Khớp giãn nở là gì?

Khớp giãn nở là gì? (Expansion joint)còn được gọi là bộ bù, khớp giãn nở ống hoặc thiết bị giãn nở, là các thiết bị kết nối được sử dụng để hấp thụ sự biến dạng của hệ thống đường ống do sự giãn nở và co lạ i nhiệt, rung động và thay đổi địa chất. Chúng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống đường ống để sưởi ấm, hóa chất và cấp nước.

Các chức năng chính của nó bao gồm bù cho các dịch chuyển dọc trục, ngang và góc, giảm ứng suất thành ống và tác động của rung động thiết bị. Các cấu trúc phổ biến được chia thành loại ống lượn sóng, loại ống lồng và loại uốn cong: loại ống lượn sóng đạt được sự bù nhỏ gọn thông qua cấu trúc lượn sóng bằng kim loại và cần được sử dụng kết hợp với thanh giằng bảo vệ; loại ống lồng sử dụng sự trượt dọc trục của ống trong và ngoài để giảm sức cản ma sát; loại uốn cong sử dụng thiết kế hình chữ U, có độ bền cao nhưng chiếm không gian lớn.

Thiết bị được phân loại thành hai loại theo vật liệu: kim loại và cao su. Loại kim loại có khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất cao, thích hợp cho đường ống dẫn hơi nước và khí. Loại cao su có khả năng bù dịch chuyển đa hướng, chống ăn mòn và có thể giảm rung động và tiếng ồn.

Các khớp giãn nở phi kim loại (chẳng hạn như loại vải sợi) có cả đặc tính hấp thụ âm thanh và chống ăn mòn, và phù hợp với ống dẫn khí nóng. Khi lựa chọn mô hình, cần xem xét các đặc điểm của môi chất, mức áp suất và điều kiện lắp đặt. Các phương pháp kết nối bao gồm mặt bích và hàn. Việc lắp đặt yêu cầu cấu hình các giá đỡ dẫn hướng để cân bằng lực đẩy.

Giới thiệu chung về khớp giãn nở

Khớp giãn nở được sử dụng nhằm thực hiện các chức năng chính sau: Bù và hấp thụ các biến dạng phát sinh do sự giãn nở và co ngót của đường ống khi chịu tác động của nhiệt độ, bao gồm biến dạng theo phương trục, phương ngang và phương góc. Hấp thụ rung động từ thiết bị, từ đó làm giảm ảnh hưởng và tải trọng rung truyền sang hệ thống đường ống. Giảm thiểu các biến dạng của đường ống do tác động của động đất hoặc hiện tượng sụt lún nền đất.

Trong quá trình vận hành, sự thay đổi nhiệt độ của đường ống sẽ gây ra hiện tượng giãn nở hoặc co lại, từ đó sinh ra ứng suất và lực đẩy tác động trực tiếp lên thành ống. Mức độ ứng suất này ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của đường ống. Khi lực đẩy tăng cao, các giá đỡ cố định của hệ thống buộc phải được thiết kế với kích thước và độ bền lớn hơn để chịu được tải trọng sinh ra. Vì vậy, việc lắp đặt khớp giãn nở là giải pháp hiệu quả nhằm bù lại sự thay đổi khe hở, qua đó làm giảm ứng suất và lực đẩy tác động lên thành ống.

Về cơ bản, khớp giãn nở được sử dụng để bù sự thay đổi chiều dài của đường ống do biến thiên nhiệt độ, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lắp đặt, căn chỉnh và hiệu chỉnh hệ thống đường ống. Dựa trên đặc điểm cấu tạo, khớp giãn nở thường được chia thành ba dạng chính: khớp giãn nở dạng uốn cong, khớp giãn nở dạng ống lượn sóng và khớp giãn nở dạng ống lồng.

