Bồn chứa nước lạnh có áp: Thiết kế biên áp lực
Tạo vào Hôm nay
Bồn chứa nước lạnh có áp: Kỹ thuật ranh giới áp suất
Ranh giới áp lực của một bình nước lạnh có áp được xác định bởi các điều kiện thiết kế và được chứng nhận theo ASME BPVC Mục VIII: ứng suất sơ cấp quy định độ dày thành, mọi lỗ mở được gia cường bằng cách thay thế diện tích, chế độ làm việc chu kỳ được sàng lọc về mỏi, và thử nghiệm thủy tĩnh ở 1,3 lần MAWP hoàn tất việc chứng nhận.
Giới thiệu
Khi bạn chỉ định một bình nước lạnh có áp suất, bộ phận chịu tải không phải là toàn bộ bồn chứa mà là ranh giới áp suất: vỏ, các đầu bồn, các vòi phun và các mối hàn liên kết chúng lại với nhau, được chứng nhận là một hệ thống chịu áp suất thống nhất. Ranh giới là đối tượng mà ASME BPVC Section VIII quy định, và đó là đối tượng bạn phải thiết kế, lập tài liệu và kiểm tra nếu bình chứa phải giữ áp suất an toàn trong suốt tuổi thọ làm việc của nó. Một bồn chứa chỉ chịu áp suất khí quyển là một loại khác; một khi hệ thống được điều áp, các quy tắc về ranh giới sẽ được áp dụng.
Bài viết này xem xét ranh giới áp lực như một đối tượng kỹ thuật thay vì một tính năng sản phẩm. Chúng ta đi qua các điều kiện mà nó phải chịu đựng, cách mà quy chuẩn bình phân loại ứng suất thành các hạng mục, cách mọi lỗ mở được bù trừ, chế độ làm việc chu kỳ ảnh hưởng đến thiết kế như thế nào, dung sai ăn mòn tương tác với độ dày và thể tích ra sao, những mối hàn nào được chụp X-quang, thử nghiệm thủy tĩnh chứng minh điều gì, và những tài liệu nào cho phép thanh tra viên tái dựng lại ranh giới nhiều năm sau đó.
Hai quy ước được giữ nguyên xuyên suốt. Tiêu chuẩn không phải là chứng nhận: không có nội dung nào trong ASME Section VIII chứng nhận một nhà cung cấp, vì vậy mọi tuyên bố trong hồ sơ trình duyệt phải chỉ ra một phép tính hoặc một hồ sơ. Và ranh giới chỉ tốt bằng bộ tài liệu đứng sau nó; một bình chịu áp không có báo cáo dữ liệu, đối với chủ sở hữu, là một ẩn số.
Điều kiện thiết kế và những gì chúng phải bao gồm
Ranh giới áp lực trước hết được xác định bởi một bộ đầy đủ các điều kiện thiết kế, và bản đặc tả phải nêu rõ chúng trước khi tính toán bất kỳ độ dày nào. Áp suất làm việc cho phép tối đa (MAWP) là áp suất đỉnh mà ranh giới đủ điều kiện để chịu được; đối với nhiệm vụ nước lạnh, nó được xác định bởi cột áp chặn của bơm cộng với cột áp tĩnh đến điểm cao nhất được phục vụ, chứ không phải bởi áp suất vận hành bình thường. Nhiệt độ thiết kế phải bao phủ cả phía ấm của chu trình nạp và nhiệt độ kim loại thấp nhất mà thép sẽ gặp, vì giá trị thấp nhất chi phối việc sàng lọc gãy giòn.
Bạn cũng nêu rõ các điều kiện đồng thời: áp suất và nhiệt độ tác động cùng nhau, áp suất bên ngoài xuất hiện nếu bình có thể được xả về chân không, dung sai ăn mòn làm mòn thành bình trong suốt tuổi thọ thiết kế, và bất kỳ dao động áp suất hoặc nhiệt độ chu kỳ nào từ việc nạp và xả. Một đặc tính kỹ thuật chỉ đưa ra một áp suất và một nhiệt độ thì chưa xác định được ranh giới; nó chỉ mô tả một điểm trên đó. Mọi tính toán sau này, lựa chọn vật liệu và áp suất thử nghiệm đều tham chiếu ngược lại các điều kiện đã nêu này.
