Khớp giãn nở bản lề ( phần 3 )

Ngày đăng: 05-09-2026 08:16:55 Lượt xem: 1

Khớp giãn nở bản lề

Phần 3: Các sơ đồ bố trí điển hình khi sử dụng khớp giãn nở bản lề

Khớp giãn nở bản lề (Hinged Expansion Joint) là khớp giãn nở kim loại được trang bị cơ cấu bản lề nhằm kiểm soát chuyển động của hai đầu khớp, cho phép chuyển vị góc chủ yếu trong một mặt phẳng xác định. Khi hai đầu khớp quay tương đối với nhau, ống sóng kim loại (bellows) biến dạng uốn để hấp thụ chuyển vị góc.

Cơ cấu bản lề đồng thời được thiết kế để tiếp nhận và truyền lực đẩy do áp suất tác dụng lên diện tích hữu hiệu của bellows. Vì vậy, khớp giãn nở bản lề không được sử dụng như khớp giãn nở dọc trục thông thường mà thường được bố trí theo hệ hai, ba hoặc nhiều khớp để chuyển chuyển vị nhiệt của hệ thống đường ống thành các chuyển vị góc có kiểm soát tại từng khớp.

1. Sơ đồ bố trí một khớp giãn nở bản lề đơn trên 1 đoạn ống ngang.

Khớp được bố trí tại vị trí mà hai đầu đường ống cần có chuyển động quay tương đối trong một mặt phẳng xác định. Trục chốt bản lề phải vuông góc với mặt phẳng chuyển động góc cần hấp thụ.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý bố trí một khớp giãn nở bản lề đơn trên đoạn ống ngang

Nguyên lý làm việc: Khi đường ống dịch chuyển, hai đầu khớp tạo với nhau một góc θ. Bellows biến dạng uốn trong khi cơ cấu bản lề kiểm soát hướng chuyển động.

Có thể hình dung: Ống → Khớp giãn nở bản lề → Ống (với: θ = góc quay của khớp)

Khớp đơn phù hợp khi hệ thống đã có hình học đường ống cho phép chuyển vị được chuyển thành chuyển vị góc tại đúng vị trí của khớp.

Điểm đặc biệt cần lưu ý là một khớp giãn nở bản lề đơn không được sử dụng như khớp giãn nở dọc trục thông thường. Cơ cấu bản lề khống chế chuyển động dọc trục tương đối giữa hai đầu khớp, vì vậy bellows được thiết kế chủ yếu để hấp thụ chuyển vị góc trong mặt phẳng quay của bản lề.

2. Sơ đồ bố trí hai khớp bản lề đơn nối tiếp

Đây là một trong những cấu hình quan trọng nhất của khớp giãn nở bản lề. Hai khớp bản lề được đặt cách nhau một khoảng L, với trục bản lề của hai khớp song song nhau.

Hình 2. Sơ đồ minh họa bố trí hai khớp giãn nở bản lề đơn nối tiếp

Trong đó:

H1, H2: Hinged Expansion Joint.
L1: khoảng cách hiệu dụng giữa tâm quay của hai khớp bản lề.
L: Khoảng cách giữa 2 đầu kết nối của khớp.
Hai trục chốt bản lề phải song song.
H1 và H2 quay ngược chiều nhau.

Đoạn ống trung gian giữa H1 và H2 đóng vai trò như một liên kết cứng, trong khi chuyển vị của hệ được tạo ra chủ yếu nhờ chuyển động quay tại hai khớp bản lề.

Hai khớp kết hợp với đoạn ống trung gian (L) có thể hấp thụ chuyển vị ngang theo nguyên lý tương tự một khớp giãn nở đa năng nhưng chuyển động được giới hạn trong một mặt phẳng.

3. Sơ đồ bố trí hai khớp giãn nở bản lề để hấp thụ chuyển vị tương đối giữa thiết bị và đường ống

Đây là cấu hình rất hữu ích khi hai đường ống hoặc hai điểm kết nối có chuyển vị tương đối.

Ví dụ điển hình:

Bình chứa ↔ đường ống;
Nồi hơi ↔ đường ống;
Ống dẫn tuabin ↔ đường ống;
Lò đốt ↔ ống dẫn;
Hai thiết bị có mức giãn nở nhiệt khác nhau.

Hình 3. Sơ đồ bố trí hai khớp giãn nở bản lề để hấp thụ chuyển vị tương đối giữa bình chứa và đường ống

Khi thiết bị và đường ống giãn nở khác nhau, hai khớp H1 và H2 quay ngược chiều để cho phép đoạn ống giữa chúng thay đổi vị trí.

