Xây dựng một hệ thống đường ống vô cùng phức tạp, cần phải trải qua nhiều công đoạn. Trong đó, quy trình thiết kế đường ống là một trong những bước đầu và quan trọng nhất của xây dựng hệ thống. Vậy, thiết kế đường ống là gì? Tầm quan trọng và quy trình thiết kế đường ống là gì? Cùng tìm hiểu khái quát trong bài viết dưới đây.

Thiết kế đường ống là gì?

Thiết kế đường ống là toàn bộ các quy trình được thực hiện để tạo ra một hệ thống đường ống hoàn chỉnh bao gồm việc tạo ra sơ đồ và các thông số kỹ thuật chi tiết cần thiết để xây dựng nên một hệ thống hoàn thiện.
Đường ống hay hệ thống đường ống là một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm có nhiều thành phần, nhiều thiết bị, van, phụ kiện thực hiện các chức năng khác biệt, hỗ trợ cho nhau, cho phép hệ thống đường ống hoạt động và thực hiện đúng chức năng theo yêu cầu. Chức năng chính của đường ống thường là vận chuyển, hoặc dự trữ các loại lưu chất lỏng, khí, hơi… phục vụ các mục đích khác nhau trong các quá trình khác nhau của nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Một số công việc cần làm trong quá trình thiết kế đường ống như thiết kế sơ đồ, bố trí đường ống, vị trí đường ống, xác định các van, phụ kiện và thiết bị cần thiết trong hệ thống, lựa chọn vật liệu, kích thước chính xác để đảm bảo thiết kế chính xác, hoạt động an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy.

Tầm quan trọng của thiết kế đường ống

Thiết kế đường ống là một quy trình, một bước vô cùng quan trọng trong xây dựng các hệ thống đường ống của nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Bởi đây là quy trình bước đầu nên chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động, an toàn và hiệu suất hệ thống tổng thể.

Việc thực hiện sai quy trình sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến hoạt động của hệ thống, cũng như gây tổn thất kinh tế, khi thiết kế sai, lắp đặt sai, phải sửa chữa lại gây tốn thời gian, tốn thêm chi phí, nó có thể là một khoản khổng lồ đặc biệt đối với các hệ thống lớn.

Tầm quan trọng của thiết kế đường ống trong một số ngành công nghiệp đó là:

Ngành công nghiệp dầu khí: Trong ngành công nghiệp dầu khí, hệ thống đường ống đóng vai trò quan trọng trong các quy trình như khai thác, vận chuyển, lọc… Thiết kế đường ống trong ngành công nghiệp dầu khí cần phải đảm bảo khả năng xử lý an toàn và hiệu quả trong điều kiện áp suất cao, nhiệt độ cao.
Ngành công nghiệp hóa chất: Thiết kế đường ống trong ngành công nghiệp hóa chất cần phải đảm bảo rằng chúng tương thích hóa học, áp suất cũng như nhiệt độ…
Ngành công nghiệp xử lý nước: Trong ngành công nghiệp xử lý nước, hệ thống thực hiện chức năng phân phối nước sạch và xử lý nước thải. Vì vậy, thiết kế đường ống phải đảm bảo tương thích với các chất xử lý nước và nước sạch.
Ngành công nghiệp sản xuất: Ngành công nghiệp sản xuất bao hàm nhiều lĩnh vực khác nhau, vận chuyển nhiều loại lưu chất khác nhau như nước, hơi nước, nước làm mát, khí nén, hóa chất, nguyên vật liệu…thiết kế đường ống phải đảm bảo duy trì hiệu quả sản xuất, giảm mức tiêu thụ năng lượng.

