Khớp giãn nở bản lề

Ngày đăng: 28-08-2026 08:22:08 Lượt xem: 34

Khớp giãn nở bản lề

Phần 1: Cấu tạo – nguyên lý hoạt động và truyền lực

Khớp giãn nở bản lề là loại khớp giãn nở kim loại được trang bị cơ cấu bản lề nhằm cho phép chuyển vị góc trong một mặt phẳng xác định, đồng thời khống chế lực đẩy do áp suất sinh ra trong ống sóng. Cơ cấu bản lề truyền tải trọng này giữa hai đầu khớp, nhờ đó lực đẩy do áp suất không phải truyền về điểm cố định chính của hệ thống theo cách xảy ra đối với khớp giãn nở không có cơ cấu khống chế lực đẩy. Tuy nhiên, điểm cố định và hệ thống đường ống vẫn phải được kiểm tra đối với các phản lực do biến dạng ống sóng và các tải trọng khác gây ra.

Hình 1. Khớp giãn nở bản lề sản xuất tại Công ty Dân Đạt

1. Vì sao phải dùng khớp giãn nở bản lề (Hinged Expansion Joint) ?

Trong hệ thống đường ống công nghiệp, thay đổi nhiệt độ là một trong những nguyên nhân phổ biến gây chuyển vị và ứng suất trong đường ống. Khi nhiệt độ vận hành thay đổi, chiều dài đường ống cũng thay đổi. Nếu hệ thống không có đủ độ mềm hoặc không được bố trí biện pháp bù giãn nở phù hợp, tải trọng và ứng suất có thể truyền đến đường ống, mối nối, gối đỡ, điểm cố định và đầu nối

Trong các tuyến ống có thay đổi phương (đường ống hơi, đường ống dầu nóng, lò hơi, tua-bin hoặc các tuyến ống có nhiều co 90°), chẳng hạn dạng chữ L, chữ U hoặc chữ Z, có thể bố trí hai hoặc nhiều khớp giãn nở bản lề sao cho chuyển vị nhiệt của toàn hệ thống được chuyển thành chuyển động quay tại các khớp. Khi đó mỗi khớp giãn nở bản lề làm việc chủ yếu với chuyển vị góc quanh trục chốt bản lề theo phương đã được xác định trong phân tích đường ống.

Khớp giãn nở bản lề được trang bị cơ cấu bản lề gồm tay hoặc thanh bản lề, chốt bản lề và các chi tiết liên kết chịu lực, cho phép hai đầu khớp quay tương đối quanh một trục xác định. Cơ cấu này đồng thời khống chế chuyển vị dọc trục do lực đẩy áp suất và hạn chế các chuyển động không phù hợp với chức năng thiết kế của khớp, giúp bellows làm việc đúng chức năng và tăng đáng kể tuổi thọ vận hành.

Một ưu điểm quan trọng khác của khớp giãn nở bản lề là khả năng khống chế lực đẩy áp suất (Pressure Thrust):

Khớp giãn nở không có cơ cấu khống chế lực đẩy áp suất: khi đường ống làm việc dưới áp suất, lực đẩy do áp suất sinh ra tại ống sóng phải được hệ thống điểm cố định và kết cấu giữ đường ống cân bằng.
Khớp giãn nở bản lề: Cơ cấu bản lề được thiết kế để khống chế lực đẩy do áp suất và truyền tải trọng này giữa hai đầu khớp. Vì vậy lực đẩy do áp suất không phải truyền về điểm cố định chính theo cách xảy ra đối với khớp giãn nở không có cơ cấu khống chế lực.

Việc lựa chọn, thiết kế và chế tạo khớp giãn nở kim loại phải phù hợp với tiêu chuẩn hoặc quy phạm áp dụng của dự án; trong đó EJMA và EN 14917 là các tài liệu thường được tham chiếu đối với khớp giãn nở kim loại.

Trong nhiều hệ thống đường ống, khớp giãn nở bản lề được bố trí theo cặp hoặc theo nhóm hai hay ba khớp, tùy cấu hình đường ống và chuyển vị cần hấp thụ. Vị trí điểm cố định, gối dẫn hướng và gối đỡ phải được xác định dựa trên kết quả phân tích độ mềm và ứng suất đường ống.

Hình 2. Ví dụ bố trí ba khớp giãn nở bản lề trong hệ thống đường ống để hấp thụ chuyển vị thông qua chuyển động góc.

Khi nào nên sử dụng khớp giãn nở bản lề ?

