Tính áp lực làm việc, độ dày thành ống Inox theo ASME B31.3

Trong thiết kế đường ống Inox công nghiệp, xác định áp lực làm việc cho phép (MAWP) và độ dày thành ống tối thiểu theo tiêu chuẩn là bước quyết định an toàn và chi phí. Bài viết này cung cấp hướng dẫn tính toán theo ASME B31.3 (đường ống quá trình) và tra kích thước ống theo ASME B36.19M (ống Inox), phù hợp thực tế thi công tại Việt Nam. Đây là một phần quan trọng trong cẩm nang về ống/hộp Inox, nhưng hoàn toàn độc lập để bạn áp dụng ngay.

Chuẩn mực và thuật ngữ cần nắm

– P: Áp suất thiết kế (MPa hoặc bar; 1 bar = 0,1 MPa)
– MAWP: Áp lực làm việc cho phép của ống ở nhiệt độ thiết kế
– D: Đường kính ngoài ống (mm), tra theo ASME B36.19M
– t: Chiều dày thành ống (mm)
– c: Phụ trừ ăn mòn/ăn mòn mài mòn (mm)
– S: Ứng suất cho phép của vật liệu ở nhiệt độ thiết kế (MPa), tra ASME II-D
– E: Hệ số chất lượng mối hàn dọc (0,85–1,0 tùy kiểu ống và kiểm tra NDT)
– W: Hệ số giảm bền mối hàn theo nhiệt độ (≈1,0 ở nhiệt độ thường với Inox austenit)
– Y: Hệ số phụ thuộc vật liệu/nhiệt độ (với Inox austenit ở nhiệt độ thường thường lấy 0,4)
– Dung sai chiều dày (mill tolerance): thường -12,5% theo ASTM A312 (ống Inox)

Lưu ý thuật ngữ:
– Áp suất vận hành (operating) khác áp suất thiết kế (design). Tính toán dùng áp suất thiết kế (có dự phòng).
– MAWP là khả năng chịu áp của ống đã chọn ở nhiệt độ thiết kế, tính đến c, E, dung sai.

Công thức tính theo ASME B31.3

– Tính chiều dày yêu cầu cho ống thẳng chịu áp bên trong:
t_required = [P × D] / [2 × (S × E × W + P × Y)]
Sau đó cộng phụ trừ ăn mòn: t_req+c = t_required + c
Tính đến dung sai -12,5%: t_nominal ≥ (t_req+c) / 0,875

– Tính MAWP khi biết chiều dày:
Trước hết xét dung sai và ăn mòn: t_available = 0,875 × t_nominal − c
MAWP = P_allow = [2 × S × E × W × t_available] / [D − Y × t_available]

Quy ước đơn vị nhất quán: P (MPa), S (MPa), D và t (mm) để kết quả P ra MPa.

Dữ liệu cần có trước khi tính

– Kích thước ống: OD D và schedule (chiều dày danh nghĩa) theo ASME B36.19M (ví dụ NPS 2″ có D = 60,3 mm; SCH 5S: 1,65 mm; 10S: 2,77 mm; 40S: 3,91 mm; 80S: 5,54 mm).
– Mác Inox: 304/304L, 316/316L…; lấy S từ ASME II-D tại nhiệt độ thiết kế. Tham khảo điển hình:
+ 304/316 ở ~20–38°C: S ≈ 137–138 MPa
+ 304 ở 200°C: S giảm còn khoảng 115 MPa (tham chiếu tiêu chuẩn cập nhật để dùng giá trị chính xác).
– Kiểu ống: đúc (seamless) hay hàn (welded); xác định E:
+ E = 1,0 cho ống đúc hoặc ống hàn có kiểm tra NDT theo yêu cầu
+ E = 0,85 nếu ống hàn không NDT theo bảng của B31.3
– Phụ trừ ăn mòn c: tùy môi trường (0–0,5 mm cho nước sạch; lớn hơn cho hóa chất/biển).
– Nhiệt độ: để chọn S và W phù hợp.
– Ràng buộc hệ thống: rating mặt bích/van (ví dụ Class 150 ~ 19,6 bar @ 38°C), phương pháp nối (ren, hàn, rãnh) có thể là “mắt xích yếu”.

