Cách tính đường kính ống bắt đầu từ lưu lượng và vận tốc cho phép: đường kính trong D = √(4Q / (π·v)), sau đó chọn cỡ DN thương mại gần nhất rồi tính lại vận tốc theo đường kính trong thực của ống. Bước tính lại này quyết định kết quả cuối, vì cùng một DN nhưng khác độ dày thành (SCH) thì đường kính trong khác nhau.
Bài này dành cho kỹ sư và thợ cần chọn đường kính ống cho nước, nước nóng, dầu, hơi bão hòa và khí nén trong một hệ thống đường ống công nghiệp hoặc tòa nhà. Phạm vi là tính đường kính ống theo lưu lượng; phần sụt áp chỉ tóm tắt và dẫn sang bài riêng.
Nội dung gồm công thức và đổi đơn vị, bảng vận tốc khuyến nghị kèm lý do, ba ví dụ tính đường kính ống bằng số, bảng tra nhanh DN15–DN300 và các lỗi hay gặp ngoài hiện trường.
Công thức cách tính đường kính ống từ lưu lượng
Với chất lỏng không nén được, lưu lượng thể tích bằng tích của vận tốc trung bình và tiết diện dòng chảy: Q = v · A. Ống tròn chảy đầy có A = π·D² / 4, nên rút ra đường kính ống (đường kính trong) cần thiết D = √(4Q / (π·v)). Trong đó Q tính bằng m³/s, v bằng m/s và D bằng m.
Khi lưu lượng cho bằng m³/h và muốn có D theo mm, dùng dạng rút gọn D ≈ 18,8 · √(Q / v) (Q tính bằng m³/h, v bằng m/s). Hệ số 18,8 đã gộp phép chia 3.600 và đổi sang mm. Ví dụ Q = 30 m³/h, v = 2 m/s cho D ≈ 18,8 × √15 ≈ 72,8 mm.
Đổi đơn vị lưu lượng trước khi thay số
Sai đơn vị là lỗi phổ biến nhất. Bảng đổi dưới đây dùng cho nước và các chất lỏng; cách đọc các đơn vị khác có trong bài đơn vị đo lưu lượng.
| Đơn vị cho | Đổi sang m³/s | Ví dụ |
|---|---|---|
| m³/h | chia cho 3.600 | 30 m³/h = 0,00833 m³/s |
| L/s | chia cho 1.000 | 8,33 L/s = 0,00833 m³/s |
| L/phút | chia cho 60.000 | 500 L/phút = 0,00833 m³/s |
| kg/h (chất lỏng) | chia cho ρ (kg/m³) rồi cho 3.600 | 1.000 kg/h nước ở 20 °C ≈ 0,00028 m³/s |
Vì sao vận tốc là biến cần chọn
Lưu lượng cho trước thì mỗi vận tốc chỉ ứng với một đường kính ống. Vận tốc tỷ lệ nghịch với D², còn tổn thất áp suất do ma sát tỷ lệ gần như nghịch với D⁵. Với ống thép SCH 40 từ DN15 đến DN300, giảm đường kính ống đi một cỡ DN làm vận tốc tăng khoảng 1,4–1,8 lần và sụt áp tăng khoảng 2–4 lần; chi tiết ở bài riêng về sụt áp đường ống.
Vì vậy việc chọn đường kính ống là bài toán cân bằng: đường kính ống nhỏ rẻ hơn nhưng ồn, xói mòn và tốn năng lượng bơm; đường kính ống lớn êm và ít sụt áp nhưng đắt, nặng và chiếm chỗ. Vận tốc khuyến nghị là cách tóm tắt kinh nghiệm cân bằng đó.
Bảng vận tốc khuyến nghị để chọn đường kính ống
Bảng sau tổng hợp vận tốc thường dùng khi tính sơ bộ đường kính ống. Đây là giá trị tham khảo từ tài liệu kỹ thuật, không phải giới hạn bắt buộc; hồ sơ thiết kế, tiêu chuẩn dự án hoặc khuyến cáo của nhà sản xuất thiết bị luôn được ưu tiên.
