Quy trình thiết kế đường ống

Thiết kế đường ống là công việc tạo ra toàn bộ hồ sơ kỹ thuật để xây dựng một hệ thống ống: sơ đồ nguyên lý, vật liệu, kích thước, bản vẽ bố trí và yêu cầu kiểm tra. Quy trình thiết kế đường ống thường đi từ thu thập yêu cầu, vẽ sơ đồ P&ID, chọn cỡ ống và độ dày, bố trí 3D, phân tích ứng suất, rồi đến chế tạo, kiểm tra và thử áp.

Bài này trình bày từng bước theo thứ tự làm việc thực tế, kèm ví dụ tính cỡ ống bằng số và những lỗi thiết kế hay gặp.

Thiết kế đường ống là gì?

Hệ thống đường ống gồm ống, phụ kiện, van, mặt bích, giá đỡ và các thiết bị lọc, đo, bảo vệ. Chúng phối hợp để vận chuyển hoặc chứa chất lỏng, khí, hơi trong nhiều ngành công nghiệp. Các thành phần được tóm tắt trong bài tổng quan về hệ thống đường ống.

Phần việc của người thiết kế gồm:

• vẽ sơ đồ và bố trí tuyến ống;
• xác định van, phụ kiện, thiết bị cần có trên từng tuyến;
• chọn vật liệu, kích thước, độ dày thành ống;
• đưa ra yêu cầu chế tạo, kiểm tra và thử, để hệ thống làm việc an toàn, ổn định.

Tầm quan trọng của thiết kế đường ống

Thiết kế là bước đầu của dự án nên nó quyết định hiệu quả vận hành và độ an toàn của cả hệ thống. Thiết kế sai thì lắp đặt xong vẫn phải sửa, tốn thời gian và chi phí; hệ thống càng lớn thì khoản này càng lớn. Vì vậy thiết kế đường ống cần người kiểm tra chéo giữa P&ID, bản vẽ 3D và danh sách vật tư trước khi phát hành bản vẽ.

Yêu cầu thiết kế khác nhau theo từng ngành:

• Dầu khí: đường ống phục vụ khai thác, vận chuyển, lọc dầu và phải làm việc an toàn ở áp suất, nhiệt độ cao.
• Hóa chất: vật liệu ống, gioăng và van phải tương thích với hóa chất, đồng thời chịu được áp suất, nhiệt độ vận hành.
• Xử lý nước: hệ thống phân phối nước sạch và thu gom nước thải; vật liệu phải chịu được nước và hóa chất xử lý.
• Sản xuất: dẫn nước, hơi, nước làm mát, khí nén, hóa chất, nguyên liệu. Thiết kế tốt giúp dây chuyền chạy ổn định và giảm tiêu hao năng lượng.

Cơ bản về thiết kế đường ống

Quy tắc, tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật

Tiếng Anh gọi ba loại tài liệu này là piping code, standard và specification. Chúng khác nhau về vai trò, nên cần phân biệt khi đọc hồ sơ dự án.

Ngoài hệ ASME/ASTM của Hoa Kỳ còn có các tiêu chuẩn BS (Anh), DIN/EN (Đức, châu Âu), JIS (Nhật Bản) và ISO. Dự án thường chọn một hệ làm chuẩn rồi ghi rõ trong hồ sơ để các bên không dùng lẫn. Hệ tiêu chuẩn được chốt ngay từ đầu thiết kế đường ống, vì nó quyết định cỡ ống, cấp mặt bích và kích thước phụ kiện.

Các thành phần của hệ thống đường ống

Ống là thành phần chính để dẫn lưu chất. Ống có nhiều vật liệu (thép, inox, nhựa PVC, composite), nhiều cỡ và độ dày thành. Có thể phân loại theo cách sản xuất: ống đúc (liền mạch) và ống hàn. Khi chọn ống cần xét đặc tính lưu chất và điều kiện vận hành.

