Thiết bị áp lực (Pressure Equipment) là các hệ thống hoặc bộ phận làm việc dưới áp suất cao, thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như dầu khí, hóa chất, thực phẩm, năng lượng và sản xuất công nghiệp. Các thiết bị này phải tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế, chế tạo và kiểm định nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn vận hành.
Theo Chỉ thị Thiết bị Áp lực Châu Âu (PED 2014/68/EU) và tiêu chuẩn ASME Boiler & Pressure Vessel Code (ASME BPVC), thiết bị áp lực được định nghĩa là các bình chứa, đường ống, nồi hơi hoặc các hệ thống có áp suất làm việc cao hơn áp suất khí quyển.
1. Đặc điểm chung của Thiết bị áp lực
1.1. Chịu áp suất cao
Thiết bị áp lực được thiết kế để vận hành trong điều kiện áp suất lớn, từ vài bar đến hàng trăm bar, thậm chí hàng ngàn bar đối với các ứng dụng đặc biệt như công nghệ siêu tới hạn trong ngành năng lượng hoặc thiết bị nén khí công suất lớn. Việc hiểu rõ bản chất của áp suất và các yếu tố ảnh hưởng đến nó là điều kiện tiên quyết để đảm bảo an toàn khi thiết kế, chế tạo và vận hành thiết bị áp lực.
Áp suất (Pressure) được định nghĩa là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích, thường được tính theo công thức:
P = F/A
Trong đó:
- P là áp suất (Pressure)
- F là lực tác dụng (Force)
- A là diện tích bề mặt tiếp xúc (Area)
Các đơn vị đo áp suất phổ biến:
- Bar: 1 bar ≈ 100 kPa (kilopascal)
- Psi (Pound per Square Inch): 1 psi ≈ 6,895 kPa
- kPa (Kilopascal): 1 kPa = 1.000 Pa
- MPa (Megapascal): 1 MPa = 1.000 kPa
Tại Việt Nam, đơn vị đo áp suất thường dùng là bar hoặc MPa trong ngành công nghiệp, trong khi psi phổ biến trong các hệ thống áp suất ở Mỹ.
Áp suất trong thiết bị có thể thay đổi do nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là:
- Nhiệt độ (Temperature): Theo định luật khí lý tưởng (Boyle-Mariotte và Gay-Lussac), khi nhiệt độ tăng, áp suất của khí trong không gian kín cũng tăng theo. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bình chứa khí nén hoặc hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao.
- Thể tích (Volume): Nếu thể tích của một hệ thống kín giảm, áp suất bên trong tăng lên, theo nguyên lý định luật Boyle. Đây là lý do vì sao các bình chịu áp lực được thiết kế với biên độ giãn nở phù hợp để tránh quá tải áp suất.
- Tác động bên ngoài (External Factors): Các rung động cơ học, tải trọng va đập hoặc ăn mòn cũng có thể ảnh hưởng đến áp suất bên trong thiết bị. Những yếu tố này cần được tính toán trong quá trình thiết kế để đảm bảo tuổi thọ của thiết bị.
1.2. Yêu cầu về vật liệu chế tạo
Vật liệu chế tạo đóng vai trò then chốt trong thiết kế và vận hành thiết bị áp lực. Do đặc thù làm việc trong môi trường áp suất cao, nhiệt độ khắc nghiệt và có nguy cơ bị ăn mòn, vật liệu phải đáp ứng các tiêu chí nghiêm ngặt về độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn và tính ổn định nhiệt.
Thiết bị áp lực thường chịu tác động của ứng suất nội tại từ áp suất bên trong và tác động cơ học bên ngoài. Vì vậy, vật liệu phải có:
- Độ bền kéo cao (Tensile Strength): Chịu được lực kéo lớn mà không bị đứt gãy.
- Độ bền chảy (Yield Strength): Khả năng chịu biến dạng dẻo dưới tải trọng trước khi mất khả năng đàn hồi.
- Độ dẻo (Ductility): Vật liệu cần có khả năng biến dạng mà không bị giòn gãy, giúp hạn chế nguy cơ nứt vỡ dưới tải trọng thay đổi.
- Độ dai va đập (Impact Toughness): Chống nứt vỡ khi có va đập hoặc thay đổi nhiệt độ đột ngột.
1.3. Thiết kế chịu tải trọng phức tạp trong thiết bị áp lực
Thiết bị áp lực phải chịu nhiều loại tải trọng tác động đồng thời, ảnh hưởng đến độ bền và an toàn vận hành.
Áp suất bên trong tạo ứng suất kéo lên thành thiết bị, trong khi áp suất bên ngoài có thể gây mất ổn định kết cấu, dẫn đến sập vỡ nếu không được thiết kế đúng tiêu chuẩn. Nhiệt độ cũng là yếu tố quan trọng, khi sự giãn nở không đồng đều có thể gây cong vênh hoặc nứt gãy, đặc biệt với thiết bị làm việc ở nhiệt độ cực thấp có nguy cơ giòn lạnh.
