Thử áp lực đường ống: thủy lực, thử khí, áp suất thử và quy trình

Thử áp lực đường ống là bước nạp môi chất thử vào tuyến ống đã lắp xong, nâng áp tới giá trị quy định rồi giữ trong thời gian nhất định để xác nhận ống, mối hàn, mối ren và mặt bích không rò, không biến dạng. Phương pháp chuẩn là thử thủy lực bằng nước; thử khí chỉ dùng khi tuyến không thể chứa nước hoặc không chịu được nước dư.

Trong hệ thống đường ống, thử áp đường ống nằm sau khâu lắp đặt và trước khi bọc bảo ôn, sơn hoàn thiện hay lấp đất. Đây cũng là nội dung của bước 8 (kiểm tra và thử nghiệm) trong quy trình thiết kế đường ống.

Mục đích của thử áp lực đường ống

Mục đích thử áp lực đường ống là chứng minh tuyến ống kín và đủ bền ở áp suất cao hơn áp suất làm việc. Mối hàn rỗ, ren quấn thiếu băng tan, gioăng mặt bích lệch hay ống nứt khi vận chuyển đều lộ ra ở bước này. Kết quả cần có:

• Độ kín: không có điểm rò ở mối nối, thân van, gioăng; kim đồng hồ không tụt ngoài phần do nhiệt độ.
• Độ bền mối nối: mối hàn, mối bích, khớp nối chịu được áp thử mà không biến dạng dư hoặc tách rời.
• Phát hiện lỗi sớm: sửa một mối rò khi ống còn lộ thiên mất vài giờ; sửa sau khi đã lấp đất hay bọc bảo ôn mất vài ngày và phải phá lớp hoàn thiện.

Thử áp lực đường ống không thay thế kiểm tra không phá hủy. Mối hàn chịu lực quan trọng vẫn phải chụp tia hoặc siêu âm theo thiết kế; thử áp đường ống chỉ xác nhận tuyến chịu được tải áp trong lần thử đó.

Thử thủy lực và thử khí: chọn phương pháp nào

Thử thủy lực (hydrostatic test) dùng nước, thử khí (pneumatic test) dùng không khí hoặc khí trơ. Hầu hết bộ luật đặt thử thủy lực làm phương pháp mặc định vì lý do năng lượng tích trữ.

Vì sao thử thủy lực an toàn hơn

Nước gần như không nén được: mô đun nén khoảng 2,2 GPa, nên nâng áp thêm 15 bar chỉ cần ép thêm một lượng nước rất nhỏ. Khi ống vỡ, áp tụt gần như tức thì. Khí thì nén được và tích năng lượng như lò xo.

Ví dụ tuyến DN100 (đường kính trong 102,3 mm) dài 200 m, thể tích 1,64 m³, thử 15 bar. Với nước, thể tích nén thêm chỉ khoảng 1,1 lít, năng lượng tích trữ khoảng 850 J, tương đương nâng vật 85 kg lên 1 m. Với khí, năng lượng giãn nở đoạn nhiệt (công thức của ASME PCC-2) khoảng 3,6 MJ, gấp chừng 4.000 lần, tương đương khoảng 0,9 kg TNT.

Vì vậy mối hàn vỡ khi thử nước thường chỉ là tia nước phun mạnh; khi thử khí, mảnh vỡ và sóng xung kích gây thương tích ở khoảng cách hàng chục mét.

Khi nào phải thử khí

• Kết cấu đỡ không chịu nổi khối lượng nước đầy ống, ví dụ ống khí lớn đặt trên giá nhẹ.
• Lưu chất công nghệ không cho phép dư nước: khí nén đã sấy, ống oxy, dung môi, ống lạnh sâu.
• Không thể xả và làm khô sau thử, dễ đọng nước ở đoạn lõm hoặc lớp cách nhiệt trong.

Thử áp đường ống bằng khí cần phương án an toàn được chủ đầu tư duyệt và bắt buộc có van an toàn. Theo B31.3 (mục 345.5.5), áp tăng dần tới giá trị nhỏ hơn giữa 170 kPa (25 psi) và một nửa áp thử để kiểm tra rò sơ bộ bằng bọt xà phòng, rồi tăng từng cấp tới áp thử.

