Hệ thống giá đỡ đường ống (pipe rack) là một cấu trúc được thiết kế và lắp đặt nhằm hỗ trợ nhiều đường ống, đặc biệt trong những trường hợp không có sẵn một công trình hoặc cấu trúc phù hợp (thường là ngoài các tòa nhà). Pipe rack đóng vai trò quan trọng trong việc sắp xếp các đường ống trong các nhà máy, đặc biệt là các đường ống phục vụ cho quá trình và tiện ích, kết nối tất cả các thiết bị được lắp đặt ở các vị trí khác nhau trong nhà máy.
Ngoài việc hỗ trợ các đường ống, hệ thống giá đỡ còn có nhiều ứng dụng phụ khác, chẳng hạn như mang các dây điện, dây tín hiệu, hệ thống chữa cháy, ánh sáng, và các thiết bị khác. Đặc biệt, các bộ trao đổi nhiệt dạng làm mát bằng không khí hoặc fin-fan cũng thường được lắp đặt trên giá đỡ ống để giảm yêu cầu không gian trong nhà máy. Với cấu trúc linh hoạt và tính năng hỗ trợ đa dạng, hệ thống giá đỡ ống giúp tối ưu hóa không gian và nâng cao hiệu quả hoạt động của các nhà máy công nghiệp.
1. Giá đỡ đường ống (Pipe rack) là gì?
Giá đỡ ống (Pipe Rack) là một cấu trúc kỹ thuật được thiết kế và lắp đặt chuyên biệt để hỗ trợ và cố định nhiều đường ống trong một hệ thống đường ống công nghiệp. Theo tiêu chuẩn của American Petroleum Institute (API) và American Society of Mechanical Engineers (ASME), giá đỡ ống không chỉ đảm bảo tính ổn định của hệ thống mà còn giúp duy trì an toàn, giảm áp lực và tác động cơ học lên đường ống khi vận hành.
1.1. Phân loại giá đỡ đường ống
Theo vật liệu
- Giá đỡ thép carbon: Thường được sử dụng nhờ độ bền cao, khả năng chịu tải lớn và giá thành hợp lý.
- Giá đỡ thép không gỉ (stainless steel): Thích hợp trong môi trường ăn mòn như các nhà máy hóa chất hoặc môi trường biển.
- Giá đỡ composite: Nhẹ, chống ăn mòn tốt, thường dùng trong các hệ thống yêu cầu trọng lượng thấp.
Theo cấu trúc
- Giá đỡ đơn giản: Gồm các giá treo hoặc giá đỡ cố định cho đường ống nhỏ.
- Giá đỡ tổ hợp: Gồm nhiều tầng hoặc hệ thống kết hợp, thường áp dụng cho các nhà máy lớn.
- Giá đỡ cổng (Portal Frame): Thiết kế dạng khung chữ H hoặc T, phổ biến trong các nhà máy lọc dầu, hóa chất.
Theo chức năng
- Giá đỡ cố định: Giữ đường ống tại một vị trí cố định, chịu tải trọng dọc và ngang.
- Giá đỡ di động: Cho phép đường ống dịch chuyển để thích ứng với sự giãn nở nhiệt hoặc rung động.
- Giá đỡ treo: Được sử dụng khi cần lắp đặt đường ống trên trần hoặc cấu trúc cao.
1.2. Nguyên lý làm việc
Giá đỡ ống hoạt động dựa trên các nguyên lý cơ bản của kết cấu và cơ học nhằm đảm bảo sự hỗ trợ và cố định tối ưu cho hệ thống đường ống.
Trước tiên, giá đỡ thực hiện nhiệm vụ phân phối tải trọng một cách hiệu quả. Tải trọng từ đường ống và chất lỏng bên trong được truyền xuống các dầm ngang, sau đó phân phối đều tới các chân giá đỡ. Đồng thời, các thanh giằng được tích hợp để giảm tải lực kéo hoặc rung lắc, đặc biệt trong các điều kiện tác động mạnh từ gió, động đất hoặc các rung động do vận hành.
Bên cạnh đó, giá đỡ ống còn kiểm soát chuyển động của hệ thống. Các kẹp ống và giá treo đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho đường ống không bị xê dịch khỏi vị trí thiết kế ban đầu. Đối với những giá đỡ di động, các bộ phận này còn cho phép đường ống dịch chuyển linh hoạt để thích ứng với những thay đổi do nhiệt độ hoặc áp suất, từ đó tránh được nguy cơ gây biến dạng cho hệ thống.
Ngoài nhiệm vụ chính, giá đỡ ống còn hỗ trợ tích hợp các hệ thống phụ trợ như dây điện, ống dẫn khí hoặc thiết bị chữa cháy. Nhờ khả năng chịu tải và sắp xếp khoa học, giá đỡ giúp tối ưu hóa không gian lắp đặt, đảm bảo hệ thống vận hành đồng bộ và đạt hiệu quả cao. Với sự kết hợp của các nguyên lý thiết kế chuẩn mực, giá đỡ ống không chỉ là một thành phần cấu trúc mà còn là yếu tố quyết định sự an toàn và hiệu suất của toàn bộ hệ thống công nghiệp.