| Lưu chất, tuyến ống | Vận tốc tham khảo (m/s) | Lý do giới hạn |
|---|---|---|
| Nước, hút bơm | 0,5–1,5 (thường chọn gần 1,0) | Giữ NPSH khả dụng, tránh xâm thực và hút khí |
| Nước, đẩy bơm | 1,5–3,0 | Cân bằng giữa giá ống và điện năng bơm; tránh ồn, xói mòn |
| Nước cấp sinh hoạt trong nhà | 0,5–1,5 (khu phòng ở thấp hơn) | Hạn chế tiếng ồn và búa nước ở đầu van, vòi |
| Nước PCCC | Thấp hơn mức tối đa của tiêu chuẩn áp dụng; EN 12845 nêu tối đa 6 m/s qua van, công tắc dòng và 10 m/s ở vị trí khác | Giới hạn sụt áp, lực xung khi mở van, tải lên giá đỡ |
| Nước làm mát | 1,5–2,5 (có thể đến 3) | Dưới 1 m/s dễ đóng cặn, rêu; trên 3 m/s tăng xói mòn ở cút |
| Dầu, hút bơm | dưới 0,5 | Dầu nhớt cần vận tốc thấp để không sinh sụt áp lớn ở phía hút |
| Dầu, đẩy bơm | 1,0–2,0 (dầu càng nhớt càng chọn thấp) | Sụt áp tăng rất nhanh theo độ nhớt |
| Hơi bão hòa | 25–40 (5–10 bar tuyệt đối: khoảng 25–35) | Hơi ẩm cuốn giọt nước gây xói mòn, ồn, búa hơi |
| Khí nén, ống chính | 6–10 | Giữ sụt áp thấp, hạn chế cuốn nước ngưng |
| Khí nén, ống nhánh | 10–15 | Đoạn ngắn nên chấp nhận vận tốc cao hơn |
Giá trị cho nước lấy theo Engineering Toolbox về vận tốc nước trong ống, giá trị cho hơi và khí nén lấy từ các tài liệu thiết kế thông dụng; nguồn nào cũng ghi đây là hướng dẫn tham khảo.
Lý do đằng sau từng giới hạn
- Phía hút bơm: áp suất tại cổng hút bằng áp suất nguồn trừ đi cột áp vận tốc và sụt áp ma sát. Vận tốc cao làm NPSH khả dụng giảm, bơm dễ xâm thực (cavitation). Vì thế ống hút thường chọn lớn hơn ống đẩy một hoặc hai cỡ.
- Xói mòn: vận tốc và ứng suất cắt sát thành tăng thì lớp oxit bảo vệ bị bóc, nhất là sau cút và van. Nước có cát, hơi ẩm hoặc dầu lẫn hạt rắn xói mòn nhanh hơn.
- Ồn và rung: dòng xoáy sau van, cút phát tiếng ồn tăng mạnh theo vận tốc; trong nhà ở nên giữ dưới 1,5 m/s.
- Búa nước: xung áp khi đóng van đột ngột xấp xỉ Δp = ρ·a·Δv. Với nước trong ống thép, a khoảng 1.000–1.300 m/s; dòng 2 m/s bị chặn trong thời gian ngắn hơn 2L/a (L là chiều dài tuyến) có thể sinh xung khoảng 20–26 bar. Vận tốc cao làm hiện tượng búa nước nặng hơn.
- Giới hạn dưới: dưới khoảng 0,5–1 m/s, cặn và bùn lắng dần ở đáy ống nằm ngang, lâu ngày làm tiết diện thực nhỏ đi.
Ví dụ 1: chọn đường kính ống đẩy bơm cho 30 m³/h nước
Bơm ly tâm cấp nước lạnh 30 m³/h, ống thép carbon SCH 40, tuyến đẩy. Chọn vận tốc thiết kế v = 2,0 m/s (nằm giữa 1,5–3,0 m/s).
- Đổi đơn vị: Q = 30 / 3.600 = 0,00833 m³/s (8,33 L/s).
- Tiết diện cần: A = Q / v = 0,00833 / 2,0 = 0,004167 m².
- Đường kính ống tính được: D = √(4 × 0,00833 / (π × 2,0)) = 0,0728 m, tức khoảng 72,8 mm.
- Chọn DN thương mại: DN65 có đường kính trong 62,71 mm (nhỏ hơn 72,8 mm) và DN80 có 77,92 mm (lớn hơn). Chọn DN80.
- Tính lại vận tốc với đường kính trong thực của DN80 SCH 40: v = 0,00833 / (π/4 × 0,07792²) = 1,75 m/s.
Kết quả 1,75 m/s nằm trong khoảng khuyến nghị. DN65 cho 2,70 m/s, vẫn dưới 3,0 m/s nhưng sụt áp lớn gấp khoảng 3 lần (tỷ lệ (77,92/62,71)⁵ ≈ 2,96). Nếu tuyến dài hoặc bơm có cột áp sát yêu cầu, DN80 là lựa chọn an toàn; tuyến ngắn, ngân sách hạn chế thì DN65 chấp nhận được sau khi kiểm tra sụt áp.
