Hệ thống ống inox chịu áp lực cao: tiêu chuẩn & thiết kế tối ưu

Trong công nghiệp nặng (hóa chất, năng lượng, đóng tàu), hệ thống đường ống inox chịu áp lực cao là xương sống của truyền dẫn môi chất an toàn và ổn định. Bài viết này tập trung vào cách thiết kế, lựa chọn vật liệu, tiêu chuẩn, thi công, kiểm tra và vận hành hệ thống ống inox chịu áp lực cao cho nhà máy tại Việt Nam, nhằm đạt tuổi thọ dài, hiệu quả chi phí và tuân thủ quy chuẩn quốc tế.

Khi nào cần ống inox chịu áp lực cao?

– Phương tiện: hóa chất ăn mòn (axit, dung dịch clorua), khí nén/khí đặc biệt, hydro, hơi sạch, nước biển, dầu – khí, dung dịch CIP/SIP.
– Điều kiện làm việc: áp suất vận hành thường từ 10–250 bar (hoặc cao hơn ở một số tuyến chịu xung áp), nhiệt độ từ -196°C đến 400°C tùy mác inox.
– Lý do chọn inox: chống ăn mòn, sạch bề mặt, ít bảo trì, chịu nhiệt, tuổi thọ cao trong môi trường khắc nghiệt ven biển, hóa chất hoặc môi trường sạch.

Vật liệu inox phù hợp cho áp lực cao

Nhóm Austenitic

– 304/304L: kinh tế, phù hợp môi trường ít clorua/ăn mòn nhẹ. Ít dùng cho clorua cao hoặc nhiệt >425°C do nguy cơ SCC/sensitization.
– 316/316L: Mo≈2–2.5% tăng chống rỗ; lựa chọn phổ biến cho hóa chất, thực phẩm, năng lượng. 316L ưu tiên cho hàn nhiều (giảm nhạy cảm hóa).
– 321/347: ổn định titan/niobi cho nhiệt cao, hạn chế ăn mòn kẽ hạt khi làm việc ở 425–870°C.
– 904L: Ni cao, Mo≈4.5%, chống rỗ/khẽ hở tốt hơn 316L, dùng cho axit mạnh (nhưng chi phí cao).

Nhóm Duplex/Ferritic–Austenitic

– 2205 (UNS S32205/S31803): giới hạn chảy cao (≈2× austenitic thông thường), chống rỗ/SCC tốt trong nước biển và clorua. Rất phù hợp áp lực cao.
– 2507 (Super duplex): PREN >40, dùng cho nước biển, dầu khí ngoài khơi, áp lực rất cao.

Gợi ý nhanh:
– Dịch vụ nước biển/clorua cao: 2205/2507.
– Hóa chất chung, nhiệt trung bình: 316L/321.
– Nhiệt cao lâu dài: 321/347.
– Axit mạnh đòi chống rỗ cao: 904L hoặc super duplex.

Lưu ý: Chất lượng vật liệu theo ASTM/ASME, yêu cầu chứng chỉ mác nhiệt (MTC) EN 10204 3.1 và PMI 100% cho tuyến quan trọng.

Tiêu chuẩn và quy phạm cốt lõi

– Quy phạm thiết kế đường ống: ASME B31.3 (Process Piping) hoặc ASME B31.1 (Power Piping) tùy công năng; EN 13480 (châu Âu).
– Kích thước/độ dày ống inox: ASME B36.19M (các Schedule 5S, 10S, 40S, 80S…).
– Ống: ASTM A312 (austenitic), ASTM A790 (duplex).
– Phụ kiện hàn: ASTM A403 (austenitic), ASTM A815 (duplex); theo ASME B16.9 (elbow, tee…), MSS SP-43 (mỏng).
– Mặt bích/forging: ASTM A182; tiêu chuẩn mặt bích ASME B16.5 (Class 150–2500).
– Van: thử rò API 598/ISO 5208; chống cháy API 607; phát thải ISO 15848.
– Hàn và xử lý bề mặt: ISO 15614-1/WPS-PQR; ASTM A380/A967 (tẩy gỉ, thụ động).
– Môi trường H2S (sour): NACE MR0175/ISO 15156; thiết kế chống ăn mòn ISO 21457.
– Kiểm tra trong sử dụng: API 570 (Piping Inspection Code).

Tính chiều dày ống chịu áp lực (theo ASME B31.3)

Công thức cơ sở (đơn giản hóa cho ống thẳng):
t_req = (P × Do) / (2 × S × E + P × y) + c

Trong đó:
– P: áp suất thiết kế (MPa)
– Do: đường kính ngoài ống (mm)
– S: ứng suất cho phép của vật liệu tại nhiệt độ thiết kế (MPa)
– E: hệ số mối hàn dọc (seam efficiency), 1.0 với ống đúc/seamless; 0.85–1.0 với ống hàn tùy QC
– y: hệ số vật liệu (thường 0.4 cho inox austenitic)
– c: allowance (ăn mòn + gia công), thường 0–3 mm tùy môi chất/tuổi thọ

Ví dụ 1 – Dịch vụ hóa chất, 40 bar, 100°C:
– Vật liệu: 316L, S≈137 MPa (tham khảo ASME II-D)
– NPS 2″ (Do=60.3 mm), ống đúc (E=1.0), y=0.4, c=1.0 mm
– t = (4×60.3)/(2×137×1 + 4×0.4) + 1 ≈ 0.875 + 1 = 1.875 mm
– Chọn Schedule gần nhất cao hơn: 2″ Sch 10S (2.77 mm) đủ bền; cân nhắc Sch 40S (3.91 mm) nếu có tải cơ/nhiệt/vibration.