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống giá đỡ đường ống
Chân giá đỡ (Columns): Là phần chịu tải trọng chính của giá đỡ, được cố định xuống mặt đất hoặc kết nối với nền móng.
Dầm ngang (Beams): Hỗ trợ đường ống, thường được đặt trên các chân giá đỡ theo chiều ngang.
Thanh giằng (Bracings): Tăng cường tính ổn định cho toàn bộ cấu trúc, giúp giảm rung lắc và tác động từ ngoại lực.
Kẹp ống (Pipe Clamps): Giữ cố định đường ống, giảm lực ma sát và ngăn chặn chuyển động không mong muốn.
Giá treo (Hangers): Dùng để treo các đường ống nhỏ hoặc hệ thống bổ sung như dây điện, ống khí.
2. Dữ liệu cần thiết cho việc thiết kế giá đỡ đường ống
Khi thiết kế hệ thống giá đỡ đường ống (pipe rack), có một số tài liệu quan trọng cần thiết để đảm bảo quá trình thiết kế và thi công diễn ra chính xác và hiệu quả.
Các tài liệu này bao gồm: P&ID (Sơ đồ đường ống và thiết bị), Sơ đồ dòng chảy, Kế hoạch bố trí (Plot Plan), Thông số kỹ thuật về bố trí, Yêu cầu của khách hàng, Chi tiết vật liệu xây dựng, Các yêu cầu về bảo vệ chống cháy, và thông tin về các thiết bị xung quanh.
Quá trình thiết kế giá đỡ ống bắt đầu bằng việc xác định chiều rộng, khoảng cách và độ cao của các phần cấu trúc. Sau khi các yếu tố này được xác định, một sơ đồ tuyến đường ống cần được chuẩn bị.
3. Tiêu chí thiết kế giá đỡ đường ống
Dưới đây là các tiêu chí thiết kế hệ thống giá đỡ đường ống (pipe rack) được xác định dựa trên các yếu tố quan trọng trong quá trình xây dựng và vận hành hệ thống:
Hình dáng của giá đỡ đường ống
Hệ thống giá đỡ đường ống có thể được thiết kế với các hình dạng khác nhau như L, T, U, H, Z. Lựa chọn hình dáng cụ thể sẽ phụ thuộc vào không gian sẵn có tại khu vực thi công và yêu cầu của dự án.
Yêu cầu không gian dự phòng trong giá đỡ đường ống
Tổng chiều rộng của giá đỡ đường ống phải bao gồm 25% không gian dự phòng cho việc mở rộng hoặc sửa đổi trong tương lai đối với các giá đỡ có chiều rộng lên đến 16 m, và 10% đối với các giá đỡ có chiều rộng trên 16 m. Tỷ lệ không gian dự phòng này thường dựa trên yêu cầu của khách hàng.
Chiều rộng của giá đỡ đường ống
Chiều rộng của giá đỡ đường ống thường được thiết kế với các kích thước 6 m, 8 m hoặc 10 m cho một bay đơn và 12 m, 16 m hoặc 20 m cho một bay đôi có tối đa 4 tầng. Khoảng cách giữa các cổng giá đỡ đường ống thường là 6 m, nhưng có thể được tăng lên đến 8 m nếu kích thước của các máy bơm yêu cầu không gian lớn hơn bên dưới giá đỡ.
Tiêu chí chiều cao thông thoáng dưới giá đỡ đường ống
- Đối với các đơn vị trong khu vực nhà máy, chiều cao thông thoáng dưới giá đỡ phải tối thiểu là 4 m cả theo chiều dài và chiều ngang.
- Đối với các khu vực ngoài nhà máy (Offsite), chiều cao thông thoáng tối thiểu dưới giá đỡ là 2.2 m cho cả chiều dài và chiều ngang.
- Chiều cao thông thoáng của đường giao thông phải đạt 7 m đối với đường chính và 5 m đối với đường phụ.
Tải trọng của giá đỡ đường ống
Tải trọng của hệ thống giá đỡ đường ống được xác định bởi nhóm ứng suất (stress group) để đảm bảo tính ổn định và khả năng chịu lực của thiết kế. Các loại tải trọng cần tính toán bao gồm:
- Tải trọng cố định (Dead Load): Bao gồm trọng lượng của đường ống, van và lớp cách nhiệt.
- Tải trọng nhiệt (Thermal Load): Là tải trọng do sự giãn nở nhiệt của đường ống và lực phản ứng từ áp suất nội bộ của các ống bellow mở rộng.
- Tải trọng động (Dynamic Load): Bao gồm tải trọng do rung động của đường ống và các tác động từ gió, động đất.
- Tải trọng tạm thời (Occasional Loads): Bao gồm tải trọng do rung động của đường ống và các tác động từ gió, động đất.
- Tải trọng duy trì (Sustained Load): Tải trọng do áp suất tĩnh của chất lỏng trong quá trình thử nghiệm thủy tĩnh.
Các yếu tố trên sẽ giúp xác định một thiết kế giá đỡ đường ống phù hợp với yêu cầu về không gian, tải trọng và tính an toàn của hệ thống trong suốt vòng đời của nó.