Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8366:2010 về Bình chịu áp lực - Yêu cầu về thiết kế và chế tạo quy định các nguyên tắc kỹ thuật, tiêu chuẩn thiết kế, chế tạo, kiểm tra và quản lý rủi ro đối với các loại bình chịu áp lực nhằm đảm bảo an toàn tối đa trong quá trình vận hành.

Tiêu chuẩn này áp dụng đối với các thiết bị chịu áp suất trong và áp suất ngoài luân phiên, các bộ gia nhiệt được đốt nóng (bao gồm thiết bị gia nhiệt công nghệ, thiết bị gia nhiệt nước dưới 100 độ C, thiết bị gia nhiệt dầu, thiết bị bốc hơi và các bình chứa tương tự). Tiêu chuẩn không áp dụng cho nồi hơi đun nước hoặc hơi trên 100 độ C, thiết bị thanh trùng, thiết bị đun nước nóng trong nhà và các bể chứa có cửa thông hơi lớn hướng trực tiếp ra khí quyển.

• Điều 1 và Điều 2: Quy định việc lựa chọn cấu trúc phù hợp và yêu cầu tất cả vật liệu phải tương thích với điều kiện làm việc định trước. Người chế tạo phải tính đến các yếu tố lão hóa, hóa giòn và tính năng an toàn của vật liệu dưới tác động của hỏa hoạn.
• Điều 3 và Điều 4: Thiết lập các yêu cầu thiết kế cơ bản đối với các bộ phận chịu lực, bao gồm phần lồi, phần cuối phẳng hàn vào ống, gia cường lỗ khoét và xử lý bề mặt lỗ nhẵn mịn.
• Điều 5 đến Điều 7: Quy định về chứng nhận quy trình hàn, quy trình hàn vảy cứng, chứng nhận trình độ thợ hàn, thử nghiệm sản xuất, kiểm tra không phá hủy (NDT), thử áp lực và các yêu cầu về báo cáo, nhãn mác thiết bị.
• Điều 8 và Điều 9: Cho phép áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế tương đương được thừa nhận (như ANSI/ASME BPV-X, BS 4994, AS 2971, AS 2634) trong giới hạn cho phép và theo thỏa thuận giữa các bên liên quan.

Phụ lục này đưa ra các tiêu chí và công thức tính toán độ bền kéo thiết kế (ứng suất cho phép lớn nhất) cho từng nhóm vật liệu cụ thể:

• Các ký hiệu đặc tính vật liệu: Rm (độ bền kéo nhỏ nhất ở nhiệt độ phòng), RT (độ bền kéo nhỏ nhất ở nhiệt độ thiết kế T), Re (độ bền chảy nhỏ nhất ở nhiệt độ phòng), Re(T) (giới hạn chảy nhỏ nhất ở nhiệt độ T), SR (ứng suất trung bình gây đứt trong 100.000 giờ), S'C (ứng suất trung bình gây dãn dài dão 1% trong 100.000 giờ).
• Thép tấm cacbon, cacbon-mangan và thép hợp kim:
  • Nhiệt độ thiết kế từ 50 độ C trở xuống: Độ bền thiết kế được xác định dựa trên giá trị nhỏ hơn giữa các giới hạn bền và giới hạn chảy tiêu chuẩn.
  • Nhiệt độ từ 50 độ C đến 150 độ C: Tính toán bằng phương pháp nội suy tuyến tính.
  • Nhiệt độ trên 150 độ C: Xác định dựa trên các thông số thực tế ở nhiệt độ cao hoặc xu hướng của vật liệu tương đương khi thiếu dữ liệu trực tiếp.
• Thép hợp kim cao (Nhóm H đến M): Đối với vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM, độ bền thiết kế tuân theo quy định của ANSI/ASME BPV VIII-1. Đối với vật liệu ngoài ASTM, độ bền được tính toán riêng biệt theo từng dải nhiệt độ cụ thể.
• Vật liệu lắp xiết bằng thép: Áp dụng cơ sở thiết kế tương tự thép tấm, bổ sung giới hạn ứng suất không vượt quá 0,20Rm và 0,25Re đối với vật liệu xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn phạm vi dão.
• Vật đúc gang và kim loại màu: Độ bền thiết kế của gang dựa trên Rm ở nhiệt độ phòng kết hợp với hệ số an toàn đúc. Đối với kim loại màu, độ bền dựa trên giá trị thấp nhất của giới hạn chảy, giới hạn bền và ứng suất dão ở nhiệt độ thiết kế.
• Vật liệu có độ dẻo thấp: Khi độ dẻo của vật liệu dưới 12% (trên chiều dài mẫu thử 50 mm), độ bền thiết kế phải được giảm thiểu nghiêm ngặt theo biểu đồ quy định.

Phép phân tích phần tử hữu hạn là công cụ hỗ trợ tính toán ứng suất cục bộ và kiểm chứng thiết kế, yêu cầu tuân thủ các nguyên tắc sau:

• Phương pháp tính toán: Phải phân tích kết cấu dựa trên giả thiết đàn hồi tuyến tính và biểu diễn kết quả dưới dạng ứng suất Tresca (độ chênh lệch giữa ứng suất chủ yếu lớn nhất và nhỏ nhất).
• Yêu cầu chia lưới: Kích cỡ phần tử phải biến đổi từ từ qua cấu trúc (tỉ lệ kích cỡ giữa các phần tử liền kề không quá 2:1). Tỉ lệ hình dạng phần tử (chiều dài/chiều rộng) phải nằm trong khoảng từ 0,33 đến 3. Ưu tiên sử dụng phần tử 4 mặt và phần tử bậc cao tại các vùng gián đoạn cấu trúc.
• Đánh giá và phân loại ứng suất: Phân tách ứng suất tính toán được thành ứng suất nén (σm) và ứng suất uốn (σb) theo chiều dày vách, đồng thời phân loại theo bản chất tự giới hạn (thứ cấp) hoặc không tự giới hạn (sơ cấp).
• Báo cáo kết quả FEA: Phải trình bày đầy đủ sơ đồ hình dạng bị uốn võng, kiểu lưới, tải trọng, điều kiện biên, chứng minh sự hội tụ của lời giải, mô tả mô hình và thông tin phần mềm sử dụng.

