ASME cho bình chịu áp lực inox: hướng dẫn Section VIII

Bình chịu áp lực bằng thép không gỉ (inox) là hạ tầng cốt lõi trong hóa chất, năng lượng và đóng tàu. Chuẩn ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) là thước đo toàn cầu để thiết kế, chế tạo, kiểm định và chứng nhận an toàn. Bài viết này tổng hợp, hệ thống hóa các yêu cầu ASME trọng yếu dành riêng cho bình áp lực inox để bạn có thể áp dụng ngay vào dự án tại Việt Nam.

Bộ tiêu chuẩn ASME áp dụng cho bình chịu áp lực inox

– ASME BPVC Section VIII – Pressure Vessels:
– Division 1: thiết kế theo quy tắc (Design by Rules), dùng phổ biến cho đa số bình áp lực.
– Division 2: thiết kế nâng cao (Design by Analysis), ứng suất cho phép cao hơn, NDE nghiêm ngặt hơn, kiểm soát mỏi; phù hợp tối ưu vật liệu/thành mỏng.
– Division 3: rất cao áp (thường > 69 MPa), phạm vi đặc thù.
– ASME Section II – Materials:
– Part A/B: chỉ định vật liệu (SA-xxx), đối sánh ASTM.
– Part D: bảng ứng suất cho phép, mô đun đàn hồi, hệ số nhiệt.
– ASME Section IX – Welding Qualifications: quy trình hàn (WPS), biên bản thử quy trình (PQR), chứng chỉ thợ hàn.
– ASME Section V – Nondestructive Examination: phương pháp và quy định NDE (RT, UT, PT, MT, VT).
– Tiêu chuẩn liên quan thường dùng:
– ASTM A240 (SA-240) – tấm/coil inox; ASTM A312 (SA-312) – ống hàn/đúc; ASTM A182 (SA-182) – chi tiết rèn; ASTM A403 (SA-403) – phụ kiện hàn.
– NBIC NB-23 – sửa chữa/cải tạo bình đang vận hành; API 510 – quản lý, kiểm định bình trong dịch vụ.
– NACE MR0175/ISO 15156 – môi trường H2S chua.

Lựa chọn vật liệu inox theo ASME Section II

Nhóm mác thông dụng và ứng dụng

– Austenitic (P-No. 8 theo Section IX):
– 304/304L (SA-240, SA-312): đa dụng, kinh tế; hạn chế trong clorua nóng (nguy cơ SCC).
– 316/316L: Mo tăng chống rỗ/pitting, thích hợp nước biển, hóa chất nhẹ.
– 321/347: ổn định hóa (Ti/Nb) cho nhiệt độ cao, giảm nhạy cảm hóa học hạt ranh giới.
– 904L: Siêu hợp kim austenitic, chống ăn mòn clorua/axit mạnh hơn (chi phí cao).
– Duplex (P-No. 10H):
– 2205 (UNS S32205/S31803): cân bằng bền/corrosion, chống SCC clorua tốt; phổ biến cho scrubber hàng hải, bồn xử lý nước biển.
– Super duplex 2507: môi trường clorua khắc nghiệt, áp lực cao (cần kiểm soát hàn nghiêm ngặt).

Quy chiếu tiêu chuẩn vật liệu

– Tấm/coil: SA-240 (304L/316L/2205…).
– Ống: SA-312 (SCH 10/40/80…), ống trao đổi nhiệt SA-213.
– Rèn: SA-182; Phụ kiện hàn: SA-403; Thanh: SA-479.

Ứng suất cho phép và nhiệt độ làm việc

– Tra Section II, Part D để xác định ứng suất cho phép S theo nhiệt độ thiết kế.
– L-grade (304L/316L) giúp giảm nhạy cảm ăn mòn tinh giới sau hàn.
– Với môi trường clorua:
– 304/304L: tránh > 50–60°C nếu có ứng suất kéo và clorua; cân nhắc 316L, 2205 hoặc lót (lining).
– Tuân thủ NACE/ISO nếu có H2S.