Khớp giãn nở bản lề phù hợp khi:

Chuyển động yêu cầu tại khớp là chuyển vị góc quanh một trục xác định;
Hệ thống có thể bố trí hai hoặc nhiều khớp bản lề để chuyển chuyển vị của tuyến ống thành chuyển động quay tại khớp;
Cần khống chế lực đẩy do áp suất bằng cơ cấu bản lề;
Không yêu cầu khớp hấp thụ chuyển vị dọc trục;
Trục bản lề có thể được bố trí đúng theo phương quay xác định từ phân tích đường ống;
Toàn bộ hệ thống được kiểm tra theo tiêu chuẩn, quy phạm và yêu cầu kỹ thuật áp dụng.

Hình 3. Ví dụ bố trí khớp giãn nở bản lề trong hệ thống đường ống; vị trí điểm cố định, gối dẫn hướng và gối đỡ phải được xác định bằng phân tích độ mềm và ứng suất đường ống.

Khớp giãn nở bản lề cho phép chuyển vị góc quanh trục bản lề và cơ cấu bản lề có nhiệm vụ khống chế lực đẩy do áp suất. Tuy nhiên, các tải trọng truyền đến điểm cố định và thiết bị vẫn phải được xác định từ phân tích tổng thể hệ thống đường ống.

2. Cấu tạo và chức năng của từng chi tiết của khớp giãn nở bản lề

Khớp giãn nở bản lề là tổ hợp của nhiều chi tiết cơ khí được thiết kế để làm việc đồng bộ. Mỗi chi tiết đều đảm nhiệm một chức năng riêng, giúp khớp hấp thụ chuyển vị góc, chịu áp suất làm việc và đảm bảo tuổi thọ lâu dài trong điều kiện vận hành khắc nghiệt.

2.1. Bellows (Ống sóng inox)

Bellows là là phần tử đàn hồi dạng nếp sóng được chế tạo từ vật liệu kim loại phù hợp với điều kiện thiết kế và là bộ phận giữ kín áp suất chủ yếu của khớp giãn nở. Tùy yêu cầu về áp suất, chuyển vị, độ mềm và tuổi thọ mỏi, ống sóng có thể sử dụng kết cấu một lớp hoặc nhiều lớp.
Trong khớp giãn nở bản lề, bellows có nhiệm vụ::

Khác với khớp giãn nở dọc trục, bellows của khớp giãn nở bản lề không được thiết kế để hấp thụ chuyển vị dọc trục, mà chỉ làm việc trong giới hạn góc quay cho phép của hệ thống bản lề.

Lưu ý:

Tuổi thọ mỏi thiết kế của bellows phụ thuộc vào biên độ và phạm vi ứng suất do chuyển vị, hình học nếp sóng, vật liệu, áp suất, nhiệt độ, số chu kỳ và các điều kiện tải trọng khác. Khả năng chịu chuyển vị và tuổi thọ phải được xác định theo phương pháp thiết kế và tiêu chuẩn áp dụng.

2.2. Thanh bản lề

Cơ cấu bản lề được thiết kế để chịu và truyền tải trọng do lực đẩy áp suất. Kích thước, vật liệu, chốt và liên kết của cơ cấu bản lề phải được tính toán theo các tải trọng và tổ hợp tải trọng áp dụng của khớp.

2.3. Chốt bản lề

Truyền lực giữa hai tay bản lề.
Chịu tải trọng uốn và tải trọng cắt rất lớn.
Đảm bảo chuyển động ổn định trong suốt vòng đời thiết bị.

Do làm việc dưới tải trọng cao nên vật liệu chế tạo, xử lý bề mặt, nhiệt luyện nếu cần, dung sai và bề mặt làm việc của chốt được lựa chọn theo tải trọng, điều kiện môi trường, yêu cầu chống mài mòn và thiết kế của nhà sản xuất.

2.4. Bản tăng cứng

Ở các khớp đường kính lớn hoặc áp suất cao, bản tăng cứng thường được thiết kế dày hơn và có hình dạng tối ưu theo tính toán ứng suất.

2.5. Mặt bích kết nối

2.6. Ống lót trong

Việc sử dụng ống lót dòng chảy cần được xem xét dựa trên vận tốc lưu chất, hướng dòng chảy, mức độ rối, sự hiện diện của hạt rắn, nhiệt độ và cấu hình đường ống ở phía trước và phía sau khớp.

Khả năng làm việc an toàn và tuổi thọ của khớp giãn nở bản lề phụ thuộc vào thiết kế tổng thể của bellows, cơ cấu bản lề, đầu nối, ống lót và các chi tiết kết cấu, đồng thời phụ thuộc vào điều kiện vận hành thực tế của hệ thống.

Khớp giãn nở bản lề được thiết kế để cho phép chuyển vị góc quanh trục chốt bản lề. Cơ cấu bản lề hạn chế chuyển vị dọc trục do lực đẩy áp suất và hạn chế các chuyển động không phù hợp với phương thiết kế. Vì vậy trục chốt bản lề phải được bố trí đúng theo phương quay xác định từ phân tích đường ống.