Khớp giãn nở dạng uốn cong được tạo hình bằng cách uốn đường ống thành dạng chữ U hoặc các hình dạng tương tự, tận dụng khả năng biến dạng đàn hồi của hình dạng uốn để bù lại sự thay đổi chiều dài. Loại khớp này có ưu điểm là độ bền cao, tuổi thọ dài và có thể gia công trực tiếp tại công trường. Tuy nhiên, nhược điểm là chiếm nhiều không gian lắp đặt, tiêu tốn vật liệu thép và tạo ra lực ma sát lớn. Dạng khớp giãn nở này thường được sử dụng trong các hệ thống đường ống dài, đặc biệt là đường ống dẫn hơi.

Khớp giãn nở dạng ống lượn sóng được chế tạo từ ống kim loại có cấu trúc gợn sóng, cho phép giãn nở và co lại theo phương trục, đồng thời có khả năng uốn cong ở mức độ nhất định. Loại khớp này thường được sử dụng để bù chiều dài trục trong hệ thống đường ống. Để tránh hiện tượng bù vượt quá giới hạn cho phép, các thanh giằng hoặc vòng bảo vệ thường được lắp đặt ở hai đầu ống lượn sóng, kết hợp với các giá đỡ dẫn hướng trên đường ống liên kết. Ngoài ra, còn có các loại khớp giãn nở dạng góc và dạng ngang, được sử dụng để bù biến dạng góc và biến dạng ngang. Ưu điểm của khớp giãn nở ống lượn sóng là tiết kiệm không gian, giảm lượng vật liệu sử dụng và dễ dàng tiêu chuẩn hóa để sản xuất hàng loạt; nhược điểm là tuổi thọ thường thấp hơn so với khớp dạng uốn. Loại khớp này chủ yếu được ứng dụng trong các đường ống có áp suất và nhiệt độ trung bình hoặc thấp, với chiều dài tương đối ngắn. Nhờ sự phát triển của công nghệ chế tạo ống lượn sóng, phạm vi ứng dụng của loại khớp này ngày càng được mở rộng.

Khớp giãn nở dạng ống lồng bao gồm một ống trong và một ống ngoài có khả năng trượt tương đối với nhau theo phương trục. Giữa hai ống được bố trí vòng đệm làm kín để đảm bảo độ kín trong quá trình vận hành. Khi làm việc, hai đầu ống chỉ dịch chuyển dọc theo cùng một trục, do đó cần lắp đặt các giá đỡ dẫn hướng ở cả hai đầu khớp giãn nở. Ưu điểm của loại khớp này là cấu trúc gọn, lực cản đối với dòng chảy nhỏ; tuy nhiên, nhược điểm là khả năng làm kín không cao và lực đẩy tác động lên các giá đỡ cố định tương đối lớn. Khớp giãn nở dạng ống lồng thường được sử dụng trong các hệ thống đường ống dẫn nước và đường ống dẫn hơi có áp suất thấp.

Phương pháp lựa chọn khớp giãn nở

Khi lựa chọn và mua khớp giãn nở cho hệ thống đường ống, việc tuân thủ đúng các thông số kỹ thuật do bộ phận thiết kế cung cấp là hết sức quan trọng. Các thông số cần cung cấp cho nhà sản xuất tại thời điểm đặt hàng bao gồm:

Áp suất làm việc và đường kính danh nghĩa của ống: Đây là các thông số cơ bản giúp xác định loại khớp giãn nở phù hợp với đường ống.

Chi tiết lắp đặt đường ống: Bao gồm thông tin về các đoạn đường ống trên không, ngầm và các vị trí cần lắp đặt khớp giãn nở.

Lượng giãn nở và co ngót cần bù: Còn được gọi là lượng bù trừ của khớp giãn nở, thông số này xác định khả năng hấp thụ biến dạng của đường ống trong quá trình vận hành.

Phương pháp kết nối giữa đường ống và khớp giãn nở: Có thể là kết nối bằng mặt bích hoặc hàn.

Nhiệt độ làm việc và tính chất môi chất trung bình: Thông số này giúp nhà sản xuất chọn vật liệu và cấu trúc khớp phù hợp.