Ví dụ 2: chọn đường kính ống hút cho cùng bơm
Cùng lưu lượng 30 m³/h nhưng tuyến hút chọn v ≈ 1,0 m/s. Đường kính ống hút tính được là D = √(4 × 0,00833 / (π × 1,0)) = 0,103 m, tức 103 mm. DN100 SCH 40 có đường kính trong 102,26 mm, vận tốc thực 1,01 m/s. DN100 phù hợp, trong khi DN80 cho 1,75 m/s là quá cao cho tuyến hút.
Cổng hút của bơm thường nhỏ hơn đường kính ống hút tính được (ví dụ cổng DN80 nhưng ống DN100). Khi đó đoạn ống DN100 chạy gần hết chiều dài và thu về DN80 ngay trước bơm bằng côn thu lệch tâm, mặt phẳng nằm ở phía trên để không tạo túi khí. Đặc điểm các loại côn thu inox có trong bài riêng.
Ví dụ 3: hơi bão hòa 1.000 kg/h ở 7 bar g
Cách tính đường kính ống hơi có thêm một bước: lưu lượng khối lượng phải đổi sang lưu lượng thể tích bằng thể tích riêng ở áp suất làm việc. Áp suất 7 bar g tương đương khoảng 8,0 bar tuyệt đối, hơi bão hòa ở 170 °C có thể tích riêng vg ≈ 0,240 m³/kg (tra bảng hơi nước, tính bằng thư viện IAPWS-IF97).
- Lưu lượng thể tích: Q = 1.000 kg/h × 0,240 m³/kg = 240 m³/h = 0,0667 m³/s.
- Chọn vận tốc 30 m/s (khoảng 25–35 m/s cho hơi bão hòa 5–10 bar tuyệt đối).
- Đường kính ống tính được: D = √(4 × 0,0667 / (π × 30)) = 0,0532 m, tức 53,2 mm.
- Chọn DN50 SCH 40, đường kính trong 52,51 mm. Vận tốc thực: 0,0667 / (π/4 × 0,05251²) = 30,8 m/s.
DN50 đạt yêu cầu. DN65 cho 21,6 m/s, thấp hơn khoảng khuyến nghị nên tốn ống mà không có lợi. Với tuyến hơi dài, áp suất giảm dọc đường làm thể tích riêng tăng, vận tốc cuối tuyến cao hơn; cần kiểm tra bằng sụt áp, chứ không dừng ở vận tốc đầu tuyến.
Đổi sang DN thương mại và kiểm tra đường kính trong theo SCH
Đường kính ống tính được là đường kính trong, trong khi DN là cỡ danh nghĩa, không trùng với đường kính trong hay đường kính ngoài (DN80 có OD 88,9 mm). Muốn biết ống DN nào đáp ứng, phải lấy đường kính ngoài (OD) và độ dày thành (t) theo ASME B36.10M cho ống thép, rồi tính ID = OD − 2t. Ý nghĩa mã độ dày SCH giải thích ở bài riêng.
Cùng DN80, SCH 40 có t = 5,49 mm và ID = 77,92 mm, còn SCH 80 có t = 7,62 mm và ID = 73,66 mm. Với 30 m³/h, vận tốc tăng từ 1,75 lên 1,96 m/s, tức thành dày làm vận tốc tăng khoảng 12 %. Bảng quy đổi giữa DN, NPS và phi nằm ở bài bảng quy đổi DN sang phi.
Bảng tra nhanh lưu lượng theo DN ở 1,5 và 2,5 m/s
Bảng tra nhanh đường kính ống dưới đây cho lưu lượng nước tương ứng với từng DN ở hai vận tốc 1,5 và 2,5 m/s. Giả định: ống thép SCH 40 theo ASME B36.10M, ID = OD − 2t, ống mới chảy đầy, nước; các con số tính bằng Python và làm tròn đến một chữ số thập phân.
