Chọn gioăng mặt bích theo môi chất, nhiệt độ và áp suất

Chọn gioăng mặt bích đúng cần xét bốn yếu tố theo thứ tự: môi chất, nhiệt độ, áp suất và kiểu mặt bích. Gioăng là bộ phận tạo kín của mối nối mặt bích; bích và bu lông chỉ tạo lực ép, còn việc ngăn môi chất thoát ra phụ thuộc vào gioăng. Gioăng sai vật liệu có thể hỏng sau vài ngày dù bích, bu lông và lực siết đều đúng.

Để chọn gioăng mặt bích không theo thói quen, cần hiểu cơ chế làm kín và vì sao từng vật liệu (cao su, sợi nén, PTFE, graphite, gioăng xoắn, vòng RTJ) chịu được môi chất này mà hỏng với môi chất khác.

Gioăng mặt bích làm kín như thế nào

Bề mặt kim loại dù đã gia công vẫn có đỉnh và rãnh nhỏ đủ để môi chất len qua. Khi bu lông ép, gioăng bị nén, biến dạng và điền đầy các rãnh đó, tạo thành lớp chắn liên tục giữa hai mặt bích. Vì vậy gioăng phải đủ mềm để điền khe nhưng đủ cứng để không bị ép nát hoặc đùn ra ngoài.

Khi chọn gioăng mặt bích, mối nối cần hai mức ứng suất ép lên gioăng. Mức thứ nhất là ứng suất ban đầu khi siết (seating), đủ lớn để gioăng điền khe nhám; trong ASME BPVC Section VIII (Phụ lục 2) ký hiệu là y. Mức thứ hai là ứng suất duy trì khi có áp suất làm việc: áp suất đẩy hai bích tách ra, nên ứng suất còn lại trên gioăng phải đạt ít nhất m lần áp suất trong (m là hệ số gioăng). Cặp giá trị m, y của từng vật liệu, do quy chuẩn hoặc nhà sản xuất cung cấp, là căn cứ tính lực siết khi chọn gioăng mặt bích.

Còn một giới hạn trên: ứng suất tối đa trước khi gioăng nát hoặc chảy. Cao su chỉ chịu ứng suất ép thấp nên hợp với bích áp thấp; gioăng xoắn chịu ứng suất cao nên đi với bích áp cao. Cuối cùng là độ hồi phục: khi nhiệt độ lên xuống hoặc bu lông giãn, gioăng phải đàn hồi lại một phần để giữ lực ép.

Chọn gioăng mặt bích phi kim loại: vật liệu, giới hạn và cơ chế

Nhóm phi kim loại gồm cao su (EPDM, NBR, FKM, silicone), sợi nén CNAF, PTFE và graphite giãn nở. Khi chọn gioăng mặt bích loại gioăng mặt bích cao su, câu hỏi quyết định là sự tương hợp hóa học giữa mạch polyme và môi chất.

EPDM: chịu nước nóng, hơi, ozone nhưng trương nở trong dầu

EPDM là cao su ethylene–propylene–diene. Mạch chính của nó là chuỗi hydrocarbon no, gần như không có liên kết đôi C=C; liên kết đôi chỉ nằm ở nhánh phụ dùng để lưu hóa. Ozone cắt mạch tại liên kết đôi; với EPDM, nếu liên kết đôi ở nhánh bị cắt thì mạch chính vẫn nguyên, nên gioăng không nứt vì ozone khi để ngoài trời và lão hóa nhiệt chậm hơn cao su có liên kết đôi trong mạch chính. Loại lưu hóa bằng peroxide tạo các cầu nối C–C bền hơn cầu nối lưu huỳnh, nên chịu nhiệt và hơi tốt hơn.

Nước và hơi là phân tử phân cực, ít hòa tan trong mạch hydrocarbon không phân cực, nên EPDM gần như không trương nở trong nước nóng. Dầu khoáng thì ngược lại: cả dầu và EPDM đều không phân cực, theo nguyên tắc chất giống chất, phân tử dầu dễ chui vào giữa các mạch polyme, đẩy chúng ra xa. Gioăng trương nở, mềm, mất độ bền và bị đùn ra khỏi khe bích. Sai lầm này hay gặp khi chọn gioăng mặt bích EPDM cho đường dầu thủy lực.

NBR: chịu dầu nhờ nhóm nitrile nhưng kém ozone

NBR là đồng trùng hợp của butadiene và acrylonitrile. Nhóm nitrile (–C≡N) rất phân cực, tạo lực hút giữa các mạch polyme mạnh hơn nhiều so với EPDM. Lực hút này giữ các mạch gần nhau, nên phân tử dầu không phân cực khó chen vào; vì vậy NBR chịu dầu và nhiên liệu. Acrylonitrile càng nhiều thì chịu dầu càng tốt, nhưng cao su càng cứng ở nhiệt độ thấp.

