Cách tính áp lực làm việc và độ dày ống Inox theo chuẩn ASME

Thiết kế ống Inox chịu áp lực đòi hỏi xác định chính xác áp lực làm việc (working pressure) và độ dày thành ống theo tiêu chuẩn. Bài viết này trình bày trọn vẹn công thức, quy trình và ví dụ tính toán theo thông lệ ASME/EN cho ống Inox (304/304L/316/316L) dùng trong hệ thống công nghiệp. Chủ đề là một mảnh ghép quan trọng trong cẩm nang Ống & Hộp Inox, nhưng nội dung dưới đây độc lập và tập trung vào cách tính toán chuẩn.

Thuật ngữ cốt lõi cần nắm

– Áp lực làm việc (Working Pressure): áp lực vận hành bình thường của hệ thống.
– Áp lực/áp suất thiết kế (Design Pressure, P): ≥ áp lực làm việc có tính đến dự phòng (thường +10–25% hoặc theo yêu cầu dự án).
– Nhiệt độ thiết kế (Design Temperature): nhiệt độ cao nhất dự kiến trong vận hành.
– Ứng suất cho phép (Allowable Stress, S): giá trị theo vật liệu và nhiệt độ do tiêu chuẩn công bố (MPa).
– Hiệu suất mối hàn dọc (Weld Joint Efficiency, E): 1.0 cho ống đúc/ống hàn kiểm tra 100%; 0.85–0.95 cho ống hàn tùy mức kiểm tra không phá hủy.
– Hệ số y (y): hệ số vật liệu trong công thức ASME B31.3 (thép không gỉ austenitic thường y = 0.4 ở vùng nhiệt độ thông dụng).
– Dung sai cán (Mill Tolerance): với ống Inox theo ASTM A312 thường -12.5% chiều dày danh nghĩa.
– Bổ sung ăn mòn (Corrosion Allowance, CA): thường 0–0.5 mm cho môi trường sạch với Inox; tăng hơn cho môi trường xâm thực.

Công thức tính theo tiêu chuẩn

1) Công thức Barlow (xấp xỉ thành mỏng)

– Áp lực thiết kế tối đa: P ≈ 2 S E t / D
– Độ dày yêu cầu: t ≈ P D / (2 S E)
Áp dụng khi t/D nhỏ (thành mỏng), dùng cho ước tính nhanh. Không bao gồm y, CA và dung sai cán.

2) ASME B31.3 – độ dày tối thiểu đoạn ống thẳng

– Độ dày tính toán (không gồm CA): t_m = (P D) / (2 (S E + P y))
– Độ dày yêu cầu có CA: t_req = t_m + CA
– Độ dày danh nghĩa cần chọn: t_nom ≥ t_req / (1 − mill_tolerance)
Với mill_tolerance = 12.5% → chia cho 0.875.

3) Tính áp lực làm việc/MAWP từ chiều dày thực

Khi đã chọn t_nom (biết dung sai và CA), tính áp lực cho phép tại nhiệt độ thiết kế:
– t_avail = (t_nom × 0.875) − CA
– P_allow = 2 S E t_avail / (D − 2 y t_avail)
So sánh P_allow ≥ P (thiết kế). P_work nên thấp hơn hoặc bằng P_allow/ hệ số an toàn nội bộ nếu có.

Quy trình 7 bước thiết kế nhanh (theo thông lệ ASME/EN)

1) Xác định điều kiện thiết kế: P (≥ Working Pressure), T (cao nhất), môi chất, chu kỳ nhiệt/áp.
2) Chọn vật liệu Inox (304/304L/316/316L/321…) và tra S(T) theo tiêu chuẩn mới nhất.
3) Chọn E (hiệu suất mối hàn), y và CA phù hợp; xác nhận chuẩn kích thước (ASME B36.19M, ISO 1127).
4) Tính t_m theo ASME B31.3; cộng CA → t_req.
5) Tính t_nom yêu cầu với dung sai cán; chọn cỡ Schedule/độ dày danh nghĩa gần nhất nhưng không nhỏ hơn.
6) Kiểm tra ngược P_allow ở nhiệt độ thiết kế với t_avail (đã trừ dung sai và CA).
7) Rà soát các ràng buộc khác: tối thiểu cơ khí/va đập, tải trọng gối đỡ, giãn nở nhiệt, ăn mòn cục bộ, ren/groove, chân không (ổn định dưới áp suất ngoài), thử áp lực.

