Các Loại Khớp Giãn Nở Kim Loại & Phạm Vi Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

1. Khái quát

1.1. Khớp giãn nở (Expansion Joint) là gì ?

Khớp giãn nở kim loại (Metal Bellows Expansion Joint) là cụm thiết bị đường ống sử dụng phần tử đàn hồi dạng bellows kim loại để hấp thụ các chuyển vị tương đối phát sinh do giãn nở/co ngót nhiệt, lún kết cấu, rung động, chuyển vị thiết bị hoặc các nguyên nhân khác. Bellows được thiết kế để biến dạng theo các chế độ chuyển vị xác định như dọc trục (axial), ngang (lateral) và góc (angular), đồng thời duy trì khả năng chịu áp và độ kín theo điều kiện thiết kế..

Hình 1. Minh họa ứng suất nhiệt phát sinh khi sự giãn nở của đường ống bị hạn chế

Hình 2. Minh họa biến dạng của đường ống khi giãn nở nhiệt không được kiểm soát phù hợp

Lưu ý: Khớp giãn nở không tự động “loại bỏ” ứng suất của toàn bộ hệ thống. Loại khớp, vị trí lắp đặt, điểm cố định (Anchor), gối đỡ trượt (Guide), giá đỡ ống (pipe support) và tải thiết bị phải được xem xét đồng thời trong thiết kế hệ thống đường ống.

Hình 3. Minh họa tải trọng và phản lực có thể phát sinh trong hệ thống đường ống khi chuyển vị nhiệt bị hạn chế

Hình 4. Đường ống có khớp giãn nở, điểm cố định, gối dẫn hướng để hấp thụ chuyển vị nhiệt

Khớp giãn nở được bố trí để tiếp nhận các chuyển vị thiết kế thông qua biến dạng có kiểm soát của bellows. Chuyển vị thiết kế có thể bao gồm dọc trục (axial), ngang (lateral) và góc (angular) hoặc tổ hợp các chuyển vị này tùy loại khớp.

1.2. Vai trò của khớp giãn nở trong hệ thống đường ống

• Tiếp nhận chuyển vị nhiệt và các chuyển vị tương đối đã xác định trong thiết kế.

• Giảm tải phản lực do giãn nở nhiệt lên ống và thiết bị khi hệ thống được bố trí đúng.
• Cho phép chuyển vị dọc trục, ngang hoặc góc tùy cấu hình khớp.
• Có thể hỗ trợ cách ly lún, biến dạng địa chấn, rung động và truyền âm trong các ứng dụng được thiết kế phù hợp.
• Giảm tải lên cửa hút, cửa đẩy thiết bị khi sử dụng đúng loại khớp giãn nở có cơ cấu hạn chế hoặc khớp giãn nở cân bằng áp suất.

1.3. Nguyên nhân phát sinh chuyển vị

Trong thực tế, chuyển vị của đường ống không chỉ xuất phát từ giãn nở nhiệt mà còn do nhiều yếu tố đồng thời tác động:

• Giãn nở và co ngót nhiệt.
• Lún nền móng hoặc kết cấu.
• Rung động từ bơm, quạt, máy nén.
• Sai lệch vị trí tương đối giữa các đầu nối hoặc chuyển vị lắp đặt được nhà thiết kế cho phép.
• Động đất hoặc dao động kết cấu.
• Búa nước và tải trọng động.

Hình 5. Mô tả sự giãn nở nhiệt của đường ống

Hình 6. Độ giãn nở nhiệt của đường ống

Trong tính toán chi tiết, hệ số giãn nở nhiệt phải lấy theo vật liệu và khoảng nhiệt độ thiết kế phù hợp. Với dải nhiệt rộng, có thể sử dụng dữ liệu sự giãn nở nhiệt tương ứng của từng loại vật liệu.

Hình 7. Nguyên lý khớp giãn nở dọc trục hấp thụ chuyển vị nhiệt bằng axial compression của bellows

1.4. Vì sao phải lựa chọn đúng loại khớp giãn nở ?

Không có một loại khớp giãn nở nào phù hợp cho mọi ứng dụng. Các loại khớp giãn nở như khớp giãn nở dọc trục, khớp giãn nở đa năng, khớp giãn nở bản lề, khớp giãn nở cardan hay khớp giãn nở cân bằng áp suất,… được thiết kế để hấp thụ các dạng chuyển vị và điều kiện tải trọng khác nhau.

