Khi nào nên chọn khớp giãn nở cardan thay cho khớp giãn nở bản lề

1. Khái quát

Trong thiết kế hệ thống đường ống, khớp giãn nở bản lề (Hinged Expansion Joint) và khớp giãn nở cardan (Gimbal Expansion Joint) đều là các loại khớp giãn nở làm việc chủ yếu bằng chuyển vị góc (angular rotation) của bellows.

Khi được bố trí thành hệ gồm hai hoặc nhiều khớp, chuyển vị góc tại từng khớp có thể phối hợp để hấp thụ chuyển vị ngang của hệ thống đường ống.

Sự khác nhau này quyết định khả năng làm việc của khớp trong hệ thống đường ống đồng phẳng hoặc không đồng phẳng và là một trong những cơ sở quan trọng để lựa chọn giữa khớp giãn nở bản lề hoặc khớp giãn nở  cardan.

- Khớp giãn nở bản lề được thiết kế để cho phép chuyển vị góc trong một mặt phẳng xác định, thông qua chuyển động quay tương đối quanh trục đi qua các chốt bản lề.

Hình 1. Nguyên lý chuyển vị góc của khớp giãn nở bản lề quanh trục chốt bản lề

Chú ý: Cơ cấu bản lề khống chế các chuyển động không được phép và được thiết kế để chịu lực đẩy do áp suất cùng các tải trọng liên quan theo điều kiện thiết kế.

- Khớp giãn nở cardan sử dụng hai cặp bản lề liên kết với một vòng cardan chung, tạo hai trục quay vuông góc nhau và cho phép khớp thực hiện chuyển vị góc trong bất kỳ mặt phẳng nào trong phạm vi chuyển vị thiết kế.

Hình 2. Cơ cấu cardan với hai trục quay vuông góc, cho phép chuyển vị góc trong nhiều mặt phẳng và khống chế lực đẩy do áp suất.

2. Khi chuyển vị góc yêu cầu nằm trong một mặt phẳng ► xem xét sử dụng khớp giãn nở bản lề

Khớp giãn nở bản lề sử dụng các bản lề và chốt bố trí theo một trục quay xác định. Cơ cấu này cho phép hai đầu khớp quay tương đối trong mặt phẳng làm việc thiết kế, đồng thời khống chế chuyển vị dọc trục và các chuyển động không phù hợp với cơ cấu bản lề. Vì vậy, bellows làm việc chủ yếu bằng chuyển vị góc trong mặt phẳng cho phép.

Ví dụ, đối với một hệ thống đường ống chữ Z có toàn bộ hình học và chuyển vị nằm trong mặt phẳng X–Y, các khớp giãn nở bản lề có thể được bố trí với trục bản lề thích hợp để cho phép chuyển vị góc cần thiết trong chính mặt phẳng đó.

Trong hệ nhiều khớp bản lề, các góc quay của từng khớp phối hợp với hình học đoạn ống trung gian để hấp thụ chuyển vị tổng thể của hệ thống.

Hình 3. Minh họa hệ khớp giãn nở bản lề làm việc trong một mặt phẳng xác định.

Trong trường hợp này, chuyển vị yêu cầu của hệ thống nằm trong một mặt phẳng xác định và trục chốt của các khớp bản lề được định hướng phù hợp để cho phép chuyển vị góc trong mặt phẳng đó.

Hình 4. Minh họa hệ hai khớp giãn nở bản lề phối hợp để hấp thụ chuyển vị ngang trong mặt phẳng như hình vẽ

Khi đoạn ống ngang giãn nở về bên trái (mũi tên đỏ), đầu dưới của cụm hai khớp dịch sang trái; mỗi khớp quay một góc và đoạn ống ở giữa nghiêng đi. Chuyển vị ngang vì thế được hấp thụ bởi cả cụm. Đây là nguyên lý được mô tả cho cặp khớp bản lề lắp trên đoạn ống thẳng

3. Khi khớp cần thực hiện chuyển vị góc theo nhiều mặt phẳng ► xem xét sử dụng khớp giãn nở cardan

Trong hệ thống đường ống không đồng phẳng, chuyển vị tại vị trí khớp có thể bao gồm các thành phần theo nhiều phương, ví dụ ΔY và ΔZ. Thông qua hình học của hệ thống và điều kiện ràng buộc, các thành phần chuyển vị này có thể tạo ra yêu cầu quay góc quanh hai trục khác nhau tại khớp giãn nở.

