Tổng quan về ống thép

Ống thép là ống rỗng, tiết diện tròn, chế tạo từ thép để dẫn chất lỏng, khí, hơi hoặc làm kết cấu chịu lực. Trong đường ống công nghiệp, loại dùng nhiều nhất là ống thép carbon, mua theo tiêu chuẩn như ASTM A53, ASTM A106 hoặc API 5L, và được chọn theo ba thông số: cỡ danh nghĩa (DN hoặc NPS), độ dày thành (SCH) và cách chế tạo (đúc hoặc hàn).

Bài này đi theo đúng thứ tự đó, từ thông số, cách sản xuất, mác thép đến tiêu chuẩn, cách nối và cách chọn. Nếu cần nhìn toàn cảnh trước, hãy xem bài tổng quan về hệ thống đường ống; các bài cùng cụm trong tài liệu đường ống và phụ kiện đi sâu từng vật liệu.

Ống thép là gì

Thép là hợp kim của sắt với carbon, hàm lượng carbon dưới khoảng 2,1 %. Carbon càng cao thì thép càng cứng và bền kéo càng lớn, nhưng cũng giòn hơn và khó hàn hơn. Vì ống công nghiệp phải hàn, uốn và chịu va đập, ống dùng cho đường ống thường làm từ thép carbon thấp, hàm lượng carbon phần lớn không quá khoảng 0,3 %.

Cần phân biệt ống dẫn (pipe) với ống cơ khí (tube). Ống dẫn được gọi theo cỡ danh nghĩa, còn tube được gọi theo đường kính ngoài thực và độ dày, thường dùng cho thiết bị trao đổi nhiệt, đường tín hiệu hay kết cấu. Bài này nói về ống dẫn.

Ưu điểm và hạn chế của ống thép

• Chịu áp và chịu nhiệt tốt: thành thép chịu được áp suất và nhiệt độ cao hơn nhiều so với ống nhựa, nên thép là lựa chọn mặc định cho hơi nước, dầu nóng và khí nén.
• Hàn và gia công dễ: thép carbon thấp hàn được bằng hầu hết quy trình hàn thông dụng, dễ cắt, uốn, tiện ren.
• Không cháy: thép không bắt cháy. Tuy vậy trong đám cháy lớn, thép mềm dần khi nhiệt độ lên cao nên vẫn cần giải pháp bảo vệ ở các vị trí chịu lực.
• Tái chế được: thép phế liệu được nấu lại làm thép mới.
• Hạn chế lớn nhất là gỉ: thép carbon bị ăn mòn trong môi trường ẩm hoặc có hóa chất, nên phải sơn, mạ kẽm hoặc bọc bảo vệ. Khi lưu chất ăn mòn mạnh, nên chuyển sang ống thép không gỉ hoặc ống nhựa chịu hóa chất.

Thông số kỹ thuật cần đọc của ống thép

Cỡ danh nghĩa: DN, NPS và đường kính ngoài

DN (mm) và NPS (inch) chỉ là tên gọi của cỡ ống, không phải số đo thực. Số đo thực là đường kính ngoài (OD), và OD được giữ cố định theo từng cỡ để các phụ kiện cùng cỡ luôn lắp vừa. Ví dụ ống DN100 (NPS 4) có OD 114,3 mm. Cách đối chiếu các cỡ xem bài quy đổi từ DN sang Φ; khái niệm cỡ danh nghĩa được tóm tắt thêm ở mục Nominal Pipe Size (Wikipedia).

Độ dày thành ống và SCH

Độ dày thành được ghi theo cấp SCH (schedule) trong ASME B36.10M. OD giữ nguyên nên khi SCH tăng, thành dày lên và đường kính trong nhỏ đi. Lấy ví dụ cỡ DN100:

Đường kính trong tính bằng OD trừ hai lần độ dày thành. SCH cao chịu áp tốt hơn nhưng nặng hơn, đắt hơn và có tiết diện dòng chảy nhỏ hơn. Bài SCH là gì giải thích cách chọn cấp SCH theo áp suất.

Chiều dài và khối lượng

Ống thép thường cung cấp theo cây dài 6 m, một số nhà cung cấp có cây 12 m. Cây càng dài thì càng ít mối nối nhưng càng khó vận chuyển. Khối lượng riêng của thép khoảng 7.850 kg/m³, từ đó tính được khối lượng ống theo OD và độ dày; số liệu tra cứu có ở bài khối lượng riêng của thép.

