Hướng dẫn xếp hạng áp suất đường ống - Công thức & biểu đồ Barlow

Xếp hạng áp suất đường ống, chính thức được gọi là Áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP), là áp suất bên trong tối đa mà đường ống có thể chứa một cách an toàn ở nhiệt độ xác định. Điều này về cơ bản khác với áp suất nổ, là áp suất mà đường ống sẽ bị vỡ. MAWP kết hợp hệ số an toàn đáng kể (thường là 3,5 lần độ bền kéo tối đa theo ASME B31.3), đảm bảo đường ống hoạt động tốt trong giới hạn kết cấu trong suốt vòng đời thiết kế của nó. Chọn đường ống có mức áp suất không phù hợp là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây ra sự cố đường ống công nghiệp, dẫn đến rò rỉ, vỡ thảm khốc và sự cố an toàn.

Hậu quả của việc lựa chọn mức áp suất không chính xác có thể nghiêm trọng. Đường ống vận hành trên MAWP của nó có thể bị chảy xệ (biến dạng vĩnh viễn), rão ở nhiệt độ cao hoặc gãy giòn đột ngột. Tại các cơ sở hóa dầu, sự cố đường ống đã gây ra cháy, nổ và thải chất độc hại. Chuỗi mã ASME B31 thiết lập các yêu cầu tối thiểu cho thiết kế áp suất đường ống cho các ứng dụng khác nhau: B31.1 cho đường ống điện, B31.3 cho đường ống xử lý, B31.4 cho vận chuyển đường ống và B31.8 cho truyền khí. Hiểu các yêu cầu về mã này là điều cần thiết để thiết kế hệ thống đường ống an toàn và tuân thủ.

Công thức Barlow là phương trình cơ bản để tính áp suất nổ lý thuyết của đường ống:P=2T/D, trong đó P là áp suất bên trong (MPa), S là ứng suất cho phép (MPa), t là độ dày thành danh định (mm) và D là đường kính ngoài (mm). Để tính toán MAWP, ứng suất cho phép S được lấy từ ASME Phần II Phần D ở nhiệt độ thiết kế và độ dày thành t là độ dày danh nghĩa trừ đi dung sai sản xuất trừ đi dung sai ăn mòn. Công thức giả định các điều kiện tường mỏng (D/t > 10), áp dụng cho phần lớn các lịch trình đường ống tiêu chuẩn.

Ví dụ tính toán (Công thức Barlow - MAWP lý thuyết):Đối với ống SCH 40 A106 Gr.B 4 inch ở nhiệt độ môi trường:
OD=114.3 mm, Tường=6.02 mm, S=137.9 MPa (A106 Gr.B ở 38 độ )
P=2 x 137,9 x 6,02 / 114.3=14.5 MPa (~2100 psi)

Lưu ý rằng công thức mã ASME B31.3 (t=PD / 2(SE + PY)) mang lại MAWP thấp hơn khoảng 10,9 MPa cho cùng một đường ống do bao gồm hệ số hiệu suất chung E và hệ số nhiệt độ Y. Bảng bên dưới sử dụng công thức ASME B31.3 và biểu thị áp suất làm việc tuân thủ mã-. Để so sánh, áp suất nổ (sử dụng độ bền kéo tối thiểu S=415 MPa cho A106 Gr.B) sẽ vào khoảng 43,7 MPa, mang lại hệ số an toàn xấp xỉ 3,0 so với khả năng nổ. Điều này minh họa tính chất thận trọng của tính toán MAWP. Áp suất làm việc thực tế phải luôn ở dưới MAWP và hầu hết các quy chuẩn thiết kế đều yêu cầu một mức chênh lệch cao hơn áp suất vận hành bình thường.

Giá trị ứng suất cho phép là cơ sở để tính toán mức áp suất. Các giá trị này được lập bảng trong ASME Phần II Phần D cho hàng nghìn tổ hợp nhiệt độ-cấp{2}}của vật liệu. Ứng suất cho phép được tính từ giá trị tối thiểu của: một-một phần ba độ bền kéo tối thiểu ở nhiệt độ phòng, hai-độ bền chảy tối thiểu ở nhiệt độ phòng hoặc độ bền đứt đứt từ biến trung bình trong 100.000 giờ chia cho 1,5 ở nhiệt độ cao.