Bên cạnh đó, tải trọng động do dao động áp suất, dòng chảy xoáy hoặc rung động cơ học làm tăng nguy cơ mỏi vật liệu, tạo vết nứt nhỏ và có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng. Thiết bị còn chịu tác động của ăn mòn hóa học, làm suy giảm độ bền theo thời gian, đặc biệt trong môi trường có hóa chất hoặc hơi nước muối.
Ngoài ra, các yếu tố môi trường như gió bão, động đất hay sóng biển có thể gây rung lắc, biến dạng hoặc ảnh hưởng đến độ ổn định của thiết bị, đòi hỏi thiết kế phù hợp để đảm bảo an toàn trong mọi điều kiện vận hành.
1.4. An toàn và kiểm định nghiêm ngặt
Do làm việc dưới áp suất cao, thiết bị áp lực phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt như ASME Section VIII, API 510, EN 13445, TCVN 8366:2010. Việc thiết kế, chế tạo và vận hành đều phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật khắt khe để tránh rủi ro nổ vỡ, rò rỉ hoặc suy giảm độ bền theo thời gian.
Trước khi đưa vào sử dụng, thiết bị áp lực cần trải qua các phương pháp kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt. Thử nghiệm áp lực (Hydrostatic Test) được áp dụng để kiểm tra độ kín và khả năng chịu áp suất bằng cách bơm nước vào thiết bị với áp suất cao hơn áp suất làm việc. Kiểm tra không phá hủy (NDT) như siêu âm (UT), chụp X-quang (RT), kiểm tra từ tính (MT) và thẩm thấu chất lỏng (PT) giúp phát hiện các khuyết tật bên trong vật liệu, mối hàn hoặc bề mặt.
Ngoài ra, trong quá trình vận hành, thiết bị áp lực phải được kiểm định định kỳ để đảm bảo không có dấu hiệu suy giảm chất lượng do ăn mòn, mỏi vật liệu hoặc quá tải. Việc kiểm tra này thường bao gồm đo độ dày thành thiết bị, đánh giá ứng suất dư và kiểm tra hiệu suất van an toàn để đảm bảo thiết bị luôn trong trạng thái vận hành tối ưu, giảm thiểu rủi ro sự cố.
2. Phân loại thiết bị áp lực
Dựa trên chức năng và điều kiện vận hành, thiết bị áp lực được chia thành các loại sau:
2.1. Bình chịu áp lực (Pressure Vessels)
Bình chịu áp lực là thiết bị có nhiệm vụ chứa và vận chuyển chất lỏng hoặc khí ở áp suất cao hơn khí quyển. Chúng có thể được chia thành các nhóm:
- Bình chứa khí nén: Dùng để lưu trữ khí oxy, nitơ, hydro, CO₂,… ở áp suất cao.
- Bình chứa LPG/LNG: Chứa khí hóa lỏng như propane, butane, amoniac trong các hệ thống công nghiệp và dân dụng.
- Bình phản ứng (Reactor Vessels): Dùng trong ngành hóa chất, thực hiện các quá trình phản ứng hóa học dưới áp suất cao.
2.2. Nồi hơi (Boilers)
Nồi hơi là thiết bị áp lực dùng để tạo hơi nước ở nhiệt độ và áp suất cao, thường sử dụng trong ngành năng lượng, chế biến thực phẩm và sản xuất công nghiệp. Một số loại phổ biến:
- Nồi hơi ống lửa (Fire-tube Boiler): Nước bao quanh các ống dẫn khói để hấp thụ nhiệt và tạo hơi.
- Nồi hơi ống nước (Water-tube Boiler): Nước chảy trong các ống nhỏ, còn buồng đốt ở bên ngoài, cho phép tạo ra hơi nước ở áp suất cao hơn.
- Nồi hơi tầng sôi (CFB Boiler): Sử dụng công nghệ tầng sôi để đốt nhiên liệu hiệu quả và giảm phát thải.
2.3. Đường ống áp lực (Pressure Piping Systems)
Hệ thống đường ống áp lực vận chuyển khí hoặc chất lỏng có áp suất cao. Các tiêu chuẩn phổ biến áp dụng gồm ASME B31.3 (Process Piping) và ASME B31.1 (Power Piping). Hệ thống này bao gồm:
- Đường ống hơi nước: Sử dụng trong các nhà máy điện, nồi hơi.
- Đường ống dẫn dầu khí: Dẫn khí nén, LNG, LPG, dầu thô trong các hệ thống khai thác và phân phối.
- Hệ thống ống thủy lực: Dùng trong các thiết bị công nghiệp cần áp suất cao để vận hành hệ thống thủy lực.
2.4. Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchangers)
Là thiết bị chịu áp lực dùng để trao đổi nhiệt giữa hai môi trường có nhiệt độ khác nhau, phổ biến trong ngành dầu khí, hóa chất, thực phẩm. Một số loại chính:
- Thiết bị trao đổi nhiệt vỏ – ống (Shell & Tube Heat Exchanger)
- Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate Heat Exchanger)
- Bộ trao đổi nhiệt khí – khí (Air-cooled Heat Exchanger)
LIÊN HỆ CÔNG TY TNHH PREBECC CHO DỰ ÁN CỦA BẠN
Email: info@prebecc.com
Số Hotline: (+84) 7 08 09 1033