Khối lượng 1 m ống thép tính theo W = 0,02466 × (OD − WT) × WT (kg/m; OD và WT tính bằng mm; thép 7.850 kg/m³). Ví dụ ống thép DN100: SCH 40 (WT 6,02 mm) nặng 0,02466 × 108,28 × 6,02 ≈ 16,1 kg/m, cây 6 m khoảng 96 kg; SCH 80 (WT 8,56 mm) nặng khoảng 22,3 kg/m, cây 6 m khoảng 134 kg. Con số này giúp chọn phương tiện vận chuyển, giá đỡ và tời nâng; khối lượng thực của ống thép lệch theo dung sai thành ống.

Ống thép đúc và ống thép hàn

Theo cách chế tạo, ống chia thành hai nhóm. Chọn nhóm nào ảnh hưởng đến giá, đến dải áp suất và cả cách tính bền của thiết kế.

Ống thép hàn

Ống hàn được làm từ thép tấm hoặc thép cuộn, cuốn thành hình ống rồi hàn dọc thân (hàn điện trở cao tần, ERW) hoặc hàn xoắn, hàn hồ quang chìm với cỡ lớn. Quy trình nhanh, thành ống đều, giá thấp, làm được cả cỡ lớn, nên đây là loại phổ biến cho nước, khí nén và đường ống thông dụng.

Mối hàn là điểm cần kiểm soát. Vì vậy ASME B31.3 áp dụng hệ số mối hàn thấp hơn 1 cho phần lớn ống hàn khi tính bền: ống ASTM A53 loại E (ERW) tính với hệ số 0,85, còn ống đúc là 1,0. Loại F (hàn đối đầu trong lò) có hệ số 0,60 nên ít được chọn cho đường ống công nghiệp chịu áp.

Ống thép đúc

Ống đúc (còn gọi là ống liền mạch) được làm từ phôi thép đặc nung nóng, xuyên lỗ rồi cán thành ống, không có mối hàn dọc. Với cỡ nhỏ cần chính xác, ống có thể được kéo nguội hoặc cán nguội thêm. Thành ống đồng nhất theo chu vi, chịu áp và nhiệt tốt, hợp với hơi nóng, nồi hơi và đường ống áp cao.

Đổi lại, giá cao hơn và độ dày thành dễ lệch tâm hơn ống hàn. Cả ống đúc lẫn ống hàn theo ASTM A53 đều được phép có độ dày thành tối thiểu bằng 87,5 % độ dày danh nghĩa (dung sai âm 12,5 %), nên khi tính bền phải trừ dung sai này.

Các loại thép dùng làm ống

Đây là tên gọi chung. Khi mua cần biết thép gì, vì mỗi loại hợp với một môi trường khác nhau.

Ống thép carbon

Thép carbon chỉ có sắt và carbon là hai thành phần chính, kèm lượng nhỏ mangan, silic. Cách chia thông dụng theo hàm lượng carbon là thấp (dưới khoảng 0,3 %), trung bình (khoảng 0,3 đến 0,6 %) và cao (trên khoảng 0,6 %). Ống đường ống chủ yếu dùng nhóm thấp vì dẻo, dễ hàn và giá rẻ. Nhược điểm là dễ gỉ và giới hạn chịu nhiệt, chịu ăn mòn thấp hơn thép hợp kim.

Ống thép hợp kim

Thép hợp kim được bổ sung crom, molypden, niken, vanadi… để tăng độ bền ở nhiệt độ cao hoặc khả năng chống ăn mòn. Với đường hơi nhiệt độ cao trong nhà máy điện và lọc dầu thường gặp ống crom-molypden như P11, P22, P91 theo ASTM A335. Loại này đắt hơn thép carbon, nên chỉ chọn khi điều kiện làm việc đòi hỏi.

Ống thép không gỉ

Thép không gỉ chứa tối thiểu khoảng 10,5 % crom, tạo lớp oxit bảo vệ nên chống gỉ tốt. Ống inox dùng cho hóa chất, thực phẩm, dược phẩm và nước sạch; mác, tiêu chuẩn và cách chọn được trình bày riêng trong bài về ống thép không gỉ ở trên.

Tiêu chuẩn ống thép: ASTM A53, A106 và API 5L

Kích thước và độ dày thành theo ASME B36.10M; còn thành phần, cơ tính và thử nghiệm do tiêu chuẩn vật liệu quy định. Ba tiêu chuẩn thường gặp nhất với ống thép carbon:

Số sau chữ X trong API 5L là giới hạn chảy tối thiểu tính theo ksi, ví dụ X52 là 52 ksi. PSL2 có yêu cầu hóa học và thử nghiệm chặt hơn PSL1. Khi đặt hàng nên yêu cầu chứng chỉ vật liệu của nhà máy, xem thêm bài về chứng nhận COC. Các tiêu chuẩn này yêu cầu thử thủy lực từng cây ống tại xưởng, riêng A106 cho phép nhà sản xuất thay bằng kiểm tra không phá hủy bằng điện (ống ghi thêm ký hiệu NH); ở công trường, cả tuyến ống thép được thử lại trước khi bàn giao.

