Bình chịu áp lực trong hệ thống lò hơi công nghiệp

Trong lĩnh vực nhiệt – năng lượng, bình chịu áp lực là một trong những thiết bị có mức độ rủi ro cao nhất, đặc biệt khi được ứng dụng trong hệ thống lò hơi, nơi tồn tại đồng thời áp suất lớn, nhiệt độ cao và môi chất tích trữ năng lượng. Việc nghiên cứu một cách hệ thống và khoa học về bình chịu áp lực trong lò hơi là điều kiện tiên quyết để đảm bảo an toàn, hiệu quả vận hành và tuổi thọ thiết bị.

Bình chịu áp lực trong hệ thống lò hơi là gì?

Bình chịu áp lực trong hệ thống lò hơi là các thiết bị kín được thiết kế để chứa, dẫn và xử lý nước hoặc hơi nước ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, đồng thời làm việc ở nhiệt độ cao, nhằm phục vụ quá trình sinh hơi và truyền năng lượng nhiệt.

Không giống các bình chịu áp lực thông thường trong công nghiệp hóa chất hay khí nén, bình chịu áp lực trong lò hơi sẽ phải làm việc liên tục, chịu chu kỳ nhiệt – áp suất phức tạp và có yêu cầu an toàn nghiêm ngặt hơn.

Các dạng bình chịu áp lực điển hình trong lò hơi

• Bao hơi (Steam Drum): nơi tách pha hơi – nước và ổn định áp suất
• Bao nước (Mud Drum): nơi phân phối nước và lắng cặn
• Bình góp hơi, bình góp nước
• Bình khử khí trong hệ thống cấp nước

Các thiết bị này đều được xếp vào nhóm pressure parts – bộ phận chịu áp lực chính của lò hơi.

Hệ thống lò hơi có bình chịu áp lực

Vì sao bình chịu áp lực có vai trò quyết định trong lò hơi?

Sau khi hiểu rõ khái niệm, cần lý giải nguyên nhân khiến bình chịu áp lực trở thành trung tâm an toàn của lò hơi.

Nguyên nhân cốt lõi nằm ở việc bình chịu áp lực là nơi tích trữ năng lượng lớn nhất trong toàn bộ hệ thống lò hơi.

Phân tích dưới góc độ năng lượng

Hơi nước ở áp suất cao mang theo nhiệt năng, thế năng áp suất và khả năng giãn nở đột ngột. Khi xảy ra sự cố phá hủy vỏ bình, năng lượng này được giải phóng gần như tức thời, gây nên hiện tượng nổ lò hơi, vốn được xếp vào nhóm tai nạn công nghiệp đặc biệt nghiêm trọng.

Vai trò cốt lõi của bình chịu áp lực

Bình chịu áp lực trong lò hơi có vai trò cực kỳ quan trọng như:

• Ổn định áp suất và lưu lượng hơi
• Đảm bảo chất lượng hơi cấp cho thiết bị sử dụng
• Là điểm kiểm soát chính của hệ thống an toàn

Thực tế vận hành cho thấy, phần lớn các tai nạn lò hơi nghiêm trọng đều bắt nguồn từ hư hỏng bình chịu áp lực hoặc các bộ phận liên quan trực tiếp đến chúng. Tuy nhiên, việc đảm bảo an toàn cho các bình chịu áp lực là hoàn toàn có thể can thiệp một cách dễ dàng nhờ thiết kế, lựa chọn vật liệu chế tạo, và bảo trì, sử dụng đúng quy trình vận hành của nó.

Chế tạo thân lò hơi (một loại bình chịu áp lực)

Ai chịu trách nhiệm đối với bình chịu áp lực trong lò hơi?

Khi mức độ rủi ro cao, trách nhiệm quản lý không thuộc về một cá nhân đơn lẻ, mà là trách nhiệm xuyên suốt toàn bộ vòng đời thiết bị.

