Đối với piping designer việc lựa chọn loại và vị trí đặt pipe support là vô cùng quan trọng. Để đảm bảo đường ống không bị võng và giảm ứng suất xuất hiện trên đường ống do ảnh hưởng của khối lượng, khoảng cách giữa hai support liền kề không được vượt quá giá trị cho phép (maximum pipe support span). Trong một dự án ta có thể dễ dàng tìm thấy giá trị pipe support span trong tài liệu Pipe Support standard. Vậy những giá trị pipe support span đó được tính toán như thế nào? Nếu bạn cũng có thắc mắc như Happy, hãy cùng tìm hiểu bài viết này nhé.
1.Phương pháp tính maximum pipe support span
Khoảng cách tối đa giữa hai gối đỡ đường ống được giới hạn bởi ứng suất dọc cho phép và độ võng cho phép để đảm bảo ống không bị võng quá mức gây ảnh hưởng đến dòng lưu chất.
Theo tiêu chuẩn B31.1 for process plant, độ võng (D) do khối lượng không vượt quá 0.1in (2.5mm) tuy nhiên trong dự án cụ thể, giới hạn này thường được quy định không vượt quá ¼” đến ½” (tương đương 6.35mm đến 12.5mm)
Để tính maximum support span theo ứng suất cho phép, ta quay lại section 302.3.5 tiêu chuẩn ASME B31.3, theo đó, tổng ứng suất dọc trục dưới tác dụng của tải trọng tĩnh như áp suất, khối lượng không được vượt quá ShxW. Trong đó Sh là ứng suất cho phép tại nhiệt độ hoạt động, tra trong tiêu chuẩn ASME B31.3, W là hệ số độ cứng mối hàn (để đơn giản ta lấy W = 1) vậy SL < Sh với SL là ứng suất dọc sinh ra do áp suất và khối lượng. Ta có
Ứng suất dọc do áp suất bên trong ống
Áp suất cũng tạo ra hook stress
Như vậy ứng suất dọc do áp suất sinh ra có giá trị bằng một nửa hook stress, cũng theo B31.3 hook stress không được vượt quá Sh --> Ứng suất dọc do áp suất không được vượt quá Sh/2. Như vậy ta cũng có đủ cơ sở để suy luận ứng suất dọc do khối lượng tác dụng lên ống cũng không quá Sh/2. Khi tính toán pipe support span, để đảm bảo an toàn, ta nên lấy giá trị Sh/4.
Trong standard B31.1 giá trị weight bending moment cho ống thép được giới hạn ở 2300Psi (15.86MPa)
2.Thiết lập công thức tính
Để đơn giản bài toán, ta sẽ thiết lập công thức tính trên đoạn ống thẳng như dưới đây. Ta xem khối lượng trên đường ống là tải trọng phân bố đều (w N/m).
Xét trường hợp đoạn ống với hai gối đỡ (rest) ở hai đầu:
Maximum bending moment tại mặt cắt giữa ống:
Maximum deflection tại vị trí giữa ống:
Xét trường hợp đoạn ống ngàm chặt hai đầu
Maximum bending moment tại mặt cắt giữa ống:
Maximum deflection tại vị trí giữa ống:
Trong thực tế ta không chỉ có một đoạn ống ngắn như trên mà là một đường ống dài nhiều support liên tiếp nhau, để chính xác hơn ta lấy công thức tính Maximum bending moment và maximum deflection là giá trị trung bình của hai trường hợp trên khi đó ta có:
Maximum bending moment tại mặt cắt giữa ống:
Maximum deflection tại vị trí giữa ống:
Từ bending moment ta tính được ứng suất tại vị trí mặt cắt:
Với Z là section modulus phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt
Từ hai công thức trên ta tính được khoảng cách support cho phép trên đoạn ống thẳng
- Theo chuyển vị cho phép:
- Theo ứng suất cho phép:
Trong đó:
Lmax : Maximum support span (mm)
Section modulus (mm3)
S= Sh/4: allowable weight bending stress (N/mm2)
E: Elastic modulus (N/mm2)
Moment of inertia of a pipe (mm4)
D: allowable deflection or sagging (mm)
w: trọng lượng trên đoạn ống được xét như tải trọng phân bố (N/mm)
3.Pipe support span factor
Ở phần trên ta đã tính được maximum pipe support span cho đoạn ống thẳng đơn giản, khi trên đoạn ống có các tải trọng tập trung như flange, valve thì pipe support span phải ngắn lại. Đối với các cấu hình ống phức tạp hơn, ta có các hệ số như sau:
Bài viết có tham khảo:
ASME Code for Pressure Piping, B31.3
PIPE STRESS ENGINERRING _L.C.Peng
Chúc các bạn cuối tuần vui vẻ, hẹn gặp lại các bạn vào 7h tối thứ bảy tuần sau nhé!