Khi phân tích hệ thống xác định rằng một khớp riêng lẻ phải thực hiện chuyển vị góc quanh hai trục khác nhau, khớp giãn nở bản lề đơn không thể đáp ứng trực tiếp yêu cầu này; khi đó cần xem xét sử dụng khớp giãn nở cardan hoặc bố trí lại hệ thống khớp.

Cơ cấu bản lề được thiết kế để hạn chế chuyển động ngoài mặt phẳng quay cho phép. Vì vậy, không được cưỡng bức một khớp giãn nở bản lề để thực hiện chuyển vị ngoài mặt phẳng làm việc mà cơ cấu bản lề và bellows không được thiết kế để đáp ứng. Điều này có thể tạo thêm lực, mômen và ứng suất lên bellows, bản lề, chốt, kết cấu liên kết, mối hàn và hệ thống đường ống, từ đó ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ mỏi của khớp.

Nếu hệ thống đường ống cưỡng bức khớp thực hiện chuyển vị ngoài mặt phẳng thiết kế, khi đó hệ thống đường ống có thể phát sinh lực và mômen ngoài dự kiến lên bellows, chốt, bản lề, mối hàn liên kết và đường ống, làm tăng ứng suất và nguy cơ giảm tuổi thọ mỏi của khớp.

Khớp giãn nở cardan sử dụng hai cặp bản lề liên kết với vòng cardan trung tâm, tạo hai trục quay vuông góc nhau. Nhờ đó, khớp có thể thực hiện chuyển vị góc trong bất kỳ mặt phẳng nào trong phạm vi chuyển vị thiết kế, thay vì bị giới hạn trong một mặt phẳng như khớp giãn nở bản lề.

Hình 5. Minh họa hệ 2 khớp giãn nở cardan làm việc trong nhiều mặt phẳng.

Nguyên lý làm việc

• Khi nhiệt độ tăng, các nhánh ống giãn dài.
• Hai khớp cardan quay theo các góc tương ứng.
• Đoạn ống giữa hai khớp thay đổi vị trí nhưng không gây nén hoặc kéo dọc trục bellows.
• Gối dẫn hướng phẳng giữ cho từng nhánh chỉ chuyển động trong mặt phẳng đã thiết kế.
• Điểm cố định trung gian giữ vị trí nút đường ống và tiếp nhận mômen quay, lực đàn hồi bellows, lực ma sát gối dẫn hướng cùng các tải trọng liên quan.

Do lực đẩy áp suất được truyền qua cơ cấu cardan, hệ thống thường không cần điểm cố định chính để chịu toàn bộ lực đẩy áp suất. Tuy nhiên, điểm cố định vẫn phải được tính toán cho các tải còn lại.

Hình 6. Minh họa hệ hai khớp giãn nở cardan phối hợp hấp thụ chuyển vị trong hệ thống đường ống không đồng phẳng.

Nguyên lý bố trí

• Hai khớp cardan được đặt cách nhau một khoảng đủ lớn.
• Đoạn ống nằm giữa hai khớp hoạt động như một cánh tay đòn.
• Mỗi khớp quay một góc nhỏ.
• Tổng chuyển động góc của hai khớp tạo thành chuyển vị ngang tổng hợp.
• Hệ thống có thể hấp thụ chuyển vị do giãn nở của hai nhánh ống nằm trong các mặt phẳng khác nhau.

Góc quay gần đúng của mỗi khớp phụ thuộc vào:

Trong đó:

• Δ: chuyển vị ngang tổng hợp cần hấp thụ.
• L: khoảng cách hữu hiệu giữa tâm hai khớp cardan.
• θ: góc quay của khớp.

Khoảng cách L càng lớn thì góc quay yêu cầu của từng khớp càng nhỏ.

Ví dụ hệ thống sử dụng hai khớp giãn nở cardan:

• Chuyển vị ngang tổng hợp cần hấp thụ: Δ=100 mm
• Khoảng cách hữu hiệu giữa tâm hai khớp: L=3.000 mm

Áp dụng:

Kết luận

Mỗi khớp cardan phải có khả năng quay góc khoảng 1,91° để hệ hai khớp hấp thụ chuyển vị ngang 100mm.

4. Khi hình học và chuyển vị của hệ thống tạo ra yêu cầu chuyển vị góc không đồng phẳng

Các tuyến ống công nghiệp thực tế thường không nằm hoàn toàn trên một mặt phẳng. Đối với những hệ thống như vậy, cần thực hiện phân tích chuyển vị và độ mềm của hệ thống đường ống để xác định chuyển vị và góc quay yêu cầu tại từng khớp.