Thiết kế theo ASME Section VIII

Div 1 – thiết kế theo quy tắc

– Chiều dày thân trụ: theo UG-27 (áp lực trong). Cân nhắc:
– Hiệu suất mối hàn E (UW-12) theo mức kiểm tra RT (UW-11).
– Dung sai cán (mill tolerance) và allowance ăn mòn (CA). Inox thường CA = 0–1 mm tùy dịch vụ.
– Chỏm (heads) theo UG-32:
– Elip 2:1, torispherical, bán cầu. Mỗi loại có hệ số hình học riêng.
– Gia cường lỗ/nozzle: UG-37. Tính diện tích bù theo chiều dày, đường kính lỗ, E của mối hàn.
– Áp lực ngoài/chân không: UG-28, dùng biểu đồ đường cong external pressure và thiết kế sườn tăng cứng.
– Nhiệt độ kim loại thiết kế thấp nhất (MDMT) và độ dai va đập:
– Yêu cầu chung theo UG-20/UG-84; với inox austenitic, điều khoản UHA trong Div 1 thường cho phép miễn thử va đập ở MDMT thông thường, nhưng phải kiểm tra giới hạn áp dụng và chiều dày cụ thể (xem UHA-5x trong ấn bản hiện hành).
– Duplex thường phải xét thử va đập ở MDMT; xác nhận theo UHA và yêu cầu đặt hàng.
– Ứng lực phụ: tải gió, động đất, nozzle loads, chân đỡ/chân váy; kiểm toán cục bộ (local stress) hoặc tham chiếu Div 2 khi cần.
– An toàn quá áp: van an toàn/đĩa nổ theo UG-125 trở đi; xác định MAWP, set pressure và khả năng xả.

Div 2 – khi nào nên chọn

– Ưu điểm: ứng suất cho phép cao hơn (do hệ số an toàn thấp hơn Div 1), hạ chiều dày; có thiết kế theo phân tích (FEA) theo Part 5, đánh giá mỏi, tải mái vòm/phức tạp.
– Yêu cầu: chất lượng vật liệu, truy xuất nguồn gốc, NDE nghiêm ngặt hơn; chấp thuận AI tương ứng.
– Phù hợp: bình mỏng cỡ lớn, vật liệu đắt (duplex/super duplex), chu kỳ tải lặp cao.

Div 3 – rất cao áp

– Áp dụng cho thiết bị > 69 MPa; yêu cầu phân tích nâng cao, vật liệu đặc thù. Ít khi dùng trong nhà máy thông thường.

Hàn và chế tạo: yêu cầu Section VIII, Section IX

Phân loại vật liệu hàn và chứng nhận

– Quy trình/WPS phải được thẩm định bằng PQR theo Section IX.
– P-Number điển hình:
– P-No. 8: Inox austenitic 3xx (304/316/321/347).
– P-No. 10H: Duplex 2205/2507.
– Vật liệu hàn (SFA):
– GTAW/GMAW: ER308L/ER316L (SFA-5.9), cho 304L/316L; với 321/347 dùng ER347/ER321 tương thích.
– SMAW: E308L-XX/E316L-XX (SFA-5.4).
– Ferrite trong kim loại mối hàn austenitic: kiểm soát 3–10 FN để tránh nứt nóng nhưng vẫn chống ăn mòn tốt; đo bằng Ferritscope.
– Duplex: kiểm soát cân bằng pha 35–55% ferrite; điều khiển nhiệt đầu vào và nhiệt độ lớp giữa (interpass thường < 150°C).

