Giá đỡ đường ống: phân loại, khoảng cách và cách tính tải

Giá đỡ đường ống là kết cấu đỡ ống, truyền tải trọng của ống, lưu chất và lớp bảo ôn xuống công trình, đồng thời cho phép hoặc chặn chuyển động của ống theo thiết kế. Một giá đỡ đường ống đặt sai vị trí hay sai loại có thể làm ống võng, mối hàn nứt hoặc thiết bị bị kéo lệch.

Giá đỡ ống chia thành ba nhóm chính: gối đỡ đặt dưới ống (cố định, trượt, dẫn hướng), giá treo từ trên xuống (ty ren, lò xo) và đai ôm giữ ống vào kết cấu, mỗi nhóm xử lý một kiểu tải và chuyển động.

Giá đỡ ống là bước cuối của hệ thống đường ống nhưng cần tính cùng lúc với tuyến ống, vì vị trí gối quyết định ứng suất của cả tuyến.

Chức năng của giá đỡ đường ống

Giá đỡ đường ống làm sáu việc, và một giá đỡ ống có thể kiêm nhiều việc:

• Đỡ tải trọng: gồm khối lượng bản thân ống, lưu chất bên trong và lớp bảo ôn. Khi thử thủy lực, ống khí và ống hơi cũng chứa đầy nước nên tải lớn hơn lúc vận hành.
• Kiểm soát độ võng: võng quá mức làm đọng nước ngưng, mất độ dốc và tăng ứng suất uốn.
• Dẫn hướng giãn nở: ống giãn dài theo nhiệt độ; gối trượt và gối dẫn hướng cho ống chạy đúng hướng.
• Giữ ống tại điểm neo: gối cố định chia tuyến thành từng đoạn để độ giãn không cộng dồn.
• Chống rung: hạn chế ống rung do bơm, máy nén hoặc dòng chảy xoáy.
• Chịu tải xung: lực ngắn hạn do búa nước, xả van an toàn hoặc động đất, cần snubber hoặc gối đủ cứng theo phương ngang.

Các loại giá đỡ đường ống

Gối cố định, gối trượt và gối dẫn hướng

Gối cố định (anchor) chặn ống ở mọi hướng. Gối này chịu lực ma sát của các gối trượt, lực do giãn nở và, khi trên đoạn ống có khớp giãn nở không giằng, cả lực đẩy do áp suất, nên chân đế và bu lông neo phải tính cho các lực đó, chứ không dừng ở trọng lượng ống.

Gối trượt (sliding support, shoe) chỉ đỡ tải đứng, cho ống trượt dọc trục khi giãn nở. Mặt tiếp xúc thường là thép trên thép (hệ số ma sát hay lấy khoảng 0,3) hoặc tấm PTFE trên inox (khoảng 0,1), giá trị tham khảo dùng trong tính ứng suất. Giới hạn nhiệt của tấm PTFE dán keo lấy theo hãng; ống rất nóng dùng đế cao để tách nhiệt. Với ống có bảo ôn, người ta hàn đế (shoe) vào ống để lớp bảo ôn không bị ép khi ống trượt.

Gối dẫn hướng (guide) chặn ống chuyển động ngang nhưng cho ống chạy dọc theo trục. Gối này giữ ống không cong mất ổn định khi bị nén, đặc biệt quanh khớp giãn nở.

Giá treo cứng

Giá treo cứng treo ống từ dầm hoặc trần bằng ty ren và có nhiều dạng:

• Cùm U (U-bolt): bu lông hình chữ U ôm ống vào thanh đỡ, dùng cho ống nhỏ và trung bình.
• Đai treo quả bí (swivel ring hanger): đai một mảnh hình giọt nước treo vào ty ren qua khớp xoay, chỉnh cao độ bằng đai ốc. Kiểu chữ U có chốt ngang gọi là đai treo clevis.
• Đai ôm ống và cùm ống: vòng kim loại siết ống vào dầm, tường hoặc giá, xem thêm danh mục đai ôm ống.

Loại giá đỡ ống này chỉ hợp khi ống chuyển vị đứng nhỏ. Ty ren dài cho phép ống dịch ngang, nhưng góc nghiêng của ty phải nhỏ để tải không bị lệch tâm; nhiều chỉ dẫn kỹ thuật dựa trên MSS SP-58 giới hạn không quá 4° so với phương đứng giữa trạng thái nguội và nóng.

