Khi thiết kế hệ thống đường ống có lắp khớp bù trừ giãn nở dọc trục, cần lưu ý những điểm sau:

1. Lập kế hoạch hệ thống và lắp đặt khớp giãn nở trục
2. Lập kế hoạch vị trí điểm cố định và đường dẫn ống
3. Tính toán sự giãn nở nhiệt của đường ống
4. Kéo nguội các khớp giãn nở trục
5. Tính toán lực tác dụng lên các điểm cố định

1.Lập kế hoạch hệ thống và lắp đặt khớp giãn nở trục

Mục đích của việc lắp đặt khớp giãn nở là để hấp thụ sự giãn nở nhiệt của đường ống. Thông thường, nhiệt độ của môi chất dòng chảy là nguồn chính gây ra sự thay đổi kích thước, nhưng trong trường hợp đặc biệt, nhiệt độ môi trường xung quanh cũng có thể gây ra sự giãn nở nhiệt.

 

Hình 1: Khớp giãn nở trục tại điểm cố định trên đường ống thẳng

 

Hình 2: Khớp giãn nở trục ở giữa đường ống thẳng 

 

Hình 3: Khớp giãn nở trục trong đoạn thẳng của đường ống hình chữ "Z".

 

Hình 4: Khớp giãn nở trục trong đường ống hình chữ "T".

2. Lập kế hoạch vị trí điểm cố định và gối dẫn hướng ống

Mục đích của các điểm cố định là để chia hệ thống đường ống thành các đoạn giãn nở riêng biệt. Hơn nữa, chức năng của các điểm cố định ống là để hạn chế và kiểm soát lượng chuyển động giữa các điểm cố định.

Các điểm cố định ống phải được thiết kế để chịu được tất cả các lực tác động lên chúng.

Các ống dẫn hướng đảm bảo sự thẳng hàng thích hợp của chuyển động đến khớp giãn nở và ngăn ngừa hiện tượng cong vênh của đường ống. Độ linh hoạt của khớp giãn nở kết hợp với tải trọng áp suất bên trong cũng có thể gây ra hiện tượng cong vênh. Khuyến nghị chung là đặt khớp giãn nở trục gần gối cố định.

Ống dẫn hướng (gối trượt) đầu tiên nên được đặt cách khớp giãn nở tối đa 4 đường kính ống (L₁). Khoảng cách (L₂) giữa ống dẫn hướng thứ nhất và thứ hai là 14 lần đường kính ống. Khoảng cách tối đa (L_g) được khuyến nghị của các ống dẫn hướng (gối trượt) khác được thể hiện trong biểu đồ Hình 6:

Hình 5: Sơ đồ bố trí thanh dẫn hướng (gối trượt) và khớp giãn nở trục

Hình 6: Biểu đồ xác định khoảng cách tối đa giữa các gối trượt dẫn hướng

Trong đó:

DN (Diameter Nominal): đường kính danh nghĩa của ống (mm)

PN (Pressure Nominal): Áp suất làm việc tối đa (bar)

L_g (Length guide): khoảng cách giữa các bộ phận dẫn hướng (gối đỡ trượt)

•   Áp suất càng cao → Lg càng nhỏ
•   Vì hệ thống cần đỡ chắc hơn, tránh rung/biến dạng

Công thức bên phải biểu đồ:   Lg = K × DN^0.7

Biểu đồ hình 6 dùng để:

 

**Bố trí gối đỡ ống

• Khoảng cách giữa các gối đỡ
• Tránh võng ống

 **Lắp khớp giãn nở

• Đặt đúng vị trí để:
  • Giãn nở đúng hướng
  • Không phá hỏng bellows

**Thiết kế hệ thống đường ống:

• Hơi nóng
• Nước nóng
• Dầu
• Hóa chất

• Cách tra giá trị L_g trên biểu đồ

1. Bước 1: Xác định DN của ống
2. Bước 2: Chọn đường PN tương ứng
3. Bước 3:  Dò lên đồ thị → đọc giá trị Lg

• Ví dụ thực tế

• Ống: DN100
• Áp suất làm việc lớn nhất 16 bars: PN16

Tra biểu đồ: Tại giá trị DN100, dóng thẳng đứng tới điểm giao đường PN16, sau đó dóng ngang trái, tới điểm cắt trục tung (Lg) tại giá trị 7, có nghĩa là xác định được: Lg ≈ 7 m

