Caesar II trong thiết kế cơ khí đường ống

Trong các công trình nhà máy công nghiệp, dầu khí và năng lượng, hệ đường ống (piping) có chức năng chuyển tải lưu chất giữa các thiết bị, hệ thống với nhau và từ điểm này tới điểm khác.  Hệ đường ống là thành phần rất quan trọng để đảm bảo dòng chảy lưu chất được thông suốt trong quá trình nhà máy hoạt động.

Đường ống bao gồm các thành phần chính:-

• Ống dẫn (pipe)
• Các phụ kiện chuyển hướng, phân chia, liên kết (fitting): elbows, reducers, branch, …
• Mặt bích đấu nối: Flanges, gaskets, bolting
• Van (valve)
• Các thiết bị đo lường lắp trên đường ống (Instrument)
• Các gối đỡ, treo, ngàm kẹp (Pipe Support)

Trong công việc thiết kế đường ống, thông thường có các nghiệp vụ chính như sau:

• Piping Material Engineering (PME): Xác định đặc tính kỹ thuật về vật liệu, vật tư cho ống và phụ kiện cho đường ống (Piping Material Specification)
• Piping Design (PD): Thiết kế, bố trí các tuyến ống trong không gian công trình theo chức năng vận hành (theo thiết kế P&ID) và đáp ứng các yêu cầu về an toàn/thuận tiện trong vận hành/bảo trì, khả thi trong thi công lắp đặt, tính kinh tế, v.v.
• Pipe Stress Analysis (Phân tích ứng suất đường ống): Tính toán, phân tích cơ khí để kiểm tra độ bền, dao động cho hệ đường ống và thiết kế, phân bố vị trí các gối đỡ (pipe support)
• Piping MTO: Xây dựng, lập bảng thống kê vật tư (MTO, BOM) cho hệ đường ống để phục vụ công tác mua sắm vật tư

Trong bài viết này, chúng ta cùng tìm hiểu về công việc “Pipe Stress Analysis” và ứng dụng phần mềm Caesar II trong thiết kế đường ống.

Phân tích ứng suất đường ống là phần việc quan trọng trong thiết kế đường ống, việc này để xác định và đảm bảo khả năng làm việc, tính bền cơ khí của hệ thống đường ống. Đặc biệt với các đường ống chính, đường ống quan trọng, các đường ống có lưu chất có áp suất, nhiệt độ cao, hơi nước, .v.v. việc tính toán ứng suất là yêu cầu bắt buộc.

Phân tích ứng suất đường ống gồm các việc chính sau:

• Tính toán ứng suất tại các mặt cắt trên đường ống và so sánh với giá trị cho phép theo tiêu chuẩn;
• Xác định lực tác dụng của đường ống vào thiết bị (đầu Nozzle) để kiểm tra với giới hạn chịu lực tác động cho phép của thiết bị (do nhà sản xuất thiết bị qui định);
• Xác định lực tác dụng của đường ống vào các giá đỡ (pipie support) để lựa chọn và bố trí hê giá đỡ trên đường ống;
• Xác định chuyển vị của các vị trí trên đường ống khi hoạt động ở các chế độ khác nhau;
• Tính toán tác động của trong lượng, áp suất, nhiệt độ, tải trọng gió, sóng và động đất đến chuyển vị và ứng suất trên đường ống.

Phân tích, tính toán ứng suất hệ thống đường ống sẽ tuân theo Codes, các tiêu chuẩn thiết kế liên quan bao gồm:

• ASME - American Society of Mechanical Engineers;
• ANSI - American National Standardization Institute.

Các tiêu chuẩn này đưa ra các khuyến nghị kỹ thuật cho việc thiết kế hệ thống ống của các công trình dầu khí, nhà máy năng điện và hóa chất. Chúng bao gồm:

• Các công thức để tính toán độ dày của đường ống;
• Các công thức để tính toán độ dày cần bổ sung cho phần đường ống có kết nối với ống nhánh;
• Các quy tắc cho việc phân tích ứng suất;
• Các bảng tra ứng suất lớn nhất cho phép đối với vật liệu kim loại được xác nhận theo chuẩn ANSI.

Piping Codes:

ASME B31.1 ASME B31.2 ASME B31.3 ASME B31.4 ASME B31.5 ASME B31.8 ASME B31.9 ASME B31.11

- - - - - - - -

Power Piping Fuel Gas .Piping Process Piping Liquid Piping Refrigeration Piping Gas Distribution and Transportation Building Service Piping Slurry Piping

Với các ứng dụng công nghệ thông tin  hiện nay, việc tính toán ứng suất đường ống được trợ giúp từ các công cụ phần mềm máy tính (Computer Aided Engineering – CAE). Phần mềm Caesar II (hãng Hexagon/Intergraph) là công cụ CAE được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất trong tính toán phân tích ứng suất đường ống. Với việc tích hợp mô hình tính toán, áp dụng các Codes & Standard trong tính toán, cùng với bộ dữ liệu thư viện vật liệu và giá đỡ giúp cho công việc tính toán ứng suất trở nên dễ dàng và tiết kiệm thời gian hơn.

Tương tự như các công cụ CAE cho phân tích/tính toán, tính ứng suất bằng Caesar II có 3 bước chính sau:

• Pre-Processing (Input): Xây dựng mô hình tính;
• Processing (Run Anlysis): Chạy bài toán phân tích;
• Post-Processing (Output): Kiểm tra và xuất kết quả.

1. Xây dựng mô hình tính trên Caesar II (Pre-Processing / Input): 

Trình tự thực hiện xây dựng mô hình tính:

• Dựng mô hình hình học;
• Xác định điều kiện biên;
• Xác định tải trọng.

Caesar II có tích hợp công cụ thiết kế CAD với giao diện tương tác đồ họa để giúp nhanh chóng xây dựng mô hình tính, thuận tiện cho việc nhập thông số tính toán, giảm rủi ro và thời gian lặp lại giữa chỉnh sửa mô hình và bảng tính mỗi khi thay hoặc sửa đổi số liệu thiết kế.

Với các điều kiện biên, phần mềm tích hợp thư viện vật liệu và ứng suất cho phép (allowable stress) của vật liệu, thư viện các loại gối đỡ, support,.... giúp quá trình khai báo khởi tạo  việc tính toán dễ dàng và chính xác.

• 

• 

Sau khi đã xây dựng mô hình và nhập điều kiện biên, người dùng có thể kiểm tra lại mô hình bằng tính năng Error Check, từ đó có thể phát hiện sai sót để xử lý, chỉnh sửa.

Sau khi kiểm tra và sửa lỗi, việc khai báo các điều kiện tải trọng sẽ là bước cuối cùng trước khi chuyển qua chạy phân tích:

Hoàn thành xong các bước trên, mô hình tính đã sẵn sàng cho việc chạy bài toán phân tích (Processing – Run Anslysis).

2. Chạy phân tích (Processing – Run Analysis):

Caesar II cho phép chạy phân tích, tính toán cho bài toán tĩnh và động. Việc chạy phân tích chỉ đơn giản kích hoạt nút chạy phân tích tương ứng là Static Analysis hay Dynamic Analysis.

3. Kiểm tra và xuất kết quả (Post-Prosessing / Ouput)  

Sau khi Run Anslysis, kết quả phân tích tính toán có thể được thể hiện dưới dạng trực quan bằng mô hình đồ họa và các báo cáo kết quả dạng bảng.

Caesar II cung cấp sẵn các mẫu format báo cáo thường được dùng trong phân trong tính toán ứng suất đường ống,  người dùng cũng có thể dễ dàng tùy biến các báo cáo theo các cách riêng.

Các bản báo cáo tính toán dễ dàng được được xuất/in ra các định dạng Microsoft (MS work, xls) hoặc pdf.  Caesar II cũng cho phép xuất báo cáo tính toán ứng suất dưới dạng bản vẽ Stress Isometric

Dưới đây là một số hình ảnh minh họa phần output của Caesar II:

Ứng suất, chuyển vị đường ống sẽ được hiển thị dưới dạng mô hình 3D và bảng tổng hợp số liệu, xem giá trị lớn nhất  trên bảng kết quả, với các giá trị lỗi được hiển thị cảnh báo bằng màu đỏ.

Phần kết quả tính toán ứng suất đường ống được xuất ra dưới dạng bảng báo cáo như Hình 6, các giá trị vượt quá giới hạn ứng suất cho phép sẽ được cảnh báo bằng màu đỏ.

Trong việc phân tích đường ống, phần mềm Caesar II là công cụ hoàn hảo mang lại sự thuận tiện, tính chính xác, độ tin cậy cao đáp ứng đủ các yêu cầu thiết kế của các tiêu chuẩn phổ biến hiện nay. Đặc biệt với sự tương tác tốt về mặt trao đổi dữ liệu giữa Caesar II và các phần mềm thiết kế liên quan đang sử dụng phổ biến hiện nay như Tính toán thiết bị áp lực PV Elite, phần mềm thiết kế 3D công trình 3D CADWorx và phần mềm phân tích phần tử hữu hạn FEA Tools đã tạo nên bộ giải pháp CADWorx & Analysis Solution, giúp công việc thiết kế cơ khí đường ống cho nhà máy, cụm phân xưởng, Skid công nghệ trở nên đơn giản và nâng cao chất lượng, tính chuyên nghiệp trong hoạt động thiết kế.

Kết quả tính toán ứng suất đường ống bằng Caesar II có độ tin cậy cao và được chấp nhận từ các đơn vị thiết kế, chủ đầu tư, tư vấn và đăng kiểm. Có thể nói rằng Casesar II là công cụ tiêu chuẩn trong tính toán ứng suất đường ống (De-facto Standard)

Cũng như các dự án thiết kế khác trên thế giới, tại Việt Nam phần mềm Caesar II đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các dự án thiết kế công trình dầu khí, nhà máy hóa chất, nhà máy lọc hóa dầu, nhà máy điện, ....

Là đại lý chính thức của hãng sản xuất, Công ty TNHH True Technology là đơn vị cung cấp phần mềm, dịch vụ đào tạo, tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật phần mềm Caesar II tại Việt nam. 

Quay lại