Các hạng mục ứng suất trong quy chuẩn bình chịu áp
ASME Section VIII phân loại ứng suất thành các nhóm, và sự khác biệt quyết định mức ứng suất mà mỗi phần của biên có thể chịu. Ứng suất sơ cấp là ứng suất do tải trọng từ áp suất gây ra, phải cân bằng với các tải trọng bên ngoài; nó được giới hạn để bình chứa không bị vỡ hoặc sụp đổ. Ứng suất màng sơ cấp tổng quát xác định chiều dày thành cơ bản thông qua quan hệ ứng suất vòng t = PR/(SE - 0.6P), trong đó P là áp suất thiết kế, R là bán kính trong, S là ứng suất cho phép và E là hiệu suất mối nối.
Ứng suất thứ cấp phát sinh từ các ràng buộc và gradient nhiệt, chẳng hạn như sự giãn nở khác biệt giữa vòi phun và vỏ, và nó được cho phép giới hạn cao hơn vì nó tự giải phóng. Ứng suất đỉnh là hiệu ứng khía cục bộ tại chân mối hàn hoặc mép gia cường; bản thân nó không gây ra hư hỏng nhưng thúc đẩy nứt mỏi. Tiêu chuẩn giới hạn ứng suất sơ cấp bằng công thức, giới hạn ứng suất thứ cấp thông qua các quy tắc cường độ ứng suất, và để ứng suất đỉnh cho lộ trình mỏi.
Vòi phun, mặt bích và gia cường của chúng
Mỗi lỗ mở trên thân vỏ đều loại bỏ vật liệu và tập trung ứng suất, vì vậy mã yêu cầu thay thế diện tích. Theo UG-37, phần gia cường phải thay thế diện tích thân vỏ bị loại bỏ trong một hộp giới hạn đặt tâm tại lỗ mở: thường là giá trị nhỏ hơn giữa đường kính và chiều dày thân vỏ nhân với 2,5, được đo vào thân vỏ và đỉnh. Diện tích thay thế có thể đến từ thành ống nối, tấm đệm gia cường, hoặc chiều dày dư tích hợp, miễn là vật liệu tương thích và mối hàn nối nó với thân vỏ.
Mặt bích được chọn theo cấp áp suất-nhiệt độ của chúng, vì vậy mặt bích Cấp 150 chỉ chịu được áp suất mà cấp của nó cho phép ở nhiệt độ thiết kế, và một hệ thống nước lạnh gần đầu thấp của thang nhiệt độ vẫn phải tuân thủ đường cong cấp áp suất. Tải trọng vòi phun từ đường ống kết nối, được thiết kế theo ASME B31.9 cho các dịch vụ tòa nhà, được phản lực tại vỏ, do đó bảng kê vòi phun phải nêu rõ tải trọng bên ngoài cho phép nếu không nhà thiết kế đường ống sẽ làm quá tải lỗ xuyên. Lỗ mở và phần gia cường của nó là nơi hầu hết các hư hỏng ranh giới bắt đầu, đó là lý do tại sao tính toán được xem xét từng dòng một.
Dịch vụ tuần hoàn và mỏi
Bình nước lạnh có áp không phải là tĩnh: nó được nạp, xả và nạp lại, thường là hàng ngày, và áp suất cùng nhiệt độ dao động theo chu kỳ. Do đó, ASME Section VIII sàng lọc cho dịch vụ có chu kỳ, và câu hỏi sàng lọc là liệu số lượng chu kỳ áp suất hoặc nhiệt đáng kể có vượt quá ngưỡng của quy chuẩn hay liệu gradient nhiệt tại vòi phun có tạo ra ứng suất đỉnh làm tiêu hao tuổi thọ mỏi hay không.
