Tính bề dày thiêt bị hình trụ chịu áp suất trong

1


MỤC LỤC
1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN 2
1.1 ASME 2013, VIII Division 1&2 2
1.2 Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 4
2. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ 5
2.1 Chọn vật liệu 5
2.2 Chọn hệ số bền mối hàn: E 18
2.3 Tính toán ứng suất cho phép tối đa: S 19
3. VÍ DỤ 26
4. PHỤ LỤC 28
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 30











PHẠM VI SỬ DỤNG:
- Tính toán Thân thiết bị hình trụ chịu áp suất trong
- Sử dụng vật liệu Thép Các-bon và thép hợp kim ( loại SA trong tiêu chuẩn ASME)
- Phương pháp gia công thiết bị: Hàn
- Không xét bề dày bổ sung do ăn mòn

2

1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN
1.1 ASME 2013, VIII Division 1&2
1.1.1 Nguyên tắc thiết kế
Bề dày yêu cầu tối thiểu của vỏ thiết bị chịu áp suất trong không được bé hơn bề dày tính toán
theo các công thức được giới thiệu ở sau:
1.1.2 Phân loại thiết bị chịu áp suất trong
- Thiết bị chịu áp suất trong được chia làm 2 loại:
+ Thiết bị chịu áp trong thông thường
+ Thiết bị chịu áp trong cao
- Không có ranh giới rõ ràng về việc phân loại thiết bị chịu áp suất trong như vậy, tuy nhiên có thể dựa
vào các điều kiện rang buộc sau đây:
+ Thiết bị chịu áp trong thông thường:
• Áp suất nội:  ≤3000  hoặc  ≤0.385 ××
• Bề dày thiết bị:  ≤0.5 × 


+ Thiết bị chịu áp trong cao
• Áp suất nội:  ≥3000  hoặc  ≥1.25 × ×
• Bề dày thiết bị:  ≥0.5 × 


( trong đó: S - Ứng suất cho phép tối đa, E – Hệ số bền mối hàn, R
i
- Bán kính trong của thiết bị)
1.1.3 Tính toán bề dày thiết bị chịu áp trong thông thường
1.1.3.1 Tính toán bề dày theo ứng suất tiếp
- Sử dụng công thức sau để tính toán khi thiết bị có đường hàn nằm dọc theo trục và sinh ra ứng suất
tiếp:

=
×

× −0.6 × 
=
× 

+0.4 ×

- Điều kiện:  ≤0.5 × 

hoặc  ≤0.385× ×
Trong đó: t: bề dày thân thiết bị, in
P: áp suất nội, psi
R
i
, R
o
: Bán kính trong và bán kính ngoài của thiết bị, in
S: Ứng suất cho phép tối đa, psi
E: Hệ số bền mối hàn
- Ta có thể rút P từ công thức trên để kiểm tra áp suất cho phép làm việc của thiết bị
=
× × 


+ 0.6 × 
=
× × 



−0.4 × 

1.1.3.2 Tính toán bề dày theo ứng suất dọc trục
- Sử dụng công thức sau để tính toán khi thiết bị có đường hàn nằm theo đườn chu vi và sinh ra ứng suất
dọc trục
=
× 

2 × ×+0.4 × 
=
× 

2 × ×+ 1.4 × 

- Điều kiện:  ≤0.5 × 

hoặc  ≤1.25 ××
- Ta có thể rút P từ công thức trên để kiểm tra áp suất cho phép làm việc của thiết bị
=
2 × ×× 


−0.4 × 
=
2 × ×× 


−1.4 × 

Trong đó: t: bề dày thân thiết bị, in
P: áp suất nội, psi
R
i
, R
o
: Bán kính trong và bán kính ngoài của thiết bị, in
S: Ứng suất cho phép tối đa, psi
E: Hệ số bền mối hàn
• Lưu ý:
- Nếu thân thiết bị có cả 2 loại đường hàn như ở trên, thì phải tính bề dày theo cả 2 công thức và chọn
bề dày thiết bị sao cho thỏa mãn 2 công thức đó

3

1.1.4 Tính toán bề dày thiết bị chịu áp trong cao
1.1.4.1 Tính toán bề dày theo ứng suất tiếp
- Sử dụng công thức sau để tính toán khi thiết bị có đường hàn nằm dọc theo trục và sinh ra ứng suất
tiếp:
= 

× 

×

−1=

× 1 −

×



- Điều kiện:  ≥0.5 × 

hoặc  ≥0.385× ×
Trong đó: t: bề dày thân thiết bị, in
P: áp suất nội, psi
R
i
, R
o
: Bán kính trong và bán kính ngoài của thiết bị, in
S: Ứng suất cho phép tối đa, psi
E: Hệ số bền mối hàn
- Ta có thể rút P từ công thức trên để kiểm tra áp suất cho phép làm việc của thiết bị
= × × ln


+ 


= × × ln




−

1.1.4.2 Tính toán bề dày theo ứng suất dọc trục
- Sử dụng công thức sau để tính toán khi thiết bị có đường hàn nằm theo đườn chu vi và sinh ra ứng suất

dọc trục
= 

× 

× 
+ 1


−1= 

×


× 
+ 1


−1


×
+ 1



- Điều kiện:  ≥0.5 × 

hoặc  ≥1.25 ××
- Ta có thể rút P từ công thức trên để kiểm tra áp suất cho phép làm việc của thiết bị

