Các loại vòng đệm chia thành hai nhóm theo chức năng: vòng đệm làm kín (gasket, sealing washer) chặn rò rỉ giữa hai bề mặt ghép, và vòng đệm cho bu lông (washer) phân bố lực siết hoặc hạn chế lỏng mối ghép. Vòng đệm tiếng Anh là washer; riêng đệm làm kín còn gọi là gasket hoặc sealing washer. Ngoài công trường, hai nhóm đều hay bị gọi chung là long đen hoặc gioăng đệm nên dễ chọn nhầm.
Các loại vòng đệm làm kín chọn theo lưu chất, nhiệt độ và áp suất; vòng đệm bu lông chọn theo cỡ, cấp bền và độ cứng bề mặt.
Các loại vòng đệm làm kín hoạt động thế nào
Vòng đệm làm kín đặt giữa hai bề mặt ghép, ví dụ giữa hai mặt bích. Khi siết bu lông, lực kẹp ép vòng đệm, buộc vật liệu đệm chảy vào các vết xước và độ nhám trên bề mặt, nhờ đó mối nối kín. Vật liệu đệm phải mềm hơn bề mặt ghép để biến dạng theo nó, nhưng đủ cứng để không bị đùn ra ngoài dưới lực siết và áp suất.
Vòng đệm làm kín khác chất làm kín ren ở chỗ nó là chi tiết rắn, ép giữa hai mặt tựa phẳng, còn chất làm kín ren là vật liệu lấp khe xoắn ốc của ren côn.
Các loại vòng đệm làm kín theo vật liệu
Theo vật liệu, các loại vòng đệm làm kín chia thành ba nhóm:
- Vòng đệm phi kim loại: sợi aramid, sợi thủy tinh, cao su, graphite, PTFE, PVC, polyamide, sợi lưu hóa. Dùng cho áp suất thấp đến trung bình, tương thích nhiều hóa chất.
- Vòng đệm bán kim loại: kim loại kết hợp vật liệu mềm, ví dụ gioăng xoắn ốc (spiral wound) và kammprofile. Chịu áp, nhiệt cao.
- Vòng đệm kim loại: đồng, nhôm, thép không gỉ. Chịu nhiệt và áp cao nhưng cần lực siết lớn hơn để biến dạng và kín.
Đệm phi kim loại phẳng cho mặt bích Mỹ thường theo ASME B16.21, mặt bích châu Âu theo EN 1514-1; gioăng xoắn ốc theo ASME B16.20.
Vòng đệm PVC
Trong các loại vòng đệm làm kín, PVC mềm, rẻ, hấp thụ rung tốt, dùng cho đường ống nhựa áp suất thấp. Dải nhiệt độ làm việc chỉ khoảng -30 °C đến 60 °C vì PVC mềm hóa khi nóng, và chất hóa dẻo trong PVC mềm di chuyển ra ngoài theo thời gian làm đệm cứng lại.
PVC không hợp với este, xeton, hydrocacbon thơm và hydrocacbon clo hóa vì các dung môi này có độ phân cực gần với PVC nên thấm vào, làm trương hoặc hòa tan mạch polymer. Với nước, axit loãng và kiềm loãng, PVC bền.
Vòng đệm PTFE
Trong các loại vòng đệm hóa chất, PTFE (Polytetrafluoroethylene) là vật liệu trơ hóa học, ma sát thấp. Tính chất chi tiết có trong bài PTFE (Teflon). Bản thân PTFE chịu nhiệt liên tục tới khoảng 260 °C và dùng được ở khoảng -200 °C; đệm PTFE nguyên chất thường bị hãng giới hạn quanh 200 °C vì chảy nguội tăng khi nóng, loại có độn tới khoảng 260 °C. Vật liệu không độc, hợp ngành thực phẩm và hóa chất.