Nếu một hoặc nhiều vị trí khớp phải thực hiện chuyển vị góc trong nhiều mặt phẳng, sử dụng khớp cardan có thể đơn giản hóa bố trí so với việc sử dụng nhiều khớp bản lề và các ràng buộc bổ sung để kiểm soát chuyển động. Khi nhiệt độ tăng, từng nhánh ống giãn theo trục riêng của nó. Tổng hợp các chuyển vị này tạo thành một chuyển động không gian. Trong trường hợp đó, cố gắng bố trí toàn bộ bằng khớp giãn nở bản lề có thể làm hệ thống trở nên phức tạp hoặc tạo ra chuyển động ngoài mặt phẳng của một số khớp.

Khớp giãn nở cardan thường phù hợp hơn vì có khả năng quay trong nhiều mặt phẳng.

Khi tuyến ống thay đổi cao độ và phương, các khớp cardan cho phép hệ thống thích nghi với chuyển vị góc trong nhiều mặt phẳng.

5. Khi không thể xác định một mặt phẳng quay duy nhất

Tại vị trí khớp, chuyển vị góc yêu cầu trong toàn bộ các trạng thái thiết kế có thể được giới hạn trong một mặt phẳng xác định hay không ?

-     Có ► Có thề xem xét sử dụng khớp giãn nở bản lề

-      Không ► Xem xét khớp giãn nở cardan hoặc thay đổi cấu hình hệ thống.

Ví dụ, kết quả phân tích tại vị trí khớp xác định hai thành phần chuyển vị góc:

-      Góc quay trong mặt phẳng X–Y: ±2,0°;

-      Góc quay trong mặt phẳng X–Z: ±1,5°.

Một khớp giãn nở bản lề đơn, với một trục quay xác định, không thể tự do đáp ứng đồng thời hai thành phần chuyển vị góc thuộc hai mặt phẳng khác nhau. Trong trường hợp này, khớp giãn nở cardan có thể được xem xét vì cơ cấu của nó cho phép chuyển vị góc trong nhiều mặt phẳng.

6. Khi cần hấp thụ chuyển vị ngang trong hệ thống đường ống không đồng phẳng

Hình 7. Minh họa hệ hai khớp giãn nở cardan phối hợp để hấp thụ chuyển vị ngang Δ của hệ thống đường ống không đồng phẳng.

7. Khi cần khống chế lực đẩy áp suất nhưng vẫn phải cho phép chuyển động đa mặt phẳng

Đây là ưu điểm rất quan trọng của khớp giãn nở cardan.

Tương tự cơ cấu bản lề, cơ cấu Cardan/Gimbal gồm vòng gimbal, bản lề, chốt và các kết cấu liên kết phải được thiết kế để khống chế và truyền lực đẩy do áp suất qua kết cấu restraint của khớp, đồng thời cho phép chuyển vị góc theo yêu cầu thiết kế.

Do đó hệ thống đồng thời đạt được hai yêu cầu:

Lực đẩy áp suất → truyền qua cơ cấu cardan

trong khi

Chuyển vị góc → vẫn được phép trong nhiều mặt phẳng.

Khi cơ cấu cardan được thiết kế đúng để chịu lực đẩy do áp suất, lực đẩy do áp suất tại bellows được khống chế trong cơ cấu cardan của khớp thay vì phải được cân bằng bởi điểm cố định chính như đối với khớp không có cơ cấu khống chế lực đẩy áp suất. Tuy nhiên, các điểm cố định, gối dẫn hướng và hệ thống đường ống vẫn phải được thiết kế cho các tải trọng còn lại như lực lò xo của bellows, ma sát, trọng lượng, tải động và các tải đường ống liên quan.

Điều này đặc biệt có lợi đối với:

• Đường ống đường kính lớn;
• Đường ống hơi;
• Đường ống nhiệt độ cao;
• Hệ thống khí thải;
• Nhà máy điện;
• Nhà máy thép;
• Đường ống kết nối turbine và thiết bị công nghệ.

8. Không phải cứ chuyển vị phức tạp là chọn khớp giãn nở cardan

Khớp giãn nở cardan không phải loại “cao cấp hơn” để thay thế khớp giãn nở bản lề trong mọi trường hợp.

Nếu chuyển động đã được kiểm soát hoàn toàn trong một mặt phẳng, sử dụng khớp giãn nở bản lề thường hợp lý hơn về cấu tạo và chi phí.

Ngược lại, nếu hệ thống thực sự có chuyển vị không gian, việc cố sử dụng khớp giãn nở bản lề có thể tạo ra ràng buộc không cần thiết.