Kỹ thuật hàn quan trọng với inox

– Không cần tiền nhiệt hoặc PWHT cho austenitic; không thực hiện PWHT trừ khi tiêu chuẩn vật liệu yêu cầu xử lý dung dịch.
– Bảo vệ mặt sau mối hàn bằng khí trơ (argon) và kiểm soát oxy dư < 100 ppm đối với dịch vụ ăn mòn cao. - Hạn chế biến dạng nguội nặng; nếu có, cân nhắc ủ dung dịch theo SA-240/SA-312. - Tránh nhiễm bẩn Fe: dùng dụng cụ riêng cho inox, vệ sinh trước khi hàn. - Kiểm soát nhiệt đầu vào để hạn chế nhạy cảm hóa (sensitization) ở 304/316; dùng L-grade và quy trình hàn nhiệt vào thấp.

Hiệu suất mối hàn và mức kiểm tra

– Joint categories (UW-3) và hiệu suất E (UW-12) quyết định chiều dày tính toán.
– Lựa chọn mức RT/UT theo UW-11:
– Full RT (RT1): E tối đa, giảm chiều dày; áp dụng cho mối dọc thân.
– Spot RT (RT3) hoặc UT thay thế theo Section V khi được phép.

Xử lý bề mặt và vệ sinh cho inox

– Tẩy gỉ và thụ động hóa theo ASTM A380/A967 sau hàn, đặc biệt đường hàn/HAZ.
– Tránh bụi sắt, xước sâu; nếu có, tẩy cơ học và hóa học để phục hồi lớp thụ động Cr2O3.
– Độ nhám bề mặt phù hợp dịch vụ; trong môi trường clorua, giảm khe hở/crevice và cạnh sắc để hạn chế rỗ.
– Nước thử áp/hydrotest: clorua thấp (< 50 ppm cho austenitic là thực hành tốt), rửa sạch và sấy khô sau thử để tránh SCC do clorua lưu lại.

Kiểm tra NDE và thử áp

– NDE theo Section V và yêu cầu của VIII:
– PT: nên áp dụng cho mọi mối hàn inox nhằm phát hiện nứt bề mặt.
– RT/UT: theo UW-50 series và mức độ lựa chọn ở thiết kế.
– VT: 100% vùng hàn; PMI: xác nhận mác vật liệu quan trọng (304L vs 316L vs 2205).
– Thử áp:
– Thủy lực (UG-99): áp thử ≈ 1,3 × MAWP, điều chỉnh theo tỷ số ứng suất tại nhiệt độ thử/thiết kế; thời gian giữ đủ để kiểm tra rò.
– Khí nén (UG-100): chỉ khi không thể thủy lực; tuân thủ biện pháp an toàn nghiêm ngặt.
– Kiểm tra kín rò rỉ tinh (helium) khi yêu cầu rò rỉ rất thấp.
– Thiết bị an toàn:
– Van an toàn/đĩa nổ đạt chứng nhận (ví dụ UV-Stamp), sizing theo UG-125 trở đi; tài liệu hiệu chuẩn đầy đủ.

Đánh dấu, chứng nhận và hồ sơ

– U-Stamp/UM-Stamp: do Authorized Inspector (AI) giám sát; gắn nameplate theo quy cách.
– Manufacturer’s Data Report (Form U-1) hoàn chỉnh và ký bởi nhà chế tạo và AI.
– Hồ sơ bàn giao:
– MTR/COC vật liệu theo Section II; phiếu PMI.
– WPS/PQR/Chứng chỉ thợ hàn theo Section IX.
– Báo cáo NDE, biên bản thử áp, hiệu chuẩn thiết bị.
– Biểu đồ nhiệt (nếu có), bản vẽ chế tạo, kiểm tra kích thước, khối lượng.

Lỗi thường gặp với bình inox và cách phòng tránh

– Nứt ứng suất do clorua (SCC) ở 304/316 khi nhiệt độ > 50–60°C và có clorua: chọn 316L/duplex, giảm ứng suất còn dư, kiểm soát clorua.
– Ăn mòn khe/kẽ: thiết kế giảm khe, chọn gioăng phù hợp (PTFE, spiral wound 316L/graphite).
– Nhiễm bẩn sắt khi gia công: dẫn tới rỉ nâu; áp dụng A380/A967 để xử lý.
– Hydrotest bằng nước biển hoặc nước có clorua cao mà không rửa/sấy: gây rỗ/SCC sớm.
– Hàn duplex ngoài cửa sổ nhiệt: mất cân bằng pha, giảm bền/kháng ăn mòn; cần giám sát nhiệt đầu vào, lấy mẫu kiểm tra pha.

