Chào các bác, hôm nay em mở topic này nói về vấn đề hơi khác với tính toán kết cấu thông thường một chút. Nhưng nếu xét kỹ thì nó cũng đi từ kết cấu mà ra. Vấn đề em nói ở đây là tính toán sức chịu đựng của kết cấu đường ống trong công nghiệp - Pipe Stress Analysis, ví dụ như đường ống trong nhà máy bia, lọc dầu, điện nguyên tử v.v... Các hệ thống này nếu hoạt động trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao thì việc tính toán kiểm tra là ưu tiên hàng đầu. Trong tính toán Pipe Stress có nhiều mục đích để tính như:
- Đảm bảo Stress trong Piping nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn (ASME B31.1, B31.3, Class 1,2,3, v.v...)
- Tính lực từ đường ống tác động lên support (Spring hager, Spring support, Rigid support v.v...) ---> từ đó thiết kế loại support thích hợp. Công đoạn thiết kế support (thường là rigid support) là công việc của kỹ sư kết cấu. Kỹ sư Piping chỉ tính ra lực tác động.
- Kiểm tra lực từ đường ống tác động vào các thiết bị có nằm trong giới hạn cho phép hay không
- Tối ưu đường đi của Piping cho thích hợp.
- Một số vần đề khác liên quan đến tính toán lực Dynamic (Modal, Spectra Respose, Time History v.v...). Cái này có dịp em sẽ nói sau.

Ví dụ ở dưới đây là 1 bài tính minh họa Pipe Stress. Có 1 số vấn đề sẽ lạ với mọi người.

Các bác vui lòng click vào hình để xem full size.
Mục đích bài tính tập trung check stress theo B31.3 - Static Analysis, giả sử các support được thiết kế để chịu được lực do đường ống tác dụng vào. Tải tác động bao gồm:
1.Tải trọng bản thân (weight + insulation + fluid), tải trọng do valve : thuộc nhóm Sustained Loads
2.Tải trọng do giản nở nhiệt (có 2 trường hợp hoạt động, xem chi tiết các hình dưới) : thuộc nhóm Secondary Loads

Bài tính không kể đến tác động của tải gió (Occasional Loads). Do đó, các phương trình để check stress gồm 2 phương trình chính SL và SE. Tham khảo ASME B31.3 để biết thêm chi tiết.


Nhiệt độ lắp đặt 20 C (Click vào hình để xem input data)



Nhiệt độ hoạt động 1, valve mở, tất cả các line đều nóng T= 316 C, P = 34.5 bar



Nhiệt độ hoạt động 2, valve đóng
Line màu đỏ: T = 316 C, P = 34.5 bar
Line màu xanh: T = 49 C, P = 0 bar



Kết quả SL cho thấy node 20 (BEND) có stress lớn nhất là 50.4% so với allowable stress



Kết quả SE cho thấy node 70 (TEE) có stress lớn nhất 97.6% so với allowable stress (xem phân tích kết quả ở hình dưới)



Kết quả giá trị ứng suất lớn tại node 70 là do In-plane Moment (Mi) quá lớn = 22.675kNm. Nói cách khác, Moment này xoay quanh trục Y ngược kim đồng hồ (có thể thấy rõ qua hình vẽ chuyển vị tại section 140-70, TEE bị đẩy lên trên).
Do đó, cần tính toán thiết kế lại để giảm ứng suất này xuống để hệ thống an toàn



Các giải pháp thiết kế lại:
1. Nhận xét: Nguyên nhân gây ra Mi lớn là do đoạn thẳng đứng 168-180 giãn nở khi nhiệt độ tăng.
2. Giải pháp 1: gắn 1 khớp nối mềm (Expansion Joint, viết tắt = EJ) để hẩp thụ độ giãn nỡ của ống. Tuy nhiên, do nhiệt độ cao 316 C, vì vậy không có EJ nào hoạt động được trong môi trường này. Mặt khác, giá tiền của 1 EJ khá cao.
3. Gỉải pháp 2: làm 1 loop chữ U (xem hình dưới). Kích thước loop trong bài này cho 1m



Kết quả sau khi tính toán lại cho thấy ứng suất tại node 70 là 63% so với allowable stress. Moment Mi giảm xuống còn 14.582kNm



---------------------------------------
Bài tính sử dụng phần mềm ROHR2 - Pipe Stress Analysis Software
Email: infohbe@huynhbang.com