3. Nguyên lý truyền lực của khớp giãn nở bản lề

Cơ cấu bản lề có nhiệm vụ khống chế lực đẩy do áp suất và truyền tải này giữa hai đầu khớp. Nhờ đó, lực đẩy do áp suất không phải được cân bằng bởi điểm cố định chính theo cách xảy ra đối với khớp giãn nở không có cơ cấu khống chế lực.

Trong tất cả các loại khớp giãn nở kim loại, lực đẩy áp suất là một trong những tải trọng quan trọng nhất cần phải xem xét. Nếu không được khống chế đúng cách, lực này có thể tạo ra tải trọng rất lớn lên điểm cố định, gây biến dạng đường ống, quá tải thiết bị hoặc làm giảm tuổi thọ của toàn bộ hệ thống.

Điểm khác biệt lớn nhất của khớp giãn nở bản lề so với khớp giãn nở dọc trục là lực đẩy áp suất không truyền về điểm cố định mà được hấp thụ ngay trên cụm bản lề.

3.1. Lực đẩy áp suất là gì ?

Khi môi chất có áp suất chảy qua bellows, áp suất tác dụng lên diện tích hữu hiệu của bellows sẽ sinh ra lực dọc trục gọi là lực đẩy áp suất.

Lực này được xác định theo công thức: F_p = P × A_e

Trong đó:

F_p : Lực đẩy áp suất
P : Áp suất tác dụng lên bellows tại trường hợp tải đang xét
A_e : Diện tích hữu hiệu của bellows

Khi thiết kế cơ cấu bản lề phải xét lực đẩy áp suất tương ứng với các trường hợp tải yêu cầu, không chỉ ở điều kiện vận hành bình thường.

Đối với các khớp đường kính lớn, lực đẩy áp suất có thể đạt tới hàng chục hoặc hàng trăm tấn, vì vậy việc kiểm soát lực này là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế theo EJMA.

3.2. Lực đẩy áp suất trong khớp giãn nở dọc trục (Axial Expansion Joint).

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý lực đẩy áp suất của khớp giãn nở dọc trục

Đối với khớp giãn nở dọc trục không có cơ cấu khống chế lực đẩy áp suất, không có bộ phận cơ khí giữ lại lực đẩy áp suất ngay trong cụm khớp. Khi áp suất tăng:

Lực đẩy áp suất sinh ra trong bellows.
Lực truyền trực tiếp theo trục đường ống.
Lực đẩy do áp suất phải được cân bằng bởi hệ thống giữ và cố định của đường ống, điển hình là các điểm cố định chính, cùng với các tải trọng khác.

Do đó:

Điểm cố định phải được thiết kế rất lớn.
Nền móng chịu tải cao.
Cửa hút và cửa đẩy của bơm, tua-bin hoặc bình áp lực cũng chịu thêm tải trọng.

Khi sử dụng khớp giãn nở dọc trục không có cơ cấu khống chế lực đẩy, hệ thống phải có điểm cố định, gối dẫn hướng và gối đỡ được bố trí phù hợp để kiểm soát lực đẩy áp suất, chuyển vị và các tải trọng liên quan.

3.3. Lực đẩy áp suất trong khớp giãn nở bản lề

Hình 5. Minh họa sơ đồ nguyên lý truyền lực của khớp giãn nở bản lề

Đối với khớp giãn nở bản lề, cơ cấu bản lề đóng vai trò là đường truyền lực chính.

Quá trình truyền lực diễn ra theo trình tự sau:

Áp suất bên trong bellows sinh ra lực đẩy áp suất (Pressure Thrust).
Lực này truyền từ bellows sang hai đầu mặt bích.
Từ mặt bích, lực được truyền trực tiếp sang thanh bản lề.
Cơ cấu bản lề chịu và truyền tải trọng do lực đẩy áp suất thông qua tổ hợp các dạng tải như kéo, nén, cắt, uốn và áp lực tiếp xúc, tùy cấu tạo thực tế.
Cuối cùng lực được khép kín qua chốt bản lề, tạo thành một vòng truyền lực nội bộ.

Nhờ vậy:

Lực đẩy áp suất không truyền về điểm cố định.
Do lực đẩy áp suất đã được cơ cấu bản lề khống chế, điểm cố định chính không phải chịu thành phần lực đẩy áp suất của khớp theo cách xảy ra đối với khớp không có cơ cấu khống chế lực. Tuy nhiên, điểm cố định, gối dẫn hướng, gối đỡ và đầu nối thiết bị vẫn phải được kiểm tra đối với các phản lực do biến dạng của bellows, trọng lượng, ma sát, tải nhiệt, tải động và các tải trọng bên ngoài khác.
Bellows vẫn chịu ứng suất do áp suất và biến dạng của các nếp sóng. Cơ cấu bản lề có nhiệm vụ hạn chế chuyển vị dọc trục tổng thể do lực đẩy áp suất và định hướng khớp làm việc chủ yếu theo chuyển vị góc đã thiết kế.