Nếu dịch vụ mang tính chu kỳ, thiết kế tuân theo lộ trình mỏi: ứng suất đỉnh tại mỗi điểm gián đoạn được ước tính, biên độ ứng suất hiệu dụng được kết hợp với số chu kỳ, và hệ số sử dụng tích lũy được giữ dưới 1,0 bằng cách sử dụng đường cong mỏi thiết kế cho vật liệu. Đối với một bình chịu vài trăm chu kỳ trong suốt vòng đời của nó, bước sàng lọc có thể đạt mà không cần phân tích mỏi đầy đủ, nhưng một chế độ vận hành với hàng nghìn chu kỳ nhiệt từ một máy làm lạnh điều chỉnh mạnh cần được xử lý đầy đủ. Việc nêu rõ số chu kỳ dự kiến ngay từ đầu giúp lộ trình được minh bạch.
Dung sai ăn mòn và tương tác của nó với thiết kế
Dung sai ăn mòn là độ dày thành bổ sung được thêm vào để bình vẫn đáp ứng mức tối thiểu vào cuối tuổi thọ thiết kế, nhưng nó tương tác với phần còn lại của thiết kế theo những cách mà một con số đơn lẻ che giấu. Việc thêm dung sai ăn mòn làm tăng độ dày yêu cầu, điều này làm tăng trọng lượng và tải trọng nền móng, đồng thời làm giảm thể tích bên trong mà bình thực sự cung cấp cho một kích thước bên ngoài nhất định.
Khoản dự phòng cũng làm thay đổi câu chuyện đánh giá lại. Khi kiểm tra nội bộ đo độ dày còn lại, khoản dự phòng ăn mòn đã bị tiêu hao chính là biên độ còn lại trước khi bình chạm đến mức tối thiểu; một khoản dự phòng ban đầu hào phóng sẽ mua được các khoảng thời gian kiểm tra, còn một khoản mỏng thì không. Đối với nước lạnh, tính ăn mòn thường ở mức nhẹ, nên khoản dự phòng thường khiêm tốn, nhưng cần được nêu rõ và không được lặng lẽ gộp vào độ dày. Hãy coi nó như một dòng riêng trong tính toán để cả người kiểm tra và người đánh giá lại đều có thể thấy.
Các hạng mục mối hàn và kiểm tra
Ranh giới áp lực được nối bằng các mối hàn, và ASME phân loại chúng thành các loại A đến D theo vị trí: các đường hàn dọc và chu vi của thân, các mối nối đầu, và các kết nối vòi phun với thân. Loại này quy định kiểu mối nối và hiệu suất mối nối E được sử dụng trong công thức tính độ dày, và độ dày quy định mức độ kiểm tra bằng chụp X-quang hoặc siêu âm đối với mối hàn đó.
Theo UW-11 và UW-12, mối hàn dọc được chụp phóng xạ toàn phần có thể sử dụng hiệu suất mối nối cao nhất, trong khi mối hàn không được kiểm tra bị phạt trong tính toán chiều dày. Do đó, đặc tính kỹ thuật nêu rõ các loại mối hàn, phương pháp kiểm tra, phạm vi bao phủ và tiêu chuẩn chấp nhận, bởi vì ứng suất cho phép mà toàn bộ ranh giới được xây dựng dựa trên đó phụ thuộc vào điều này. Mối hàn ống nối chỉ được kiểm tra điểm không thể dựa vào hiệu suất của mối hàn thân được chụp phóng xạ toàn phần, vì vậy hiệu suất mối nối phải được gán một cách nhất quán cho mọi mối hàn trong ranh giới.
Thử nghiệm thủy tĩnh
Thử nghiệm thủy tĩnh là thời điểm mà ranh giới được chứng minh, không chỉ được tính toán. Theo UG-99, bình được đổ đầy nước và đưa đến ít nhất 1,3 lần MAWP, nhân với tỷ lệ ứng suất cho phép ở nhiệt độ thử nghiệm so với nhiệt độ thiết kế, và được giữ đủ lâu để kiểm tra trực quan toàn bộ mọi mối nối.