PTFE kháng gần như mọi hóa chất vì liên kết C–F rất bền và lớp nguyên tử flo bọc kín mạch carbon; chỉ kim loại kiềm nóng chảy và flo nguyên tố phá được. Điểm yếu nằm ở cơ học: các mạch PTFE liên kết với nhau bằng lực van der Waals yếu nên trượt lên nhau dưới tải, gọi là chảy nguội (creep, cold flow). Lực siết lâu ngày ép dần đệm ra ngoài, lực kẹp giảm và mối nối có thể rò.
Để hạn chế, dùng PTFE có độn (sợi thủy tinh, silica, barium sulfate) hoặc PTFE giãn nở (expanded PTFE), và siết lại bu lông sau chu kỳ nhiệt đầu tiên theo quy trình của hãng.
Vòng đệm polyamide (nylon)
Trong các loại vòng đệm nhựa, polyamide (nylon) chịu mài mòn, chịu rung, bền kéo cao và cách điện. Dải nhiệt chỉ khoảng -40 °C đến 80 °C.
Polyamide chịu tốt dầu, mỡ và hydrocacbon vì các dung môi không phân cực này không phá được liên kết hydro giữa các nhóm amide trong mạch. Ngược lại, chính các nhóm amide hút nước nên đệm nylon hút ẩm, trương nhẹ và mềm đi, còn axit mạnh thủy phân liên kết amide làm mạch bị cắt. Phenol và axit formic hòa tan nylon.
Vòng đệm sợi lưu hóa (vulcanized fiber)
Trong các loại vòng đệm làm kín áp thấp, sợi lưu hóa là cellulose xử lý hóa học, cứng dai, dùng làm vòng đệm mỏng. Cellulose không có ái lực với hydrocacbon nên đệm bền với dầu, nhiên liệu và dung môi hữu cơ, giá thấp.
Cellulose có nhiều nhóm hydroxyl tạo liên kết hydro với nước, vì vậy sợi lưu hóa hút ẩm, trương nở trong nước và mất kích thước. Axit làm đứt mạch cellulose, kiềm đặc làm trương, nên không dùng cho áp cao, nhiệt cao hoặc axit và kiềm.
Các loại vòng đệm cao su EPDM và NBR
EPDM có mạch chính bão hòa, không còn nối đôi dễ bị oxy hóa, nên bền với ozone, thời tiết, nước nóng và hơi (khoảng -40 °C đến 120 °C, một số mác tới khoảng 150 °C). EPDM là cao su không phân cực, nên trương nở và hỏng khi gặp dầu khoáng, nhiên liệu, dung môi hydrocacbon.
NBR (cao su nitrile) có nhóm nitrile phân cực nên hầu như không bị dầu khoáng, nhiên liệu và mỡ làm trương, dải nhiệt khoảng -30 °C đến 100 °C. Mạch NBR còn nối đôi từ butadiene nên kém ozone và UV, dễ nứt khi để ngoài trời.
Vòng đệm đồng
Trong các loại vòng đệm kim loại, đồng dẻo, dễ biến dạng dưới lực siết nên vòng đệm đồng làm kín tốt ở nhiệt độ cao, thường gặp ở mối nối hơi, dầu (tham khảo tới khoảng 300 °C).
Khi bị ép, đồng biến cứng do gia công nguội (các lệch mạng tích tụ), nên vòng đã dùng không còn đủ mềm để ôm bề mặt lần sau. Muốn dùng lại phải ủ: nung tới đỏ sẫm (khoảng 600 °C) rồi để nguội hoặc nhúng nước cho đồng mềm lại.
Đồng bị amoniac và amin tấn công vì tạo phức tan trong nước, bị axit nitric oxy hóa hòa tan, và bị lưu huỳnh làm xỉn. Không dùng đồng với acetylene vì tạo acetylide đồng dễ nổ. Với đầu nối ren thẳng G, các loại vòng đệm đồng hoặc nhôm ở mặt tựa là chi tiết làm kín chính; ren không làm kín nên mặt tựa phải phẳng, sạch.