Xác định áp suất thử

Áp suất thử xuất phát từ áp suất thiết kế (design pressure) trong hồ sơ và từ tiêu chuẩn áp dụng cho công trình. Áp suất thiết kế khác với cấp áp lực của phụ kiện, xem thêm PN là gì. Độ dày thành ống chọn theo SCH quyết định giới hạn ứng suất khi thử.

Đường ống công nghệ: ASME B31.3

ASME B31.3 (Process Piping, mục 345.4.2) yêu cầu thử thủy lực ở áp không nhỏ hơn: P_T = 1,5 × P × (S_T / S). P là áp suất thiết kế, S_T và S là ứng suất cho phép của vật liệu ở nhiệt độ thử và nhiệt độ thiết kế; S_T/S lấy tối đa 6,5. Nếu P_T làm ứng suất vượt giới hạn chảy ở nhiệt độ thử, được hạ áp thử xuống mức không vượt giới hạn chảy.

Lý do hiệu chỉnh: thép yếu đi khi nóng, nên thử ở nhiệt độ thường phải nâng áp để ống chịu cùng mức ứng suất như khi vận hành. Ví dụ áp thiết kế 10 bar(g), S_T/S = 1,10 cho P_T = 1,5 × 10 × 1,10 = 16,5 bar(g); tỷ số bằng 1 thì áp thử là 15 bar(g). Thử khí theo B31.3 (mục 345.5) dùng áp từ 1,1 đến 1,33 lần áp thiết kế.

Đường ống điện, hơi: ASME B31.1

ASME B31.1 (Power Piping) cũng đặt thử thủy lực ở 1,5 lần áp suất thiết kế, giữ tối thiểu 10 phút trước khi kiểm tra. Khi bắt buộc thử khí, B31.1 dùng hệ số 1,2 đến 1,5. Hồ sơ dự án ghi rõ thiết kế theo B31.1 hay B31.3; không tự đổi hệ số giữa hai bộ luật.

Cấp thoát nước và PCCC theo tiêu chuẩn Việt Nam

Với cấp nước trong nhà, TCVN 4519:1988 (Hệ thống cấp thoát nước bên trong nhà và công trình, quy phạm thi công và nghiệm thu), điều 2.22 đến 2.24, quy định thử ống và phụ tùng nối ở khâu gia công: áp công tác cộng 5 daN/cm² (khoảng 5 bar) khi thử nước hoặc 1,5 daN/cm² khi thử khí; van, vòi thử 10 daN/cm². Thời gian thử 1 đến 2 phút với nước, 0,5 phút với khí, đồng hồ không được giảm.

Đây là phép thử cụm chi tiết, không phải thử nghiệm thu toàn tuyến; áp và thời gian thử toàn tuyến lấy theo hồ sơ thiết kế. TCVN 4519:1988 hiện vẫn còn hiệu lực và thường được dẫn trong hồ sơ nghiệm thu cấp thoát nước bên trong nhà.

Với chữa cháy, áp thử và thời gian giữ lấy theo tiêu chuẩn PCCC áp dụng cho công trình và hồ sơ đã thẩm duyệt. Để tham chiếu, NFPA 13 quy định 13,8 bar (200 psi) giữ 2 giờ không sụt áp; hệ có áp tĩnh trên 10,3 bar (150 psi) thử ở áp tĩnh cộng 3,4 bar (50 psi).

Bảng tóm tắt áp suất thử, thời gian giữ, tiêu chí đạt

Chuẩn bị trước khi thử áp lực đường ống

Phần lớn sự cố khi thử áp đường ống đến từ chuẩn bị chưa đủ. Mối hàn phải được kiểm tra ngoại quan và đạt (xem hàn ống), giá đỡ và neo đã lắp xong, chưa bọc bảo ôn hay sơn lên mối nối cần quan sát.

• Tháo hoặc cô lập thiết bị không chịu được áp thử: đồng hồ lưu lượng, bộ lọc, van an toàn, van giảm áp, ống mềm, bình tích áp.
• Ngăn cách tuyến thử bằng mặt bích mù hoặc nắp bịt; không dựa vào van đóng làm ranh giới vì van có thể rò qua đệm ở áp cao.
• Để van trên tuyến ở vị trí mở để thử luôn thân và gioăng van. Áp thử không vượt cấp áp danh định của van, mặt bích và thiết bị.