Cơ bản về thiết kế đường ống

Quy tắc, tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật (Piping codes, Standards, and Specifications)

Trong thiết kế đường ống, việc tuân thủ các quy tắc, tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật là điều bắt buộc để đảm bảo việc xây dựng và hoàn thành các hệ thống một cách chính xác, an toàn, đáp ứng các yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu về sức khỏe, môi trường…

Các quy tắc, tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật được đề ra bởi các tổ chức có trách nhiệm liên quan. Một số tiêu chuẩn thông dụng như ASTM của Hoa Kỳ, British standard của Anh, DIN của Đức, AFNOR của Pháp, JIS của Nhật Bản, ISO…

Quy tắc đưa ra các yêu cầu chung đối với thiết kế, vật liệu, chế tạo, xây dựng, kiểm tra và thử nghiệm hệ thống đường ống quy trình.
Tiêu chuẩn đưa ra thông số thiết kế chi tiết hơn về kích thước, dung sai tiêu chuẩn cho các thành phần đường ống riêng lẻ như van, đường ống, phụ kiện và các thiết bị khác để hoàn thành hệ thống đường ống.
Đặc điểm kỹ thuật cung cấp dữ liệu và số liệu cụ thể hơn về các thành phần có trong hệ thống đường ống.

Các thành phần của hệ thống đường ống

Ống

Ống là thành phần quan trọng và tất yếu trong hệ thống ống, là động mạch chính để vận chuyển lưu chất, cho phép các lưu chất lưu thông và được vận chuyển đến các vị trí khác nhau trong hệ thống. Ống có thể được cấu trúc từ nhiều loại vật liệu khác nhau, kích cỡ khác nhau và độ dày thành khác nhau. Việc lựa chọn ống trong thiết kế đường ống như nào cần cân nhắc vào điều kiện, đặc điểm hệ thống, đặc trưng lưu chất vận chuyển và điều kiện vận hành.
Ống có thể được phân biệt dựa vào vật liệu như ống thép, ống inox, ống pvc, ống composite… cũng có thể được phân loại dựa vào phương pháp sản xuất như ống đúc, ống hàn…

Phụ kiện

Phụ kiện là thành phần được sử dụng để liên kết các chi tiết, các ống trong hệ thống ống. Chúng thực hiện chức năng liên kết, kết nối thông thường hoặc thực hiện chức năng thay đổi hướng, chia nhánh, gộp nhánh đường ống.
Một số loại phụ kiện thông dụng thường thấy như cút, tê, măng sông, côn thu, kép, rắc co… Cút thực hiện chức năng thay đổi hướng, tê nối cho phép kết nối ba nhánh ống với nhau, côn thu cho phép thay đổi kích thước đường ống, kép, măng sông, rắc co cho phép kết nối ống thẳng.

Van

Van thực hiện nhiều chức năng khác nhau, được phân thành các loại chính theo chức năng là van điều khiển, van 1 chiều, van an toàn, van giảm áp, bộ lọc:

Van điều khiển thực hiện điều khiển đóng ngắt, cách ly hoặc điều tiết lưu lượng của dòng chảy. Một số loại van điều khiển phổ biến bao gồm van cổng, van cầu, van bi, van bướm…Từng loại có đặc trưng khác nhau, khả năng điều khiển và kiểm soát khác nhau.
Van 1 chiều thực hiện chức năng ngăn chặn dòng chảy ngược, điều hướng dòng chảy trong đường ống chỉ được phép chảy theo một hướng nhất định, cách ly khi chúng chảy theo hướng ngược lại.
Van an toàn bảo vệ an toàn của hệ thống khỏi tình trạng quá áp, chúng xả và loại bỏ áp suất dư thừa để đưa áp suất trở về mức an toàn. Là thiết bị an toàn đầu cuối trong hệ thống.
Van giảm áp cho phép điều chỉnh áp suất trong hệ thống, cho phép duy trì áp suất trong hệ thống một cách ổn định.
Bộ lọc giúp ngăn chặn và loại bỏ các tạp chất, rác, cặn bẩn không đi vào hệ thống, bảo vệ hệ thống khỏi các tác động do các tác nhân này gây ra. Có hai loại bộ lọc thông dụng nhất hiện tại là lọc y và lọc T

Mặt bích

Mặt bích được sử dụng để kết nối các van với đường ống hay các thiết bị khác với đường ống, sử dụng với các van nối bích. Cho phép lắp đặt và tháo rời các van và thiết bị dễ dàng.