Vật liệu	Cấp	Căng thẳng cho phép ở 38 độ (MPa)	Căng thẳng cho phép ở 400 độ (MPa)	Nhiệt độ tối đa (độ)
A106	Gr.B	137.9	82.7	538
A335 P11	1,25Cr-0,5Mo	137.9	96.5	593
A335 P22	2,25Cr-1Mo	137.9	96.5	593
A335 P91	9Cr-1Mo-V	172.4	103.4	649
TP304 SS	304	117.2	79.3	816
TP316 SS	316	117.2	82.7	816

Lưu ý rằng ứng suất cho phép giảm đáng kể ở nhiệt độ cao. Hiệu ứng giảm nhiệt độ này rõ rệt nhất đối với thép carbon, loại thép này giảm 40% giữa nhiệt độ môi trường và 400 độ. Thép hợp kim như P91 duy trì tỷ lệ độ bền nhiệt độ-môi trường xung quanh cao hơn ở nhiệt độ cao, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho dịch vụ ở nhiệt độ-cao. Thép không gỉ, mặc dù có ứng suất cho phép ở nhiệt độ-môi trường xung quanh thấp hơn nhưng vẫn duy trì độ bền tốt hơn ở nhiệt độ rất cao trên 600 độ .

Bảng dưới đây thể hiện áp suất làm việc gần đúng đối với ống thép cacbon A106 Gr.B ở nhiệt độ môi trường. Các giá trị này dựa trên độ dày thành danh nghĩa và không bao gồm dung sai ăn mòn. Áp suất làm việc thực tế sẽ thay đổi tùy theo điều kiện vận hành cụ thể và các yêu cầu về mã hiện hành.

NB (inch)	SCH 40 (MPa)	SCH 80 (MPa)	SCH 160 (MPa)
1/2"	24.8	34.1	44.8
1"	20.9	28.5	40.5
2"	13.5	19.4	31.6
4"	10.9	15.6	25.2
6"	8.8	13.8	18.1
8"	7.8	12.3	14.7

Giảm nhiệt độ là sự giảm ứng suất cho phép khi nhiệt độ vận hành tăng. Hiện tượng này xảy ra do kim loại mất độ bền ở nhiệt độ cao. Đối với thép cacbon, ứng suất cho phép duy trì tương đối ổn định đến khoảng 200 độ, sau đó bắt đầu giảm tuyến tính. Ở 400 độ, ứng suất cho phép của A106 Gr.B xấp xỉ 60% giá trị nhiệt độ-môi trường xung quanh. Ở 500 độ, nó giảm xuống còn khoảng 40%.

Thép không gỉ có lợi thế ở nhiệt độ rất cao do khả năng chống oxy hóa và độ bền leo vượt trội. Mặc dù thép không gỉ 304 có ứng suất cho phép ở nhiệt độ-môi trường xung quanh thấp hơn thép cacbon (117,2 MPa so với 137,9 MPa), ứng suất cho phép của nó ở 600 độ là khoảng 48 MPa so với 0 đối với thép cacbon (không được phép trên 538 độ theo mã ASME). Đối với các ứng dụng nhiệt độ cực-cao{10}}trên 600 độ, các hợp kim gốc niken-như Hợp kim 617 (UNS N06617) được sử dụng với ứng suất cho phép là 20-30 MPa ở 900 độ .

Mỗi phần mã ASME B31 có các yêu cầu cụ thể để xác định mức áp suất. ASME B31.1 (Đường ống điện) quản lý đường ống trong các trạm phát điện và nhà máy công nghiệp. Nó yêu cầu thiết kế áp suất phù hợp với các quy tắc của ASME Phần I cho đường ống bên ngoài nồi hơi và cung cấp các phương trình cụ thể cho các đường ống thẳng, đường cong và kết nối nhánh. ASME B31.3 (Process Piping) là mã được sử dụng rộng rãi nhất cho các nhà máy hóa chất và hóa dầu. Nó sử dụng phương pháp tiếp cận dựa trên công thức Barlow-với độ dày thiết kế chịu áp lực được xác định bởi: t=(P x D) / (2(SE + PY)), trong đó E là hệ số chất lượng mối nối dọc và Y là hệ số phụ thuộc nhiệt độ-.