Việc lựa chọn loại khớp giãn nở không phù hợp có thể làm bellows chịu chuyển vị hoặc tải trọng ngoài phạm vi thiết kế, làm tăng ứng suất, giảm tuổi thọ mỏi, gây mất ổn định hoặc dẫn đến rò rỉ và hư hỏng hệ thống.

1.5. Hậu quả khi lựa chọn sai loại khớp giãn nở

 

** Phân tích hệ thống đường ống (Piping System Analysis / Pipe Stress Analysis) là quá trình tính toán và kiểm tra ứng suất, chuyển vị, tải trọng và phản lực của toàn bộ hệ thống đường ống dưới các trạng thái vận hành khác nhau.

Phân tích những gì ?

Phân tích hệ thống đường ống thường xét đồng thời các tải như trọng lượng ống + lưu chất + bảo ôn, áp suất, nhiệt độ, giãn nở nhiệt, tải tại gối đỡ, tải tại cửa hút, cửa đẩy của thiết bị, gió, động đất, chuyển vị cưỡng bức, lún móng,…và khi cần còn xét rung động, búa nước hoặc tải động.

Kết quả quan trọng thường gồm:

• Ứng suất đường ống và tỷ lệ so với ứng suất cho phép.
• Chuyển vị X,Y,Z và góc xoay Rx​,Ry​,Rz​.
• Lực và moment tại điểm cố định/Gối đỡ trượt/Giá đỡ.
• Lực và moment tác dụng lên cửa hút và cửa đẩy của bơm, turbine, bình chứa, thiết bị trao đổi nhiệt,...
• Tải tác dụng lên khớp giãn nở.
• Kiểm tra khả năng chịu tải của hệ thống giá đỡ và kết cấu liên quan.

Hình 8. Minh họa một số dạng hư hỏng có thể xảy ra khi expansion joint chịu chuyển vị ngoài phạm vi thiết kế

2.  Một số loại khớp giãn nở trong công nghiệp

3. Phạm vi ứng dụng

3.1. Bảng tổng hợp phạm vi ứng dụng của các loại khớp giãn nở

3.2. Ứng dụng các loại khớp với khả năng giảm tải lên điểm cố định (anchor)

4. Phạm vi ứng dụng các loại khớp giãn nở theo dạng chuyển động​​​​​​​

5. Nhận xét kỹ thuật

• Khớp giãn nở dọc trục (không thanh giằng): Là loại đơn giản, kinh tế và được sử dụng phổ biến nhất để hấp thụ chuyển vị dọc trục. Tuy nhiên, điểm cố định (Anchor) phải chịu toàn bộ lực đẩy áp suất (Pressure Thrust), do đó điểm cố định chính phải được thiết kế cho đảm bảo chịu lực đẩy áp suất​, lực lò xo, lực ma sát và các tải liên quan. Gối trượt phải đảm bảo ổn định và hướng chuyển động theo thiết kế.