Đồng hồ áp suất dùng cho thử thủy lực phải có chứng nhận hiệu chuẩn còn hạn, thang đo 1,5 đến 2 lần áp thử (thử 15 bar dùng thang 25 hoặc 30 bar). Chọn đồng hồ áp suất cấp chính xác 1,0 hoặc tốt hơn. Tuyến có chênh cao nên đặt đồng hồ ở cả điểm cao và điểm thấp: mỗi 10 m chênh cao cộng khoảng 1 bar, nên điểm cao phải đạt áp thử tối thiểu, điểm thấp không được vượt áp danh định của van, phụ kiện.

Tuyến nhỏ dùng bơm thử áp tay, tuyến lớn dùng bơm điện. Chuẩn bị van xả khí ở điểm cao, van xả nước ở điểm thấp và van an toàn tạm đặt sát trên áp thử; với thử khí, B31.3 giới hạn áp đặt không vượt áp thử cộng giá trị nhỏ hơn giữa 345 kPa (50 psi) và 10 % áp thử.

Nước thử thủy lực phải sạch. Với ống inox, dùng nước ít clorua (nhiều đặc tả dự án giới hạn khoảng 50 mg/L, như API 610 áp cho bơm inox austenit) rồi xả, thổi khô ngay. Clorua đọng ở khe và mối hàn gây rỗ rồi nứt ăn mòn ứng suất, nhất là khi tuyến làm việc nóng. Ống thép carbon chưa vận hành ngay cũng phải xả hết nước để tránh gỉ trong.

Quy trình thử thủy lực từng bước

1. Nạp nước từ điểm thấp. Mở van xả khí ở điểm cao, bơm nước vào từ điểm thấp để nước đẩy khí lên. Nạp chậm để không tạo búa nước.
2. Xả khí tới khi nước ra liên tục. Đóng từng van xả khi nước phun thành tia đặc, hết bọt. Khí còn lại làm áp tăng chậm, kim dao động và kết quả sai lệch.
3. Để ổn định. Chờ nhiệt độ nước và ống cân bằng; ống nhựa cần lâu hơn ống thép.
4. Tăng áp theo cấp. Tăng khoảng 25 %, 50 %, 75 % áp thử, mỗi cấp dừng ngắn quan sát điểm dễ rò, rồi mới lên 100 %.
5. Giữ áp. Đóng van cô lập bơm, giữ áp tối thiểu 10 phút theo B31.3 hoặc thời gian trong hồ sơ. Ghi áp và nhiệt độ lúc đầu, giữa và cuối.
6. Kiểm tra mối nối. Với B31.3, giảm về áp thiết kế rồi đi dọc tuyến, nhìn từng mối hàn, mặt bích, ren, thân van; dùng giấy khô quệt mối nghi rò. Không siết bu lông hay sửa khi còn áp.
7. Giảm áp và xả nước. Giảm từ từ qua van xả điểm thấp, mở van xả khí điểm cao để không hút chân không làm móp ống mỏng. Xả hết nước, thổi khô ống inox và tuyến hơi.

Nếu phát hiện rò, giảm về 0, sửa, rồi thử thủy lực lại từ đầu. Ghi cả lần thử không đạt vào nhật ký.

Ảnh hưởng của nhiệt độ khi thử áp đường ống

Nước giãn nở khi nóng, thể tích ống gần như cố định nên áp tăng. Với hệ số giãn nở thể tích của nước ở 20 °C khoảng 2,1 × 10⁻⁴ /°C và hệ số nén 4,6 × 10⁻¹⁰ /Pa, bình cứng tuyệt đối tăng khoảng 4,5 bar mỗi 1 °C.

Tính thêm độ đàn hồi của ống thép DN100 SCH40, mức tăng vẫn khoảng 3 bar/°C ở 20 °C và khoảng 1 bar/°C ở 10 °C, vì nước lạnh giãn nở ít hơn. Khí sót hoặc ống nhựa làm mức này giảm nhiều, nhưng với ống thép đã xả khí kỹ, chỉ 1 °C cũng làm kim nhích rõ.

Nắng rọi làm ống ngoài trời nóng thêm vài độ thì áp tăng; trời tối hoặc mưa thì áp giảm và dễ bị nhầm là rò. Phân biệt: rò làm áp giảm đều và tiếp tục giảm khi nhiệt độ không đổi; biến thiên do nhiệt đi cùng nhiệt độ và hồi lại khi nhiệt độ trở lại.