Điểm yếu nằm ở phần butadiene: mỗi đơn vị butadiene để lại một liên kết đôi C=C ngay trong mạch chính. Ozone tấn công liên kết này và cắt mạch, nên gioăng mặt bích NBR để ngoài trời dưới tải kéo sẽ nứt thành các vết vuông góc với phương kéo. Nhiệt độ cao và hơi nước làm NBR tiếp tục lưu hóa, cứng và mất đàn hồi. Dung môi phân cực như xeton tương tác được với chính nhóm nitrile, tách các mạch ra và làm NBR trương nở.

FKM và silicone

FKM (thương hiệu quen gọi là Viton) có hàm lượng flo cao. Liên kết C–F bền, nhóm flo che chắn mạch chính, nên FKM chịu dầu nóng, nhiên liệu và nhiều axit đến khoảng 200 °C. Điểm yếu có hai loại. Xeton và este là phân tử nhỏ có cực, hòa tan được với mạch FKM nên làm trương nở. Amin và kiềm mạnh thì tấn công hóa học: chúng tách HF khỏi các đoạn –CH₂–CF₂– trong mạch, làm cao su cứng giòn. FKM lưu hóa thông thường cũng kém với hơi nước nóng kéo dài.

Silicone có mạch chính Si–O linh hoạt, dải nhiệt rộng (khoảng −60…+200 °C, tham khảo), hay dùng cho thực phẩm và dược. Bù lại độ bền xé thấp, dễ rách khi siết lệch, nên chỉ hợp bích phẳng áp thấp. Hơi nước nóng thủy phân liên kết Si–O, nên silicone không dùng cho hơi.

PTFE: trơ hóa chất nhờ liên kết C–F nhưng bị chảy nguội

PTFE (polytetrafluoroethylene) có mạch carbon được bao kín bằng các nguyên tử flo. Liên kết C–F thuộc nhóm liên kết đơn bền nhất trong hóa hữu cơ, và nguyên tử flo đủ lớn để tạo một lớp vỏ ôm sát mạch carbon, nên axit, kiềm, dung môi hầu như không có điểm nào để tấn công. Ngoại lệ chỉ gồm kim loại kiềm nóng chảy và flo nguyên tố. Để biết đặc tính vật liệu, xem bài Teflon là gì.

Nhược điểm của PTFE là chảy nguội (creep, cold flow). Các mạch PTFE chỉ liên kết với nhau bằng lực van der Waals yếu, nên dưới tải nén liên tục các mạch trượt lên nhau, gioăng mỏng dần và bị đùn ra mép. Lực ép tụt theo và mối nối rò sau một thời gian dù lúc lắp rất kín. Khi chọn gioăng mặt bích PTFE, dùng loại độn (sợi thủy tinh, bari sulfat), PTFE giãn nở (ePTFE) hoặc gioăng bao (PTFE bọc lõi chịu nén), và kiểm tra lại lực siết sau ít nhất 4 giờ. Với mối nối hóa chất cần kín lâu dài, tham khảo gioăng teflon theo từng cấu hình.

Graphite giãn nở và sợi nén CNAF

Graphite giãn nở được ép từ các vảy graphite đã nở ra, tạo tấm gồm nhiều lớp carbon mềm, nén được và bám khít bề mặt, nhưng độ hồi phục thấp hơn cao su. Vật liệu này chịu nhiệt cao, kể cả hơi nước, vì carbon không chảy hay hóa mềm. Giới hạn trong không khí khoảng 450 °C vì carbon bị oxy hóa thành CO₂; trong hơi hoặc khí trơ chịu được cao hơn. Graphite không dùng với chất oxy hóa mạnh.

Với bích inox, graphite dẫn điện và quý hơn thép, nên khi khe dưới gioăng bị ướt nước có clorua (nước biển, nước thử áp để lâu), graphite thúc đẩy ăn mòn khe và rỗ trên mặt bích. Khi đó chọn graphite ít clorua, có chất ức chế, hoặc gioăng xoắn mà graphite không tiếp xúc môi chất.

CNAF (compressed non-asbestos fibre) là tấm ép từ sợi (aramid, thủy tinh, khoáng), chất độn và chất kết dính cao su. Loại đa dụng dùng cho nước, hơi áp thấp và dầu. Giới hạn làm việc theo tích áp suất × nhiệt độ (P×T) do hãng công bố, vì chất kết dính là phần bị lão hóa trước khi sợi gia cố hỏng.