►Hoặc tính nhanh bằng công thức:  Lg = K × DN^0.7   

K = hệ số thực nghiệm theo PN, được xây dựng từ:

• Thử nghiệm thực tế (test rung, ổn định)
• Tiêu chuẩn thiết kế đường ống (EJMA, DIN, guideline hãng)
• Điều kiện an toàn (buckling, lateral instability)

Bảng hệ số K và công thức tính khoảng cách Lg giữa các gối trượt dẫn hướng tương ứng với áp suất làm việc lớn nhất (PN)

Vì dụ: Ống: DN100, áp suất làm việc lớn nhất 16 bars: PN16

               Lg = 0.257 × (100)^0.7    ≈ 0.257 × 25.1    ≈ 6.45 m  Þ  Gần đúng với biểu đồ

3. Tính toán sự giãn nở nhiệt của đường ống

Sự tăng nhiệt độ của đường ống từ nhiệt độ môi trường lên nhiệt độ làm việc sẽ gây ra sự giãn nở nhiệt làm thay đổi chiều dài của ống.

Kích thước của một chi tiết là hoàn toàn phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ của chính nó. Có nghĩa là chiều dài của 1 chi tiết có giá trị L_o tại t₀ = ⁰C và khi nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp thì chi tiết sẽ có giá trị chiều dài L₁ tại giá trị t₁ = ⁰C.

Khi chi tiết chịu ảnh hưởng nhiệt độ tăng lên thì chiều dài L ₀ tại t₀⁰C sẽ thay đổi đến giá trị L₁ tại t₁⁰C

Công thức tính đoạn giãn nở dài (∆L) do đường ống nhiệt độ ban đầu t₀ tăng đến nhiệt độ làm việc t₁

Chiều dài L₁ tại t₁⁰C được xác định bởi công thức

                                          

                               

Trong đó:

ΔL (L₁ – L₀): độ giãn nở của ống [mm]

L: chiều dài của ống [m]

Δt (t₁ - t₀): chênh lệch giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ hoạt động [°C]

α: hệ số giãn nở nhiệt trung bình [mm/m°C x 10 ^-3]

Bảng hệ số giãn nở nhiệt trung bình α [mm/m°C x 10 ^-3 ]

Hệ số giãn nở nhiệt trung bình α được lấy từ các tiêu chuẩn vật liệu kim loại quốc tế: ASTM E228 , ASTM A240, ASTM A312, DIN EN 10088, ASME B31.3

Ví dụ: Chiều dài của ống thép cacbon L₀ = 50 m, dùng để vận chuyển nước nóng có t₁ = 90 °C.

Nhiệt độ lắp đặt ban đầu t₀ = 20°C.

Hệ số α trong khoảng nhiệt độ 20 – 100 °C = 12,5 x 10 ^-3 mm/m°C

            ΔL = L₀ x Δt x α  = 50 x 70 x 12,5 x 10 ^-3 = 43,75 mm

4. Kéo nguội các khớp giãn nở trục

Trong thiết kế khớp giãn nở trục (Axial Expansion Joint), “kéo nguội (Cold Pull / Cold Spring)” là một kỹ thuật cực kỳ quan trọng nhưng rất nhiều hệ thống thực tế lại bỏ qua → dẫn đến giảm tuổi thọ bellows, tăng ứng suất và dễ hỏng sớm.

Kéo nguội là lắp đặt khớp giãn nở ở trạng thái đã bị kéo hoặc nén trước một phần so với chiều dài tự nhiên.

1. Mục đích của kéo nguội

     1. Giảm ứng suất nhiệt lên khớp giãn nở

• Khi hệ thống nóng lên → ống giãn dài
• Nếu không kéo nguội → toàn bộ giãn nở dồn vào bellows → gây mỏi kim loại (fatigue)

⇒ Kéo nguội giúp:

• “chia đều” biến dạng
• giảm biên độ làm việc của bellows

       2. Tăng tuổi thọ khớp giãn nở

• Bellows làm việc theo chu kỳ co giãn
• Biên độ càng lớn → tuổi thọ càng giảm (theo đường cong mỏi của kim loại)

Kéo nguội giúp giảm:

• Stroke làm việc thực tế
• Số chu kỳ phá hủy

     3. Giảm lực tác động lên hệ thống neo (Gối đỡ cố định)

• Khi không kéo nguội:
  • lực phản lực = lực giãn nở lớn → lực tác động này sẽ dồn vào các gối đỡ cố định