| DN | NPS (inch) | OD (mm) | t SCH 40 (mm) | ID (mm) | Q ở 1,5 m/s (m³/h) | Q ở 2,5 m/s (m³/h) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DN15 | 1/2 | 21,3 | 2,77 | 15,8 | 1,1 | 1,8 |
| DN20 | 3/4 | 26,7 | 2,87 | 20,9 | 1,9 | 3,1 |
| DN25 | 1 | 33,4 | 3,38 | 26,6 | 3,0 | 5,0 |
| DN32 | 1 1/4 | 42,2 | 3,56 | 35,0 | 5,2 | 8,7 |
| DN40 | 1 1/2 | 48,3 | 3,68 | 40,9 | 7,1 | 11,8 |
| DN50 | 2 | 60,3 | 3,91 | 52,5 | 11,7 | 19,5 |
| DN65 | 2 1/2 | 73,0 | 5,16 | 62,7 | 16,7 | 27,8 |
| DN80 | 3 | 88,9 | 5,49 | 77,9 | 25,8 | 42,9 |
| DN100 | 4 | 114,3 | 6,02 | 102,3 | 44,4 | 73,9 |
| DN125 | 5 | 141,3 | 6,55 | 128,2 | 69,7 | 116,2 |
| DN150 | 6 | 168,3 | 7,11 | 154,1 | 100,7 | 167,8 |
| DN200 | 8 | 219,1 | 8,18 | 202,7 | 174,3 | 290,5 |
| DN250 | 10 | 273,1 | 9,27 | 254,5 | 274,7 | 457,9 |
| DN300 | 12 | 323,9 | 10,31 | 303,2 | 390,0 | 649,9 |
Cách dùng: lưu lượng 30 m³/h nằm giữa DN65 (16,7–27,8 m³/h) và DN80 (25,8–42,9 m³/h), nên DN80 phù hợp, trùng với ví dụ 1. Với ống cũ có cặn, ID thực nhỏ hơn bảng; tuyến đã vận hành nhiều năm nên trừ hao hoặc chọn lớn hơn một cỡ.
Kiểm tra sụt áp sau khi chọn đường kính ống
Vận tốc đạt khuyến nghị chưa đủ kết luận. Sau khi chọn đường kính ống, cần tính sụt áp của cả tuyến và so với cột áp bơm hoặc áp suất cho phép. Quy trình tóm tắt:
- Tính số Reynolds Re = ρ·v·D/μ để biết chế độ chảy.
- Tính hệ số ma sát f (Colebrook hoặc công thức Swamee–Jain) theo độ nhám ống.
- Tính tổn thất dọc đường theo Darcy–Weisbach: Δp = f·(L/D)·(ρv²/2).
- Cộng tổn thất cục bộ của cút, van, lọc, côn: Δp = K·ρv²/2.
- So tổng với áp suất khả dụng; nếu vượt thì tăng đường kính ống một cỡ DN và tính lại.
Toàn bộ phép tính sụt áp, bảng độ nhám và hệ số K nằm ở bài tổn thất áp suất đường ống; không lặp lại ở đây.
Lưu ý khi chọn đường kính ống cho khí, hơi, ống nhựa và cấp nước nhà
Khí nén và hơi: lưu lượng thay đổi theo áp suất
Cách tính đường kính ống khí nén cần quy đổi lưu lượng vì khí nén được: cùng một khối lượng khí chiếm thể tích nhỏ hơn nhiều ở áp suất cao. Lưu lượng máy nén thường ghi theo khí tự do (FAD) ở điều kiện hút; phải quy về lưu lượng thực ở áp suất ống trước khi thay vào công thức. Cách quy đổi nằm ở bài cách tính lưu lượng khí nén.
Ví dụ: máy nén cấp 600 m³/h khí tự do, áp suất ống 7 bar g (khoảng 8,0 bar tuyệt đối), bỏ qua chênh nhiệt độ. Lưu lượng thực = 600 × 1,013 / 8,013 ≈ 75,9 m³/h = 0,0211 m³/s. Chọn v = 8 m/s cho ống chính, D = 57,9 mm; DN65 SCH 40 (ID 62,71 mm) cho 6,8 m/s, còn DN50 cho 9,7 m/s.
Ống nhựa: đường kính trong phụ thuộc cấp áp
Ống thép giữ OD cố định theo DN và đổi SCH, còn ống nhựa PVC, PE cũng giữ OD nhưng độ dày thay đổi theo PN hoặc SDR. Ví dụ ống PE100 OD 110 mm theo bảng kích thước ISO 4427-2: SDR 11 có t = 10,0 mm (PN16) nên ID ≈ 90 mm; SDR 17 có t = 6,6 mm (PN10) nên ID ≈ 96,8 mm. Đây là độ dày danh nghĩa nhỏ nhất, ID thực thường nhỏ hơn một chút do dung sai dương. Phải lấy ID theo catalogue đúng cấp áp trước khi tính lại đường kính ống và vận tốc.