Gioăng bán kim loại và kim loại: xoắn, kammprofile, RTJ

Khi chọn gioăng mặt bích cho áp suất và nhiệt độ vượt giới hạn của cao su và tấm sợi, cần gioăng có khung kim loại. Khung kim loại chịu lực ép, phần mềm làm kín.

• Gioăng xoắn (spiral wound): dải inox hình chữ V cuốn xen kẽ chất độn graphite hoặc PTFE. Dùng cho mặt RF Class 150 đến 2500, luôn có vòng định tâm ngoài, vừa định tâm vừa làm cữ chặn nén. Theo ASME B16.20, vòng trong bắt buộc với chất độn PTFE, mặc định với chất độn graphite và với cỡ lớn ở Class 900–2500; vòng trong ngăn các vòng xoắn bị ép phồng vào lòng ống.
• Kammprofile: lõi kim loại có rãnh răng cưa, hai mặt phủ lớp mềm graphite hoặc PTFE. Lớp mềm điền khe, lõi kim loại chịu lực nên chịu được tải siết lớn, thường dùng cho bích thiết bị trao đổi nhiệt.
• Vòng RTJ: vòng kim loại đặc đặt trong rãnh vòng của mặt bích RTJ, gồm kiểu R, RX và BX, làm từ sắt mềm, thép carbon thấp hoặc inox.

Vì sao vòng RTJ phải mềm hơn rãnh

Mối kín RTJ hình thành khi vòng bị ép vào hai mặt bên của rãnh và biến dạng dẻo, ôm khít bề mặt rãnh, lấp các sai lệch gia công. Nếu vòng cứng hơn rãnh, vòng không biến dạng mà cắn lõm rãnh, làm hỏng mặt bích. Vòng là chi tiết rẻ, thay mỗi lần tháo; bích đắt và khó sửa, nên vòng phải mềm hơn rãnh. ASME B16.20 giới hạn độ cứng tối đa theo vật liệu vòng: sắt mềm 90 HB, thép carbon thấp 120 HB, inox 304/316 160 HB; bích phải cứng hơn vòng.

Chọn gioăng mặt bích theo môi chất

Khi chọn gioăng mặt bích, gioăng và bích phải cùng chịu được môi chất; nếu chưa chắc về bích, xem trước bài vật liệu mặt bích. Bảng dưới đây là hướng chọn ban đầu, còn giá trị cuối phải đối chiếu catalogue nhà sản xuất và điều kiện thật (nhiệt độ cao nhất, áp suất, môi chất lẫn tạp chất).

Ba sai lầm hay gặp khi chọn gioăng mặt bích theo bảng: chỉ nhìn tên môi chất mà bỏ qua nhiệt độ; bỏ qua chất lẫn trong môi chất; quên rằng giới hạn nhiệt trong bảng là nhiệt độ ổn định, còn đợt khởi động hoặc vệ sinh bằng hơi có thể cao hơn.

Chọn gioăng mặt bích theo kiểu mặt bích

Hình dạng mặt làm kín quyết định gioăng lắp được, nên khi chọn gioăng mặt bích cần biết rõ mặt bích RF, FF, RTJ trước khi đặt hàng:

• Mặt FF (bích gang, nhựa, van thân gang): gioăng toàn mặt, có lỗ bu lông, vật liệu mềm như cao su hoặc tấm sợi dày 3 mm. Gioăng cứng hoặc gioăng xoắn trên bích gang dễ làm nứt tai bích.
• Mặt RF: gioăng vòng nằm trong vòng tâm lỗ bu lông, hoặc gioăng xoắn, kammprofile, tấm graphite. Gờ lồi tập trung lực lên một vành hẹp nên phù hợp gioăng cần ứng suất ép cao.
• Mặt RTJ: chỉ dùng vòng kim loại R, RX hoặc BX đúng số hiệu rãnh.
• Lồi–lõm, lưỡi gà–rãnh: gioăng nằm gọn trong phần lõm hoặc rãnh nên có kích thước khác gioăng vòng thông thường; đặt theo bản vẽ.

Kích thước và độ dày gioăng mặt bích

Khi chọn gioăng mặt bích, kích thước phải cắt theo tiêu chuẩn của bích: ASME B16.21 cho gioăng phi kim phẳng dùng với bích ASME, EN 1514 cho bích PN theo EN 1092-1, JIS B2404 cho bích JIS. Cùng cỡ ống nhưng khác hệ thì vòng tâm lỗ khác, nên tiêu chuẩn mặt bích JIS, DIN hay ANSI cần được xác định trước khi cắt gioăng. Đường kính trong gioăng nhỏ hơn lòng ống thì nhô vào dòng chảy gây xói; lớn quá thì để lộ khe đọng môi chất.