Phụ kiện dùng để nối các đoạn ống, đổi hướng, chia nhánh hoặc gộp nhánh. Cút đổi hướng, tê chia ba nhánh, côn thu đổi cỡ ống, còn măng sông, kép và rắc co nối các đoạn ống thẳng. Chi tiết từng loại có trong bài các loại phụ kiện đường ống và danh mục phụ kiện đường ống các loại.

Van được chia theo chức năng:

• Van đóng ngắt, cách ly và điều tiết lưu lượng: van cổng, van cầu, van bi, van bướm. Mỗi loại có khả năng đóng mở và điều tiết khác nhau.
• Van 1 chiều chỉ cho lưu chất chảy theo một hướng và chặn dòng chảy ngược.
• Van an toàn xả bớt lưu chất khi áp suất vượt mức cài đặt, là lớp bảo vệ cuối chống quá áp.
• Van giảm áp giữ áp suất phía sau van ổn định ở mức đặt trước.
• Bộ lọc giữ cặn, rác ngoài hệ thống; hai loại thông dụng là lọc Y và lọc rổ (lọc T).

Mặt bích nối van, thiết bị với đường ống và cho phép tháo lắp dễ dàng khi bảo trì. Nên chọn cùng tiêu chuẩn và cấp áp với van (xem các loại mặt bích).

Giá đỡ gồm giá chân, móc treo, đai ôm ống. Giá đỡ giữ ống đúng vị trí, tránh võng ống và rung, đồng thời chịu tải do trọng lượng ống, van và lưu chất.

Vật liệu sử dụng trong thiết kế đường ống

Kim loại bền, chịu nhiệt và chịu áp tốt, dùng làm ống, phụ kiện, van. Hai nhóm hay gặp:

• Thép: độ bền cơ học cao, hợp với áp suất và nhiệt độ cao. Thép carbon dễ gỉ nên cần sơn phủ hoặc mạ, và không hợp với lưu chất ăn mòn. Ngoài thép carbon còn có thép hợp kim. Xem thêm tổng quan về ống thép.
• Inox (thép không gỉ): độ bền tương đương thép, chống ăn mòn tốt hơn nhiều. Mác phổ biến là 304 và 316; 316 chịu clorua tốt hơn 304. Mác 201 rẻ hơn nhưng chống ăn mòn kém hơn, nên cân nhắc trước khi dùng cho môi trường ẩm hoặc hóa chất. Xem thêm tổng quan về ống thép không gỉ.

Nhựa nhẹ, không gỉ, nhưng chịu nhiệt và chịu áp kém hơn kim loại nên hợp với áp suất và nhiệt độ thấp:

• PVC: dùng nhiều trong cấp thoát nước, nước sinh hoạt, tưới tiêu.
• HDPE: chịu va đập tốt hơn, dùng nhiều trong phân phối nước và khí đốt. Xem thêm tổng quan về ống nhựa.

Những cân nhắc về thiết kế hệ thống

• Đặc điểm lưu chất: là lỏng, khí hay hơi; độ nhớt, khối lượng riêng, độ nén, tính ăn mòn. Nhiệt độ và áp suất làm việc quyết định vật liệu và độ dày thành ống.
• Điều kiện môi trường và vận hành: nhiệt độ ngoài trời, độ ẩm, môi trường ăn mòn, và khả năng tiếp cận để bảo dưỡng. Van cần đặt ở vị trí thao tác được.
• Quy định và tiêu chuẩn: thiết kế phải tuân theo code và tiêu chuẩn mà dự án đã chọn (ASME, ASTM, ISO, API, NACE…), cùng quy định an toàn của nơi lắp đặt.

Quy trình thiết kế đường ống

Dưới đây là các bước theo thứ tự thường gặp. Dự án nhỏ có thể gộp bước, dự án lớn tách thành nhiều gói công việc. Trong quy trình thiết kế đường ống, mỗi bước lấy kết quả của bước trước làm đầu vào: P&ID chốt danh sách van và thiết bị, bảng cấp ống chốt vật liệu và độ dày, rồi mới đến tính cỡ ống.