Quy trình A: Cho áp suất yêu cầu, tính chiều dày và chọn schedule

Bước 1: Tính chiều dày tối thiểu chịu áp

Dùng công thức t_required với P, D, S, E, W, Y theo điều kiện thiết kế.

Bước 2: Cộng phụ trừ và dung sai

– t_req+c = t_required + c
– t_nominal ≥ (t_req+c) / 0,875 để bù dung sai -12,5%

Bước 3: Chọn schedule tiêu chuẩn

Chọn schedule có t_nominal gần nhất nhưng ≥ giá trị yêu cầu. Tra theo ASME B36.19M.

Bước 4: Kiểm tra lại MAWP và ràng buộc hệ thống

Xác nhận MAWP của ống đã chọn ≥ áp suất thiết kế. Đừng quên kiểm tra rating của phụ kiện, mặt bích, van.

Ví dụ A – Tính cho ống Inox 304 DN50 (NPS 2″)

– Dữ liệu:
+ P = 16 bar = 1,6 MPa; T ≈ 20°C
+ Vật liệu: 304, S ≈ 138 MPa; W = 1,0
+ Ống hàn không NDT: E = 0,85 (giả định bảo thủ)
+ Y = 0,4; c = 0,5 mm (ăn mòn dự phòng)
+ D (NPS 2″) = 60,3 mm
– Tính t_required:
t_required = (1,6 × 60,3) / [2 × (138 × 0,85 × 1,0 + 1,6 × 0,4)]
= 96,48 / [2 × (117,3 + 0,64)]
= 96,48 / 235,88
≈ 0,409 mm
– Cộng ăn mòn: t_req+c = 0,409 + 0,5 = 0,909 mm
– Tính đến dung sai: t_nominal ≥ 0,909 / 0,875 = 1,039 mm
– Chọn schedule: SCH 5S (1,65 mm) là phương án tiêu chuẩn đầu tiên thỏa mãn.
– Kiểm tra nhanh MAWP (tóm tắt): với SCH 5S chọn ở trên, MAWP tính lại ≈ 36,9 bar > 16 bar (đủ dự phòng). Kết luận: NPS 2″ SCH 5S đáp ứng yêu cầu 16 bar trong điều kiện giả định; tuy nhiên thực tế nhiều đơn vị chọn SCH 10S để bền cơ học, dễ hàn và đồng bộ phụ kiện.

Quy trình B: Cho chiều dày/schedule, tính MAWP

Bước 1: Tính t_available

t_available = 0,875 × t_nominal − c

Bước 2: Tính MAWP

P_allow = [2 × S × E × W × t_available] / [D − Y × t_available]

Ví dụ B – MAWP cho NPS 2″ SCH 10S (t_nominal = 2,77 mm)

– Dữ liệu cơ sở: D = 60,3 mm; S (304, ~20°C) = 138 MPa; W = 1; Y = 0,4
– Trường hợp tốt (ống đúc hoặc hàn có NDT, không ăn mòn): E = 1,0; c = 0
+ t_available = 0,875 × 2,77 = 2,424 mm
+ P_allow ≈ [2 × 138 × 1 × 2,424] / [60,3 − 0,4 × 2,424]
≈ 11,27 MPa ≈ 112,7 bar
– Trường hợp bảo thủ (ống hàn không NDT, có ăn mòn 0,5 mm): E = 0,85; c = 0,5
+ t_available = 0,875 × 2,77 − 0,5 = 1,924 mm
+ P_allow ≈ [2 × 138 × 0,85 × 1,924] / [60,3 − 0,4 × 1,924]
≈ 7,59 MPa ≈ 75,9 bar

Ghi nhớ: MAWP của đoạn ống có thể cao, nhưng hệ thống thực tế thường bị giới hạn bởi mặt bích/van Class 150 (~19,6 bar @ 38°C). Thiết kế phải theo “mắt xích yếu nhất”.