Nước được sử dụng vì tính gần như không nén được của nó tích trữ ít năng lượng, do đó khi xảy ra sự cố trong quá trình thử nghiệm sẽ được kiểm soát thay vì gây nổ; ở những nơi nước có thể làm hỏng thiết bị, có thể cho phép thử nghiệm bằng khí nén theo UG-100, nhưng nó đi kèm với các quy định chặt chẽ hơn và hệ số thấp hơn. Áp suất thử nghiệm không bao giờ được phép gây ứng suất quá mức lên ranh giới, và nó được xả ra trước khi bình được đưa vào sử dụng. Một biên bản thử nghiệm có chữ ký, ghi lại áp suất được duy trì và các mối nối được kiểm tra, là tài liệu biến một phép tính thành một ranh giới đủ điều kiện.
Tài liệu về ranh giới áp lực
Ranh giới tồn tại lâu hơn đội ngũ dự án, vì vậy tài liệu phải cho phép một thanh tra viên sau này tái dựng lại nó. Cốt lõi là báo cáo dữ liệu ASME (Mẫu U-1) mô tả bình chịu áp và phiên bản quy chuẩn mà nó được chế tạo theo, được hỗ trợ bởi các tính toán thiết kế, chứng chỉ vật liệu, bản đồ mối hàn, phim chụp X-quang hoặc báo cáo UT, và biên bản thử thủy tĩnh.
Khi bình chịu áp mang dấu chứng nhận ASME, dấu hiệu và bộ tài liệu kèm theo là những gì cơ quan có thẩm quyền hoặc công ty bảo hiểm chấp nhận làm bằng chứng về việc chế tạo. Đối với chủ sở hữu, danh sách thực tế ngắn hơn nhưng không thể thương lượng: báo cáo dữ liệu, danh mục vòi phun hoàn công với tải trọng cho phép, độ dày dự phòng ăn mòn được nêu riêng, và biên bản thử nghiệm. Giữ bốn thứ đó và việc đánh giá lại hoặc sửa chữa sau hai mươi năm vận hành sẽ chỉ là một phép tính, không phải một cuộc điều tra pháp y.
Điều kiện thiết kế ranh giới áp suất: Thông số, Cơ sở, Quy định áp dụng
Thông số thiết kế | Cơ sở | Quy định áp dụng |
MAWP | Cột áp ngắt của bơm cộng với cột áp tĩnh đến điểm cao nhất | ASME VIII UG-98 |
Nhiệt độ thiết kế / MDMT | Phía tiếp nhận nhiệt và nhiệt độ kim loại thấp nhất | ASME VIII UCS / UG-20 |
Áp suất bên ngoài | Chân không do xả bình | ASME VIII UG-28 |
Dung sai ăn mòn | Biên độ ăn mòn trong tuổi thọ thiết kế | ASME VIII UG-25 |
Điều kiện tuần hoàn | Chu trình nạp, xả và nhiệt | ASME VIII Phụ lục 5 |
Áp suất-nhiệt độ đồng thời | Áp suất và nhiệt độ tác động đồng thời | ASME VIII UG-20 |
Phân loại mối hàn và kiểm tra yêu cầu
Phân loại mối hàn | Vị trí | Kiểm tra điển hình |
A | Mối hàn dọc thân vỏ, mối nối đỉnh | Chụp X-quang toàn phần hoặc điểm theo UW-11 |
B | Mối hàn vòng thân bình | Chụp X-quang khi chiều dày yêu cầu |
C | Từ vòi phun đến thân bình và từ mặt bích đến vòi phun | RT/UT tại vị trí xuyên qua, PT/MT tại mép |
D | Gắn vòi phun vào mặt bích hoặc đầu | Kiểm tra bề mặt tại mối hàn góc |
Hiệu suất mối nối E | Điều khiển ứng suất cho phép trong độ dày | ASME VIII UW-12 |
Biên bản thử nghiệm | Giữ thủy tĩnh và kiểm tra mối hàn | ASME VIII UG-99 |
Giới thiệu về Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd.) thiết kế và chế tạo bồn chứa bằng thép bu lông, bồn thép hàn, bồn phủ epoxy liên kết nóng chảy, bồn mạ kẽm, bồn thép không gỉ, bình áp lực, mái vòm trắc địa nhôm và mái nổi. Công ty có hơn 30 năm kinh nghiệm sản xuất và đã cung cấp thiết bị cho các dự án tại hơn 100 quốc gia. Mái vòm trắc địa nhôm được thiết kế và chế tạo theo API 650 Phụ lục G, AWWA D108, Sổ tay Thiết kế Nhôm, ASCE 7 và IBC, và công ty đã phát triển và xuất khẩu mái vòm nhôm đường kính 72 m vào năm 2023. Kỹ thuật, chế tạo, phủ, kiểm soát chất lượng và dịch vụ tại công trường được xử lý như một phạm vi duy nhất, đó là lý do tại sao các bản vẽ, cơ sở tính toán và phần cứng được giao có thể được đối chiếu với nhau.