Cấp nước sinh hoạt trong nhà
Khi tính đường kính ống cấp nước trong nhà, không cộng thẳng công suất mọi vòi, vì không phải thiết bị nào cũng mở cùng lúc. Lưu lượng tính toán phải xét hệ số sử dụng đồng thời của thiết bị vệ sinh, theo phương pháp của tiêu chuẩn cấp nước bên trong hiện hành mà dự án áp dụng; sau đó mới chọn đường kính ống theo vận tốc 0,5–1,5 m/s. Hồ sơ dự án nên ghi rõ số hiệu và năm của tiêu chuẩn đang dùng.
Lỗi thường gặp khi tính và chọn đường kính ống
- Lấy DN ống bằng cỡ cổng bơm. Cổng bơm được chọn theo kết cấu bơm, không theo vận tốc tuyến ống. Tính đường kính ống theo lưu lượng rồi dùng côn thu để nối vào bơm.
- Quên đổi đơn vị. Thay Q = 30 (m³/h) vào công thức dùng m³/s cho đường kính ống khoảng 4.370 mm. Kết quả vô lý thì nên kiểm tra đơn vị đầu tiên.
- Dùng OD thay ID. Với DN80 SCH 40, tính bằng OD 88,9 mm cho vận tốc 1,34 m/s, thấp hơn thực tế 1,75 m/s khoảng 23 %.
- Bỏ qua độ dày thành. Khi đổi từ SCH 40 sang SCH 80 hoặc sang ống inox thành mỏng, ID đổi và đường kính ống hiệu dụng đổi theo.
- Dùng vận tốc nước cho hơi và khí. Khi chọn đường kính ống cho khí, thể tích đổi theo áp suất; với hơi, phải dùng thể tích riêng.
- Chỉ kiểm tra vận tốc, không tính sụt áp. Tuyến dài hoặc nhiều phụ kiện vẫn có thể thiếu cột áp dù vận tốc đạt.
Đưa kết quả vào quy trình thiết kế
Chọn cỡ ống thuộc bước 4 (chọn cỡ ống và độ dày thành) trong quy trình thiết kế đường ống, đứng sau bước chọn vật liệu và trước bước phân tích ứng suất, kiểm tra búa nước. Số liệu trong bài là giá trị tham khảo để tính sơ bộ đường kính ống; thiết kế chính thức phải đối chiếu tiêu chuẩn dự án.
Công ty Viva cung cấp van, phụ kiện và đồng hồ cho hệ thống ống tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội. Các tài liệu kỹ thuật cùng chủ đề có trong danh mục tài liệu đường ống và phụ kiện.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về cách tính đường kính ống
Cách tính đường kính ống từ lưu lượng m³/h như thế nào?
Đổi Q sang m³/s (chia 3.600), chọn vận tốc v theo loại tuyến, rồi tính D = √(4Q / (π·v)). Dạng rút gọn D (mm) ≈ 18,8·√(Q/v) với Q tính bằng m³/h. Sau đó chọn DN gần nhất và tính lại vận tốc, vì đường kính ống thương mại không trùng giá trị tính được.
Vận tốc nước trong ống bao nhiêu là hợp lý?
Đường đẩy bơm thường 1,5–3,0 m/s, đường hút 0,5–1,5 m/s, cấp nước trong nhà 0,5–1,5 m/s. Đây là giá trị tham khảo khi tính đường kính ống; tiêu chuẩn dự án hoặc nhà sản xuất thiết bị có thể quy định khác.
Ống hút bơm có được nhỏ hơn cổng hút của bơm không?
Không nên. Ống hút phải bằng hoặc lớn hơn cổng hút để giữ vận tốc thấp và NPSH khả dụng cao. Nếu cổng bơm nhỏ hơn thì dùng côn thu lệch tâm ngay trước bơm.
Đường kính trong của ống DN50 SCH 40 là bao nhiêu?
Theo ASME B36.10M, DN50 (NPS 2) có OD 60,33 mm và t = 3,91 mm ở SCH 40, nên ID = 60,33 − 2 × 3,91 = 52,51 mm. SCH 80 có t = 5,54 mm nên ID còn 49,25 mm.
Tính đường kính ống hơi khác ống nước ở điểm nào?
Cách tính đường kính ống hơi khác ở chỗ hơi nén được, nên phải đổi lưu lượng khối lượng (kg/h) sang thể tích bằng thể tích riêng ở áp suất làm việc, rồi mới dùng công thức. Vận tốc chọn cao hơn nhiều (25–40 m/s cho hơi bão hòa), và phải kiểm tra sụt áp dọc tuyến.