Đây chính là ưu điểm nổi bật giúp khớp giãn nở bản lề được sử dụng trong các hệ thống có áp suất cao và đường kính lớn.

3.4. Lợi ích của cơ cấu truyền lực qua bản lề

Nhờ cơ cấu truyền lực đặc biệt này, khớp giãn nở bản lề mang lại nhiều lợi ích:

Giảm thành phần tải do lực đẩy áp suất mà điểm cố định chính phải cân bằng so với trường hợp sử dụng khớp giãn nở không có cơ cấu khống chế lực, từ đó có thể giảm yêu cầu tải trọng thiết kế đối với điểm cố định và kết cấu liên quan, tùy thuộc vào cấu hình hệ thống và kết quả phân tích đường ống.
Góp phần kiểm soát tải truyền đến đầu nối của bơm, tua-bin, bình áp lực, bộ trao đổi nhiệt và các thiết bị liên quan khi hệ thống được bố trí và phân tích đúng.
Cho phép bellows làm việc theo chuyển vị góc đã xác định, góp phần hạn chế các chuyển vị ngoài chức năng thiết kế khi hệ thống được bố trí đúng.
Nâng cao độ an toàn của hệ thống, đặc biệt trong các đường ống hơi, dầu nóng và hóa chất có áp suất cao.
Cho phép thiết kế hệ thống đường ống gọn hơn, giảm yêu cầu về kích thước và khả năng chịu lực của điểm cố định.

3.5. Ví dụ ứng dụng thực tế

Giả sử một khớp giãn nở DN600 có áp suất làm việc P = 25 bar (2,5 x 10⁶ Pa) và diện tích hữu hiệu của ống sóng do nhà sản xuất xác định A_e = 0,30 m²(Giá trị A_e=0,30m² chỉ là số liệu giả định phục vụ minh họa. Khi tính toán thực tế phải sử dụng diện tích hữu hiệu của ống sóng do nhà sản xuất hoặc kết quả thiết kế xác định).

Khi đó lực đẩy áp suất: F_p = P x A_e= 2,5 x 10⁶ x 0,30 = 750 kN » 75 tấn lực

Nếu sử dụng khớp giãn nở không có cơ cấu khống chế lực đẩy, lực 750 kN này phải được hệ thống giữ đường ống và điểm cố định chính cân bằng cùng với các tải trọng khác.

Khi sử dụng khớp giãn nở bản lề, cơ cấu bản lề được thiết kế để khống chế lực đẩy này và truyền tải giữa hai đầu khớp. Tuy nhiên, phản lực do chuyển vị góc và các tải trọng khác vẫn phải được đưa vào phân tích đường ống.

4. Kết luận

Đặc trưng của khớp giãn nở bản lề nằm ở sự phối hợp chức năng giữa bellows kim loại và cơ cấu bản lề. Bellows kim loại thực hiện biến dạng đàn hồi để hấp thụ chuyển vị góc và đồng thời duy trì biên kín chịu áp của hệ thống. Cơ cấu bản lề định hướng chuyển động của khớp quanh trục chốt bản lề, hạn chế chuyển vị dọc trục và chịu, truyền lực đẩy do áp suất giữa hai đầu khớp. Vì vậy khớp giãn nở bản lề đặc biệt phù hợp với các hệ thống được thiết kế để chuyển chuyển vị của tuyến ống thành chuyển động góc tại vị trí khớp.
Bellows kim loại rất nhạy với chuyển vị xoắn. Khớp giãn nở bản lề không được sử dụng để hấp thụ xoắn quanh trục ống trừ khi được thiết kế và đánh giá riêng cho trường hợp đó. Việc bố trí sai phương trục bản lề có thể làm phát sinh xoắn không mong muốn lên bellows.
Khi bellows bị uốn theo chuyển vị góc, nó sinh ra mô-men phản lực. Mô-men này phải được đưa vào phân tích đường ống và kiểm tra đối với đường ống, gối đỡ, điểm cố định và đầu nối thiết bị.
Khi thiết kế và kiểm tra khớp giãn nở cần xem xét các trường hợp tải phù hợp với dự án như: điều kiện thiết kế, vận hành bình thường, khởi động – dừng máy, thử áp, tải bất thường và các tải trọng ngắn hạn hoặc ngoại lực khác.

5. Cơ sở tiêu chuẩn thiết kế

Khớp giãn nở kim loại phải được lựa chọn, thiết kế, chế tạo và kiểm tra theo tiêu chuẩn hoặc quy phạm áp dụng của dự án. Các tài liệu thường được tham chiếu gồm EJMA, EN 14917 và các quy phạm đường ống như ASME B31.3 hoặc ASME B31.1 khi hệ thống thuộc phạm vi áp dụng tương ứng.