Chủng loại, vật liệu và thiết kế giá treo được chuẩn hóa trong ANSI/MSS SP-58-2018. Bản này kế thừa phần lớn nội dung của MSS SP-69, SP-77, SP-89 và SP-90 (đã hủy).

Giá treo lò xo biến tải và hằng tải

Khi ống dịch chuyển đứng do giãn nở, ty cứng sẽ chuyển tải sang các gối kế bên. Giá đỡ ống kiểu lò xo giải quyết việc đó. Biến tải (variable spring): tải đỡ thay đổi theo độ nén lò xo theo công thức F = k · x, nên chỉ dùng khi chuyển vị nhỏ; thông lệ chỉ dẫn kỹ thuật giới hạn độ thay đổi tải giữa trạng thái nguội và nóng không quá 25 %. Hằng tải (constant spring): cơ cấu đòn bẩy kết hợp lò xo giữ tải gần như không đổi suốt hành trình, dùng cho chuyển vị đứng lớn hoặc thiết bị nhạy với tải.

Lò xo còn dùng để cách ly rung. Với bơm hoặc quạt đặt trên sàn, tham khảo các loại lò xo chống rung.

Giảm chấn (snubber)

Snubber là cơ cấu cơ khí hoặc thủy lực gần như không cản chuyển động chậm (giãn nở) nhưng khóa lại khi ống bị giật nhanh (động đất, búa nước, xả van an toàn). Snubber thường lắp ở nhà máy điện và nhà máy hóa chất. Hệ thống sprinkler PCCC chống động đất thường dùng giằng chống lắc (sway brace) theo NFPA 13 chứ không dùng snubber.

Bảng so sánh nhanh

Khoảng cách giá đỡ ống thép

Khoảng cách giá đỡ ống thép lấy theo bảng gợi ý Table 121.5 của ASME B31.1 (Power Piping), gồm hai cột: ống mang nước và ống hơi, khí, không khí. Bảng này cho nhịp tối đa trên đoạn ống thẳng, nằm ngang, loại tiêu chuẩn trở lên (standard weight và nặng hơn). Mục đích là kiểm soát độ võng và ứng suất uốn.

Điều kiện áp dụng của bảng, theo ghi chú của B31.1:

• Ống thẳng nằm ngang, nhiệt độ làm việc tối đa khoảng 400 °C.
• Giả định dầm hai đầu ngàm, ứng suất uốn không quá khoảng 15,9 MPa (2.300 psi), tuyến có độ dốc sao cho võng 2,5 mm giữa hai gối vẫn chấp nhận được.
• Cột nước: giả định ống đầy nước và có bảo ôn; cột hơi/khí: giả định trọng lượng tương đương ống thép.
• Không áp dụng khi có tải tập trung giữa hai gối (van, mặt bích, đồng hồ) hoặc khi đã tính nhịp riêng.

Khoảng cách giá đỡ ống trong bảng là giá trị gợi ý. Công trình theo hồ sơ thiết kế và tiêu chuẩn áp dụng; với ống lớn, nhiệt độ cao hoặc nhiều tải tập trung cần tính ứng suất riêng. Thông tin về vật liệu và kích thước xem bài ống thép.

Khoảng cách giá đỡ ống nhựa

Ống nhựa có mô đun đàn hồi thấp hơn thép nhiều và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng, nên khoảng cách giá đỡ ống nhựa nhỏ hơn và phải giảm theo nhiệt độ lưu chất. Bảng khoảng cách giá đỡ ống dưới đây là giá trị tham khảo cho ống PVC cứng Schedule 40, đổi từ bảng của ASHRAE Handbook 2021 (qua Engineers Edge, đơn vị ft) sang mét.

Các số liệu này áp dụng cho ống mang chất lỏng, không bảo ôn, đoạn thẳng nằm ngang, không tải tập trung. Ống uPVC hệ mét theo TCVN có độ dày khác Schedule 40, nên tra bảng của nhà sản xuất ống. uPVC cứng dùng cho nước lạnh; trên khoảng 60 °C ống mất nhiều độ cứng nên cần chọn loại khác, xem bài ống nhựa.