• Khớp giãn nở dọc trục có thanh giằng: Thanh giằng có chức năng chịu lực đẩy do áp suất và khống chế chuyển vị dọc trục giữa hai đầu khớp. Trường hợp cần cho phép một lượng chuyển vị dọc trục có kiểm soát, phải sử dụng thanh giới hạn hoặc thanh kiểm soát được thiết kế phù hợp với yêu cầu làm việc của khớp.
• Khớp giãn nở đa năng có thanh giằng: Khớp giãn nở đa năng có thanh giằng thích hợp để bù chuyển vị ngang khi cần khống chế lực đẩy do áp suất ngay trong cụm khớp. Các thanh giằng có nhiệm vụ truyền lực đẩy do áp suất qua khớp và hạn chế chuyển vị dọc trục giữa hai đầu khớp.
• Khớp cân bằng áp suất bên trong: Khớp giãn nở cân bằng áp suất bên trong là một giải pháp phù hợp khi cần khả năng bù chuyển vị dọc trục, đồng thời cần giảm lực đẩy tổng do áp suất truyền vào thiết bị hoặc điểm cố định chính.
• Khớp giãn nở bản lề: Khớp giãn nở bản lề cho phép chuyển vị góc trong một mặt phẳng. Cơ cấu bản lề được thiết kế để khống chế lực đẩy do áp suất. Một khớp đơn không có khả năng trực tiếp bù chuyển vị ngang lớn; chuyển vị ngang thường được bù bằng hệ thống gồm hai hoặc ba khớp giãn nở bản lề được bố trí phù hợp trong các đoạn ống hình chữ L, Z hoặc U..
• Khớp giãn nỡ kiểu cardan: Khớp giãn nở Cardan sử dụng hai trục quay vuông góc với nhau, cho phép chuyển vị góc trong nhiều mặt phẳng. Cơ cấu Cardan được thiết kế để khống chế lực đẩy do áp suất; để bù chuyển vị ngang của hệ thống đường ống, thông thường cần bố trí một hệ thống gồm hai hoặc nhiều khớp giãn nở chịu chuyển vị góc phù hợp.
• Khớp giãn nở cân bằng áp suất dạng khủy: Khớp giãn nở cân bằng áp suất dạng khuỷu sử dụng ống xếp cân bằng hoặc cơ cấu cân bằng để giảm lực đẩy tổng do áp suất truyền sang hệ thống đường ống và thiết bị tại vị trí đổi hướng. Loại khớp này thích hợp khi cần kiểm soát lực đẩy do áp suất tác dụng lên thiết bị, đầu nối thiết bị hoặc điểm cố định chính.
• Khớp giãn nở áp suất cao kiểu đôi: Khớp giãn nở chịu áp suất ngoài sử dụng áp suất tác dụng lên bề mặt ngoài của ống xếp. Cấu hình này đặc biệt thích hợp để bù chuyển vị dọc trục lớn và có ưu điểm về độ ổn định của ống xếp so với cấu hình chịu áp suất trong tương đương. Tuy nhiên, khớp giãn nở chịu áp suất ngoài không đồng nghĩa với khớp giãn nở cân bằng áp suất; lực đẩy do áp suất và tải trọng truyền về điểm cố định phải được xác định theo cơ cấu khống chế hoặc cơ cấu cân bằng thực tế của khớp.

6. Cơ sở tiêu chuẩn thiết kế và chế tạo

Khớp giãn nở kim loại phải được lựa chọn, thiết kế, chế tạo, kiểm tra và lắp đặt phù hợp với tiêu chuẩn, quy chuẩn hoặc bộ quy tắc thiết kế được áp dụng cho từng dự án. Các tài liệu kỹ thuật thường được tham chiếu bao gồm:

• EJMA Standards – Phiên bản 11

Là tài liệu chuyên ngành của Hiệp hội các Nhà sản xuất Khớp giãn nở (EJMA), cung cấp các yêu cầu, phương pháp tính toán và hướng dẫn liên quan đến thiết kế, lựa chọn và ứng dụng khớp giãn nở sử dụng ống xếp kim loại.

• EN 14917:2021+A1:2026 – Khớp giãn nở ống xếp kim loại dùng trong các ứng dụng chịu áp suất

Tiêu chuẩn quy định các yêu cầu liên quan đến thiết kế, chế tạo, kiểm tra và lắp đặt khớp giãn nở sử dụng ống xếp kim loại trong các hệ thống chịu áp suất.

• ASME B31.3 – Đường ống công nghệ

Được áp dụng đối với các hệ thống đường ống công nghệ thuộc phạm vi điều chỉnh của bộ quy tắc này. Khi sử dụng khớp giãn nở ống xếp kim loại, việc lựa chọn và thiết kế khớp phải được phối hợp với thiết kế đường ống, tính toán ứng suất và phân tích độ mềm của toàn bộ hệ thống đường ống.

Ngoài các tài liệu trên, các bộ quy tắc, tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật khác có thể được áp dụng tùy theo loại thiết bị, môi chất làm việc, điều kiện vận hành, lĩnh vực công nghiệp và yêu cầu cụ thể của hợp đồng hoặc dự án.

Theo thông tin công bố hiện hành, EJMA Standards – Phiên bản 11 là phiên bản mới nhất của EJMA. Đối với tiêu chuẩn châu Âu, BS EN 14917:2021+A1:2026 bao quát các yêu cầu về thiết kế, chế tạo và lắp đặt khớp giãn nở ống xếp kim loại sử dụng trong các ứng dụng chịu áp suất. ASME B31.3 cũng có các yêu cầu liên quan đến việc sử dụng khớp giãn nở ống xếp kim loại trong hệ thống đường ống thuộc phạm vi áp dụng của bộ quy tắc.

7. Tư vấn kỹ thuật

Nếu bạn đang:

• Thiết kế hệ thống đường ống.
• Gặp vấn đề rung, nứt, rò rỉ.
• Cần chọn đúng 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: 0862.618.918

► Email: dandatflex@gmail.com                

► Website: https://dandat.com.vn