Vòng đệm nhôm
Trong các loại vòng đệm kim loại, nhôm dẻo, nhẹ, mềm hơn đồng nên làm kín với lực siết nhỏ hơn. Tham khảo làm việc trong khoảng -100 °C đến 200 °C tùy hợp kim.
Nhôm bền trong môi trường gần trung tính vì lớp oxit Al2O3 mỏng bảo vệ bề mặt. Kiềm mạnh (NaOH, KOH) hòa tan lớp oxit này rồi ăn tiếp vào kim loại, sinh khí hydro, nên không dùng nhôm với kiềm mạnh. Nhôm cũng bị ăn mòn điện hóa khi tiếp xúc đồng hoặc thép trong môi trường có điện giải, vì nhôm là anot (kim loại bị hòa tan) trong cặp đó.
Các loại vòng đệm liên hợp (bonded seal)
Vòng đệm liên hợp gồm vòng thép ngoài và môi cao su (thường NBR, loại chịu nhiệt cao dùng FKM) ép liền vào mặt trong. Vòng thép chặn hành trình siết nên cao su chỉ bị nén một lượng định trước, không bị đùn dù siết mạnh.
Trong các loại vòng đệm, loại liên hợp hay dùng cho ren thẳng G và ren hệ mét trong thủy lực, nút xả dầu, đầu nối cổng bơm. Cao su bị nén vĩnh viễn sau lần siết đầu nên thay mới khi tháo ra ở mối nối quan trọng.
| Vật liệu | Nhiệt độ tham khảo | Kháng tốt | Không hợp |
|---|---|---|---|
| PVC | -30 đến 60 °C | Nước, axit và kiềm loãng | Este, xeton, hydrocacbon thơm |
| PTFE | -200 đến 260 °C (đệm nguyên chất thường ≤ 200 °C) | Gần như mọi hóa chất | Kim loại kiềm nóng chảy, flo |
| Polyamide | -40 đến 80 °C | Dầu, mỡ, hydrocacbon | Axit mạnh, phenol |
| Sợi lưu hóa | Dưới khoảng 100 °C | Dầu, nhiên liệu, dung môi | Nước, axit, kiềm |
| EPDM | -40 đến 120 °C | Nước nóng, hơi, ozone | Dầu khoáng, nhiên liệu |
| NBR | -30 đến 100 °C | Dầu, nhiên liệu, mỡ | Ozone, UV, thời tiết |
| Đồng | Tới khoảng 300 °C | Hơi, dầu, nhiệt cao | Amoniac, axit oxy hóa, acetylene |
| Nhôm | -100 đến 200 °C | Môi trường gần trung tính | Kiềm mạnh |
Vòng đệm phẳng, vòng đệm vênh và các loại vòng đệm cho bu lông
Ở mối ghép bu lông, các loại vòng đệm không làm kín mà phân bố lực hoặc chống lỏng. Cỡ vòng đệm chọn theo đường kính thân bu lông lục giác và lỗ lắp, tra bảng kích thước ở bài liên quan.
Vòng đệm phẳng (washer, long đen)
Vòng đệm phẳng trải lực của đầu bu lông hoặc đai ốc lên diện tích rộng hơn, bảo vệ bề mặt chi tiết khi xoay đai ốc và che lỗ lớn hơn thân bu lông. Tiêu chuẩn thường dùng là ISO 7089:2000 (dòng thường, cấp sản phẩm A, thay cho DIN 125 dạng A) với hai cấp độ cứng 200 HV và 300 HV. ISO 7093 là dòng bản rộng (thay DIN 9021), đường kính ngoài khoảng 3 lần đường kính bu lông (M10 là 30 mm), dùng cho vật liệu mềm, lỗ rộng hoặc gỗ.