Bước 1: Lên kế hoạch ban đầu

Cần hiểu rõ dự án: lưu chất, nhiệt độ, áp suất, độ nhớt, tính ăn mòn, lưu lượng và các yêu cầu đặc biệt. Đồng thời xác định phạm vi, mốc thời gian và ngân sách dự kiến. Các thông tin này là đầu vào để lập P&ID ở bước sau.

Một dự án công nghiệp thường đi qua các giai đoạn sau:

• nghiên cứu khả thi;
• thiết kế cơ sở;
• FEED (Front-End Engineering Design, thiết kế kỹ thuật sơ bộ trước khi đấu thầu thi công);
• thiết kế chi tiết;
• thi công xây dựng;
• chạy thử trước vận hành;
• khởi động và bàn giao.

Bước 2: Lập P&ID và bố trí 3D

P&ID là sơ đồ đường ống và thiết bị đo. Sơ đồ này thể hiện các đường ống, van, thiết bị, thiết bị đo và hướng dòng chảy, giúp theo dõi tổng thể hệ thống. Cách đọc ký hiệu xem ở bài cách đọc bản vẽ P&ID.

Sau đó dựng mô hình và bố trí 3D để kiểm tra bố cục, khoảng cách và va chạm giữa ống với kết cấu, thiết bị khác trước khi thi công.

P&ID được sửa nhiều lần trong quá trình thiết kế. Mỗi thay đổi về van, nhánh hoặc thiết bị đo phải cập nhật trên P&ID trước, rồi mới sang mô hình 3D, để hai hồ sơ không lệch nhau.

Bước 3: Chọn vật liệu và cấp ống

Vật liệu chọn theo lưu chất, nhiệt độ, áp suất và khả năng ăn mòn. Kết quả thường được ghi thành bảng cấp ống (piping class) cho từng loại lưu chất: vật liệu ống, độ dày, kiểu phụ kiện, cấp mặt bích, loại van, gioăng và bulông. Bảng này giúp mọi tuyến cùng loại lưu chất dùng chung một bộ chi tiết. Mỗi số hiệu tuyến trên P&ID gắn với một cấp ống, nên bảng cấp ống là tài liệu nối thiết kế đường ống với khâu mua hàng.

Bước 4: Chọn cỡ ống và độ dày thành ống

Cỡ ống chọn theo lưu lượng và vận tốc cho phép. Bài riêng về cách tính đường kính trong theo lưu lượng và vận tốc có thêm bảng vận tốc khuyến nghị theo lưu chất. Vận tốc nước trong ống thường chọn khoảng 1–3 m/s (giá trị tham khảo, mỗi dự án có tiêu chí riêng). Đường kính trong tính từ công thức d = √(4Q / (π·v)), với Q là lưu lượng (m³/s) và v là vận tốc (m/s).

Ví dụ: chuyển 50 m³/h nước, chọn v = 2 m/s. Q = 0,0139 m³/s, tiết diện cần A = Q/v = 0,00694 m², nên d ≈ 94 mm. Chọn ống DN100 SCH 40 (đường kính ngoài 114,3 mm, thành 6,02 mm, đường kính trong 102,3 mm) thì vận tốc thực khoảng 1,7 m/s.

Cỡ ống còn phải qua phép kiểm tra sụt áp dọc tuyến so với cột áp bơm. Ở cùng lưu lượng, sụt áp tỷ lệ nghịch với D⁵: với 50 m³/h ở ví dụ trên, nếu thay DN100 bằng DN80 SCH 40 (đường kính trong 77,9 mm), vận tốc tăng từ 1,7 lên khoảng 2,9 m/s và sụt áp gấp khoảng (102,3/77,9)⁵ ≈ 3,9 lần (coi hệ số ma sát không đổi; thực tế hệ số ma sát giảm nhẹ khi Re tăng nên tỷ lệ thấp hơn một chút).