Các chủ thể liên quan

• Đơn vị thiết kế: chịu trách nhiệm tính toán cơ học, nhiệt học
• Nhà chế tạo: đảm bảo chất lượng vật liệu, mối hàn
• Đơn vị kiểm định: đánh giá sự phù hợp với tiêu chuẩn
• Đơn vị vận hành lò hơi
• Chủ sở hữu thiết bị

Mọi hoạt động đều phải tuân thủ các bộ tiêu chuẩn như ASME Boiler and Pressure Vessel Code, tiêu chuẩn châu Âu hoặc TCVN tương ứng.

Thực trạng đáng chú ý

Trong thực tế, nhiều sự cố không xuất phát từ lỗi thiết kế ban đầu, mà do:

• Người vận hành thiếu đào tạo chuyên môn
• Bỏ qua kiểm định định kỳ
• Sửa chữa, cải tạo trái phép kết cấu chịu áp

Vì vậy, việc vận hành theo đúng quy trình và kiểm tra, bảo dưỡng, bảo trì thiết bị định kỳ là cực kỳ quan trọng.

Lò hơi có chứa bình chịu áp lực

Bình chịu áp lực nằm ở đâu trong hệ thống lò hơi?

Để kiểm soát an toàn, việc xác định vị trí và mối liên hệ giữa các bình chịu áp lực là rất quan trọng.

Vị trí điển hình trong lò hơi ống nước

• Bao hơi: đặt ở vị trí cao nhất
• Bao nước: đặt ở vị trí thấp nhất
• Hệ thống ống sinh hơi: nối giữa hai bao
• Bình phụ trợ: nằm ngoài thân lò chính

Mỗi vị trí tương ứng với:

• Chế độ ứng suất khác nhau
• Nhiệt độ làm việc khác nhau
• Cơ chế ăn mòn khác nhau

Do đó, việc thiết kế và chọn vật liệu cho từng bình phải được thực hiện riêng biệt, không thể áp dụng một cách đồng nhất.

Khi nào bình chịu áp lực trong lò hơi chịu rủi ro lớn nhất?

Tiếp theo, cần xem xét yếu tố thời gian trong quá trình làm việc của bình chịu áp lực.

Các giai đoạn nguy hiểm

• Khởi động lò: xuất hiện ứng suất nhiệt lớn
• Tăng tải nhanh: dao động áp suất
• Dừng lò đột ngột
• Vận hành lâu dài gây mỏi và lão hóa vật liệu

Đặc biệt, quá trình khởi động và dừng lò không đúng quy trình là nguyên nhân phổ biến dẫn đến:

• Nứt mối hàn
• Biến dạng thân bình
• Giảm khả năng chịu áp

Bình chịu áp lực trong lò hơi được thiết kế, chế tạo và vận hành như thế nào?

Đây là phần tổng hợp mang tính kỹ thuật cao nhất, phản ánh cách thức đảm bảo an toàn cho bình chịu áp lực.

Thiết kế

• Tính toán chiều dày vỏ theo áp suất thiết kế
• Lựa chọn vật liệu chịu nhiệt, chịu ăn mòn
• Thiết kế đầu elip hoặc đầu cầu để giảm tập trung ứng suất

Chế tạo và kiểm tra

• Gia công và hàn theo quy trình được phê duyệt
• Kiểm tra không phá hủy (UT, RT, MT)
• Thử áp thủy lực trước khi đưa vào sử dụng

Vận hành và bảo trì

• Theo dõi liên tục áp suất và nhiệt độ
• Không vận hành vượt thông số thiết kế
• Kiểm định định kỳ theo quy định
• Thay thế khi vật liệu suy giảm cơ tính

Bài viết trên cho chúng ta thấy, bình chịu áp lực trong hệ thống lò hơi không chỉ là một thiết bị kỹ thuật đơn thuần, mà là yếu tố quyết định an toàn và hiệu quả của toàn bộ hệ thống nhiệt.

Việc hiểu đúng – thiết kế đúng – chế tạo đúng – vận hành đúng bình chịu áp lực chính là nền tảng để:

• Ngăn ngừa tai nạn lò hơi
• Nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng
• Đảm bảo phát triển bền vững trong công nghiệp.