3/6/2025
Khi nhu cầu sản xuất thay đổi, thiết bị của bạn cũng phải
thích ứng theo. Hãy tìm hiểu cách đánh giá xem bơm, bồn chứa, đường ống và các
tài sản khác có thể chịu được tải trọng, áp suất và nhiệt độ cao hơn một cách
an toàn hay không.
Các kỹ sư và vận hành viên trong các nhà máy chế biến hóa chất
ngày càng được yêu cầu đánh giá thiết bị và máy móc để đáp ứng các tải trọng
cao hơn, ứng suất lớn hơn, áp suất vận hành tăng, công suất lớn hơn và các
thông số vận hành khắt khe hơn khác.
Ngoài ra, họ còn phải đánh giá lại các thiết bị hiện có để
phù hợp với điều kiện vận hành mới hoặc điều kiện đã được điều chỉnh. Mặc dù
các dự án đánh giá lại và nâng công suất thiết bị ngày càng phổ biến, nhưng vẫn
còn thiếu các báo cáo công bố rộng rãi về phương pháp thực hiện. Bài viết này
trình bày một phương pháp tiếp cận có hệ thống mà các kỹ sư có thể áp dụng để
đánh giá độ tin cậy, mức độ an toàn và tuổi thọ của các thiết bị quan trọng
trong bối cảnh yêu cầu vận hành ngày càng phát triển.
Nâng cấp công suất nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng thiết bị
ngày càng cao có liên quan chặt chẽ đến giới hạn tải trọng vận hành tối đa mà
thiết bị hoặc máy móc có thể chịu được trước khi xảy ra hư hỏng, sự cố hoặc
nguy cơ trục trặc.
Điều này có nghĩa là việc đánh giá cho các tình huống vận
hành mới phải xem xét đến tất cả các khả năng hỏng hóc và sự cố có thể xảy ra.
Điều này áp dụng cho cả thiết bị quay, thiết bị cố định, các cụm thiết bị xử
lý, hệ thống xử lý vật liệu rời như băng tải, và nhiều loại thiết bị khác.
Quy trình nâng công suất và đánh giá lại cũng nên bao gồm tất
cả các thành phần của thiết bị nhằm xác định liệu chúng có góp phần gây ra các
điểm yếu tiềm ẩn hoặc nút thắt trong hệ thống hay không.
Các yếu tố vận hành và cơ khí
Khi thực hiện nâng công suất hoặc đánh giá lại thiết bị, cần
đảm bảo rằng thiết bị đủ độ bền để chịu được các ứng suất cao hơn, tải trọng động,
va đập, xoắn, rung và các tác động bất lợi khác trong điều kiện vận hành mới.
Bên cạnh độ bền, một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là đảm bảo thiết bị có
đủ độ cứng, chẳng hạn như độ cứng chống uốn. Các độ lệch và biến dạng cần phải
duy trì ở mức nhỏ dưới tải trọng vận hành mới. Điều này, cùng với đặc tính động
học tốt, đòi hỏi thiết bị phải có độ cứng tổng thể cao. Ngoài ra, cần xem xét
và đánh giá đầy đủ các yếu tố như ăn mòn, mài mòn và biến đổi nhiệt độ.
Việc đánh giá yếu tố cơ khí và yếu tố vận hành cho quá trình
nâng công suất và đánh giá lại thiết bị thường là một quy trình phức tạp với
nhiều bước và giai đoạn. Thông thường, có rất nhiều thông số và yếu tố liên
quan, trong đó một số như tiêu chí hỏng hóc, tốc độ ăn mòn, mỏi vật liệu và gãy
giòn thường chịu ảnh hưởng bởi sự không chắc chắn và thay đổi tùy theo điều kiện
vận hành và môi trường. Các vấn đề này quá phức tạp và phi tuyến để có thể tính
toán hoặc mô phỏng một cách dễ dàng và chính xác. Toàn bộ thiết bị hoặc máy móc
phải duy trì khả năng hoạt động đầy đủ và đáng tin cậy trong các điều kiện vận
hành mới trong suốt thời gian sử dụng dự kiến.
Xác định tải trọng động có thể được thực hiện bằng cách mô
phỏng các đặc điểm của quá trình vận hành hoặc thông qua phương pháp ước tính.
Một cách ước tính phổ biến là áp dụng hệ số động lên tải trọng tĩnh. Giá trị của
hệ số động phụ thuộc vào nhiều thông số, chẳng hạn như vận tốc vận hành/tải,
gia tốc và tần số dao động riêng cơ bản của hệ thống dưới tác động của tải trọng.
Các biểu đồ và bảng tra cứu có thể được tìm thấy trong sách chuyên ngành, tiêu
chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật, và thậm chí là trực tuyến, để hỗ trợ việc ước tính hệ
số động dựa trên chi tiết của tải trọng, quá trình vận hành và thiết bị.
Đối với máy móc và thiết bị quay không được trang bị bộ khởi
động mềm hoặc hệ thống điều khiển mềm, các tác động động và va đập xảy ra trong
các trạng thái vận hành chuyển tiếp thường tương đối lớn. Một ví dụ điển hình
là tải trọng động/chuyển tiếp phát sinh khi khởi động thiết bị.
Các tác động va đập và động thường tương đối nhỏ khi thiết bị
truyền động được trang bị bộ điều khiển tốc độ biến đổi hoặc các hệ thống điều
khiển mềm tương tự. Tải trọng động và hệ số động là những yếu tố then chốt
trong nhiều đánh giá nâng công suất và đánh giá lại thiết bị.
Xử lý các yếu tố không chắc chắn và biến đổi của vật liệu.
Trên thực tế, độ bền và khả năng làm việc của thiết bị phụ
thuộc vào nhiều yếu tố không chắc chắn, bao gồm các thông số vận hành thay đổi,
sai lệch trong quá trình vận hành, mức độ ăn mòn, đặc tính của vật liệu, các
khuyết tật, sai số hình học ban đầu, đặc tính của các bộ phận và chi tiết, loại
và đặc điểm của tải trọng, ứng suất dư và tình trạng mất kiểm soát trong quá
trình vận hành.
Giới hạn chảy (hoặc ứng suất chảy) là một trong những đặc
tính quan trọng nhất của thiết bị, thường có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu
tải và chịu áp suất của thiết bị.
Các yếu tố không chắc chắn và biến đổi liên quan đến ăn mòn,
giới hạn chảy hoặc ứng suất, độ bền kéo và đặc tính của vật liệu cần được xem
xét một cách cẩn trọng. Nói cách khác, những yếu tố không chắc chắn và biến đổi
này cần được tính đến khi xác định giới hạn vận hành và tuổi thọ của thiết bị
và máy móc.
Triết lý thiết kế bảo thủ trong thiết bị truyền thống
Trước đây, các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) thường áp dụng
các nguyên tắc thiết kế bảo thủ để đảm bảo thiết bị vận hành an toàn, tin cậy
và có tuổi thọ lâu dài. Trong nhiều trường hợp, họ đặt ra các giới hạn nghiêm
ngặt do sự tồn tại của nhiều yếu tố không chắc chắn và khó xác định trong quá
trình thiết kế.
Trước đây, họ thường sử dụng các quy tắc tính toán kích thước
đơn giản và công thức được đơn giản hóa quá mức, kết hợp với hệ số an toàn lớn,
thay vì thực hiện các đánh giá vận hành chi tiết. Trong khi đó, các quy trình
thiết kế hiện đại khuyến nghị thực hiện các đánh giá và mô phỏng chi tiết các
tình huống vận hành, đồng thời dự đoán tất cả các khả năng hỏng hóc có thể xảy
ra, chẳng hạn như quá áp, quá ứng suất, mất ổn định (lọt khớp) và mỏi vật liệu.
Để thiết bị có tuổi thọ vận hành dài và độ tin cậy cao, các ứng
suất và biến dạng trong thiết bị lý tưởng nên ở mức rất thấp. Đối với máy móc
có độ bền cao vận hành trong điều kiện bình thường và được thiết kế cho tuổi thọ
gần như không giới hạn, các ứng suất và biến dạng thường nhỏ hơn nhiều so với
các giá trị cho phép quy định trong các tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật. Theo
một chỉ dẫn mang tính ước lượng thô, ứng suất có thể thấp hơn 0,22 × giới hạn
chảy, thậm chí thấp hơn 0,18 × giới hạn chảy.
