di chuyển.
Thay vì ép một đường ống thẳng dài hấp thụ toàn bộ sự thay đổi nhiệt độ, các kỹ sư đã tạo ra một sự thay đổi hướng được kiểm soát. Vòng lặp cho phép đường ống uốn cong khi nhiệt độ thay đổi.
Vìkiểm soát sự co giãn nhiệt của đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhHình dạng vòng lặp phải phù hợp với chuyển động dự kiến, kích thước ống, đặc tính vật liệu, điều kiện áp suất và không gian có sẵn.
Vòng dây quá nhỏ có thể không đủ độ linh hoạt. Vòng dây quá lớn có thể làm tăng chi phí vật liệu và lắp đặt.
Đây là lý do tại saoquản lý ứng suất đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhNên xem xét các tính toán về tính linh hoạt thay vì áp dụng kích thước vòng lặp tiêu chuẩn cho mọi dự án.
Sự hỗ trợ nên mang tính hướng dẫn, chứ không chỉ đơn thuần là sự kiềm chế.
Các giá đỡ đường ống có ảnh hưởng lớn đến sự giãn nở nhiệt.
Các kỹ sư có thể sử dụng neo, thanh dẫn hướng, giá đỡ trượt và các bố trí khác để kiểm soát hướng chuyển động trong khi vẫn cho phép dịch chuyển cần thiết.
VìHệ thống đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnh cho hệ thống LNG.Ngoài ra, các vật liệu hỗ trợ và cấu hình cũng phải phù hợp với nhiệt độ hoạt động và phương án cách nhiệt.
Vị trí đặt giá đỡ không phù hợp có thể tạo ra điểm chịu lực không mong muốn. Điểm chịu lực đó có thể truyền thêm tải trọng vào đường ống hoặc thiết bị được kết nối.
Vìquản lý ứng suất đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhDo đó, các kỹ sư cần đánh giá khoảng cách và vị trí các điểm đỡ như một phần của mô hình ứng suất đường ống hoàn chỉnh.
Khoảng cách giữa các ống cũng thay đổi khi co lại.
Sự giãn nở nhiệt có thể ảnh hưởng đến mối quan hệ vật lý giữa các đường ống liền kề.
Khi nhiều đường ống hoạt động ở các nhiệt độ khác nhau, chúng có thể co lại với mức độ khác nhau. Độ dày lớp cách nhiệt cũng có thể làm giảm thêm khoảng không gian cần thiết.
Vìkiểm soát sự co giãn nhiệt của đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhCác kỹ sư nên kiểm tra khoảng cách xung quanh các đường ống, cấu kiện kết cấu, van, thiết bị và điểm tiếp cận bảo trì liền kề.
Khoảng cách an toàn thích hợp giúp ngăn ngừa sự tiếp xúc khi hệ thống đạt đến nhiệt độ hoạt động thấp nhất.
TRONGHệ thống đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnh cho hệ thống LNG.Điều này trở nên đặc biệt quan trọng khi nhiều dây chuyền sản xuất hoạt động trong cùng một giá đỡ hoặc khu vực thiết bị.
Việc lựa chọn vật liệu và bố cục phải hài hòa với nhau.
Vật liệu ống không thể giải quyết mọi vấn đề về giãn nở nhiệt.
Tiêu chuẩn ASTM A333 quy định về ống thép cacbon và hợp kim liền mạch và hàn, dùng cho các ứng dụng ở nhiệt độ thấp và các ứng dụng khác yêu cầu độ bền chịu lực. Dòng sản phẩm của BEILAI bao gồm các kích thước từ 1/8 đến 24 inch và nhiều loại tiêu chuẩn khác nhau, với một số mác thép được thử nghiệm ở nhiệt độ thấp tới -195°C.
Vìquản lý ứng suất đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhDo đó, các kỹ sư nên phân biệt hai vấn đề:
Vật liệu này có duy trì được độ dẻo dai cần thiết ở nhiệt độ thiết kế không?
Hệ thống đường ống có thể chịu được sự giãn nở nhiệt phát sinh một cách an toàn không?
Cả hai câu trả lời đều phải thỏa đáng.
Vìkiểm soát sự co giãn nhiệt của đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhViệc lựa chọn vật liệu, tính linh hoạt, thiết kế giá đỡ và điều kiện lắp đặt nên được xem xét trong một phép tính kỹ thuật duy nhất, thay vì đưa ra các quyết định riêng biệt.
Điều gì có thể xảy ra sai sót?
Một số lỗi thiết kế có thể làm tăng các vấn đề về co ngót nhiệt:
Neo giữ chắc chắn các đoạn ống dài
Bỏ qua tải trọng vòi phun của thiết bị
Sử dụng tính linh hoạt không đủ
Lắp đặt giá đỡ mà không tính đến sự giãn nở do nguội
Cung cấp khoảng cách ống không đủ
Lựa chọn vật liệu mà không kiểm tra nhiệt độ thử va đập
Thiết kế dựa trên nhiệt độ hoạt động nhưng bỏ qua quá trình làm mát và khởi động.
Những vấn đề này chứng minh tại saoHệ thống đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnh cho hệ thống LNG.Cần có kế hoạch ở cấp hệ thống.
Chỉ riêng việc sử dụng loại ống phù hợp thôi chưa đủ để đảm bảo đường ống dẫn khí lạnh hoạt động đáng tin cậy.
Bài học rút ra từ kỹ thuật
Sự co ngót do nhiệt là một phản ứng vật lý bình thường, chứ không phải là lỗi của đường ống. Thách thức kỹ thuật nằm ở việc kiểm soát vị trí xảy ra sự chuyển động đó và cách các lực tác động truyền qua hệ thống.
Vìkiểm soát sự co giãn nhiệt của đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhCác vòng giãn nở, thanh dẫn hướng, giá đỡ, khoảng cách và độ linh hoạt phải phối hợp với nhau. Ví dụ:quản lý ứng suất đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnhNgoài ra, các kỹ sư cũng phải xem xét tải trọng của thiết bị kết nối và neo giữ.
TRONGHệ thống đường ống thép dùng trong môi trường đông lạnh cho hệ thống LNG.Tuy nhiên, độ bền vật liệu vẫn là yếu tố quan trọng không kém. Dòng ống chịu nhiệt độ thấp ASTM A333 của BEILAI cung cấp nhiều mác thép và kích thước khác nhau cho các ứng dụng ở nhiệt độ thấp, cho phép các kỹ sư lựa chọn vật liệu phù hợp với yêu cầu của dự án.
Do đó, thiết kế hệ thống làm lạnh đáng tin cậy nhất không chỉ đặt câu hỏi: “Liệu đường ống này có chịu được nhiệt độ đó không?” mà còn đặt câu hỏi: “Liệu vật liệu và toàn bộ hệ thống đường ống có thể chịu được một cách an toàn những gì xảy ra khi nhiệt độ thay đổi không?”