Độ dày thành tính theo code. Với ống chịu áp suất trong, ASME B31.3 dùng công thức t = P·D / [2(S·E·W + P·Y)], trong đó W là hệ số giảm bền mối hàn (bằng 1 ở nhiệt độ thường), cộng thêm dự phòng ăn mòn và dung sai chế tạo, rồi chọn độ dày tiêu chuẩn gần nhất không nhỏ hơn kết quả. Ký hiệu độ dày này là SCH, xem độ dày ống SCH. Cấp áp của mặt bích và van ghi theo PN hoặc Class, xem PN là gì; đổi giữa DN và phi ống xem quy đổi từ DN sang phi.

Bước 5: Phân tích ứng suất và kiểm tra búa nước

Đường ống giãn nở khi nóng lên, chịu trọng lượng, áp suất, gió, rung động và lực từ thiết bị. Phân tích ứng suất kiểm tra ống có chịu được các tải này mà không biến dạng hay hỏng mối nối, từ đó chốt vị trí giá đỡ, vòng bù giãn nở, khớp nối mềm.

Trọng lượng ống, van và lưu chất làm ống võng, nên khoảng cách giá đỡ phải đủ nhỏ để độ võng và ứng suất uốn nằm trong giới hạn. Giãn nở nhiệt và rung từ bơm có thể hấp thụ bằng khớp nối giãn nở khi tuyến không đủ chỗ cho vòng bù; khi đó hai đầu khớp cần gối cố định chịu lực đẩy do áp suất. Hệ thống nhỏ và nhiệt độ thường có thể đánh giá theo quy tắc kinh nghiệm; ống nóng, áp cao hoặc nối với máy bơm, máy nén thường được tính bằng phần mềm chuyên dụng (ví dụ CAESAR II).

Cần xét thêm sốc áp khi đóng van nhanh hoặc dừng bơm đột ngột, gọi là búa nước. Cách giảm có trong bài búa nước và giảm chấn: đóng van chậm, lắp bình giảm chấn hoặc van xả áp.

Bước 6: Dự toán chi phí và lập ngân sách

Từ bản vẽ, lập bảng thống kê vật tư rồi dự toán, chia thành các khoản riêng: nhân công, vật liệu, thiết bị, phát sinh. Chia nhỏ như vậy giúp tránh thiếu ngân sách và dễ đối chiếu khi thi công. Số lượng ống, phụ kiện và van lấy từ P&ID đã duyệt và bản vẽ bố trí.

Bước 7: Chế tạo, lắp ráp và lắp đặt

Chế tạo gồm uốn, cắt, tạo hình và hàn ống thành các đoạn riêng, thường làm sẵn trong xưởng rồi chở ra công trường. Lắp đặt là đặt các đoạn ống, van và chi tiết đặc biệt vào vị trí cuối, nối với máy bơm, máy nén, bộ trao đổi nhiệt, tua bin, nồi hơi và các thiết bị khác.

Bước 8: Kiểm tra và thử nghiệm

Mối hàn và chi tiết được kiểm tra bằng các phương pháp không phá hủy (NDT):

• Kiểm tra trực quan: quan sát bằng mắt thường để tìm khiếm khuyết nhìn thấy được. Đây là phương pháp đơn giản, thường làm đầu tiên.
• Kiểm tra thẩm thấu: phủ chất thẩm thấu lên bề mặt, chờ một khoảng thời gian thấm theo quy trình (thường vài phút đến vài chục phút) để chất này ngấm vào vết nứt, lỗ rỗng nhờ mao dẫn, sau đó lau sạch phần dư và phủ chất hiện (developer). Khuyết tật hiện rõ dưới ánh sáng trắng (chất thẩm thấu màu đỏ) hoặc tia cực tím (loại huỳnh quang).