Ảnh hưởng nhiệt độ, vật liệu và hệ số

– Nhiệt độ tăng làm S giảm: ví dụ 304 từ ~138 MPa (20–38°C) xuống thấp hơn ở 200°C. Luôn tra bảng ASME II-D hiện hành cho đúng mác và nhiệt độ.
– Hệ số Y: với Inox austenit, thường dùng 0,4 ở nhiệt độ thường (tra B31.3 để xác nhận theo nhiệt độ).
– Hệ số W: với Inox ở nhiệt độ thường, W ≈ 1,0; ở nhiệt độ cao có thể <1. - E (mối hàn): nếu không thể chứng minh chất lượng (NDT) theo mã, dùng E = 0,85. Ống đúc: E = 1,0. - Vật liệu không liệt kê: Inox 201 thường không có giá trị S trong ASME II-D; không khuyến nghị dùng cho đường ống chịu áp theo mã.

Những kiểm tra bổ sung bắt buộc

– Độ bền cơ học, rung, tải trọng ngoài: trọng lượng, lực nhiệt giãn nở, gió, động đất, lực từ giá đỡ.
– Gia công: uốn, loe, cán rãnh gây mỏng cục bộ; phải kiểm tra t_min sau gia công.
– Liên kết và phụ kiện:
+ Mặt bích/van (Class 150/300…) quyết định áp lực hệ thống.
+ Ren/groove: cần chiều dày tối thiểu riêng; ren thường không áp dụng cho ống thành mỏng.
– Chân không/áp ngoài: phải kiểm tra ổn định vỏ mỏng (external pressure chart – ASME II-D).
– Thử áp: theo B31.3, áp thử thủy lực thường ≥ 1,5 × áp suất thiết kế đã hiệu chỉnh nhiệt độ.
– Dung sai hình học: ôvan, độ lệch thành – đối chiếu tiêu chuẩn ASTM A312, JIS G3459.

Mẹo chọn nhanh schedule theo thực tế Việt Nam

– Dịch vụ nước/khí trơ ≤ 16–20 bar, nhiệt độ thường: NPS ≤ 2″ chọn SCH 10S thường đáp ứng tốt, dễ hàn, đồng bộ phụ kiện; vẫn kiểm tra rating Class 150.
– Hơi bão hòa áp thấp–trung bình hoặc đường ống ngoài trời chịu va đập: cân nhắc SCH 40S để tăng bền cơ học.
– Dịch vụ ăn mòn/biển: tăng c (≥ 0,5–1,0 mm) hoặc chọn 316/316L; có thể nâng schedule khi cần.
– Nếu ưu tiên trọng lượng/chi phí, đã có kiểm soát ăn mòn: SCH 5S có thể đủ về mặt áp lực nhưng xem xét khả năng hàn, gia công và bảo trì.

Checklist 8 bước trước khi chốt vật tư

1) Xác định P và T thiết kế; 2) Chọn mác Inox và lấy S, W, Y theo tiêu chuẩn; 3) Xác định E theo loại ống và NDT; 4) Quy định c; 5) Lấy D từ ASME B36.19M; 6) Tính t_required, áp dụng dung sai; 7) Chọn schedule và kiểm tra MAWP; 8) Xác nhận rating phụ kiện, thử áp và các tải ngoài.

Kết luận

– Độ dày thành ống Inox và MAWP nên được tính theo ASME B31.3 với kích thước từ ASME B36.19M.
– Hai công thức cốt lõi:
+ t_required = [P × D] / [2 × (S × E × W + P × Y)], sau đó cộng c và bù dung sai -12,5%
+ P_allow = [2 × S × E × W × (0,875 × t_nom − c)] / [D − Y × (0,875 × t_nom − c)]
– Ví dụ thực tế cho NPS 2″ cho thấy: ngay cả SCH 5S/10S có MAWP rất cao ở nhiệt độ thường; tuy nhiên hệ thống thường bị giới hạn bởi rating mặt bích/van và yếu tố cơ học.
– Luôn dùng dữ liệu S, E, W, Y cập nhật; xét ăn mòn, dung sai, gia công và tải ngoài. Khi còn nghi ngờ, chọn schedule cao hơn để có biên độ an toàn và thi công thuận lợi.

Cần file tính nhanh theo chuẩn ASME hoặc tư vấn chọn schedule theo môi trường làm việc tại Việt Nam, hãy liên hệ đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi.