BẢN TIN KỸ THUẬT #177

Tại sao lại sử dụng ống kim loại?

Đôi khi ống kim loại là lựa chọn tốt nhất hoặc duy nhất phù hợp cho một ứng dụng. Để xác định xem đây có phải là trường hợp hay không, hãy tự hỏi mình ba câu hỏi.

• Bạn đang di chuyển cái gì?
• Điều kiện hoạt động là gì?
• Ống có thể chịu được những chuyển động nào?

Phương tiện ăn mòn

Bảng vật liệu nguy hiểm của “Bộ luật liên bang” Hoa Kỳ phân loại 296 vật liệu vào loại ăn mòn loại 8.[1] Đó là danh sách dài các phương tiện truyền thông có tính ăn mòn đang được vận chuyển trên khắp cả nước!

Cho dù nói về các ứng dụng trong lĩnh vực vận tải hay không, nếu một ứng dụng đang vận chuyển phương tiện ăn mòn, người dùng thường sẽ chọn ống kim loại vì biết rằng nó có khả năng chống ăn mòn. Thuộc tính mong muốn này xuất phát từ việc bổ sung crom và các nguyên tố hợp kim khác và mặc dù điều đó không có nghĩa là ống kim loại chống ăn mòn, nhưng điều đó có nghĩa là ống kim loại thường sẽ bền hơn trong các ứng dụng ăn mòn so với ống làm từ vật liệu xây dựng khác.

Khái niệm “kéo dài hơn” này đề cập đến sự hao mòn vật liệu. Ăn mòn, trên thực tế, là sự xuống cấp của vật liệu. Vật liệu chống ăn mòn càng tốt thì tốc độ hao mòn của vật liệu càng chậm. Điều này có nghĩa là tuổi thọ sử dụng càng dài.

Biểu đồ khả năng chống hóa chất cung cấp cho chúng ta cách so sánh khả năng tương thích của vật liệu ống với nhiều phương tiện truyền tải khác nhau. Biên soạn thông tin từ các nhà sản xuất ống kim loại và phi kim loại cho thấy thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt hơn trên nhiều loại hóa chất hơn so với hầu hết các lựa chọn cao su và nhựa.[2] Biểu đồ bên dưới được trích từ chính Penflex biểu đồ chống ăn mòn cũng như các sản phẩm từ các nhà sản xuất ống phi kim loại hàng đầu, minh họa cho quan điểm này. 

Trong các ứng dụng có phương tiện cực kỳ hung hăng, các hợp kim khác như Inconel 625 và Hastelloy C-276 có khả năng chống ăn mòn vượt trội so với thép không gỉ.

Điều quan trọng cần lưu ý là nồng độ của môi trường cũng như nhiệt độ vận hành có thể làm tăng độ mài mòn vật liệu. Nồng độ hóa chất cao hơn và nhiệt độ cao hơn thường dẫn đến tốc độ ăn mòn tăng lên, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Biểu đồ ăn mòn đẳng hướng minh họa mối quan hệ này, cung cấp cái nhìn sâu hơn về khả năng tương thích hóa học. 

Ví dụ, hãy xem xét khả năng tương thích của Inconel 625 với axit sunfuric. Khi nhiệt độ hoạt động tăng lên 100°F, dung dịch có nồng độ 50% sẽ có tốc độ ăn mòn dưới 5 mils mỗi năm (mpy) trong khi dung dịch có nồng độ 90% sẽ có tốc độ ăn mòn từ 5-20 mpy.[3]

Phương tiện hạt nhỏ

Một trong những ưu điểm của ống kim loại là không thấm nước. Trong khi ống Penflex có thể truyền tải các hạt nhỏ như heli, ống cao su không lý tưởng cho ứng dụng như vậy. Và trong khi một số ống nhựa có thể hoạt động, chúng chỉ hoạt động trong các điều kiện vận hành cụ thể.

Ống cao su, với các lớp ống bên trong, lớp gia cố và lớp phủ, dễ bị các phân tử khí thẩm thấu. Các phân tử tạo thành các bong bóng nhỏ trong vật liệu và lớn dần theo thời gian do sử dụng nhiều lần hoặc nhiệt độ làm việc tăng cao. Điều này cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu suất. 

Ống nhựa không dễ bị hư hại do các hạt vật liệu nhỏ nhưng độ xốp của chúng gây ra rủi ro an toàn cho những người làm việc gần đó khi khí độc hại. Ví dụ, trong khi Tờ rơi số 6 của Viện Clo cho phép sử dụng ống PTFE để truyền clo, nhưng nêu rõ rằng chỉ sử dụng trong môi trường ngoài trời.

Yêu cầu áp suất

Một khái niệm cơ bản trong vật lý và hóa học, áp suất thúc đẩy chuyển động và gây ra phản ứng hóa học. Hãy xem xét vai trò của nó trong việc tạo lực nâng trong hệ thống thủy lực, cách nó thúc đẩy các phân tử va chạm trong lò phản ứng hóa học và cách nó di chuyển phương tiện qua hệ thống đường ống.

Vai trò quan trọng của áp suất trong các ngành công nghiệp và các rủi ro tiềm ẩn liên quan đến các ứng dụng áp suất cao có thể được nhìn thấy trong số lượng các tổ chức tập trung vào an toàn bình chịu áp suất. Ở Hoa Kỳ, có ASME và Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API) trong khi ở Canada, các cơ quan chức năng cấp tỉnh như ABSA (Hiệp hội An toàn Nồi hơi Alberta) và TSSA (Cơ quan Tiêu chuẩn và An toàn Kỹ thuật) ở Ontario công bố các tiêu chuẩn, chứng nhận thiết kế và cung cấp đào tạo.

Trong khi ống kim loại đồng nghĩa với các ứng dụng áp suất cao, những tiến bộ trong công nghệ nhựa đã dẫn đến sự ra đời của các vật liệu có thể chịu được áp suất làm việc cao - trong một số trường hợp, áp suất làm việc cao hơn so với ống kim loại. Trong những trường hợp này, điều quan trọng là phải nhớ mối quan hệ giữa nhiệt và áp suất làm việc. Ở nhiệt độ cao, kim loại yếu đi trong khi nhựa bị phân hủy. Người dùng cuối phải cân nhắc đến tác động tiềm ẩn của việc giảm độ bền vật liệu, không chỉ là định mức áp suất, khi đánh giá vật liệu cho các ứng dụng áp suất cao.  

Cao su không phù hợp với các ứng dụng áp suất cao và trên thực tế, áp suất quá mức là một trong những nguyên nhân chính gây ra hỏng ống thủy lực. Điều này thường bắt nguồn từ việc lắp ráp không đúng cách, trong đó ống không được lắp vào khớp nối đúng cách. Khớp nối cuối dễ bị văng ra trong tình huống áp suất cao, có khả năng gây hại. Bên cạnh vấn đề an toàn, những tình huống này cũng có thể dẫn đến ô nhiễm hệ thống và, tùy thuộc vào lưu lượng phương tiện, rò rỉ nguy hiểm.

Nhiệt độ cao và thấp

Khi một ứng dụng truyền tải phương tiện nóng hoặc cực lạnh, hoặc khi môi trường xung quanh gặp một trong những nhiệt độ cực đoan này - hãy tưởng tượng một nhà máy thép hoặc một trạm nghiên cứu Nam Cực - kim loại có thể sẽ là vật liệu lý tưởng. Có lẽ đó sẽ là lựa chọn duy nhất.

Hãy xem xét một nhà máy thép nơi nhiệt độ nóng chảy trong lò hồ quang điện có thể lên tới 3000°F. Kết hợp với nhiệt dư của kim loại nóng chảy, đây chắc chắn là môi trường hoạt động khắc nghiệt đối với các thiết bị xung quanh.

Vì kim loại giữ được độ bền và độ dẻo tốt hơn các vật liệu khác ở nhiệt độ cao nên nó thường là vật liệu được lựa chọn trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Nhiệt thực sự làm tăng tốc quá trình lão hóa của ống cao su và nhựa. Các polyme cứng lại và cứng hơn, dẫn đến nứt và xuống cấp theo thời gian.  

Cũng hãy xem xét nhiệt độ mà khí trở thành chất lỏng, trạng thái phù hợp hơn cho việc lưu trữ và vận chuyển. Khí thiên nhiên ngưng tụ ở -259°F. Heli ở -452°F. Hầu hết các vật liệu trở nên giòn và nứt ở những nhiệt độ này, nhưng thép không gỉ vẫn duy trì độ dẻo cao. Một số tính chất cơ học của thép không gỉ, như độ bền kéo và độ bền chảy, thực sự tăng lên khi nhiệt độ giảm. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi công nghệ đông lạnh đã trở thành thị trường ngày càng quan trọng đối với ống kim loại.

Trong khi các vật liệu xây dựng khác có thể chống ăn mòn, chịu được áp suất làm việc cao và cũng có khả năng thích ứng với chuyển động thì khi nói đến nhiệt độ, ống kim loại vẫn có lợi thế rõ rệt so với các lựa chọn ống khác.

Sự suy thoái của tia UV

Trong khi chúng ta có xu hướng nghĩ rằng sự xuống cấp của tia UV ảnh hưởng đến các thành phần ở ngoài trời, thì việc sử dụng ngày càng nhiều đèn UV trong nhà hiện nay khiến cho việc cân nhắc này có thể áp dụng cho nhiều tình huống hơn. Cao su dễ bị xuống cấp do tiếp xúc với tia cực tím. Hậu quả là làm giòn ống, dẫn đến bong tróc và nứt. Nhựa cũng dễ bị tia UV tấn công. Chúng ta thường nhận thấy nhựa bị phai màu theo thời gian, nhưng việc tiếp xúc cũng gây ra hiện tượng giòn. Ống kim loại không dễ bị hư hỏng theo cách này.

Ứng dụng chân không

Kim loại là vật liệu được ưa chuộng trong các ứng dụng chân không vì hai lý do: độ bền vật liệu và tính không thấm nước. Ống kim loại có độ bền “vòng” để chịu được áp suất cao hơn bên ngoài ống so với bên trong ống, trong khi các vật liệu khác có thể bị sụp đổ dưới áp suất bên ngoài.

Với những lo ngại về việc thoát khí đã thảo luận trước đó - khiến việc tạo ra và duy trì mức áp suất và độ sạch mong muốn trở nên khó khăn - sự thẩm thấu là một yếu tố ngăn cản chính trong vật liệu xây dựng cho các ứng dụng chân không. Cao su và nhựa đều bị mất môi trường cũng như bị thấm từ bên ngoài vào do tính thẩm thấu vốn có của chúng.

Chuyển động của hệ thống đường ống

Với khả năng hấp thụ nhiệt và áp suất giãn nở cũng như rung động, các thành phần linh hoạt là không thể thiếu đối với hệ thống đường ống. Nếu không có chúng, đường ống cứng và thiết bị kết nối sẽ dễ bị nứt và hư hỏng. 

Ống mềm gợn sóng, dù là kim loại hay nhựa, đều có lợi thế hơn ống mềm không gợn sóng nhờ thiết kế phức tạp hơn. Không có gợn sóng, các yếu tố chính của hình học thiết kế là đường kính và độ dày của ống. Chỉ riêng hai yếu tố đầu vào này đã xác định mức độ dễ dàng uốn cong của ống mềm để thích ứng với chuyển động. Thêm gợn sóng—và các thông số thiết kế liên quan về chiều rộng và chiều cao gợn sóng, cùng với số gợn sóng trên một foot (bước)—và phạm vi “tính linh hoạt” tăng lên đáng kể.

Khi xem xét ống không có rãnh, hãy lưu ý rằng ống thực sự bị bóp và kéo dài khi di chuyển. Điều này dẫn đến mỏi. Vật liệu bổ sung trong ống có rãnh phân bổ ứng suất trên diện tích bề mặt lớn hơn. Điều này bảo vệ ống khỏi mỏi ở mức độ đáng kể hơn.  

Đôi khi ống kim loại được ưa chuộng hơn

Sau khi người dùng trả lời những câu hỏi nêu trên và thấy rằng họ có nhiều hơn một lựa chọn, những cân nhắc sau đây có thể giúp đưa ra quyết định cuối cùng của họ.

• Chế độ hỏng hóc an toàn hơn. Nếu ống kim loại bị hỏng, ống thường bị rò rỉ. Các vết nứt và nhỏ giọt sẽ chỉ ra rằng ống đã hỏng. Thông thường, các dấu hiệu này cảnh báo người dùng kịp thời thay thế linh kiện trước khi chất lỏng đáng kể thoát ra khỏi hệ thống. Ống cao su và nhựa cũng có thể bị rò rỉ, nhưng chúng dễ bị hỏng "thảm khốc" hơn khi vận chuyển chất lỏng có thể nén.
• Chống cháy.  Ống kim loại thường là toàn bộ bằng kim loại, trừ khi phụ kiện có lớp đệm không phải kim loại, khiến chúng có khả năng chống cháy tự nhiên. Các vật liệu xây dựng khác sẽ tan chảy khi tiếp xúc với ngọn lửa. Đây là một đặc tính hấp dẫn trong các nhà máy thép, nơi ống dễ bị tia lửa, xỉ và nhỏ giọt, cũng như trong ngành vận tải biển, nơi các vụ cháy liên quan đến hàng hóa đã gia tăng trong những năm gần đây.
• Điện trở: Vì kim loại có tính dẫn điện nên ống thép không gỉ không tích tụ điện tích tĩnh có thể gây cháy hơi dễ cháy.
• Vật liệu bền chắc hơn. Một trong những lợi ích nổi bật của ống kim loại là độ bền đặc biệt của nó. Được chế tạo để chịu được những điều kiện khắc nghiệt nhất, ống kim loại chống chịu được thời tiết, ăn mòn và sử dụng nhiều lần nếu được xử lý đúng cách và sử dụng theo giới hạn thiết kế.
• Không có thời hạn sử dụng. Ống cao su, như Buna-N và EPDM, có thể bị lão hóa và có thời hạn sử dụng được xác định. SAE AS1933 là thông số kỹ thuật thường được trích dẫn, quy định ống có thời hạn sử dụng là 12 năm kể từ khi lưu hóa đến khi kết thúc sử dụng trước khi phải loại bỏ, với điều kiện bảo quản đúng cách. Tiếp xúc với nồng độ oxy cao, ôzôn, tia UV, tác nhân gây trương nở như nhiên liệu và dung môi, hơi ăn mòn, ứng suất cơ học và nhiệt độ cao đều có thể làm trầm trọng thêm quá trình lão hóa và rút ngắn thời hạn sử dụng. Đối với người quản lý kho và nhân viên mua sắm, điều này làm tăng thêm trách nhiệm theo dõi ống khi nhận và trong quá trình lưu trữ để đảm bảo không vượt quá thời hạn sử dụng. Mặt khác, ống kim loại và một số loại nhựa, như PTFE, được coi là không bị lão hóa. Ít đau đầu hơn liên quan đến việc mua sắm và lưu trữ chúng.

Với tất cả những cân nhắc cạnh tranh, không có gì ngạc nhiên khi người dùng cuối có thể gặp khó khăn trong việc xác định vật liệu xây dựng tối ưu cho ứng dụng của họ. Hy vọng bản tin này cung cấp một khuôn khổ để hiểu khi nào ống kim loại sẽ là lựa chọn tốt nhất. Khi phù hợp, việc lựa chọn ống kim loại có nghĩa là đầu tư vào một sản phẩm được chế tạo để sử dụng lâu dài, giúp người dùng tiết kiệm thời gian và tiền bạc về lâu dài.