Ví dụ tính toán thực tế

Giả định các giá trị S dưới đây chỉ phục vụ minh họa. Khi thiết kế, luôn tra S(T) theo ấn bản hiện hành của tiêu chuẩn.

Ví dụ A – Chọn độ dày cho ống Inox DN50 (NPS 2″)

– Ống: Inox 304L, OD D = 60.3 mm (ASME B36.19M)
– P_work = 10 bar → P (thiết kế) = 12 bar = 1.2 MPa
– T (thiết kế) = 80°C; lấy S = 120 MPa (giả định minh họa)
– E = 1.0 (ống đúc/ống hàn kiểm tra 100%); y = 0.4; CA = 0 mm (nước sạch); dung sai cán 12.5%

Tính t_m:
t_m = (P D) / (2 (S E + P y)) = (1.2 × 60.3) / (2 (120 × 1 + 1.2 × 0.4))
= 72.36 / (2 × (120 + 0.48)) = 72.36 / 240.96 = 0.300 mm

t_req = t_m + CA = 0.300 mm
t_nom ≥ t_req / 0.875 = 0.343 mm

Kết luận tính toán: yêu cầu chịu áp lực rất nhỏ. Tuy nhiên, vì yêu cầu cơ khí, chế tạo và tiêu chuẩn thương mại, thực tế tối thiểu nên chọn Sch 5S hoặc 10S:
– Sch 10S (2″): t_nom = 2.77 mm (phổ biến công nghiệp), dư áp lực rất lớn, dễ gia công và bền va đập.

Kiểm tra P_allow với Sch 10S:
t_avail = 2.77 × 0.875 − 0 = 2.42 mm
P_allow = 2 × 120 × 1.0 × 2.42 / (60.3 − 2 × 0.4 × 2.42)
= 580.8 / (60.3 − 1.936) = 580.8 / 58.364 = 9.95 MPa ≈ 99.5 bar

Dư địa an toàn rất lớn so với P_work = 10 bar.

Ví dụ B – Tính áp lực làm việc cho ống NPS 3″ đã chọn

– Ống: Inox 316L, OD D = 88.9 mm, Sch 10S (t_nom = 3.05 mm)
– T = 100°C; lấy S = 120 MPa (minh họa); E = 1.0; y = 0.4; CA = 0 mm

t_avail = 3.05 × 0.875 = 2.67 mm
P_allow = 2 × 120 × 1.0 × 2.67 / (88.9 − 2 × 0.4 × 2.67)
= 640.8 / (88.9 − 2.136) = 640.8 / 86.764 = 7.38 MPa ≈ 73.8 bar

Nếu dùng Sch 40S (t_nom = 5.49 mm):
t_avail = 4.80 mm → P_allow ≈ 13.6 MPa ≈ 136 bar

Ghi chú: Nếu ống hàn với E = 0.85, P_allow giảm tương ứng khoảng 15%.

Lựa chọn Schedule và kích thước – gợi ý thực hành

– Theo ASME B36.19M (Stainless Steel Pipe), độ dày phổ biến:
– NPS 2″: Sch 10S = 2.77 mm; Sch 40S = 3.91 mm; Sch 80S = 5.54 mm
– NPS 3″: Sch 10S = 3.05 mm; Sch 40S = 5.49 mm; Sch 80S = 7.62 mm
– Với áp lực thấp–trung bình và môi chất sạch: Sch 10S thường đủ; chọn Sch 40S khi cần bền cơ khí, va đập, ren/groove, hoặc dự phòng ăn mòn.
– Ống theo ASTM A312/A312M (Seamless/Welded) thường có dung sai -12.5% chiều dày; luôn tính đến khi kiểm tra P_allow.
– Ống chuẩn “tube” (ASTM A269/A270) dùng thước OD/thickness theo ISO 1127; công thức kiểm tra áp lực tương tự, cần đúng OD và t.