Câu hỏi thường gặp
Những điều kiện thiết kế nào áp dụng cho bồn nước lạnh có áp suất?
Các điều kiện thiết kế là MAWP được xác định bởi cột áp ngắt của bơm cộng với cột áp tĩnh, nhiệt độ thiết kế bao gồm cả phía nạp ấm và nhiệt độ kim loại thấp nhất để sàng lọc gãy giòn, áp suất bên ngoài bất kỳ từ quá trình xả về chân không, dung sai ăn mòn, và các dao động áp suất hoặc nhiệt chu kỳ từ quá trình nạp và xả. Hãy nêu rõ tất cả các điều kiện này trước khi tính toán độ dày, vì mọi tính toán sau đó và áp suất thử nghiệm đều tham chiếu ngược lại chúng.
Các lỗ mở trong bình chịu áp được gia cố như thế nào?
Các lỗ mở được gia cường theo quy tắc thay thế diện tích trong UG-37: diện tích vỏ bị loại bỏ bởi lỗ được bù đắp trong một hộp giới hạn đặt tâm tại lỗ mở, thường là giá trị nhỏ hơn giữa đường kính và 2,5 lần chiều dày vỏ, tính vào vỏ và đỉnh. Diện tích thay thế có thể đến từ thành ống nối, một tấm đệm gia cường hoặc phần chiều dày dư tích hợp, miễn là vật liệu tương thích và được hàn vào vỏ. Bản thân mặt bích được đánh giá riêng theo cấp áp suất-nhiệt độ của nó.
Bồn chứa nước lạnh có chịu tải trọng mỏi không?
Đúng vậy, và đó là lý do mã kiểm tra dịch vụ tuần hoàn. Một bình chứa được nạp và xả hàng ngày sẽ tích lũy áp suất và chu trình nhiệt, và một máy làm lạnh điều chỉnh mạnh sẽ thêm hàng nghìn chu trình nhiệt tại các vòi phun. Nếu số chu trình hoặc ứng suất đỉnh vượt quá giới hạn kiểm tra, thiết kế sẽ theo lộ trình mỏi bằng cách sử dụng đường cong mỏi thiết kế vật liệu và phải giữ hệ số sử dụng tích lũy dưới 1,0. Hãy nêu rõ số chu trình dự kiến để chọn đúng lộ trình.
Dung sai ăn mòn được sử dụng là bao nhiêu?
Dung sai ăn mòn là phần độ dày thành bổ sung được thêm vào để bình vẫn đáp ứng mức tối thiểu vào cuối tuổi thọ thiết kế. Thông thường giá trị này khá nhỏ đối với nước lạnh vì môi trường phục vụ chỉ ăn mòn nhẹ, nhưng cần được nêu thành một dòng riêng, vì nó làm tăng trọng lượng và tải trọng nền móng, giảm thể tích bên trong thực tế, và xác lập biên độ mà thanh tra viên đo đối chiếu tại mỗi lần kiểm tra bên trong. Không bao giờ được âm thầm gộp nó vào độ dày.
Mối hàn nào yêu cầu chụp X-quang toàn phần?