Người thiết kế và nhà sản xuất phải phối hợp thực hiện nhận biết mối nguy hiểm, đánh giá rủi ro và thiết lập các biện pháp kiểm soát:

• Vai trò của người thiết kế: Chịu trách nhiệm thiết kế cơ khí, đánh giá các mối nguy hiểm trong suốt vòng đời của bình và lập hệ thống quản lý rủi ro bằng văn bản.
• Nhận biết mối nguy hiểm: Tập trung vào năng lượng áp suất (gây rò rỉ, đứt gãy); rò rỉ môi chất độc hại hoặc dễ cháy; phóng thích nhanh chất lỏng áp suất cao; nổ bẹp do chân không; nổ buồng đốt đối với bình được đốt nóng; và các nguy hiểm liên đới khác.
• Đánh giá và kiểm soát rủi ro: Đánh giá xác suất xảy ra sự cố và mức độ nghiêm trọng đối với con người, tài sản, môi trường. Biện pháp kiểm soát cốt lõi là tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn thiết kế, chế tạo, lắp đặt (AS 3892), vận hành (AS 3873) và kiểm tra định kỳ (AS/NZS 3788).
• Vai trò của nhà sản xuất: Ghi lại toàn bộ quá trình kiểm soát rủi ro trong chế tạo, kịp thời báo cáo và phối hợp với người thiết kế để hiệu chỉnh các sai sót thiết kế phát hiện được.

Để bảo vệ bình chịu áp lực trước sự ăn mòn của môi trường và môi chất, tiêu chuẩn đưa ra các hướng dẫn:

• Phân nhóm mức độ ăn mòn: Chia làm 4 nhóm từ xác định rõ mức độ ăn mòn, mức độ ăn mòn cao nhưng biến động, mức độ ăn mòn thấp không xác định, đến nhóm không bị ảnh hưởng bởi ăn mòn.
• Dự phòng chiều dày ăn mòn: Đối với các bình có ăn mòn, ngoài chiều dày tính toán cơ học, phải cộng thêm một lượng chiều dày dự phòng bằng lượng hao hụt dự kiến trong suốt tuổi thọ thiết kế. Trường hợp không thể dự đoán chính xác, lượng dư ăn mòn tối thiểu phải là 1 mm (trừ khi có lớp lót bảo vệ chuyên dụng).
• Xác định tốc độ ăn mòn thực tế: Thực hiện đo chiều dày thành bình sau 1000 giờ vận hành đầu tiên hoặc theo các khoảng thời gian định kỳ để đánh giá tốc độ hao mòn thực tế dưới điều kiện làm việc.

Quy định rõ ràng trách nhiệm cung cấp thông tin giữa các bên để đảm bảo chất lượng sản phẩm:

• Thông tin từ người mua (Phụ lục E): Phải cung cấp kích thước bao, vị trí ống nối, kiểu đỡ, áp suất/nhiệt độ thiết kế và làm việc, số chu kỳ hoạt động dự kiến, đặc tính môi chất, lượng dư ăn mòn và các yêu cầu thử nghiệm đặc biệt (thử khí nén, thử rò rỉ, thử ăn mòn).
• Thông tin từ người thiết kế (Phụ lục F): Cung cấp bản vẽ lắp ráp tổng quát, thông số vật liệu, phương pháp chế tạo, bản tính toán thiết kế và bản đánh giá rủi ro cho nhà sản xuất và cơ quan thẩm định thiết kế.
• Thông tin từ nhà sản xuất (Phụ lục F): Cung cấp cho người mua và cơ quan kiểm tra chế tạo các chứng chỉ vật liệu, quy trình hàn đã phê duyệt, chứng nhận thợ hàn, biên bản xử lý nhiệt, báo cáo kiểm tra không phá hủy (NDT) và lý lịch thiết bị.

Hiện tượng gãy giòn là sự phá hủy tự phát của thép ferit ở nhiệt độ thấp (thường dưới 20 độ C) dưới mức ứng suất tổng nhỏ hơn giới hạn chảy. Tiêu chuẩn yêu cầu:

• Kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng: Phải xem xét kỹ lưỡng độ dai va đập của thép, chiều dày kim loại, kích cỡ vết khía/nứt, mức độ hóa giòn cục bộ do hàn và mức ứng suất tổng dư thừa.
• Biện pháp kỹ thuật: Xác định chính xác "nhiệt độ làm việc nhỏ nhất" (MOT) và "nhiệt độ thiết kế nhỏ nhất của vật liệu" (MDMT). Sử dụng chiều dày tham khảo của vật liệu (Tm) để lựa chọn loại thép cacbon và C-Mn phù hợp. Áp dụng quy trình xử lý nhiệt sau khi hàn để giải tỏa ứng suất dư và tăng cường thử nghiệm va đập đối với các bình chịu tải trọng động hoặc va chạm mạnh (như bình chuyên chở).