Các phương pháp kết nối ống thép

Cách nối quyết định khả năng tháo lắp, bảo trì và độ kín của hệ thống. Ba cách phổ biến:

• Nối hàn: mối nối cố định, bền và kín, dùng cho hầu hết đường ống công nghiệp. Hàn đối đầu cho cỡ lớn, hàn lồng cho cỡ nhỏ áp cao. Muốn tháo phải cắt ống. Các kỹ thuật hàn có trong bài hàn ống và các phương pháp hàn.
• Nối ren: tiện ren đầu ống rồi vặn vào phụ kiện, tháo lắp dễ, thường dùng cho cỡ nhỏ và áp suất thấp. Với đường ống thép, ống nối thép tiện ren là phụ kiện hay dùng.
• Nối mặt bích: siết bu lông giữa hai mặt bích có gioăng, tháo ra được, hợp với cỡ lớn, áp suất cao và chỗ cần thay van, bơm. Tìm hiểu thêm ở bài các loại mặt bích.

Dù nối bằng cách nào, van công nghiệp và phụ kiện đường ống như cút, tê, côn phải cùng kiểu nối và cùng cấp áp suất với ống.

Ứng dụng của ống thép

• Dầu khí: dẫn dầu thô, khí tự nhiên và sản phẩm lọc hóa dầu, chủ yếu theo API 5L.
• Nhà máy điện, lò hơi: đường hơi và nước cấp nhiệt độ cao, dùng ống đúc ASTM A106 hoặc ống hợp kim.
• Cấp thoát nước, tưới tiêu: ống mạ kẽm hoặc ống sơn bảo vệ, kể cả đường ống đặt ngầm khi có lớp bọc chống ăn mòn.
• Khí nén và công nghiệp thông dụng: nước làm mát, dầu, khí nén, hệ thống HVAC.
• Kết cấu: cột, giàn, khung chịu lực, không liên quan đến dẫn lưu chất.

Cách chọn ống thép

• Lưu chất và môi trường: có ăn mòn không, ống đặt trong nhà hay ngoài trời, chôn ngầm hay trên giá đỡ. Nếu ăn mòn cao, cân nhắc vật liệu khác hoặc lớp bọc.
• Nhiệt độ và áp suất làm việc: quyết định chọn ống đúc hay hàn, cấp SCH và mác thép.
• Cỡ ống: chọn theo lưu lượng và vận tốc cho phép, rồi kiểm tra độ giảm áp. Các bước tính nằm trong bài hướng dẫn chọn đường kính ống theo lưu lượng.
• Tiêu chuẩn và chứng chỉ: ghi rõ trong đơn hàng (ví dụ ASTM A106 Gr.B, SCH 80, DN100), kèm yêu cầu chứng chỉ vật liệu.
• Kiểu nối và phụ kiện đi kèm: thống nhất tiêu chuẩn mặt bích, ren và vật liệu gioăng với van và thiết bị.
• Chi phí cả vòng đời: ống rẻ nhưng phải sơn, bảo trì nhiều có thể tốn hơn ống đắt hơn nhưng bền.

Khi nhận hàng, đối chiếu thông tin in hoặc dập trên thân từng cây ống thép: tên nhà sản xuất, số hiệu tiêu chuẩn, mác thép, loại ống (đúc hay hàn), cỡ, SCH và số lô. Đo lại OD bằng thước kẹp, đo độ dày thành bằng thước siêu âm, rồi so với chứng chỉ vật liệu. Cách này phát hiện sớm ống thép carbon sai mác hoặc mỏng hơn dung sai cho phép, nhất là ống thép đúc dùng cho đường hơi.

Quy trình đầy đủ từ lưu chất, cỡ ống đến bản vẽ nằm trong bài quy trình thiết kế đường ống. Muốn so sánh với vật liệu khác, xem ống nhựa cho nước lạnh, hóa chất nhẹ và đường ngầm. Viva tư vấn van và phụ kiện đồng bộ với đường ống tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội; bạn gửi vật liệu ống, DN, SCH và lưu chất, bên mình đối chiếu cấu hình phù hợp.

Câu hỏi thường gặp về ống thép