Ví dụ tham khảo: bu lông M10 cấp 8.8 siết ở 75 % tải thử (khoảng 25 kN), lỗ 11 mm, mặt tựa đầu bu lông đường kính khoảng 14,6 mm. Không có vòng đệm, áp suất dưới đầu bu lông khoảng 25 000 N / 72 mm² ≈ 350 MPa. Với vòng đệm ISO 7089 đường kính ngoài 20 mm, diện tích tựa lên chi tiết khoảng 219 mm², áp suất còn khoảng 115 MPa, giảm khoảng 3 lần. Phép tính giả định lực phân bố đều; vòng mỏng bị uốn nên áp suất thực ở mép trong cao hơn. Với nhôm, gỗ hoặc nhựa, mức chênh này quyết định mặt tựa có bị lún hay không.
| Cỡ ren | d1 (đường kính lỗ, danh nghĩa = min) | d2 (đường kính ngoài, danh nghĩa = max) | h (độ dày danh nghĩa) |
|---|---|---|---|
| M6 | 6,4 | 12 | 1,6 |
| M8 | 8,4 | 16 | 1,6 |
| M10 | 10,5 | 20 | 2 |
| M12 | 13 | 24 | 2,5 |
| M16 | 17 | 30 | 3 |
| M20 | 21 | 37 | 3 |
| M24 | 25 | 44 | 4 |
Độ cứng chọn theo cấp bền, theo phạm vi ISO 7089: vòng 200 HV cho bu lông tới 8.8 (đai ốc tới cấp 8), vòng 300 HV tôi và ram cho bu lông tới 10.9 (đai ốc tới cấp 10). Vòng 200 HV dưới đầu bu lông 10.9 bị lõm, làm mất lực kẹp; bu lông 12.9 nằm ngoài phạm vi tiêu chuẩn này.
Vòng đệm vênh (spring washer)
Vòng đệm vênh là vòng hở xoắn nhẹ, tạo lực đàn hồi giữa đai ốc và chi tiết. Loại phổ biến là DIN 127; tiêu chuẩn này đã bị DIN rút không thay thế (năm 2003 theo các tài liệu tiếng Đức) nhưng sản phẩm vẫn bán rộng rãi. Hiệu quả chống lỏng do rung bị đặt dấu hỏi: thử nghiệm rung ngang kiểu Junker cho thấy vòng vênh không ngăn được đai ốc xoay. Khi mối ghép chịu rung, đai ốc khóa nylon hoặc toàn kim loại giữ đai ốc tốt hơn.
Lý do: theo giáo trình Maschinenelemente (Hinzen), vòng vênh đã bị ép phẳng khi lực căng mới đạt khoảng 5 % lực xiết danh nghĩa của bu lông 8.8, sau đó chỉ còn tác dụng như vòng đệm phẳng. Khi rung làm mặt ghép trượt ngang, lực đàn hồi nhỏ của vòng không giữ được đai ốc. Vòng vênh không thay được siết bu lông đúng lực.
Các loại vòng đệm chống lỏng khác: răng, khóa nêm, côn
- Vòng đệm răng (DIN 6797, DIN 6798, cũng đã bị rút không thay thế): răng cắm vào bề mặt đai ốc và chi tiết, tăng ma sát. Răng làm xước sơn, mạ và không cắm được vào bề mặt đã tôi cứng.
- Vòng đệm khóa nêm (kiểu Nord-Lock): cặp hai vòng, mặt trong có răng bám vào đai ốc và chi tiết, mặt ngoài tiếp xúc nhau bằng cam có góc lớn hơn góc bước ren. Khi bu lông có xu hướng nới, hai vòng phải trượt trên mặt cam và đẩy nhau ra, làm lực căng tăng lên thay vì giảm.
- Vòng đệm côn (DIN 6796): đĩa côn đàn hồi, bù độ lún bề mặt, dùng với bu lông cường độ cao.