Sơ đồ hình 3 mô tả cho trường hợp hấp thụ sự chênh lệch về độ giãn nở theo phương thẳng đứng giữa bình chứa và ống đứng;

Lưu ý: Hệ thống dẫn hướng phải được bố trí phù hợp để duy trì chuyển động của tuyến ống trong mặt phẳng thiết kế và hạn chế các chuyển vị ngoài mặt phẳng tác dụng lên khớp bản lề.

Điểm thiết kế cần chú ý

Hai khớp giãn nở bản lề phải được định hướng chính xác theo mặt phẳng chuyển động dự kiến.

Nếu xuất hiện chuyển vị đáng kể theo phương vuông góc với mặt phẳng thiết kế, khớp có thể bị cưỡng bức chịu tải ngoài mặt phẳng hoặc xoắn ngoài chức năng thiết kế. Đây là trạng thái cần tránh.

Hình 4. Sơ đồ biến dạng của hệ hai khớp giãn nở bản lề

4. Sơ đồ bố trí hệ ba khớp giãn nở bản lề dạng U

Đây là cấu hình đặc biệt hiệu quả để hấp thụ giãn nở nhiệt lớn của tuyến ống dài khi hình học tuyến ống và hướng chuyển vị phù hợp với mặt phẳng quay của các khớp.

Thay vì sử dụng một vòng giãn nở ống truyền thống rất lớn, có thể bố trí ba khớp giãn nở bản lề tại khu vực đổi hướng.

Hình 5. Sơ đồ minh họa bố trí ba khớp giãn nở bản lề đơn trên đoạn ống U

Hình 6. Sơ đồ minh họa chuyển vị của đường ống bố trí ba khớp giãn nở bản lề đơn

Khi hai đoạn ống chính giãn nở về phía loop, ba khớp thực hiện các chuyển động góc phối hợp với nhau.

Nhờ hình học của hệ thống, chuyển vị nhiệt của các đoạn ống được chuyển thành các chuyển vị góc tại ba khớp, thay vì yêu cầu bellows hấp thụ chuyển vị đó như chuyển vị dọc trục.

Cấu hình này có thể giúp giảm không gian bố trí của vòng giãn nở so với một vòng ống cứng truyền thống được thiết kế cho cùng yêu cầu chuyển vị; kích thước thực tế phải được xác định bằng phân tích độ linh hoạt của hệ thống đường ống.

5. Sơ đồ hệ bốn khớp giãn nở bản lề

Đối với hệ thống có chuyển vị lớn hơn hoặc cần tạo một vùng đường ống có độ linh hoạt cao, có thể sử dụng bốn khớp giãn nở bản lề.

Trong cấu hình này, các khớp giãn nở bản lề phối hợp với nhau để biến sự giãn nở nhiệt của các đoạn ống dài thành chuyển vị góc tại các bellows.

Ưu điểm của cấu hình này là cho phép phân phối chuyển động của hệ thống thành các chuyển vị góc tại nhiều khớp, nhờ đó giảm góc quay yêu cầu tại từng khớp so với một cấu hình có ít khớp hơn.

Đặc biệt phù hợp với:

Tuyến ống dài có chuyển vị nhiệt lớn;
Hệ thống cần kiểm soát chuyển động trong một mặt phẳng xác định;
Không gian bố trí yêu cầu hệ thống linh hoạt nhưng tương đối gọn;
Trường hợp cần hạn chế truyền lực đẩy áp suất của bellows sang các điểm cố định chính.ư

Hình 7. Sơ đồ minh họa nguyên lý vị trí lạnh → vị trí nóng của hệ đường ống có bốn khớp giãn nở bản lề.

6. Sơ đồ hệ khớp giãn nở bản lề thay thế vòng giãn nở truyền thống

Một ứng dụng rất đáng chú ý là sử dụng khớp giãn nở bản lề để giảm kích thước của vòng giãn nở.

Hình 8. Sơ đồ minh họa vòng ống giãn nở truyền thống

Khả năng hấp thụ giãn nở phụ thuộc vào độ mềm do uốn đàn hồi của chính đường ống.

Do đó khi đường kính ống lớn, chuyển vị nhiệt lớn hoặc yêu cầu ứng suất/tải tại thiết bị thấp, kích thước vòng giãn nở truyền thống có thể trở nên đáng kể.

Hình 9. Sơ đồ minh họa dùng khớp giãn nở bản lề thay thế vòng ống giãn nở truyền thống

Trong hệ sử dụng khớp giãn nở bản lề, chuyển vị nhiệt của tuyến ống được chuyển thành các chuyển vị góc tại bellows. Vì vậy khả năng hấp thụ chuyển vị của hệ không còn phụ thuộc hoàn toàn vào biến dạng uốn đàn hồi của các nhánh ống như đối với vòng giãn nở ống cứng truyền thống.