Biến dạng hoặc độ lệch có thể nhỏ hơn 1/1500 chiều dài hoặc
chiều cao — ví dụ, nhỏ hơn 2 mm đối với một thiết bị có chiều dài 3 mét.
Các giá trị này thấp hơn nhiều so với các giới hạn thường được
quy định trong sách chuyên ngành, thực hành kỹ thuật, quy chuẩn và tiêu chuẩn
khác nhau. Rõ ràng, các hệ số an toàn cao hơn là cần thiết trong những trường hợp
dịch vụ có rủi ro, nguy hiểm, dễ nổ hoặc độc hại. Khi có con người tham gia vào
quá trình vận hành, các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đã được đưa ra và tuân thủ.
Một yêu cầu kỹ thuật phổ biến là thiết kế theo tiêu chí an
toàn khi hỏng hóc (fail-safe), chẳng hạn như phải đảm bảo an toàn ngay cả khi
hai bộ phận gặp sự cố đồng thời. Mặc dù hiện nay nhiều thiết bị được thiết kế để
vận hành từ xa, vẫn có những ngoại lệ. Ví dụ, khi người vận hành có nguy cơ gặp
rủi ro, cần có các biện pháp và hệ thống kiểm soát phù hợp để đảm bảo an toàn
cho họ. Thiết bị có sàn thao tác và thang leo đòi hỏi hệ số an toàn nghiêm ngặt
hơn so với thiết bị không có các điểm tiếp cận này hoặc được lắp đặt ở vị trí từ
xa, nơi nguy cơ có người hiện diện là rất thấp.
Nghiên cứu tham số và phân tích độ nhạy.
Các nghiên cứu tham số và phân tích độ nhạy đóng vai trò
quan trọng trong nhiều trường hợp nâng công suất và đánh giá lại thiết bị, vì
chúng cho thấy mối quan hệ giữa các yêu cầu mới đối với thiết bị và cách thiết
bị sẽ vận hành dưới ảnh hưởng của các biến số nhất định.
Ví dụ, nếu cần nâng công suất để vận hành ở áp suất cao
hơn, thì điều quan trọng là phải xem xét việc tăng áp suất sẽ ảnh hưởng như thế
nào đến ứng suất và các yếu tố giới hạn khác của thiết bị, thông qua một loạt
các phân tích độ nhạy và nghiên cứu tham số được lập kế hoạch hợp lý.
Các nghiên cứu tham số liên quan đến việc thay đổi các
thông số chính như áp suất vận hành, công suất hoặc nhiệt độ vận hành để xem
các yếu tố giới hạn như ứng suất sinh ra sẽ thay đổi như thế nào. Phân tích độ
nhạy đánh giá mức độ nhạy cảm của các giới hạn vận hành của thiết bị đối với sự
thay đổi của từng thông số vận hành chính.
Quản lý tải trọng động trong phân tích thiết bị.
Máy móc như bơm, máy nén, quạt, máy thổi và băng tải đều
chịu tải trọng động trong quá trình vận hành. Một số thiết bị khác, bao gồm
máng trượt, phễu, thùng chứa và thiết bị cấp liệu, cũng có thể chịu tải va đập
và xung kích từ vật liệu rời được xả xuống. Ngoài ra, các thiết bị cố định và
đường ống nằm phía hạ lưu của máy móc như bơm và máy nén cũng có thể chịu tải
trọng động do các máy này gây ra.
Nghiên cứu tình huống: Cải tạo hệ thống đường ống áp
suất cao.
Tình huống sau đây liên quan đến một hệ thống đường ống
đường kính lớn, 12 inch (DN300), với đường kính ngoài khoảng 323 milimét và độ
dày thành ống khoảng 11,5 milimét. Hệ thống này là một phần của một đơn vị áp
suất cao trong nhà máy chế biến hóa chất.