ASME B31.4 (Vận chuyển đường ống) áp dụng cho hydrocarbon lỏng và các hệ thống đường ống chất lỏng khác. Nó sử dụng phương pháp tiếp cận hệ số thiết kế trong đó ứng suất vòng ở áp suất thiết kế không được vượt quá một tỷ lệ phần trăm nhất định của cường độ chảy tối thiểu được chỉ định của vật liệu (SMYS). Ví dụ: hệ số thiết kế điển hình là 0,72 có nghĩa là ứng suất vòng được giới hạn ở 72% SMYS. ASME B31.8 (Truyền khí) sử dụng cách tiếp cận hệ số thiết kế tương tự nhưng với các hệ số-đặc trưng về vị trí dựa trên mật độ dân số gần đường ống, dao động từ 0,72 (nông thôn) đến 0,40 (khu vực thành thị có mật độ{10}}cao).

Thử nghiệm thủy tĩnh là phương pháp tiêu chuẩn để xác minh tính toàn vẹn áp suất của hệ thống đường ống được chế tạo. Áp suất thử nghiệm thường bằng 1,5 lần áp suất thiết kế ở nhiệt độ thiết kế, nhưng không nhỏ hơn 1,5 lần MAWP ở nhiệt độ thử nghiệm. Áp suất thử nghiệm phải được duy trì trong thời gian tối thiểu (thường là 10 phút đối với hệ thống nhỏ, lâu hơn đối với hệ thống lớn) trong khi tất cả các mối nối và kết nối đều được kiểm tra rò rỉ. Thử nghiệm bằng khí nén được sử dụng khi thử nghiệm thủy tĩnh là không thực tế (ví dụ: các hệ thống không thể chịu được nước, chẳng hạn như dịch vụ oxy hoặc đông lạnh). Tuy nhiên, thử nghiệm bằng khí nén mang lại rủi ro an toàn lớn hơn do năng lượng được lưu trữ trong khí nén và cần có các biện pháp phòng ngừa bổ sung. Xem của chúng tôiHướng dẫn kiểm tra thủy tĩnh và khí nén(54) để biết thủ tục chi tiết.

Ngành công nghiệp hóa chất thường hoạt động ở mức áp suất từ 150# đến 600#, với hầu hết đường ống quy trình chung ở mức 150# hoặc 300#. Các quá trình áp suất cao hơn như hydrocracking và tổng hợp amoniac hoạt động ở mức 900# đến 2500#. Ngành điện sử dụng mức áp suất cao nhất, với chu trình hơi nước siêu tới hạn-siêu tới hạn hoạt động ở mức 2500# đến 4000# và nhiệt độ lên tới 620 độ . Những điều kiện khắc nghiệt này yêu cầu vật liệu hợp kim-cao như siêu hợp kim P92 và niken{15}}. Áp suất đường ống dẫn dầu và khí đốt thường nằm trong khoảng từ lớp ANSI 300 đến 900, mặc dù các đường truyền chính có thể hoạt động ở áp suất vượt quá 2000 psi.

Khi đặt hàng ống cho một ứng dụng áp suất cụ thể, hãy cung cấp các thông số sau để đảm bảo lựa chọn chính xác: áp suất và nhiệt độ thiết kế, môi trường chất lỏng (bao gồm cả độ ăn mòn), mã áp dụng (ASME B31.3, B31.1, v.v.), lượng dự trữ ăn mòn cần thiết và bất kỳ yêu cầu đặc biệt nào (dịch vụ chua, tuân thủ NACE, v.v.). Đội ngũ kỹ thuật của Nhà sản xuấtPipe có thể giúp chọn vật liệu, tiến độ và quy trình sản xuất tối ưu cho các yêu cầu áp suất cụ thể của bạn. Chúng tôi cũng cung cấp khả năng tùy chỉnh độ dày thành không{6}}theo tiêu chuẩn cho các ứng dụng mà lịch trình tiêu chuẩn không đủ hoặc quá{7}}được chỉ định.

Liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi để được hướng dẫn chuyên môn và giá cả cạnh tranh về đường ống cho các yêu cầu áp suất cụ thể của bạn.

Nhận báo giá