Giá đỡ

Giá đỡ bao gồm một số loại giá chân, móc treo, đai ôm ống…các giá này cho phép duy trì ổn định đường ống, van, tránh tình trạng võng ống, rung, hay các ứng suất khác do trọng lượng của van, tác động của dòng chảy và rung chấn do các thiết bị gây ra.

Vật liệu sử dụng trong thiết kế đường ống

Kim loại

Kim loại là vật liệu phổ biến được sử dụng trong thiết kế đường ống. Vật liệu kim loại có các đặc điểm chung là chúng bền bỉ, độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt, chịu áp tốt. Vật liệu kim loại được sử dụng trong sản xuất đường ống, phụ kiện, van và các thiết bị khác trong hệ thống. Một số vật liệu kim loại phổ biến đó là:

Thép: Vật liệu thép có độ bền cơ học rất tốt, chịu áp tốt, bền, cứng, chống biến dạng, chịu nhiệt cao, rất phù hợp với các ứng dụng nhiệt cao, áp cao, tuy nhiên cần cân nhắc về độ bền hóa học, khả năng chống ăn mòn, chống gỉ sét của chúng không tốt, không tương thích với các lưu chất ăn mòn. Một số vật liệu thép như thép carbon, thép hợp kim…
Inox: Inox là một loại thép không gỉ, chúng mang lại các tính chất cơ học tương tự như thép, đảm bảo độ bền, độ cứng, chống biến dạng, chịu áp, chịu nhiệt. Bên cạnh đó, loại vật liệu này còn mang lại khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa, chống gỉ sét rất tuyệt vời, chúng cho phép tương thích với các hệ thống liên quan đến hóa chất ăn mòn. Inox có một số mã phổ biến như inox 201, inox 304, inox 316…

Nhựa

Vật liệu nhựa có đặc trưng về trọng lượng rất nhẹ, vật liệu phi kim loại nên không bị oxy hóa, bị gỉ sét, tuy nhiên cần cân nhắc về khả năng chịu nhiệt và chịu áp của vật liệu này, chúng phù hợp với các ứng dụng áp suất thấp và nhiệt độ thấp hơn. Một số vật liệu nhựa thông dụng là:

PVC: Sử dụng phổ biến tại các hệ thống cấp thoát nước, dẫn nước trong nước sạch, nước sinh hoạt, nước tưới tiêu…
HDPE: Vật liệu HDPE chống va đập tốt hơn, sử dụng phổ biến trong phân phối nước và khí đốt.

Những cân nhắc về thiết kế hệ thống

Đặc điểm lưu chất

Xác định loại lưu chất mà hệ thống sẽ xử lý, thuộc loại lưu chất lỏng, khí hay hơi. Một số loại chất lỏng như nước, dầu, hóa chất, dung môi… có sự khác biệt về độ nhớt, mật độ… một số loại chất khí như không khí, khí nén…khác biệt về khả năng nén, áp suất, nhiệt độ…
Nhiệt độ và áp suất của lưu chất mà hệ thống sẽ xử lý cũng là yếu tố vô cùng quan trọng cần phải xác định được. Nhiệt độ quá cao, quá thấp, áp suất quá cao, quá thấp so với thiết kế đều ảnh hưởng đến chất lượng, độ bền và hoạt động của hệ thống. Vì vậy, việc xác định áp suất, nhiệt độ để lựa chọn vật liệu, độ dày, thiết kế phù hợp là cần thiết.

Điều kiện môi trường và hoạt động

Các yếu tố môi trường bên ngoài cũng ảnh hưởng rất nhiều đến hệ thống. Một số yếu tố quan trọng cần quan tâm như nhiệt độ bên ngoài, yếu tố ăn mòn và khả năng tiếp cận. Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu, điều kiện độ ẩm, tính ăn mòn ảnh hưởng đến chất lượng, độ bền, khả năng tiếp cận ảnh hưởng đến khả năng bảo dưỡng, bảo trì của hệ thống.

