Ống inox chịu được áp bao nhiêu?

Ống inox chịu được áp bao nhiêu? Đây là câu hỏi quan trọng khi lựa chọn đường ống cho các hệ thống làm việc dưới áp suất vận hành lớn.

Khả năng chịu áp của ống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mác inox, đường kính ngoài, chiều dày thành ống, phương pháp sản xuất và nhiệt độ vận hành. Trong bài viết này, Inox TK sẽ hướng dẫn cách tính áp suất thiết kế bên trong của ống inox ASTM A269, ASTM A270 và ASTM A312 theo công thức ASME B31.3, đồng thời giải thích cách tra cứu từng thông số để áp dụng vào tính toán thực tế.

1. Công thức tính áp suất chịu đựng của ống inox

Đối với các loại ống inox sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM A269, ASTM A270 và ASTM A312, khả năng chịu áp suất bên trong có thể được tính toán dựa trên vật liệu chế tạo, đường kính ngoài, chiều dày thành ống và nhiệt độ thiết kế.

Theo ASME B31.3-2020, mục 304.1.2, đối với đoạn ống inox thẳng có thành mỏng t < D/6, công thức xác định áp suất thiết kế bên trong từ chiều dày thành ống như sau:

Trong đó:

• P: Áp suất thiết kế bên trong ống, đơn vị MPa.
• S: Ứng suất cho phép của vật liệu inox tại nhiệt độ thiết kế, đơn vị MPa.
• E: Hệ số chất lượng mối hàn của ống. Đối với ống đúc thì E = 1 vì không có mối hàn.
• W: Hệ số giảm độ bền mối hàn ở nhiệt độ cao.
• t: Chiều dày thành ống hữu hiệu dùng để chịu áp suất sau khi xét đến dung sai âm, đơn vị mm.
• D: Đường kính ngoài của ống inox, đơn vị mm.
• Y: Hệ số phụ thuộc vào nhóm vật liệu và nhiệt độ thiết kế.

Khi sử dụng ứng suất S theo MPa, đường kính D và chiều dày t theo mm, kết quả áp suất P được tính bằng MPa. Có thể quy đổi sang đơn vị bar theo công thức:

1 MPa = 10 bar

Điều kiện áp dụng: Công thức được sử dụng cho đoạn ống thẳng chịu áp suất bên trong khi chiều dày tính toán t < D/6 và tỷ số P/(S × E) ≤ 0,385. Các trường hợp vượt giới hạn này cần được tính toán theo một công thức riêng.

Cần lưu ý rằng kết quả tính toán thể hiện khả năng chịu áp suất bên trong của đoạn ống đó thôi, không thể sử dụng kết quả để áp dụng cho toàn bộ hệ thống.

Sử dụng công cụ TÍNH ÁP SUẤT LÀM VIỆC CỦA ỐNG INOX do Inox TK phát triển để nhận kết quả nhanh chóng.

2. Cách xác định ứng suất cho phép S của ống inox

S là ứng suất cho phép của vật liệu inox tại nhiệt độ thiết kế, được sử dụng để xác định khả năng chịu áp suất của thành ống. Giá trị này được quy định trong bảng A – 1M tiêu chuẩn ASME B31.3, dựa trên đặc tính cơ học và giới hạn làm việc của từng loại vật liệu.

Ứng suất cho phép S chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi các yếu tố sau:

• Mác vật liệu inox: Các loại inox 304, 304L, 316 và 316L có thành phần hóa học, giới hạn chảy và giới hạn bền kéo khác nhau, do đó giá trị ứng suất cho phép có thể khác nhau.
• Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, độ bền cơ học của vật liệu thường giảm, dẫn đến giá trị S có thể giảm theo. Vì vậy, cần xác định S tại nhiệt độ của thành ống.
• Tiêu chuẩn và dạng sản phẩm: Giá trị S cần được tra theo đúng tiêu chuẩn như ASTM A269, ASTM A270 hay ASTM A312, kết hợp với mác vật liệu và các điều kiện tương ứng được quy định trong bảng tra.

Cách tra cứu giá trị S theo ASME B31.3

Đối với tiêu chuẩn ASME B31.3-2020, ứng suất cho phép được tra tại bảng A-1M (Basic Allowable Stresses in Tension for Metals – SI Units) thuộc Phụ lục A. Bảng này cung cấp giá trị S theo đơn vị MPa tại các mức nhiệt độ khác nhau.