Với các vật liệu khác, khoảng cách giá đỡ ống phụ thuộc loại nhựa và cấp áp suất:

• PP (Schedule 40, DN50): khoảng 0,9 m ở 16 °C và còn khoảng 0,6 m ở 82 °C, theo bảng của Engineering Toolbox.
• HDPE: bản tin kỹ thuật PP 815-TN của Performance Pipe (Chevron Phillips) ghi nhịp cho ống PE 4710 đầy nước ở 23 °C. Với DR11, cỡ IPS 4, 6 và 8 inch có nhịp khoảng 2,1; 2,5 và 2,9 m. Nhà sản xuất ghi giới hạn độ võng dài hạn không quá 25 mm.
• PP-R, CPVC: dùng bảng của nhà sản xuất cho đúng cấp áp suất và nhiệt độ. Không dùng bảng thép cho ống nhựa.

Ống nhựa còn giãn nhiệt nhiều hơn ống thép. Với hệ số giãn nở khoảng 0,05–0,07 mm/m·°C của PVC, lấy 0,06, ống dài 10 m tăng 30 °C sẽ dài thêm 0,06 × 10 × 30 = 18 mm. Vì vậy ống nhựa cần đai không siết chặt, chừa khe để ống trượt, và có điểm cố định để hướng giãn nở.

Tính tải trọng một giá đỡ ống

Tải trọng lên một giá đỡ ống giữa tuyến xấp xỉ bằng trọng lượng ống, lưu chất và bảo ôn trên chiều dài bằng nhịp, vì mỗi gối đỡ nửa nhịp mỗi bên. Công thức: F = w · L, trong đó w là khối lượng trên mét (kg/m) và L là nhịp (m).

Công thức này coi mỗi nhịp là dầm tựa đơn. Ống thật là dầm liên tục: với các nhịp đều, gối thứ hai tính từ đầu tuyến chịu khoảng 1,1 wL (1,25 wL nếu chỉ có hai nhịp), gối đầu tuyến khoảng 0,4 wL. Vì vậy khi chọn gối nên cộng thêm dự phòng khoảng 10–25 %.

Ví dụ ống thép DN100 SCH40 đầy nước, nhịp 4 m. Ống có đường kính ngoài 114,3 mm, thành dày 6,02 mm nên đường kính trong 102,3 mm:

• Khối lượng thép: π/4 × (0,1143² − 0,1023²) × 7.850 ≈ 16,1 kg/m.
• Khối lượng nước: π/4 × 0,1023² × 1.000 ≈ 8,2 kg/m.
• Tổng w ≈ 24,3 kg/m, nên F = 24,3 × 4 ≈ 97 kg, tức khoảng 0,95 kN.

Nếu ống có bảo ôn bông khoáng dày 40 mm và vỏ nhôm, thêm khoảng 2,9 kg/m: w ≈ 27,2 kg/m và F ≈ 109 kg. Gối nằm cạnh một van bích DN100 nặng giả định 35 kg sẽ chịu thêm phần đó, tổng khoảng 144 kg, tức khoảng 1,4 kN. Gối ở đầu tuyến chịu khoảng 0,4–0,5 nhịp, chưa kể phần ống nhô ra.

Kiểm tra độ võng cho ống không bảo ôn theo giả thiết dầm tựa đơn (bảo thủ hơn giả thiết ngàm của bảng B31.1): δ = 5·w·L⁴ / (384·E·I). Lấy E = 200 GPa, I = 3,01 × 10⁶ mm⁴, w = 24,3 kg/m (khoảng 238 N/m), L = 4 m cho δ ≈ 1,3 mm; theo giả thiết ngàm hai đầu chỉ khoảng 0,26 mm, đều nhỏ hơn 2,5 mm của bảng B31.1. Tải dùng để chọn ty ren và đai phải lấy từ bảng tải của nhà sản xuất, cộng dự phòng cho rung và thử áp.

Vị trí bắt buộc có giá đỡ ống

Ngoài khoảng cách giá đỡ ống đều theo bảng, các vị trí sau cần có gối trong phạm vi gần:

• Gần van, nhất là van điều khiển và van bi cỡ lớn: tải tập trung, không được để mặt bích van gánh. Xem các phụ kiện đường ống nặng cần gối riêng.
• Gần mặt bích và mối nối cơ khí: giảm mô-men uốn lên gioăng.
• Sát đầu bơm: đỡ ống bằng gối riêng để bích bơm chỉ chịu lực nhỏ nhất.
• Chỗ đổi hướng (cút, tê): lực đổi hướng và tải lệch tâm tăng, cần gối cách cút một khoảng ngắn.
• Hai phía khớp nối mềm: xem phần bên dưới.
• Đầu ống chờ (ống công-xon): không để nhô dài không được đỡ.