Ví dụ 2 – Khí nén cao áp, 100 bar, 50°C:
– Vật liệu: 316L, S≈137 MPa; Do=60.3 mm; E=1.0; y=0.4; c=1 mm
– t ≈ (10×60.3)/(274 + 4) + 1 ≈ 2.17 + 1 = 3.17 mm
– Chọn 2″ Sch 40S (3.91 mm) hoặc xem xét 2205 (S cho phép cao hơn) để giảm chiều dày.

Lưu ý:
– Kiểm tra ứng suất do nhiệt, uốn, trọng lượng, rung động; không chỉ áp lực.
– Với khí/khí hỗn hợp, cân nhắc thêm hệ số xung áp (surge) và hậu quả phá hủy (design factor).

Lựa chọn Schedule, Class và đầu nối

– Schedule ống: cao áp thường dùng Sch 40S/80S/160/XXS (tùy NPS).
– Mặt bích và van: chọn Class theo ASME B16.5 (Class 300/600/900/1500/2500); kiểm tra biểu đồ áp suất–nhiệt độ vật liệu.
– Đầu nối:
– Butt-weld (BW): ưu tiên cho cao áp/đường kính ≥ DN25, giảm rò và tổn thất.
– Socket-weld/Threaded: cho nhánh nhỏ DN≤DN25; lưu ý nguy cơ ăn mòn khe và rò rỉ, hạn chế trong môi chất ăn mòn.

Thiết kế bố trí: giãn nở, đỡ treo, xung áp

– Giãn nở nhiệt: ΔL = α × L × ΔT. Với inox austenitic, α≈16–17×10^-6/K.
– Ví dụ: tuyến 30 m, ΔT=80°C ⇒ ΔL≈38–41 mm. Cần loop giãn nở, gối trượt, guide, anchor.
– Đỡ và chống rung: xem xét nhịp đỡ theo đường kính và Schedule; bố trí snubber/SPR cho tuyến khí/steam.
– Xung áp (water hammer): lắp bình dập xung, van đóng mở chậm, logic điều khiển.
– Dead-leg: giảm chiều dài nhánh cụt (<6×DN) để hạn chế ăn mòn cục bộ/tích tụ.

Phụ kiện, van và vật liệu làm kín

– Phụ kiện: khuỷu, tê, thu; tiêu chuẩn ASME B16.9/A403 (austenitic), A815 (duplex).
– Van:
– Ball/gate/globe/needle tùy dịch vụ; kiểm tra API 598/ISO 5208 (rò), ISO 15848 (phát thải).
– Thân van: CF8M (316), duplex (CD3MN/CE8MN) cho nước biển/clorua.
– Seat/seal: PTFE, RPTFE, PEEK, Graphite cho nhiệt cao; với hydro/hydrocarbon ưu tiên fire-safe API 607.
– Gioăng: Spiral wound SS316 + graphite cho nhiệt/cao áp; PTFE cho hóa chất ăn mòn nhưng giới hạn nhiệt.

Hàn inox cho hệ thống cao áp

– Quy trình: WPS/PQR theo ISO 15614-1 hoặc ASME IX; thợ hàn chứng chỉ.
– Phương pháp: GTAW/TIG cho pass gốc (back purging bằng Ar, O2 < 50 ppm); SMAW/GMAW/SAW cho fill/cap. - Kiểm soát nhiệt: interpass 100–150°C cho austenitic; duplex kiểm soát nhiệt đầu vào/giữ cân bằng pha (ferrite 30–60%). - Xử lý bề mặt: tẩy gỉ–thụ động theo ASTM A380/A967; làm sạch xỉ, vết cháy màu. - NDT: PT 100% mối hàn chịu áp cao/quan trọng, RT/UT theo mức của B31.3; ghi nhật ký weld map đầy đủ.

Chống ăn mòn và độ bền lâu dài

– Clorua/SCC: hạn chế ứng suất kéo, tránh nhiệt độ 60–150°C kéo dài với 304/316; dùng duplex/904L cho clorua cao.
– PREN (đánh giá chống rỗ): 316L≈24, 904L≈34, 2205≈35, 2507>40. Chọn PREN phù hợp nước biển/NaCl.
– CUI (ăn mòn dưới bảo ôn): dùng bảo ôn ít clorua, lớp bọc kín nước; kiểm tra định kỳ.
– Galvanic: tránh ghép inox với thép carbon trong môi trường ẩm; nếu bắt buộc, dùng cách điện/flange isolating kit.
– Sour service (H2S): tuân NACE MR0175/ISO 15156; kiểm soát độ cứng, chọn vật liệu phù hợp.