Các bước tra cứu cụ thể như sau:

1. Xác định tiêu chuẩn sản xuất ống: Kiểm tra thông tin sản phẩm hoặc chứng chỉ vật liệu để biết ống được sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM nào.
2. Xác định mác inox: Xác định chính xác loại vật liệu, chẳng hạn TP304, TP304L, TP316 hoặc TP316L.
3. Tìm số đại diện dòng vật liệu trong bảng A-1M: Đối chiếu các cột Spec. No. (tiêu chuẩn vật liệu), Type/Grade (mác vật liệu) và Product Form (dạng sản phẩm) để xác định đúng dòng cần tra có số đại diện là bao nhiêu.
4. Xác định nhiệt độ thiết kế: Tìm cột nhiệt độ tương ứng với nhiệt độ thiết kế của thành ống trong nhóm Basic Allowable Stress, S, MPa, at Metal Temperature, °C.
5. Đọc giá trị S: Giá trị tại giao điểm giữa số đại diện dòng vật liệu và cột nhiệt độ chính là ứng suất cho phép sử dụng trong công thức. Đồng thời cần kiểm tra các ghi chú và giới hạn áp dụng của dòng vật liệu đó.

Bảng tra ứng suất cho phép S của ống inox ASTM A269, A270 và A312 theo nhiệt độ

Dưới đây là bảng tra ứng suất cho phép S của các mác inox 304, 304L, 316 và 316L trong khoảng nhiệt độ từ 0°C đến 425°C, được tổng hợp theo bảng A-1M của ASME B31.3-2020. Bảng áp dụng cho cả ASTM A269, A270 và A312 vì có cùng ứng suất làm việc tại nhiệt độ tương ứng.

Nhiệt độ (°C)	Inox 304 (MPa)	Inox 304L (MPa)	Inox 316 (MPa)	Inox 316L (MPa)
0 ~ 150°C	138	115	138	115
175°C	134	114	138	113
200°C	129	110	134	109
225°C	125	106	129	106
250°C	122	103	125	103
275°C	119	99.9	122	100
300°C	116	97.7	119	98.1
325°C	113	95.7	116	96.1
350°C	111	94.1	114	94.3
375°C	109	92.6	112	92.6
400°C	107	91.3	111	90.9
425°C	105	90.0	110	89.3

Nguồn: ASME B31.3-2020, Phụ lục A, bảng A-1M – Basic Allowable Stresses in Tension for Metals (SI Units).

3. Cách xác định hệ số chất lượng mối hàn E của ống inox

E là hệ số chất lượng của ống inox, được sử dụng trong công thức tính áp suất để xét đến ảnh hưởng của phương pháp sản xuất và chất lượng mối hàn dọc trên thành ống. Hệ số này không có đơn vị và thường có giá trị từ 0.8 đến 1.0 đối với các phương pháp chế tạo ống ASTM A269, ASTM A270 và ASTM A312 đang xét.

Giá trị E phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:

• Phương pháp sản xuất: Ống đúc liền mạch (Seamless) không có mối hàn dọc nên có hệ số E = 1.0. Đối với ống hàn (Welded), hệ số E được xác định theo phương pháp hàn và đặc điểm của mối hàn.
• Kết cấu mối hàn: Đối với phương pháp hàn nóng chảy điện, mối hàn giáp mép một phía (Single Butt Seam) và mối hàn giáp mép hai phía (Double Butt Seam) có hệ số chất lượng cơ bản khác nhau.
• Mức độ kiểm tra mối hàn: Một số loại mối hàn được phép sử dụng hệ số E cao hơn khi thực hiện kiểm tra bổ sung bằng phương pháp chụp ảnh bức xạ (Radiographic Testing – RT) và đáp ứng các yêu cầu của ASME B31.3.

Cách tra cứu hệ số E theo ASME B31.3

Đối với ASME B31.3-2020, hệ số chất lượng mối hàn cơ bản được quy định tại bảng A-1B (Basic Quality Factors for Longitudinal Weld Joints in Pipes and Tubes) thuộc Phụ lục A.

Để xác định hệ số E, thực hiện theo các bước:

1. Xác định tiêu chuẩn sản xuất: Kiểm tra thông tin ống để xác định tiêu chuẩn ASTM A269, ASTM A270 hoặc ASTM A312.
2. Xác định phương pháp chế tạo: Kiểm tra ống thuộc loại Seamless hay Welded thông qua ký hiệu sản phẩm, tài liệu kỹ thuật hoặc chứng chỉ vật liệu.
3. Xác định loại mối hàn: Đối với ống hàn, cần xác định phương pháp hàn và kết cấu mối hàn dọc của đoạn ống.
4. Tra bảng A-1B: Tìm đúng tiêu chuẩn ASTM và phương pháp sản xuất để lấy hệ số chất lượng mối hàn cơ bản.
5. Kiểm tra điều kiện nâng hệ số E: Nếu nhà sản xuất có thực hiện kiểm tra bổ sung, đối chiếu hồ sơ kiểm tra với bảng 302.3.4 để xác định khả năng áp dụng hệ số E cao hơn.