Phần đường ống này vận hành bình thường trong các điều kiện
hoạt động hiện tại. Tuy nhiên, khi các điều kiện vận hành mới được áp dụng cho
đơn vị, đường ống bắt đầu chịu tác động của dòng khí lạnh trong quá trình xả
áp, do khí áp suất cao bị làm lạnh bởi hiệu ứng Joule-Thomson.
Hệ thống đường ống bắt đầu với một đoạn ống thẳng dài 2
mét dẫn đến van đầu tiên. Từ van này, một đoạn ống thẳng dài 3 mét tiếp tục dẫn
đến khu vực nối, nơi chứa ba đầu nối chữ T (tee) và các kết nối với các tuyến ống
khác trong nhà máy. Sau khu vực nối này, hệ thống bao gồm một khúc co 90 độ, tiếp
theo là khoảng 2 mét đường ống dẫn đến van thứ hai. Cuối cùng, tuyến ống kết nối
với đường ống chính thông qua một khúc co 90 độ khác và đoạn ống hướng xuống từ
phía trên.
Trong điều kiện vận hành bình thường, hệ thống đường ống
này chịu áp suất 141 Barg ở nhiệt độ 60°C. Với quy trình vận hành mới, nhiệt độ
của khí lạnh có thể giảm xuống tới -43°C. Khi sử dụng hai van, có thể xảy ra
các kịch bản khác nhau, trong đó một phần của hệ thống đường ống vẫn chịu áp suất
vận hành, trong khi phần khác lại chịu ảnh hưởng của nhiệt độ thấp do hiệu ứng
Joule-Thomson.
Do dự kiến có sự giãn nở nhiệt đáng kể, tất cả các giá đỡ
đã được điều chỉnh thành loại giá đỡ tựa (resting supports) trong quá trình cải
tạo hệ thống đường ống. Các giá đỡ này không hạn chế chuyển động theo phương
ngang hoặc dọc của đường ống.
Trong điều kiện vận hành bình thường, áp suất 141 Barg tạo
ra ứng suất vòng (hoop stress) vượt quá 180 MPa. Ứng suất vòng cao như vậy là đặc
điểm điển hình của hệ thống đường ống áp suất cao có đường kính lớn, và bất kỳ ứng
suất nào khác — phát sinh từ uốn, xoắn hoặc lực dọc trục, chẳng hạn — đều có thể
cộng dồn vào ứng suất vòng cao này và đẩy tổng ứng suất tiến gần đến giới hạn
cho phép.
Trên hệ thống đường ống này trong điều kiện vận hành bình
thường, ứng suất lớn nhất xuất hiện xung quanh một trong các đầu nối chữ T
(tee), với giá trị khoảng 60% so với giới hạn ứng suất cho phép. Tuy nhiên, ứng
suất lớn nhất tổng thể, khi xem xét các tình huống vận hành mới, lại xuất hiện
trong một kịch bản khác, khi một phần của đường ống chịu áp suất còn phần khác
chịu điều kiện nhiệt độ thấp (trường hợp xả áp mới).
Trong trường hợp như vậy, sự giãn nở nhiệt của đoạn đường
ống có áp suất thấp và nhiệt độ lạnh gây ra tải trọng nhiệt, và do đó tạo ra
các ứng suất nhiệt dưới dạng ứng suất dọc trục và ứng suất uốn tại đoạn đường ống
đang chịu áp suất. Các ứng suất này, khi kết hợp với ứng suất vòng cao, dẫn đến
ứng suất tổng lớn nhất vượt quá 71% so với giới hạn ứng suất cho phép trong kịch
bản đó.
Source:https://www.chemicalprocessing.com/equipment-insights/article/55293742/uprating-and-rerating-incan-your-equipment-handle-operational-changes-what-to-know-about-uprating-and-reratingdustrial-equipment-a-systematic-approach-to-higher-loads-and-modified-operations?o_eid=6838C4248256H3A&oly_enc_id=6838C4248256H3A&rdx.ident[pull]=omeda|6838C4248256H3A&utm_campaign=CPS250528123&utm_medium=email&utm_source=CHPR+CP+Weekly
No comments:
Post a Comment