Cách chọn các loại vòng đệm đúng
Chọn các loại vòng đệm làm kín theo thứ tự: lưu chất, nhiệt độ, áp suất, cỡ ren hoặc kiểu mặt tựa, rồi mối nối có tháo lắp lại hay không. Lưu chất quyết định vật liệu (PTFE cho hóa chất, NBR cho dầu, EPDM cho nước nóng và hơi). Nhiệt độ và áp suất cao đẩy lựa chọn về bán kim loại hoặc kim loại. Đệm mặt bích còn phải khớp kiểu mặt phẳng (FF), gờ (RF) hay rãnh (RTJ).
Với các loại vòng đệm mặt bích, kích thước chọn theo cấp DN và PN của mặt bích, xem tiêu chuẩn mặt bích để biết đường kính trong, ngoài của đệm tương ứng. Vòng đệm cao su và O-ring cho nhiều ứng dụng nước khác có thể tham khảo ở gioăng cao su.
Các loại vòng đệm cho bu lông chọn theo cấp bền và vật liệu bề mặt: vòng 200 HV cho bu lông tới 8.8, vòng 300 HV cho 10.9, vòng bản rộng ISO 7093 cho vật liệu mềm, vòng khóa nêm cho mối ghép rung.
Lỗi hay gặp với các loại vòng đệm
- Dùng lại vòng đệm đồng đã ép: vòng đã biến cứng, không ôm được mặt tựa và rò dầu hoặc hơi. Ủ lại hoặc thay mới.
- Vòng đệm PTFE bị chảy nguội: mối nối rò sau vài ngày hoặc sau chu kỳ nóng lạnh. Dùng PTFE có độn hoặc ePTFE và siết lại theo hãng.
- Dùng vòng đệm vênh thay cho siết đúng lực: bu lông vẫn tự nới trong mối ghép rung. Siết theo mô men đã tính và dùng loại khóa nêm nếu cần.
Chọn đúng các loại vòng đệm theo vật liệu và cỡ quyết định trực tiếp độ kín và độ bền mối ghép. Nếu chưa chắc cỡ hoặc vật liệu, bạn gửi ảnh hoặc mang mẫu đến Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội để Viva hỗ trợ đối chiếu. Các bài khác trong chuyên mục tài liệu ren và bu lông giúp tra cứu thêm về ren và mối ghép.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về các loại vòng đệm
Vòng đệm tiếng Anh là gì?
Các loại vòng đệm đều gọi chung là washer khi dùng cùng bu lông, đai ốc (vòng đệm phẳng là flat washer, vòng đệm vênh là spring washer). Vòng đệm làm kín giữa hai mặt ghép gọi là gasket hoặc sealing washer. Ở Việt Nam, long đen và gioăng đệm là các tên gọi thông dụng.
Vòng đệm PTFE có dùng được cho hóa chất không?
Có. PTFE kháng gần như mọi hóa chất nhờ liên kết C–F bền, trừ kim loại kiềm nóng chảy và flo nguyên tố. Điểm cần lưu ý là PTFE nguyên chất chảy nguội dưới lực siết lâu ngày, nên thường chọn loại có độn hoặc PTFE giãn nở.
Vòng đệm đồng có dùng lại được không?
Thường nên thay mới. Đồng biến cứng khi bị ép nên không ôm được mặt tựa ở lần sau. Muốn dùng lại phải ủ cho đồng mềm lại, nhưng mối nối quan trọng vẫn nên thay vòng mới.
Vòng đệm vênh có chống lỏng bu lông không?
Hiệu quả rất hạn chế. Vòng vênh bị ép phẳng ở lực căng thấp, và thử nghiệm rung ngang cho thấy nó không ngăn được đai ốc xoay. DIN 127 đã bị rút năm 2003. Với mối ghép rung, siết đúng lực và cân nhắc vòng khóa nêm.
Các loại vòng đệm phẳng, vòng đệm vênh và gioăng làm kín khác nhau thế nào?
Gioăng làm kín chặn rò rỉ giữa hai mặt ghép. Vòng đệm phẳng trải lực siết của bu lông lên diện tích rộng hơn. Vòng đệm vênh tạo lực đàn hồi, nhưng hiệu quả chống lỏng hạn chế.