Ứng dụng điển hình trong hóa chất, năng lượng, đóng tàu

– Hóa chất: tháp hấp thụ, thùng phản ứng, bình tách, bình rửa khí; 316L/904L và duplex cho môi trường clorua.
– Năng lượng: bình chứa hydrogen, hệ thống nước làm mát, bình khí nén; đánh giá mỏi và nứt hydro theo Div 2 khi cần.
– Đóng tàu: scrubber SOx, hệ thống BWMS; 2205 cho nước biển, 316L cho dịch vụ ít khắc nghiệt.

Triển khai tại Việt Nam: lưu ý mua sắm và chế tạo

– Vật tư sẵn có tại Hà Nội: tấm SA-240 304L/316L/2205, ống SA-312 SCH 10/40, phụ kiện SA-403, mặt bích SA-182.
– Nên yêu cầu chứng chỉ 3.1/3.2, PMI tại xưởng, và ferrite check cho mối hàn quan trọng.
– Nếu cần chứng nhận U-Stamp, chọn đơn vị chế tạo có dấu ASME hợp lệ và AI đi kèm; phối hợp kiểm tra witness các mốc vật liệu, đóng thân, thử áp.

Bảng kiểm nhanh ASME cho bình chịu áp lực inox

– Xác định phạm vi Div 1/2 và điều kiện thiết kế: P, T, MAWP, MDMT, môi trường.
– Chọn vật liệu SA-240/SA-312 đúng mác, tra S theo Section II-D; xác định CA và mill tolerance.
– Tính chiều dày UG-27/UG-32; gia cường nozzle UG-37; kiểm tra ổn định UG-28.
– Quy định mức NDE và E theo UW-11/UW-12; lên kế hoạch RT/UT/PT.
– Lập WPS/PQR theo Section IX; chọn filler phù hợp; kiểm soát ferrite và khí bảo vệ.
– Kế hoạch làm sạch A380/A967; quy định nước thử và sấy khô sau thử.
– Chuẩn bị thử áp UG-99/UG-100; sizing thiết bị an toàn UG-125+.
– Hoàn thiện U-1 Data Report, nameplate và đóng dấu với AI.

Nguồn tham khảo

– ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII Divisions 1, 2, 3; Section II (Parts A, D); Section V; Section IX, 2023 Edition.
– ASTM A240/A240M; ASTM A312/A312M; ASTM A380; ASTM A967.
– NBIC NB-23, National Board Inspection Code.
– NACE MR0175/ISO 15156 (môi trường H2S).

Kết luận

ASME BPVC cung cấp khung đầy đủ để thiết kế, chế tạo và chứng nhận bình chịu áp lực inox an toàn và tối ưu. Cốt lõi là lựa chọn đúng mác inox theo môi trường, tính toán chiều dày và gia cường theo Section VIII, kiểm soát hàn theo Section IX, áp dụng NDE/thuỷ lực chuẩn và hoàn thiện hồ sơ U-Stamp khi cần. Với dịch vụ chứa clorua hay tải lặp, cân nhắc 316L hoặc duplex và, nếu cần tối ưu vật liệu, chuyển sang Div 2. Thực hiện đúng các bước trên sẽ giúp bình inox đạt tuổi thọ cao, an toàn và hiệu quả chi phí trong hóa chất, năng lượng và đóng tàu.

Cần hỗ trợ chọn mác inox, thiết kế theo ASME, hay báo giá vật tư SA-240/SA-312 sẵn hàng tại Hà Nội? Liên hệ Inox Cường Thịnh để được tư vấn chuyên sâu và giá tốt nhất.
Hotline: 0343.417.281
Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com