Bảng tra hệ số E cho ống inox ASTM A269, ASTM A270 và ASTM A312

Phương pháp sản xuất và kiểm tra	Hệ số E
Ống đúc liền mạch (Seamless)	1.00
Hàn nóng chảy điện, mối hàn giáp mép một phía	0.80
Hàn nóng chảy điện, mối hàn giáp mép hai phía	0.85
Mối hàn nóng chảy điện được kiểm tra bổ sung bằng chụp ảnh bức xạ từng phần theo quy định	0.90
Mối hàn nóng chảy điện được kiểm tra bổ sung 100% bằng chụp ảnh bức xạ theo quy định	1.00

Nguồn: ASME B31.3-2020, bảng A-1B và bảng 302.3.4. Các giá trị nâng hệ số E chỉ áp dụng khi loại mối hàn và mức độ kiểm tra đáp ứng đầy đủ điều kiện tương ứng của tiêu chuẩn.

4. Cách xác định hệ số giảm độ bền mối hàn W của ống inox

W là hệ số giảm độ bền mối hàn ở nhiệt độ cao (Weld Joint Strength Reduction Factor), được sử dụng trong công thức tính áp suất để xét đến sự suy giảm độ bền lâu dài của mối hàn so với vật liệu nền. Hệ số W không có đơn vị và có giá trị không lớn hơn 1.0.

Ở nhiệt độ cao, đặc biệt trong điều kiện làm việc kéo dài, khu vực mối hàn có thể chịu ảnh hưởng của hiện tượng dão vật liệu (Creep), làm giảm khả năng chịu ứng suất theo thời gian. Vì vậy, ASME B31.3 quy định hệ số W để điều chỉnh ứng suất sử dụng trong tính toán chiều dày chịu áp suất.

Giá trị W phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:

• Nhóm vật liệu: Các nhóm thép carbon, thép hợp kim và thép không gỉ Austenitic có đặc tính chịu nhiệt khác nhau nên hệ số W được quy định khác nhau.
• Nhiệt độ thiết kế: Khi nhiệt độ tăng đến vùng có ảnh hưởng đáng kể của hiện tượng dão, hệ số W có thể giảm xuống dưới 1,0.
• Đặc điểm mối hàn: Đối với một số loại mối hàn và vật liệu ở nhiệt độ cao, tiêu chuẩn có quy định riêng về điều kiện xử lý nhiệt, kiểm tra và hệ số W được phép sử dụng.

Giá trị W cho ống inox 304, 304L, 316 và 316L từ 0°C đến 425°C

Theo ASME B31.3-2020, tại các mức nhiệt độ thấp hơn phạm vi bắt đầu áp dụng hệ số giảm độ bền mối hàn trong bảng 302.3.5, giá trị W được lấy bằng 1.0.

Vì vậy, đối với các loại ống inox ASTM A269, ASTM A270 và ASTM A312 sử dụng vật liệu 304, 304L, 316 hoặc 316L trong khoảng nhiệt độ từ 0°C đến 425°C, có thể sử dụng chung hệ số:

W = 1.0

5. Cách xác định hệ số Y theo vật liệu và nhiệt độ của ống inox

Y là hệ số phụ thuộc vào nhóm vật liệu và nhiệt độ thiết kế, được sử dụng trong công thức tính chiều dày thành ống chịu áp suất bên trong theo ASME B31.3. Hệ số Y không có đơn vị và được xác định theo bảng tra của tiêu chuẩn.

Giá trị Y phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

• Nhóm vật liệu: Các nhóm thép Ferritic, Austenitic và hợp kim khác được quy định hệ số Y khác nhau. Trong đó, inox 304, 304L, 316 và 316L đều thuộc nhóm thép không gỉ Austenitic nên sử dụng cùng một nhóm giá trị Y.
• Nhiệt độ thiết kế: Hệ số Y có thể thay đổi theo nhiệt độ của thành ống. Vì vậy, cần xác định nhiệt độ thiết kế trước khi tra bảng để lựa chọn giá trị phù hợp.