7. Sơ đồ bố trí điểm cố định (Anchor), gối đỡ trượt (Guide) trong hệ khớp giãn nở bản lề

Hình 10. Sơ đồ minh họa bố trí điểm cố định, gối đỡ trượt trong hệ khớp giãn nở bản lề

Đây là điểm cần phân biệt rõ giữa khớp giãn nở bản lề và khớp giãn nở dọc trục.

Đối với khớp giãn nở dọc trục không có kết cấu giữ lực đẩy áp suất, áp suất tác dụng lên diện tích hữu hiệu của bellows tạo ra lực đẩy áp suất:

F_P = P × Ae

Lực này phải được hệ thống điểm cố định và kết cấu đường ống tiếp nhận theo mô hình thiết kế của hệ thống. Trong đó:

Fp: lực đẩy do áp suất;
P: áp suất chênh tác dụng qua bellows tại trường hợp tải đang xét;
Ae: diện tích hữu hiệu của bellows.

Đối với khớp giãn nở bản lề, lực đẩy do áp suất được cơ cấu bản lề tiếp nhận và truyền qua kết cấu của khớp. Vì vậy, lực đẩy áp suất của bellows không truyền trực tiếp đến các điểm cố định chính theo cách xảy ra đối với khớp giãn nở dọc trục không được giữ lực đẩy.

Tuy nhiên, việc sử dụng khớp giãn nở bản lề không có nghĩa là có thể loại bỏ các điểm cố định, gối đỡ và bộ phận dẫn hướng của hệ thống đường ống. Các phần tử này vẫn phải được thiết kế để duy trì hình học chuyển động dự kiến và tiếp nhận các tải còn lại của hệ thống.

Điểm cố định và gối đở trượt. vẫn phải kiểm soát:

Vị trí tuyến ống;
Trọng lượng;
Lực của bellows;
Lực/mô-men đàn hồi do bellows sinh ra khi biến dạng
Tải gió;
Tải động;
Chuyển vị ngoài mặt phẳng;
Tải từ thiết bị.

8. Quy tắc hướng của chốt bản lề

Trục chốt bản lề xác định trục quay được phép của khớp; do đó nó xác định mặt phẳng chuyển động góc mà khớp có thể hấp thụ.

Nếu phân tích hệ thống đường ống xác định đường ống cần quay trong mặt phẳng X–Y thì chốt bản lề phải được bố trí theo trục thích hợp để cho phép chính chuyển động đó.

Không được xoay khớp giãn nở bản lề tùy ý trong quá trình lắp đặt.

Hình 11. Minh họa định hướng trục chốt bản lề đối với mặt phẳng chuyển động X–Y của đường ống

Trong hệ hai khớp bản lề làm việc phối hợp trong cùng một mặt phẳng, trục chốt của hai khớp phải được định hướng song song theo thiết kế. Nếu một khớp bị xoay sai hướng khi lắp đặt, hệ thống có thể cưỡng bức khớp chịu tải ngoài mặt phẳng hoặc tạo mô-men xoắn không mong muốn lên bellows.

Chuyển vị xoắn không phải là chuyển động mà khớp giãn nở thông thường được thiết kế để hấp thụ.

9. Bảng lựa chọn nhanh sơ đồ bố trí

Nếu hệ thống đường ống chuyển vị góc được xác định trong một mặt phẳng ® Sử dụng khớp giãn nở bản lề.
Nếu yêu cầu chuyển vị góc xảy ra quanh hai trục quay độc lập hoặc không thể giới hạn trong một mặt phẳng duy nhất, cần xem xét sử dụng khớp giãn nở cardan (Gimbal Expansion Joint) hoặc một hệ khớp phù hợp được xác định bằng phân tích đường ống.

10. Kết luận

Khớp giãn nở bản lề chỉ phát huy đúng chức năng khi hình học của hệ thống đường ống được thiết kế để chuyển các chuyển vị nhiệt hoặc chuyển vị tương đối của tuyến ống thành các chuyển vị góc có kiểm soát tại các khớp.
Do đó, khả năng làm việc của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào khả năng chuyển vị góc cho phép của từng bellows mà còn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các khớp, chiều dài và hướng của các nhánh ống, vị trí các điểm đổi hướng, điểm cố định, gối đỡ, bộ phận dẫn hướng và đặc biệt là hướng trục chốt bản lề.
Đối với hệ nhiều khớp bản lề, các khớp phải được xem xét như một hệ cơ học hoàn chỉnh thay vì lựa chọn từng khớp riêng lẻ. Chuyển vị, góc quay, lực, mô-men và tải tác dụng lên đường ống, thiết bị, điểm cố định và gối đỡ cần được kiểm tra bằng phân tích độ linh hoạt của hệ thống đường ống theo Code/tiêu chuẩn áp dụng của dự án.