Kiểm tra, thử áp và nghiệm thu

– Thử thủy lực: 1.5× áp suất thiết kế (ASME B31.3), giữ áp đủ thời gian, kiểm tra rò.
– Thử khí nén: 1.1× (chỉ dùng khi không thể thử nước), quy trình an toàn nghiêm ngặt.
– Vệ sinh và làm sạch: pickling/passivation, flushing, khí sạch cho tuyến khí; độ sạch theo yêu cầu quá trình.
– Tài liệu bàn giao: MTC 3.1, nhật ký hàn, NDT, biên bản thử áp, bản vẽ as-built, chứng chỉ vật liệu gioăng/van.

Vận hành và bảo trì

– Theo dõi rung, nhiệt, rò rỉ; dán nhãn lưu chất/áp suất.
– Kiểm tra định kỳ theo API 570: độ dày bằng UT, PT mối hàn, soi CUI tại điểm nóng.
– Hóa chất làm sạch: chọn dung dịch và phương án xả thải không gây rỗ clorua.
– Quản lý thay đổi (MOC) khi thay đổi áp suất, lưu chất hoặc vật liệu.

Lỗi phổ biến và cách tránh

– Chọn sai mác inox cho clorua cao → rỗ/SCC: dùng duplex/904L cho nước biển/dung dịch muối.
– Bỏ qua giãn nở nhiệt → nứt gối/ống: thêm loop, guide/anchor hợp lý.
– Hàn không back purge → oxy hóa mặt trong, rỗ sớm: kiểm soát O2 < 50 ppm. - Dùng socket-weld cho môi chất ăn mòn → ăn mòn khe: ưu tiên butt-weld. - Bảo ôn có clorua → CUI/SCC: dùng vật liệu bảo ôn low-chloride, lớp bọc kín.

Checklist mua sắm và kỹ thuật

– Thông số: P, T thiết kế; môi chất; ăn mòn dự kiến; tuổi thọ.
– Vật liệu: mác, tiêu chuẩn ASTM, MTC 3.1; PMI.
– Kích thước: NPS, Schedule; Class mặt bích/van; kiểu kết nối BW.
– Yêu cầu hàn: WPS/PQR, back purging, NDT (PT/RT/UT) phần trăm.
– Hoàn thiện bề mặt trong (Ra) nếu yêu cầu vệ sinh/quy trình sạch.
– Gói thử nghiệm: hydro/pneumatic, vệ sinh, passivation.
– Tài liệu và truy xuất: heat number, weld map, as-built.

Ví dụ ứng dụng tại Việt Nam

– Nhà máy hóa chất ven biển: tuyến nước biển lọc áp 30–60 bar → chọn 2205 với Sch 40/80S, mặt bích Class 300–600, gioăng spiral graphite, van duplex; bảo ôn và bọc ngoài chống CUI.
– Tuyến khí nén 100 bar: 316L Sch 80S hoặc 2205 Sch 40S; BW toàn tuyến; thử thủy lực 1.5×, PT 100% mối hàn; snubber chống xung áp.

Nguồn tham khảo

– ASME B31.3 – Process Piping (Viện Cơ khí Hoa Kỳ)
– ASME B36.19M – Stainless Steel Pipe
– ASTM A312/A312M – Standard Specification for Seamless, Welded, and Heavily Cold Worked Austenitic Stainless Steel Pipes
– ASTM A403 – Wrought Austenitic Stainless Steel Piping Fittings; ASTM A182 – Forged/Flange
– NACE MR0175/ISO 15156 – Materials in H2S-containing Environments
– ISO 21457 – Materials selection and corrosion control for oil and gas
– ASTM A380/A967 – Cleaning, Descaling, and Passivation of Stainless Steel Parts
– API 570 – Piping Inspection Code

Kết luận

Để xây dựng hệ thống ống inox chịu áp lực cao bền vững và tối ưu chi phí, hãy:
– Chọn đúng mác inox theo môi chất và nhiệt độ (ưu tiên duplex cho clorua/áp suất cao).
– Tính chiều dày theo ASME B31.3, có allowance và tải bổ sung; chọn Schedule/Class phù hợp.
– Ưu tiên kết nối butt-weld, kiểm soát hàn và xử lý bề mặt đạt chuẩn; NDT nghiêm ngặt.
– Thiết kế bố trí cho giãn nở, rung và xung áp; phòng ngừa CUI và ăn mòn khe.
– Thiết lập thử nghiệm, tài liệu, và chương trình bảo trì theo API 570.

Cần bản chào hàng chuẩn kỹ thuật, vật tư tồn kho và tư vấn lựa chọn nhanh cho dự án tại Việt Nam? Liên hệ Inox Cường Thịnh để được hỗ trợ kỹ sư và báo giá tốt nhất.
Hotline: 0343.417.281
Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com