= ××




+ 




−1

= × ×






−


−1


Trong đó: t: bề dày thân thiết bị, in
P: áp suất nội, psi
R
i
, R

o
: Bán kính trong và bán kính ngoài của thiết bị, in
S: Ứng suất cho phép tối đa, psi
E: Hệ số bền mối hàn
1.1.5 Thiết bị có vùng mỏng cục bộ
- Vùng mỏng cục bộ là vùng có bề dày nhỏ hơn bề dày thiết kế trong quá trình vận hành thiết bị chịu va
đập cơ học sinh ra
- Khi thiết bị xuất hiện vùng mỏng thì vấn đề đặt ra là thiết bị có còn an toàn ở điều kiện vận hành hay
không
- ASME đưa ra các điều kiện rang buộc mà nếu thỏa mãn các điều kiện này thì thiết bị vẫn vận hành an
toàn

4

- Ràng buộc đối với vùng mỏng cục bộ:



≥0.9
≤
√
× 

≤2 ×
√
× 
−

≤
3

16

Trong đó: L: Bề rộng vùng mỏng theo hướng dọc trục
C: Bề rộng vùng mỏng theo hướn chu vi
R: bán kính trong của thiết bị
t: bề dày tính toán
t
L
: bề dày vùng mỏng
1.2 Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN
( Hồ Lê Viên – Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí)
1.2.1 Yêu cầu
- Đối tượng: các thiết bị hóa chất và dầu khí làm việc ở áp suất dư đến 10 N/mm2 hoặc ở áp suất khí
quyển và ở chân không.
- Quan hệ giữa đường kính trong của thân hình trụ với bề dày tối thiểu của thân:
D
t

<400 400-1000 1000-2000 2000-4000
S
min

2 3 4 5
1.2.2 Trình tự tính toán
- Tính biểu thức:
[]

× 


- Tính toán bề dày theo 1 trong 4 trường hợp sau:
+ Đối với vật liệu bất kỳ: 5.5 ≤
[]

× 

≤25


=
× 

2 ×
[

]
× 

−
=
× 

2 ×
[

]
× 

+ 

+ Đối với vật liệu bất kỳ:
[]

× 

≥25


=
× 

2 ×
[

]
× 

=
× 

2 ×
[

]
× 


+ Đối với vật liệu kim loại giòn và phi kim loại:
[]


× 

≤5.5


=
1
2
× 

×


[

]
× 

+ 
[

]
× 

−
−1

=
1
2

× 

×

1 −

[

]
× 

−
[

]
× 

+ 


+ Đối với vật liệu là kim loại dẻo:
[]

× 

≤5.5


= 
1

2
× 

+ 

×
(
−1
)
=
1
2
× 

×
−1


Với  là hệ số thành dày của thân được cho trong bảng sau:

[

]

×




1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

5

2,8

2 1,68

1,5 1,4 1,35

1,3

1,22

Trong đó: D
n
, D
t
là đường kính ngoài và đường kính trong của thân, mm

là ứng suất cho phép khi kéo , N/mm
2
;
P là áp suất tính toàn trong thiết bị, N/mm
2
;

h
là hệ số bền của mối hàn chọn theo bảng 1.7
5

- Bề dày thực của thân trụ: = 

+ 
Hệ số bổ sung: = 

+ 

+ 

+ 


Trong đó: C
a
là hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, mm
C
b
là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, mm
C

c
là hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm
C
o
là hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm
- Các công thức trên chỉ đúng khi thỏa mãn điều kiện sau đây:
−



≤0.1
Khi đó ta có thể kiểm tra áp suất tính toán cho phép ở bên trong thiết bị:
[

]
=
2 ×
[

]
× 

× (−



+ (−

)

- Nếu điều kiện trên không thỏa mãn thì xác định áp suất tính toán cho phép theo 1 trong 2 công thức
sau:
+ Đối với kim loại dẻo
[

]
= 2.3 ×
[

]
× 

× lg (




+ 2 × 

)
+ Đối với kim loại giòn và vật liệu phi kim loại
[

]
=
[

]
× 


× [
−

0.5 × 

+ 1

−1]

−

0.5 × 

+ 1

+ 1





2. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ
2.1 Chọn vật liệu
2.1.1 Thành phần hóa học của 1 số loại vật liệu:

6

7





8





9



10




11





12

13





14




15




16





17

18

2.2.2 Chọn vật liệu theo nhiệt
Có thể chọn vật liệu dựa trên nhiệt độ vận hành của thiết bị theo bảng sau

2.2 Chọn hệ số bền mối hàn: E
- Hệ số bền mối hàn phụ thuộc vào kiểu hàn và cách thức kiểm tra mối hàn
- Hệ số bền mối hàn càng lớn tương ứng với chất lượng của mối hàn và phương thức kiểm tra càng cao,
dẫn đến bề dày tối thiểu tính toán được sẽ nhỏ hơn so với mối hàn chất lượng thấp và phương pháp
kiểm tra đơn giản
- Có thể lựa chọn hệ số bền mối hàn theo bảng sau: ( giá trị chọn không được cao hơn giá trị được ấn
định)

19

2.3 Tính toán ứng suất cho phép tối đa: S


- Ứng suất cho phép tối đa là giá trị giới hạn khoảng cho phép an toàn vận hành thiết bị, nằm trong
khoảng giới hạn đàn hồi
- Có thể tính toán ứng suất cho phép tối đa theo tiêu chuẩn ASME 2013 như sau
+ ASME 2013, division 1:
= (

3.5
;

1.5

)
+ ASME 2013, division 2:

= (

2.4
;

1.5
)
Trong đó: UTS: Giới hạn kéo tối đa
YS: Giới hạn đàn hồi


- Theo tính toán như trên thì Division 2 cho phép 1 giới hạn ứng suất lớn hơn so với Division 1. Tương
ứng với bề dày tính toán được theo Division 2 sẽ nhỏ hơn và tiết kiệm được vật liệu so với Division 2.
Ngược lại Division 1 lại có độ an toàn cao hơn Division 2.
- UTS và YS của 1 số loại vật liệu được cho trong bảng sau:
20




21




22

23




24




25