Độ dày thông dụng của gioăng mặt bích phi kim là 1,5 mm và 3 mm. Gioăng mỏng ít chảy nguội, mép tiếp xúc môi chất nhỏ nên ít thấm, dùng cho bích thép gia công tốt. Gioăng 3 mm bù được độ không phẳng, nên dùng cho bích gang, bích nhựa hoặc bích có sai lệch.

Hiệp hội Fluid Sealing Association của các nhà sản xuất vật liệu làm kín là nguồn tham khảo thêm khi chọn gioăng mặt bích cho điều kiện đặc biệt.

Lắp gioăng mặt bích đúng cách

Lực ép quyết định độ kín, và chỉ đúng khi mặt bích, gioăng mặt bích và bu lông đều được chuẩn bị đúng. Các bước lắp:

1. Làm sạch mặt bích, loại bỏ gioăng cũ và cặn; kiểm tra vết xước hướng kính, móp, rỗ trên vùng làm kín.
2. Kiểm tra gioăng mới: đúng vật liệu, kích thước, độ dày, không rách, không cong vênh, còn trong hạn lưu kho.
3. Đặt gioăng vào giữa. Gioăng xoắn đặt đồng tâm bằng vòng ngoài; gioăng toàn mặt xuyên qua các bu lông.
4. Bôi chất chống kẹt lên ren bu lông và mặt tựa đai ốc để lực siết thành lực kẹp ổn định; không chồng 2 gioăng.
5. Siết tay đều, rồi siết theo hình sao qua nhiều vòng: 20–30 %, 50–70 %, 100 % mô men mục tiêu, sau đó các vòng tròn ở 100 % đến khi đai ốc không còn xoay.

Chi tiết về trình tự siết bu lông khi lắp mặt bích và cách căn chỉnh hai bích nằm ở bài lắp đặt; gioăng mặt bích mềm như cao su, PTFE cần kiểm tra lại lực siết sau ít nhất 4 giờ.

Vì sao gioăng mặt bích không dùng lại

Gioăng đã siết bị biến dạng vĩnh viễn theo độ nhám của đúng cặp bích đó. Cao su có độ nén dư (compression set), không trở lại độ dày ban đầu. PTFE đã chảy nguội mỏng đi. Graphite và tấm sợi đã nén chặt, lớp bề mặt dính vào mặt bích. Vòng xoắn của gioăng xoắn đã bị ép, vòng RTJ đã cứng nguội và hằn rãnh. Vì vậy luôn thay gioăng mới sau mỗi lần tháo.

Dấu hiệu gioăng mặt bích hỏng

• Rỉ nước hoặc dầu ở mép bích, vệt cặn quanh gioăng: lực ép tụt, gioăng bị chảy nguội hoặc bề mặt bích có đường rò.
• Cao su phồng, mềm nhão hoặc dính tay: gioăng bị trương nở, thường do sai vật liệu so với môi chất (ví dụ EPDM trong dầu).
• Cao su cứng, nứt: lão hóa do nhiệt, ozone hoặc hơi, hay gặp ở NBR.
• Gioăng bị đùn ra mép hoặc nhô vào lòng ống: siết quá lực, gioăng quá mềm, kích thước sai hoặc PTFE chảy nguội.

Mỗi dấu hiệu chỉ ra một nguyên nhân khác, nên đừng siết thêm bu lông ngay. Cách tìm nguyên nhân có ở bài xử lý mặt bích bị rò rỉ.

Phân biệt gioăng mặt bích với vòng đệm

Gioăng mặt bích nằm giữa hai mặt bích để làm kín môi chất. Vòng đệm (washer) nằm dưới đầu bu lông hoặc đai ốc để phân bố lực ép lên bề mặt bích, tránh bu lông cắn lõm kim loại và giữ lực siết ổn định. Thợ đôi khi gọi gioăng cao su là vòng đệm, nên khi đặt hàng cần ghi rõ. Chi tiết về các loại vòng đệm nằm trong bài riêng.

Nếu cần chọn gioăng mặt bích cho một mối nối cụ thể, Viva tư vấn vật liệu, kích thước và độ dày theo môi chất, nhiệt độ, áp suất và tiêu chuẩn bích tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội. Gửi kèm DN, PN hoặc Class, kiểu mặt bích và môi chất để được đề xuất đúng cấu hình.

Câu hỏi thường gặp về chọn gioăng mặt bích