• Kiểm tra hạt từ: từ hóa vùng kiểm tra rồi rắc bột từ. Chỗ có khuyết tật làm từ trường rò ra và hút bột, khiến vết hiện rõ. Phương pháp này chỉ dùng được với vật liệu sắt từ như thép carbon; inox austenit (304, 316) không kiểm tra được bằng hạt từ.

• Chụp phóng xạ (X-quang hoặc tia gamma): phát hiện khuyết tật bên trong mối hàn qua phim hoặc ảnh số. Phương pháp tốn kém và cần vùng an toàn bức xạ, nhưng vẫn được làm trực tiếp tại công trường.
• Kiểm tra siêu âm: phát chùm sóng siêu âm vào vật liệu; khi gặp khuyết tật sóng bị phản xạ về đầu dò.

Trước khi đưa vào vận hành phải thử áp để xác nhận độ kín và khả năng chịu áp:

• Thử thủy tĩnh: dùng nước hoặc chất lỏng khác nén tới áp thử. ASME B31.3 yêu cầu áp thử thông thường không nhỏ hơn 1,5 lần áp suất thiết kế (có hiệu chỉnh theo nhiệt độ). Các bước, thời gian giữ áp và nghiệm thu xem trong bài quy trình thử áp lực đường ống.
• Thử khí nén: dùng không khí hoặc khí khác. Khí nén tích năng lượng lớn nên chỉ làm khi không thể thử bằng nước và phải có biện pháp an toàn.
• Thử kết hợp thủy tĩnh và khí nén: dùng cả chất lỏng và khí.
• Thử dịch vụ ban đầu: kiểm tra rò rỉ khi hệ thống lần đầu vận hành với lưu chất thật.
• Thử chân không: dùng áp suất âm để phát hiện rò rỉ.

Hồ sơ đầu ra của quy trình thiết kế đường ống

Kết thúc quy trình thiết kế đường ống, dự án có bộ hồ sơ sau, mỗi tài liệu đều đối chiếu được về P&ID:

• P&ID đã duyệt và danh sách đường ống (line list) ghi lưu chất, cỡ ống, áp suất, nhiệt độ từng tuyến;
• bảng cấp ống, bản vẽ bố trí và bản vẽ isometric từng tuyến để chế tạo;
• bảng thống kê vật tư (MTO) và dự toán;
• báo cáo phân tích ứng suất, hồ sơ kiểm tra mối hàn và thử áp.

Lỗi thường gặp khi thiết kế đường ống

Các lỗi thiết kế đường ống dưới đây lặp lại ở nhiều dự án; phần lớn phát hiện được nếu duyệt chéo P&ID, mô hình 3D và báo cáo ứng suất trước khi phát hành bản vẽ.

• Bỏ qua giãn nở nhiệt ở ống nóng, khiến mối nối và mặt bích chịu lực lớn.
• Chọn vật liệu theo giá, không xét lưu chất và môi trường, dẫn đến ăn mòn sớm.
• Chọn ống quá nhỏ làm vận tốc cao, tổn thất áp lớn, ồn và dễ xảy ra búa nước.
• Không chừa van xả khí ở điểm cao, van xả đáy ở điểm thấp, nên khó thử áp và vệ sinh.
• Đặt van, mặt bích ở chỗ không thao tác hoặc tháo lắp được, gây khó khăn khi bảo dưỡng.
• Không cập nhật P&ID khi đổi tuyến, khiến bản vẽ 3D và hồ sơ thi công lệch nhau.

Các bài khác cùng chuyên mục nằm trong tài liệu đường ống và phụ kiện. Nếu cần chọn van, mặt bích hoặc phụ kiện cho dự án, bạn gửi thông số lưu chất, nhiệt độ, áp suất và cỡ ống để Viva tư vấn model phù hợp. Viva đặt tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội; giao miễn phí nội thành Hà Nội, giá niêm yết chưa VAT.

Câu hỏi thường gặp về thiết kế đường ống