⇒ Khi kéo nguội:  lực phân bố đều hơn ® giảm tải cho giá đỡ & thiết bị

      4. Tối ưu hướng làm việc (đặc biệt với hệ nóng)

• Ví dụ hệ thống hơi nóng:
  • 90% thời gian ở trạng thái nóng
    ⇒ Kéo nguội để bellows làm việc quanh vị trí trung hòa

2. Phương pháp kéo nguội

Có 2 phương pháp chính trong thực tế:

Phương pháp 1: Kéo nguội đối xứng (50%)

Nguyên tắc: Kéo trước 50% độ giãn nở nhiệt dự kiến

⇒ Khi vận hành: 50% còn lại sẽ xảy ra tự nhiên

Phương pháp 2: Kéo nguội theo hướng làm việc

Áp dụng khi lắp đặt trong hệ thống chủ yếu nóng hoặc lạnh

Ví dụ:

• Đường ống hơi nóng → kéo nguội theo hướng nén trước
• Môi trường đông lạnh→ kéo nguội theo hướng kéo trước

Phương pháp thi công:

• Lắp đặt khớp ngắn hơn/kéo dài hơn thiết kế
• Dùng:
  • Ty ren điều chỉnh
  • Kích cơ khí

Sau đó cố định mặt bích

Lưu ý:

• Không được xoắn bellows
• Không được kéo vượt quá hành trình cho phép

3. Công thức tính kéo nguội

Bước 1: Tính giãn nở nhiệt đường ống

                 

Trong đó:

• ΔL: độ giãn nở (mm)
• α: hệ số giãn nở
• L: chiều dài ống (mm)
• ΔT: chênh lệch nhiệt độ (°C)

Bước 2: Tính chiều dài kéo nguội

Công thức:          L_kn  = k⋅ΔL

Trong đó:

• k (hệ số kéo nguội) = 0.3 ÷ 0.7 (thực tế thường dùng 0.5)

(k = Biến dạng kéo nguội/Tổng giãn nở nhiệt)

• ΔL: giãn nở tính toán

4. Ví dụ cụ thể

Bài toán:

• Ống inox 304 dài: L = 20 m
• Nhiệt độ:
  • Lắp đặt: 30°C
  • Vận hành: 200°C      → ΔT = 170°C

Bước 1: Tính giãn nở

ΔL = α x L x ΔT = 17×10^-6×20000 (mm)×170 = 57.8mm » 58 mm

Bước 2: Tính kéo nguội (50%)

L_kn  = k⋅ΔL  ​= 0.5 × 58 = 29mm

Kết luận:

⇒ Khi lắp đặt:

• Phải kéo nguội ~29 mm

⇒ Khi vận hành:

• Bellows chỉ làm việc ± 29 mm
  → thay vì toàn bộ 58 mm

5. Kéo nguội trong trường hợp nhiệt độ lắp đặt (t_lđ) , nhiệt độ làm việc tối thiểu (t_min)  và nhiệt độ làm việc tối đa (t_max) khác nhau.

Chuyển động dọc trục của các khớp giãn nở dọc trục thường được biểu thị bằng sự nén (-Δ _ax /2) và giãn nở (+Δ _ax /2) với mỗi chiều bằng một nửa chiều dài đoạn giãn nở. Tuổi thọ sử dụng lâu nhất đạt được bằng cách khai thác sự dịch chuyển dọc trục theo cả hai hướng. Để tận dụng tối đa khả năng của ống xếp, khớp giãn nở nên được lắp đặt theo phương pháp kéo nguội.

Lượng kéo nguội:

Hình 7: Độ dài kéo nguội (H_p), chiều dài lắp đặt (L) và chiều dài tự do (L₀)

Khớp giãn nở trục phải luôn được kéo nguội ngược chiều chuyển động làm việc và được lắp đặt ở trạng thái nguội này. Lượng kéo nguội phụ thuộc vào nhiệt độ lắp đặt.

5. Tính toán lực tác dụng lên các điểm cố định

Nếu bạn đang:

• Thiết kế hệ thống đường ống
• Gặp vấn đề rung, nứt, rò rỉ
• Cần chọn đúng ống mềm inox

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.

CÔNG TY TNHH SX - TM & DV DÂN ĐẠT

►Hotline: 0862.618.918

►Email: dandatflex@gmail.com

►Website: https://dandat.com.vn