Nên thử áp lực đường ống lúc nhiệt độ ổn định, che nắng đoạn ống ngoài trời và ghi nhiệt độ vỏ ống cùng áp ở mỗi lần đọc. Nếu áp vượt giới hạn vì nóng lên, xả bớt nước qua van điểm thấp thay vì để van an toàn bật.

Thử áp lực đường ống nhựa HDPE và PP-R

Ống nhựa nhiệt dẻo là vật liệu nhớt đàn hồi (viscoelastic): dưới áp, ống phình dần theo thời gian và phải bơm bù nước. Đọc như ống thép thì áp tụt dần sẽ bị hiểu là rò dù tuyến kín.

Với ống nhựa HDPE, hướng dẫn của nhà sản xuất (theo PPI và ASTM F2164) chia phép thử áp lực đường ống PE thành hai giai đoạn. Giãn nở ban đầu khoảng 4 giờ, bơm bù để giữ áp thử. Giai đoạn thử kéo dài 1 giờ: giảm áp khoảng 0,7 bar (10 psi), ngừng bơm bù và theo dõi.

• Áp thử tối đa là giá trị thấp hơn giữa 1,5 lần áp danh định của hệ PE và áp danh định của phụ kiện yếu nhất, đo tại điểm thấp nhất.
• Nhiệt độ cao làm giảm áp thử cho phép: hệ số 1,0 dưới khoảng 27 °C (80 °F), giảm dần còn 0,6 ở khoảng 60 °C (140 °F).
• Tổng thời gian (bơm, giãn nở, thử, xả) không quá 8 giờ khi thử trên áp danh định, vì giữ lâu ở áp cao gây ứng suất rão (creep).
• Đạt khi không thấy rò và áp nằm trong ±5 % giá trị mục tiêu suốt giờ thử.

Ống PP-R hàn nhiệt cần để mối hàn nguội đủ thời gian theo hướng dẫn của hãng trước khi nạp áp; áp thử và thời gian giữ lấy theo catalog hãng ống.

An toàn khi thử áp lực đường ống

• Khoanh vùng cấm vào quanh tuyến thử, treo biển cảnh báo; chỉ người tham gia thử được vào khi tuyến đã ổn định ở áp kiểm tra.
• Không đứng đối diện mặt bích, đầu bịt hay cút ở đầu tuyến, vì đó là điểm bật ra đầu tiên nếu hỏng.
• Không siết bu lông, sửa mối nối hay gõ búa vào ống khi đang có áp; giảm về 0 bar rồi mới sửa.

Biên bản nghiệm thu thử áp lực đường ống

Biên bản là bằng chứng nghiệm thu và căn cứ khi tranh chấp bảo hành. Cần ghi: công trình, số hiệu tuyến, đoạn thử, vị trí mặt bích mù; tiêu chuẩn áp dụng, áp thiết kế, áp thử, môi chất, nhiệt độ; số hiệu và ngày hiệu chuẩn đồng hồ; giờ bắt đầu, kết thúc, áp đọc từng thời điểm; vị trí rò và cách xử lý; kết luận; chữ ký thi công, tư vấn giám sát, chủ đầu tư.

Lỗi thường gặp khi thử áp đường ống

• Còn khí trong ống: áp tăng chậm, kim giật, mỗi lần bơm tốn thêm nhiều nước.
• Nhầm biến thiên nhiệt với rò: không ghi nhiệt độ để đối chiếu.
• Dùng van đóng làm ranh giới: áp đẩy qua đệm, kim tụt đều, đội thi công tìm rò ở nơi không có.
• Quên cô lập thiết bị: van an toàn, bộ lọc, đồng hồ bị hỏng vì quá áp.
• Tăng áp đột ngột hoặc đóng mở van nhanh: tạo búa nước làm áp tức thời vượt xa áp thử.
• Dùng đồng hồ sai thang: thang quá lớn thì đọc thô, thang quá nhỏ thì kim chạm trần.
• Bỏ qua giai đoạn giãn nở với ống nhựa: kết quả không đạt dù tuyến kín.

Cần chọn đồng hồ, van và phụ kiện cho tuyến thử, bạn gửi thông số áp suất, lưu chất và cỡ ống về Viva, Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội để được tư vấn. Các tài liệu cùng nhóm nằm trong chuyên mục tài liệu đường ống. Nguyên lý chung của phép thử có thể đọc thêm ở trang hydrostatic test trên Wikipedia.

Câu hỏi thường gặp về thử áp lực đường ống