Theo bảng 304.1.1 của ASME B31.3-2020, nhóm thép Austenitic có hệ số Y = 0.4 tại nhiệt độ thiết kế đến 482°C. Do đó, đối với các loại ống inox ASTM A269, ASTM A270 và ASTM A312 đang xét trong khoảng nhiệt độ từ 0°C đến 425°C, có thể sử dụng chung hệ số Y = 0.4

Ví dụ: Với ống inox ASTM A270 TP316L có nhiệt độ thiết kế 200°C, vật liệu TP316L thuộc nhóm thép Austenitic. Đối chiếu với bảng 304.1.1, ta xác định được Y = 0.4.
Tương tự, nếu sử dụng ống ASTM A312 TP304 tại nhiệt độ thiết kế 400°C, hệ số Y vẫn bằng 0.4.

Như vậy, trong phạm vi nhiệt độ từ 0°C đến 425°C, các loại inox 304, 304L, 316 và 316L đều sử dụng chung hệ số Y = 0.4, dù ứng suất cho phép S của từng mác vật liệu có thể khác nhau.

6. Cách xác định đường kính ngoài D của ống inox

D là đường kính ngoài của ống inox (Outside Diameter – OD), được sử dụng trong công thức tính áp suất chịu đựng của thành ống, đơn vị mm. Đây là kích thước đo từ mép ngoài bên này đến mép ngoài đối diện qua tâm tiết diện ống.

Giá trị D phụ thuộc vào quy cách kích thước và tiêu chuẩn sản xuất của ống. Khi xác định đường kính ngoài cho ống inox ASTM A269, ASTM A270 và ASTM A312, cần phân biệt các trường hợp sau:

• Ống inox ASTM A269: Đường kính ngoài được xác định theo kích thước OD ghi trong quy cách đặt hàng hoặc tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất. Ví dụ, ống có quy cách Ø38,1 × 1,5 mm thì đường kính sử dụng trong công thức là D = 38,1 mm.
• Ống inox ASTM A270: Đường kính ngoài được xác định theo quy cách ống vi sinh, với các kích thước thường gặp như Ø25,4 mm, Ø38,1 mm, Ø50,8 mm và Ø63,5 mm. Ví dụ, ống Ø50,8 × 1,65 mm có D = 50,8 mm.
• Ống inox ASTM A312: Đường kính ngoài thường được xác định theo kích thước danh nghĩa NPS và bảng quy cách ASME B36.19M. Ví dụ, ống NPS 2 (DN50) có đường kính ngoài D = 60,3 mm, còn ống NPS 3 (DN80) có D = 88,9 mm.

Cách tra cứu đường kính ngoài D

Để xác định chính xác D, người sử dụng có thể kiểm tra ký hiệu trên thân ống, chứng chỉ vật liệu (MTC), catalogue hoặc bảng kích thước tương ứng với tiêu chuẩn sản xuất. Đặc biệt, cần phân biệt giữa kích thước danh nghĩa DN, NPS và đường kính ngoài OD. Chẳng hạn, hai loại ống cùng được gọi là ống 2 inch nhưng có thể sử dụng các quy cách khác nhau:

Loại ống	Kích thước gọi	Đường kính ngoài D
Ống ASTM A269 hoặc A270 có OD 2 inch	2 inch OD	50.8 mm
Ống ASTM A312 theo ASME B36.19M	NPS 2 (DN50)	60.3 mm

Như vậy, khi tính toán áp suất chịu đựng của ống inox, cần sử dụng đường kính ngoài D được quy ra milimet để đưa vào công thức tính.

Ví dụ: Với ống inox ASTM A312 TP316L có quy cách NPS 2, SCH 10S, đường kính ngoài tra theo ASME B36.19M là D = 60.3 mm. Giá trị này được sử dụng trong công thức tính áp suất, còn chiều dày thành ống sẽ được xác định riêng ở phần tiếp theo.

7. Cách xác định chiều dày thành ống t dùng để tính áp suất

t là chiều dày thành ống hữu hiệu dùng để chịu áp suất bên trong, đơn vị mm. Đây là một trong những thông số ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu áp suất của ống inox. Với cùng vật liệu và đường kính ngoài, thành ống càng dày thì khả năng chịu áp suất tính toán càng cao.

Tuy nhiên, chiều dày t sử dụng trong công thức không đơn giản là chiều dày danh nghĩa ghi trên quy cách sản phẩm. Theo ASME B31.3, cần xét đến dung sai âm trong quá trình sản xuất ống.

Để xác định t, cần làm rõ 2 thông số:

• Chiều dày danh nghĩa (T): Là chiều dày được công bố theo quy cách sản phẩm, chẳng hạn ống Ø60.3 × 2.77 mm có chiều dày danh nghĩa T = 2.77 mm.
• Dung sai âm chiều dày (δ): Là mức sai lệch giảm chiều dày được phép trong quá trình sản xuất, thường biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm so với chiều dày danh nghĩa.