Neo cố định và dẫn hướng quanh khớp nối

Khớp nối mềm không chịu được lực đẩy do áp suất và không đỡ được ống. Vì vậy với khớp không giằng cần gối cố định ở hai phía để lực đẩy truyền xuống kết cấu, và gối dẫn hướng gần khớp để ống chỉ chạy dọc trục. Nếu không bố trí được neo, chọn khớp có thanh giằng siết sát chịu lực đẩy, chấp nhận khớp mất khả năng bù dọc trục. Nếu thiếu neo, khớp bị kéo dãn quá hành trình và hỏng sớm.

Vật liệu và chống ăn mòn điện hóa

Giá đỡ đường ống thường dùng thép carbon mạ kẽm nhúng nóng cho ngoài trời, thép sơn cho trong nhà, inox 304 hoặc 316 cho môi trường ẩm, hóa chất hoặc thực phẩm.

Ăn mòn điện hóa xảy ra khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc trong môi trường có nước hoặc ẩm. Kim loại hoạt động hơn (anode) bị ăn mòn nhanh. Đai thép carbon ôm ống đồng sẽ bị gỉ ở chỗ tiếp xúc. Đai thép carbon ôm ống inox vừa gỉ đai, vừa để sắt bám lên bề mặt inox và gây gỉ vết.

Cách xử lý:

• Lót giữa đai và ống bằng đệm cao su EPDM, PVC hoặc neoprene dày 2–3 mm.
• Chọn đai cùng nhóm vật liệu: đai inox cho ống inox, đai đồng hoặc đai bọc nhựa cho ống đồng.
• Mạ kẽm nhúng nóng cho đai ngoài trời, sơn lại chỗ hàn.
• Không hàn đai trực tiếp lên thành ống áp lực mỏng; dùng đế hàn hoặc tấm đệm.

Lỗi thường gặp khi lắp giá đỡ ống ngoài hiện trường

• Treo ống vào ống khác: ống đỡ bị quá tải và truyền rung qua nhau. Mỗi ống phải có giá đỡ ống riêng.
• Dùng gối cố định khắp nơi: ống không giãn được, nứt mối hàn hoặc bung bích. Chỉ đặt gối cố định tại điểm neo đã tính.
• Siết chặt đai trên ống nhựa nóng: ống nhựa giãn và co, đai siết cứng làm ống cong vênh ở chỗ đai, đôi khi nứt. Dùng đai rộng ít nhất nửa đường kính ống, ôm tối thiểu 120° đáy ống, mép bo tròn (theo hướng dẫn của Performance Pipe cho ống PE).
• Lấy khoảng cách giá đỡ ống theo bảng nước cho ống lớn có bảo ôn và nhiều van: bảng không tính tải tập trung; phải thêm gối gần van.
• Quên tải khi thử thủy lực: ống khí lớn đầy nước nặng hơn nhiều lúc vận hành, cần gối tạm.
• Ty ren quá ngắn hoặc nghiêng: ống dịch ngang làm ty nghiêng quá khoảng 4°, tải lệch và đai tuột khỏi vị trí. Với ống nóng, lệch sẵn ty ngược chiều chuyển vị khi lắp nguội theo bản vẽ giá treo.
• Đặt gối lên ống nhánh hoặc thiết bị mỏng: tải không xuống được kết cấu.

Nguyên tắc chung: giá đỡ đường ống được thiết kế cùng lúc với tuyến ống, không bổ sung sau khi lắp xong. Quy trình xem tại thiết kế đường ống, nơi giá đỡ ống nằm trong bước tính ứng suất.

Về cấu tạo các loại giá đỡ ống, trang Pipe support (Wikipedia) liệt kê gối cứng, gối lò xo và snubber, phù hợp để tra cứu thuật ngữ.

Kết luận: chọn loại gối theo chuyển động cần cho phép

Giá đỡ đường ống phải đỡ đủ tải, chặn đúng hướng và cho ống chuyển động đúng hướng. Dùng bảng khoảng cách giá đỡ ống để định vị gối, tính tải bằng F = w · L có dự phòng dầm liên tục, rồi thêm gối ở van, bích, đầu bơm, chỗ đổi hướng.

Viva cung cấp tài liệu kỹ thuật và vật tư đường ống tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội. Các bài kỹ thuật liên quan nằm trong danh mục tài liệu đường ống.

Câu hỏi thường gặp về giá đỡ ống