Các mối hàn dọc và chu vi của thân vỏ, các mối nối đầu và các kết nối ống nối với thân vỏ thuộc các loại mối hàn A đến D, và theo UW-11, mức độ chụp X-quang hoặc kiểm tra siêu âm phụ thuộc vào độ dày và vào hiệu suất mối nối mà thiết kế yêu cầu. Một mối hàn dọc được chụp X-quang hoàn toàn đạt hiệu suất cao nhất; một mối hàn không được kiểm tra hoặc chỉ kiểm tra điểm sẽ bị phạt về độ dày. Đặc tính kỹ thuật nêu rõ loại, phương pháp, mức độ và tiêu chuẩn chấp nhận cho từng mối hàn trong ranh giới.
Yêu cầu thử thủy tĩnh là gì?
Theo UG-99, bình chịu áp được làm đầy bằng nước và đưa đến ít nhất 1,3 lần MAWP, được điều chỉnh theo tỷ lệ ứng suất cho phép ở nhiệt độ thử nghiệm so với nhiệt độ thiết kế, và giữ nguyên trong khi mọi mối nối được kiểm tra bằng mắt. Nước được sử dụng vì nó tích trữ ít năng lượng, do đó sự cố được giới hạn trong phạm vi. Thử nghiệm khí nén theo UG-100 chỉ được phép khi nước sẽ làm hỏng thiết bị và đi kèm các quy định chặt chẽ hơn cùng hệ số thấp hơn. Hồ sơ thử nghiệm có chữ ký xác nhận ranh giới.
Những tài liệu nào chứng minh ranh giới chịu áp?
Các tài liệu bao gồm báo cáo dữ liệu ASME (Mẫu U-1) kèm phiên bản quy chuẩn, các tính toán thiết kế, chứng chỉ vật liệu, bản đồ mối hàn, phim chụp X-quang hoặc báo cáo UT, và biên bản thử thủy tĩnh. Đối với chủ sở hữu, bộ tài liệu thiết yếu là báo cáo dữ liệu, danh mục ống nối hoàn công kèm tải trọng cho phép, độ dày ăn mòn được nêu riêng, và biên bản thử nghiệm. Bốn tài liệu đó cho phép một thanh tra viên hoặc người đánh giá lại sau này tái dựng ranh giới mà không cần công việc điều tra pháp lý.
Kết luận
Ranh giới áp lực là phần của bình nước lạnh có áp mà quy chuẩn thực sự điều chỉnh, và nó được chứng nhận như một hệ thống duy nhất: điều kiện thiết kế đầu vào, độ dày và gia cường đầu ra, sàng lọc mỏi ở nơi có chu trình làm việc, mối hàn được kiểm tra để khớp với hiệu suất mối nối được tuyên bố, và một cuộc thử thủy tĩnh chứng minh toàn bộ. Không bước nào trong số đó đứng riêng lẻ; ranh giới là tổng hợp của chúng và hồ sơ phía sau chúng.
Điều bảo vệ chủ sở hữu chính là bộ tài liệu: báo cáo dữ liệu, lịch trình vòi phun kèm tải trọng cho phép, dung sai ăn mòn được nêu riêng, và biên bản thử nghiệm. Hãy gửi cho chúng tôi nhiệm vụ, phạm vi áp suất và nhiệt độ, số chu kỳ và các ràng buộc tại công trường, và chúng tôi sẽ trả lại một đặc tả biên giới áp suất được xây dựng theo ASME Section VIII, với phần gia cường, kiểm tra mối hàn và thử nghiệm nghiệm thu được xác định rõ cùng các hồ sơ cho phép bạn đánh giá lại sau nhiều thập kỷ.
Liên hệ với đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi
Hãy gửi nhiệm vụ, cơ sở thể tích, quy chuẩn áp dụng và các ràng buộc tại công trường, và đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi sẽ phản hồi bằng một đặc tả mà nhà cung cấp có thể báo giá và người thẩm định có thể phê duyệt. Chúng tôi cũng sẽ nói thẳng với bạn khi một loại bồn khác hoặc một phạm vi khác là câu trả lời tốt hơn.
WhatsApp