Quy tắc lựa chọn nhanh có thể viết:

-      Chuyển vị góc tại khớp nằm trong một mặt phẳng xác định → xem xét lựa chọn khớp giãn nở bản lề.

-      Chuyển vị góc tại khớp cần tự do trong nhiều mặt phẳng → xem xét lựa chọn khớp giãn nở cardan.

Nếu tại cùng một vị trí khớp cần trực tiếp đáp ứng đồng thời chuyển vị dọc trục, chuyển vị ngang và chuyển vị góc, không được mặc định rằng khớp giãn nở cardan có thể đáp ứng tất cả các thành phần chuyển vị này. Cần phân tích lại hệ thống để lựa chọn cấu hình phù hợp, chẳng hạn khớp giãn nở đa năng (Universal), khớp đa năng có thanh giằng (Tied Universal), khớp giãn nở cân bằng áp suất hoặc tổ hợp nhiều khớp tùy điều kiện tải và chuyển vị.

Hình 8. Minh họa hệ một khớp giãn nở bản lề kết hợp hai khớp giãn nở cardan làm việc trong nhiều mặt phẳng

Đây là sơ đồ hệ thống đường ống không gian sử dụng kết hợp:

• Một khớp giãn nở bản lề trên đoạn ống ngang phía trên.
• Hai khớp giãn nở cardan trên đoạn ống đứng.
• Các điểm neo, gối đỡ và bộ treo đàn hồi để khống chế quỹ đạo chuyển động.

Đường màu xám thể hiện vị trí nguội hoặc vị trí lắp đặt ban đầu; đường viền đỏ thể hiện vị trí nóng sau khi đường ống giãn nở.

Nguyên lý làm việc: Khi nhiệt độ tăng, sự giãn nở của các nhánh đường ống làm hai khuỷu dịch chuyển theo nhiều phương. Khớp giãn nở bản lề phối hợp với khớp giãn nở cardan phía trên để hấp thụ chuyển vị trong mặt phẳng của nhánh trên; đồng thời, hai khớp giãn nở cardan phối hợp tạo chuyển động góc trong không gian để hấp thụ chuyển vị tương đối giữa nhánh trên và nhánh dưới. Cơ cấu bản lề và cardan giữ lực đẩy do áp suất, trong khi các điểm neo, gối dẫn hướng và gối đỡ tiếp nhận mômen đàn hồi, lực ma sát, trọng lượng cùng những tải trọng liên quan.

9. So sánh nhanh khớp giãn nở bản lề và khớp giãn nở cardan

10. Kết luận

Việc lựa chọn giữa khớp giãn nở bản lề và khớp giãn nở cardan phải dựa trên chuyển vị yêu cầu tại khớp, số mặt phẳng quay, hình học hệ thống đường ống, áp suất, nhiệt độ, tải trọng, điều kiện vận hành và kết quả phân tích độ mềm đường ống (Phân tích độ mềm nhằm xác định đường ống sẽ dịch chuyển về đâu, ứng suất có vượt giới hạn không và lực truyền vào bơm, thiết bị, Anchor, Guide có quá lớn không)

Về nguyên lý lựa chọn:

• Khi chuyển vị góc yêu cầu tại khớp được giới hạn trong một mặt phẳng xác định, có thể xem xét sử dụng khớp giãn nở bản lề.
• Khi khớp cần thực hiện chuyển vị góc trong nhiều mặt phẳng, khớp giãn nở cardan là một cấu hình cần được xem xét.

Trong cả hai trường hợp, cơ cấu khống chế phải được thiết kế để chịu và truyền lực đẩy do áp suất cùng các tải trọng liên quan; đồng thời phải kiểm tra góc quay, tải trọng tác dụng lên ống sóng kim loại (bellows), tải trọng tại các điểm cố định, gối dẫn hướng, gối đỡ đường ống và tải trọng truyền đến thiết bị được kết nối.

11. Tư vấn kỹ thuật

Nếu bạn đang:

• Thiết kế hệ thống đường ống
• Gặp vấn đề rung, nứt, rò rỉ
• Cần chọn đúng loại khớp giãn nở

► Dân Đạt – ISO 9001:2015 sẵn sàng hỗ trợ:

• Tư vấn kỹ thuật miễn phí;
• Thiết kế theo yêu cầu
• Sản xuất đa dạng chủng loại;
• Giao hàng đúng theo thời gian hợp đồng.

► Hotline: 0918.308.609

► Email: dandatflex@gmail.com                      

► Website: https://dandat.com.vn