Khi sử dụng chiều dày danh nghĩa và dung sai âm theo tỷ lệ phần trăm, chiều dày hữu hiệu được xác định bằng công thức:

t = T × (1 − δ
)

Trong đó, δ là giá trị dung sai âm tính theo phần trăm, còn T và c có đơn vị mm.

Cách xác định dung sai chiều dày theo tiêu chuẩn ASTM

Mỗi tiêu chuẩn sản xuất ống inox có những quy định riêng về dung sai chiều dày. Vì vậy, cần tra đúng tiêu chuẩn ASTM tương ứng trước khi tính toán.

Tiêu chuẩn ống inox	Dung sai âm chiều dày thông dụng
ASTM A269	15% với ống có đường kính ngoài đến 12.7 mm và 10% với phần lớn kích thước lớn hơn
ASTM A270	12.5%
ASTM A312	12.5%

Nguồn: ASTM A269/A269M, bảng dung sai kích thước, ASTM A270/A270M, mục Permissible Variations in Dimensions và ASTM A312/A312M, bảng Permitted Variations in Wall Thickness.

Đối với ASTM A269, một số quy cách đặc biệt có quy định dung sai khác với mức thông dụng.

Ví dụ: Cần xác định chiều dày hữu hiệu của ống inox ASTM A312 TP316L có quy cách Ø60.3 × 2.77 mm, với các thông số:

• Chiều dày danh nghĩa T = 2.0 mm.
• Dung sai âm δ = 12.5%.

Áp dụng công thức:

t = 2.77 × (1 − 12.5%)

t = 2.42375 mm

Như vậy, chiều dày hữu hiệu sử dụng để tính áp suất trong ví dụ này là t = 1,75 mm, thay vì chiều dày danh nghĩa 2,0 mm.

8. Ví dụ tính áp suất chịu đựng của một đoạn ống inox

Tính áp suất làm việc cho đoạn ống inox công nghiệp tiêu chuẩn ASTM A312 kích thước 114.3 × 6.02 loại đúc, chất liệu TP316L, nhiệt độ làm việc max 250ºC.

Bước 1. Xác định thông số của ống inox

Tra ASME B31.3-2020, chúng ta có các thông số như sau:

Thông số	Giá trị
Tiêu chuẩn sản xuất	ASTM A312
Vật liệu	Inox 316L (TP316L)
Phương pháp sản xuất	Ống đúc
Đường kính ngoài D	114.3 mm
Chiều dày danh nghĩa T	6.02 mm
Dung sai âm chiều dày	12.5%
Nhiệt độ thiết kế	250°C
Ứng suất cho phép S	103 MPa
Hệ số chất lượng mối hàn E	1.0
Hệ số giảm độ bền mối hàn W	1.0
Hệ số Y	0.4

Bước 2. Tính chiều dày thành ống hữu hiệu

Theo công thức xác định chiều dày đã trình bày tại phần 7:

Thay các giá trị đã xác định:

t = 6.02 × (1 − 12.5%)

⇒ t = 5.2675 mm

Như vậy, chiều dày thành ống hữu hiệu sử dụng trong phép tính là 5.2675 mm, sau khi trừ dung sai.

Bước 3. Thay thông số vào công thức tính áp suất

Công thức tính áp suất thiết kế bên trong của ống inox:

Thay các thông số đã xác định:

Rút gọn phép tính:

⇒ P ≈ 9.86 MPa

Quy đổi sang đơn vị bar:

P = 9.86 × 10 ≈ 98.6 bar

Bước 4. Kiểm tra điều kiện áp dụng công thức

Theo ASME B31.3-2020, cần kiểm tra các điều kiện áp dụng của công thức tính cho ống thẳng thành mỏng.

• Điều kiện chiều dày: t = 5..2675 mm nhỏ hơn D/6 = 114.3/6 =  19.05 mm, do đó đáp ứng điều kiện t < D/6.
• Điều kiện tỷ số áp suất và ứng suất: P/(S × E) = 9.86/(103 × 1) ≈ 0.0957, nhỏ hơn giới hạn 0.385.

Như vậy, phép tính đáp ứng hai điều kiện trên để sử dụng công thức trong phạm vi đang xét.

Kết quả: Với các thông số và giả định đã lựa chọn, đoạn ống inox ASTM A312 TP316L có đường kính ngoài 114.3 mm, chiều dày danh nghĩa 6.02 mm và nhiệt độ thiết kế 250°C có áp suất tính toán bên trong khoảng 98.6 bar.