Các lưu ý kỹ thuật quan trọng

– Nhiệt độ cao làm giảm S: luôn tra bảng S(T) chính thức cho đúng mác và trạng thái vật liệu (L/H, 304 vs 304L, 316 vs 316L).
– Ăn mòn/ăn mòn kẽ hở/cavitation: cân nhắc CA > 0 trong môi trường clorua, axit/bazo, nước biển, hoặc thêm lớp lót.
– Chân không và áp lực ngoài: kiểm tra ổn định uốn vỏ (ASME BPVC VIII-1, UG-28) khi có áp ngoài/vacuum.
– Tải trọng ngoài: gối đỡ, rung, giãn nở nhiệt, tải van/mặt bích có thể chi phối độ dày tối thiểu vượt yêu cầu áp suất.
– Gia công: ren, vát mép, rãnh khóa làm mỏng thành – tính đủ “thickness after machining”.
– Thử áp: theo ASME B31.3, P_test thủy lực ≈ 1.5 × P_design × (S_at_test / S_at_design). Kiểm tra khả năng thiết bị phụ trợ.
– Hộp Inox (vuông/chữ nhật) không khuyến nghị cho dịch vụ áp lực trong đường ống; nếu dùng cho jacket/hộp áp lực, cần thiết kế theo lý thuyết bản và bình chịu áp tương ứng.

Checklist nhanh trước khi chốt độ dày ống Inox

– [ ] Xác nhận P, T thiết kế và hệ số dự phòng nội bộ
– [ ] Tra S(T) chính xác từ tiêu chuẩn hiện hành
– [ ] Chọn E, y theo loại ống và kiểm tra NDT
– [ ] Quyết định CA (≥ 0 nếu môi trường xâm thực)
– [ ] Tính t_m, t_req, t_nom; chọn Schedule thương mại
– [ ] Kiểm tra P_allow ≥ P; đánh giá tải ngoài và yêu cầu cơ khí
– [ ] Xác nhận thử áp lực và lắp đặt

Nguồn tham khảo chính

– ASME B31.3 – Process Piping (công thức t = P D / [2 (S E + P y)], hệ số y, E, yêu cầu thử áp)
– ASME B36.19M – Stainless Steel Pipe (kích thước OD và Schedule cho ống Inox)
– ASTM A312/A312M – Seamless, Welded Austenitic Stainless Steel Pipes (dung sai chiều dày, mác vật liệu)
– EN 13480-3 – Metallic Industrial Piping, Part 3: Design and calculation (công thức thiết kế tương đương dùng hệ số riêng)
– ASME BPVC Section II, Part D – Properties (Allowable Stresses) for Materials (bảng S theo nhiệt độ cho từng vật liệu)
– ISO 1127 – Stainless steel tubes (kích thước và dung sai cho “tube”)

Kết luận
– Tính độ dày ống Inox và áp lực làm việc nên tuân theo công thức và quy trình của ASME B31.3 hoặc EN 13480, có xét đến S(T), E, y, CA và dung sai cán.
– Dùng B31.3 để xác định t_req, chọn Schedule theo B36.19M, rồi kiểm tra ngược P_allow.
– Ví dụ thực tế cho thấy Sch 10S/40S thường dư áp lớn cho áp lực công nghiệp phổ biến; lựa chọn cuối cùng cần xét thêm tải ngoài, ăn mòn, gia công và thử áp.
– Cần số liệu S(T) cập nhật từ ấn bản tiêu chuẩn mới nhất cho mác Inox cụ thể.

Cần tư vấn chọn mác và Schedule tối ưu cho dự án của bạn? Liên hệ Inox Cường Thịnh để được tính toán chi tiết và báo giá tốt nhất.
Hotline: 0343.417.281
Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com