Tính Toán Tần Số Rung (Wake Frequency) Cho Thermowell WIKA Theo Tiêu Chuẩn ASME PTC 19.3 TW-2016

Trong các đường ống dẫn hơi nóng (Steam), khí gas hoặc chất lỏng có tốc độ dòng chảy cao, sự cố gãy Thermowell (ống bảo vệ cảm biến nhiệt) là một cơn ác mộng. Nó không chỉ làm hỏng cảm biến nhiệt độ mà mảnh vỡ kim loại còn có thể trôi theo dòng chảy, phá hủy cánh tuabin, máy nén hoặc van ở hạ nguồn.

Nguyên nhân số 1 gây ra hiện tượng này không phải do áp suất, mà là do Rung động do dòng chảy (Flow-induced vibration). Để ngăn chặn rủi ro này, tiêu chuẩn ASME PTC 19.3 TW-2016 là quy chuẩn bắt buộc mà mọi kỹ sư phải tuân thủ. Bài viết này của C&T sẽ giải mã quy trình tính toán này.

1. Tại Sao Thermowell Lại Bị Rung? (Hiệu Ứng Von Kármán)

Khi một dòng lưu chất chảy qua một vật thể hình trụ (như Thermowell), nó sẽ tạo ra các dòng xoáy tách ra luân phiên ở hai bên phía sau thân ống. Hiện tượng này gọi là Dãy xoáy Von Kármán (Von Kármán vortex street).

Sự tách dòng xoáy này tạo ra các lực tác động thay đổi liên tục lên Thermowell, khiến nó bị rung:

• Tần số xoáy (Wake Frequency - fs): Là tần số xuất hiện của các dòng xoáy này, phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy và đường kính ống.
• Tần số tự nhiên (Natural Frequency - fn): Là tần số dao động riêng của bản thân thanh Thermowell (phụ thuộc vào vật liệu, chiều dài, độ dày).

Cảnh báo nguy hiểm: Khi Tần số xoáy (fs) tiến gần bằng Tần số tự nhiên (fn) của Thermowell (tỷ lệ fs/fn > 0.8), hiện tượng Cộng Hưởng (Resonance) sẽ xảy ra. Lúc này, biên độ rung tăng đột biến dẫn đến nứt gãy vật liệu do mỏi (Fatigue failure).

2. Tiêu Chuẩn ASME PTC 19.3 TW-2016 Yêu Cầu Gì?

Đây là tiêu chuẩn quốc tế uy tín nhất hiện nay dùng để đánh giá độ bền của Thermowell. Để một Thermowell đạt chuẩn "PASS", nó phải vượt qua 4 bài kiểm tra nghiêm ngặt:

1. Frequency Limit (Giới hạn tần số): Đảm bảo tỷ lệ fs/fn < 0.8 (để tránh cộng hưởng).
2. Dynamic Stress Limit (Giới hạn ứng suất động): Đảm bảo ứng suất do rung động không vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu.
3. Static Stress Limit (Giới hạn ứng suất tĩnh): Đảm bảo Thermowell không bị uốn cong do áp lực dòng chảy.
4. Pressure Limit (Giới hạn áp suất): Đảm bảo độ dày thành ống chịu được áp suất vận hành.

3. Dữ Liệu Cần Thiết Để C&T Chạy Tính Toán Cho Bạn

Tại C&T, chúng tôi sử dụng phần mềm chính hãng của WIKA (được cập nhật theo chuẩn ASME mới nhất) để hỗ trợ khách hàng. Để nhận bản báo cáo tính toán (Calculation Report), bạn cần cung cấp các thông số sau:

4. Giải Pháp Khi Thermowell Bị "FAIL" Tính Toán

Nếu kết quả tính toán trả về màu đỏ (FAIL), đừng lo lắng. C&T sẽ tư vấn cho bạn các giải pháp kỹ thuật để khắc phục:

Giải pháp 1: Rút ngắn chiều dài nhúng (Shorten U-length)

Giảm chiều dài giúp tăng độ cứng và tần số tự nhiên (fn). Tuy nhiên, cần đảm bảo đầu cảm biến vẫn nằm trong vùng dòng chảy chính để đo chính xác.

Giải pháp 2: Tăng đường kính (Increase Root/Tip Diameter)

Sử dụng Thermowell loại Tapered (Côn) với đường kính gốc lớn hơn sẽ giúp tăng độ cứng vững đáng kể.

Giải pháp 3: Sử dụng Vòng đỡ (Support Collar)

Thêm một vòng kim loại gia công chính xác ở vị trí cổ bích (Flange face) để triệt tiêu rung động. Yêu cầu gia công mặt bích đối ứng cực kỳ khắt khe.

Giải pháp 4: Công nghệ WIKA ScrutonWell® (Tối ưu nhất)

Nếu bạn không thể giảm chiều dài hay tăng đường kính? Hãy dùng WIKA ScrutonWell®.

Đây là thiết kế đặc biệt với các gờ xoắn ốc (helical strakes) chạy dọc thân Thermowell. Các gờ này có tác dụng "phá vỡ" dòng xoáy Von Kármán, triệt tiêu nguồn gốc gây rung động lên đến 90%. Đây là giải pháp hàng đầu cho các đường ống dẫn khí tốc độ cao.

5. Câu Hỏi Thường Gặp (FAQ)

Khi nào bắt buộc phải tính toán Wake Frequency?

Theo kinh nghiệm, mọi ứng dụng có vận tốc dòng chảy > 5 m/s (với lỏng) và > 15 m/s (với khí/hơi) đều nên được tính toán. Đặc biệt là các vị trí quan trọng không thể dừng máy để thay thế.

C&T có cung cấp chứng chỉ tính toán (Calculation Sheet) không?

Có. Với mỗi đơn hàng Thermowell yêu cầu, kỹ sư của C&T sẽ chạy phần mềm WIKA và xuất ra bản báo cáo chi tiết (Pass/Fail) theo chuẩn ASME PTC 19.3 TW-2016 kèm theo hồ sơ giao hàng.

Kết luận: Một chiếc Thermowell giá vài triệu đồng nếu bị gãy có thể gây thiệt hại hàng tỷ đồng cho hệ thống. Đừng phó mặc cho may rủi.

Hãy gửi ngay thông số quy trình của bạn cho C&T. Chúng tôi sẽ giúp bạn tính toán miễn phí và lựa chọn giải pháp Thermowell WIKA an toàn tuyệt đối.

Xem thêm các bài viết mới tại đây!