Quy định và tiêu chuẩn thiết kế đường ống

Một điều quan trọng là tất cả quy trình thiết kế đường ống đều phải đảm bảo tuân thủ các quy tắc, tiêu chuẩn để chắc chắn rằng thiết kế đường ống chính xác, an toàn, hiệu suất… Một số tiêu chuẩn phổ biến và thông dụng là: ASME, ANSI, ASTM, ISO, API, NACE…

Quy trình thiết kế đường ống

Lên kế hoạch ban đầu

Hiểu về dự án: Trước hết, cần phải hiểu về dự án và yêu cầu của dự án. Tìm hiểu các thông tin về đặc điểm lưu chất như nhiệt độ, áp suất, độ nhớt, tính ăn mòn, lưu lượng… và các yêu cầu cụ thể khác. Và cần phải xác định được phạm vi của dự án, các mốc thời gian cụ thể của từng giai đoạn cũng như chi phí và ngân sách dự tính.

Điều cơ bản là cần phải hiểu rằng một dự án cần đi theo các giai đoạn sau, bất kể dự án đó lớn hay nhỏ:

Giai đoạn khả thi (nghiên cứu tính khả thi)
Giai đoạn thiết kế cơ sở
Front-End Engineering Development (FEED)
Kỹ thuật chi tiết
Giai đoạn thi công xây dựng
Giai đoạn tiền vận hành và vận hành thử
Khởi động và bàn giao.

Phát triển, thiết kế đường ống

Tạo và thiết kế P&ID (sơ đồ đường ống và thiết bị đo lường) để có thể xác định cơ bản các thiết bị, đường ống, van và thiết bị đo lường có trong đường ống, vị trí cơ bản của từng thiết bị trong đường ống, hướng dòng chảy trong đường ống. Cho phép xác định cơ bản, theo dõi tổng quát toàn bộ hệ thống.

Mô hình hóa và bố trí 3D để có cái nhìn chính xác hơn về bố cục và khoảng cách tránh những sai sót và hiểu lầm không đáng có.

Phân tích ứng suất thiết kế đường ống

Đưa ra phân tích ứng suất thiết kế đường ống để chắc chắn rằng đường ống hoạt động tốt và chịu được ứng suất này mà không bị biến dạng, hỏng hóc, bảo vệ tính toàn vẹn của hệ thống.

Lựa chọn vật liệu

Vật liệu là một yếu tố quan trọng cần quan tâm trong quá trình thiết kế đường ống. Lựa chọn vật liệu phù hợp đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác, bền bỉ, an toàn. Việc lựa chọn vật liệu cần phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như loại lưu chất xử lý, nhiệt độ, áp suất, tính ăn mòn…

Dự toán chi phí và lập ngân sách

Lên kế hoạch tỉ mỉ và chi tiết cũng như dự toán chi phí cẩn thận để tránh tình trạng thiếu hụt ngân sách và đảm bảo rằng phân bổ tiền một cách hợp lý nhất. Phân chi phí thành nhiều nguồn riêng biệt như chi phí nhân công, chi phí vật liệu, chi phí thiết bị, chi phí phát sinh…

Sản xuất, lắp ráp, lắp đặt

Sản xuất, chế tạo

Sản xuất, chế tạo bao gồm các công việc uốn, cắt, tạo hình, hàn các ống riêng lẻ và các bộ phận của đường ống khác nhau.

Lắp ráp, lắp đặt

Việc lắp ráp, lắp đặt đường ống đề cập đến việc đặt các cụm đường ống, van và các hạng mục đường ống đặc biệt khác được chế tạo ở vị trí cuối cùng của chúng để kết nối máy bơm, máy nén, bộ trao đổi nhiệt, tuabin, nồi hơi và các hạng mục khác của thiết bị xử lý.

Kiểm tra và thử nghiệm

Các phương pháp kiểm tra:

Kiểm tra trực quan: Kiểm tra trực quan là phương pháp kiểm tra bằng mắt thường, theo dõi và xác định các bất thường, khiếm khuyết có thể nhìn thấy được. Phương pháp kiểm tra đơn giản, sơ khai, không cần sử dụng các thiết bị hỗ trợ. Là phương pháp đầu tiên và phổ biến nhất của phương pháp kiểm tra không phá hủy. Có thể thực hiện kiểm tra toàn bộ hoặc một phần của hệ thống đường ống.
Kiểm tra thẩm thấu: Kiểm tra thẩm thấu cũng là một phương pháp kiểm tra không phá hủy. Cho phép kiểm tra, phát hiện các khuyết tật, khiếm khuyết tại các mối hàn cũng như tại các bộ phận khác. Chất thẩm thấu được phủ lên bề mặt, để nghỉ 10-20 phút, chất thẩm thấu sẽ bị hút vào các khiếm khuyết, lỗ rỗng dựa vào hiện tượng mao dẫn. Chất thẩm thấu dư thừa sau đó được loại bỏ khỏi bề mặt, tạo độ tương phản trực quan tốt cho các khuyết tật. Lúc này có thể dễ dàng kiểm tra khiếm khuyết thông qua việc kiểm tra trực quan, với chất thẩm thấu màu đỏ sử dụng ánh sáng trắng, với chất thẩm thấu màu huỳnh quang sử dụng ánh sáng cực tím.

Phương pháp kiểm tra hạt từ: Phương pháp kiểm tra hạt từ cũng là phương pháp kiểm tra không phá hủy, hoạt động dựa trên tính liên tục và đồng nhất của các đường sức từ trừ khi có sự xáo trộn gây ra bởi một lỗ hổng. Tại vị trí lỗ hổng, từ trường sinh ra mạnh hơn so với cục bộ và nó thu hút các hạt từ tính nghiền mịn, từ đó có thể cung cấp một chỉ dẫn trực quan, làm cho các khuyết tật, khiếm khuyết có thể nhìn thấy được bằng mắt thường thông qua phương pháp kiểm tra trực quan. Một lớp bột từ được rắc và phun lên bề mặt vật kiểm tra, sử dụng nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu để từ hóa vùng kiểm tra, vị trí nào bột từ bị hút có nghĩa là có lỗ hổng.

Phương pháp kiểm tra X-Quang: Là phương pháp kiểm tra không phá hủy. Phương pháp này cho phép phát hiện các khuyết tật, khiếm huyết dựa vào tia X-Quang được thể hiện qua phim. Phương pháp này tốn kém và thường chỉ được thực hiện trong các phòng thí nghiệm.
Phương pháp kiểm tra siêu âm: Cũng là phương pháp kiểm tra không phá hủy. Sử dụng sóng âm thanh tần số cao (100kHz-10MHz) được truyền dưới dạng chùm tia qua chi tiết gia công. Khi chùm tia này gặp một khuyết tật, nó sẽ phản xạ trở lại nguồn.

Thử nghiệm đường ống:

Trước khi đưa hệ thống vào hoạt động, công việc thử nghiệm là rất cần thiết để đảm bảo tính toàn vẹn cũng như khả năng chịu áp lực của nó. Một số phương pháp được sử dụng rộng rãi trong thử nghiệm đường ống đó là:

Thử nghiệm thủy tĩnh: Phương pháp thử nghiệm thủy tĩnh sử dụng nước hoặc chất lỏng khác dưới áp suất.
Thử nghiệm khí nén: Sử dụng không khí hoặc khí khác dưới áp suất
Thử nghiệm thủy tĩnh kết hợp khí nén: Kết hợp giữa chất lỏng và khí để thử nghiệm.
Thử nghiệm dịch vụ ban đầu: Kiểm tra rò rỉ khi hệ thống lần đầu tiên được đưa vào hoạt động.
Thử nghiệm chân không: Sử dụng áp suất âm để kiểm tra sự rò rỉ.

Kết luận: Thiết kế đường ống là một bước, một quy trình vô cùng quan trọng trong xây dựng hệ thống đường ống. Trong quá trình thiết kế đường ống có một số yếu tố cần phải quan tâm, các quy tắc, tiêu chuẩn, thông số kỹ thuật thông dụng ISO, ASTM, DIN, JIS. Các thành phần cơ bản trong một hệ thống bao gồm: ống, van, phụ kiện, mặt bích, giá đỡ và một số thiết bị khác. Để chắc chắn việc thiết kế đường ống diễn ra chính xác, hãy đảm bảo quy trình diễn ra theo từng giai đoạn cụ thể và được đánh giá kỹ càng.

Xem thêm: Tổng quan về hệ thống đường ống

Rate this post