Trong trường hợp lượng bù trừ không thể xác định trực tiếp, cần cung cấp cho nhà sản xuất thông tin chi tiết về đường ống dẫn chất lỏng hoặc khí để họ tiến hành tính toán và xác định chính xác khả năng giãn nở cần thiết của khớp nối.

Cấu tạo một phần của hệ thống khớp giãn nở

Việc thiết kế giá đỡ hợp lý trong hệ thống đường ống là rất quan trọng để đảm bảo các khớp giãn nở dạng ống xếp hoạt động đúng chức năng. Tùy thuộc vào loại khớp giãn nở ống xếp, yêu cầu đối với giá đỡ cũng khác nhau.

Hỗ trợ cố định chính. Một neo chính được lắp đặt trên hệ thống đường ống có một hoặc nhiều khớp giãn nở dạng ống xếp không bị hạn chế. Neo này phải chịu được toàn bộ lực và mômen tác động từ các đoạn ống kết nối, bao gồm:

• Lực đẩy áp suất (lực mặt bích kín) do áp suất bên trong đường ống sinh ra.
• Lực và mômen cần thiết để khớp giãn nở đạt độ dịch chuyển định mức.
• Lực ma sát từ các giá đỡ dẫn hướng điều chỉnh và định hướng.
• Trọng lượng của đường ống và môi chất bên trong.
• Lực tác động của dòng chất lỏng khi vận hành.
• Neo chính cần được lắp đặt trong các trường hợp sau:
• Đầu bịt của đường ống.
• Khi hướng dòng chảy thay đổi.
• Tại nhánh ống.
• Điểm thay đổi đường kính ống, hoặc tại các van đóng/van giảm áp giữa hai khớp giãn nở dạng ống xếp.

Hỗ trợ cố định thứ cấp

• Các giá đỡ cố định thứ cấp (neo chữ I) chịu tất cả các tải trọng ngoại trừ lực đẩy áp suất.
• Trong các đoạn ống thẳng dài, giá đỡ thứ cấp giúp chia đoạn ống thành các đoạn ngắn hơn, đảm bảo mỗi đoạn chỉ có một khớp giãn nở ống xếp. Điều này giúp khớp giãn nở hoạt động hiệu quả và tránh ứng suất hoặc lực đẩy vượt mức.

Chức năng của khớp giãn nở

• Để bù đắp và hấp thụ sự biến dạng do giãn nở và co lại gây ra bởi sự gia nhiệt theo trục, theo chiều ngang và theo góc của đường ống.
• Hấp thụ độ rung của thiết bị và giảm tác động của nó lên đường ống.
• Hấp thụ sự biến dạng của đường ống do động đất và sụt lún đất gây ra.
• Do sự giãn nở và co lại nhiệt của đường ống , ứng suất và lực đẩy được tạo ra trên thành ống. Độ lớn của ứng suất trên thành ống ảnh hưởng đến độ bền của đường ống. Nếu lực đẩy tăng lên, các giá đỡ cố định của đường ống cần được làm lớn hơn để chịu được lực đẩy sinh ra do sự giãn nở và co lại của đường ống. Do đó, khớp giãn nở được sử dụng để bù đắp cho sự thay đổi về khe hở nhằm giảm ứng suất và lực đẩy trên thành ống.

Ứng dụng thực tiễn của khớp giãn nở

Khớp giãn nở trong đường ống dẫn khí

• Các đường ống dẫn khí, đặc biệt là trong thiết bị khí hóa và lò nung khép kín, phải chịu sự giãn nở và co lại đáng kể do nhiệt lượng sinh ra từ chính khí. Khi nhiệt độ khí thay đổi, mức giãn nở và co lại có thể rất lớn.
• Việc lắp đặt khớp giãn nở là cần thiết để:
• Giảm ứng suất trên thành ống.
• Giảm lực căng do sự biến dạng nhiệt gây ra.
• Trong một số trường hợp, đối với khí lạnh, các thiết bị giãn nở và khớp giãn nở được bố trí trên các đường ống nằm xa đường dây truyền tải để giảm lực đẩy và kéo do giãn nở và co lại nhiệt.