Khớp nối mềm là gì? Đó là đoạn nối đàn hồi lắp giữa hai đoạn ống hoặc giữa ống với thiết bị, có thân bằng cao su, inox hoặc PTFE, cho phép đường ống dịch chuyển nhẹ theo ba hướng và giảm lực, rung truyền sang phần còn lại. Khớp nối mềm còn được gọi là khớp nối giãn nở, khớp chống rung hoặc compensator, tùy cách dùng.
Trong hệ thống đường ống, bơm rung, ống giãn khi nóng, nền lún nhẹ và lắp đặt luôn lệch vài milimét. Không có phần tử mềm, các chuyển vị này dồn vào mặt bích, ổ trục bơm và mối hàn.
Khớp nối mềm là một nhóm trong các loại phụ kiện đường ống. Bài tập trung vào cơ chế, vật liệu, cách chọn và cách lắp, không bàn về giá.
Khớp nối mềm là gì và cấu tạo cơ bản
Khớp nối mềm là phụ kiện có một đoạn thân đàn hồi (bellows hoặc arch) giữa hai đầu nối. Chuyển vị của ống được thân đàn hồi hấp thụ thay vì truyền đi. Đầu nối là mặt bích, ren hoặc rắc co.
Với loại cao su, thân gồm ba lớp: lớp lót bên trong tiếp xúc lưu chất, lớp gia cường bằng sợi (thường là vải nylon hoặc polyester) kèm vòng thép, và lớp vỏ ngoài chống thời tiết.
Với loại inox, thân là ống thành mỏng dập sóng (bellows) hoặc ống xoắn bện lưới thép bên ngoài (braided hose). Kim loại chịu nhiệt và áp suất cao hơn cao su nhưng ít khả năng làm êm rung hơn.
Bốn chức năng của khớp nối mềm
Hấp thụ rung và tiếng ồn từ bơm, máy nén
Bơm và máy nén tạo rung ở tần số quay của động cơ và tần số cánh bơm. Rung truyền theo thành ống thép và phát thành tiếng ồn ở các vị trí xa phòng bơm. Thân cao su mềm hơn ống thép nhiều và có độ cản nội cao, biến một phần năng lượng rung thành nhiệt nên giảm rung truyền tiếp.
Vì vậy khớp nối cao su làm êm rung tốt hơn khớp inox; bơm rung lớn thường vẫn dùng cao su nếu nhiệt độ và lưu chất cho phép.
Bù giãn nở nhiệt dọc trục
Thép giãn dài theo công thức ΔL = α · L · ΔT, với α của thép carbon khoảng 12 × 10-6 /°C. Đoạn ống thép dài 30 m, nhiệt độ tăng từ 20 °C lên 80 °C sẽ dài thêm 12 × 10-6 × 30 × 60 ≈ 0,0216 m, tức khoảng 22 mm. Nếu hai đầu ống bị giữ cứng, độ giãn này biến thành ứng suất nén lên ống và lực đẩy lên thiết bị.
Khớp nối giãn nở đặt trên đoạn ống được neo hai đầu sẽ bị nén lại khi ống nóng giãn ra. Lực do giãn nở chỉ còn bằng độ cứng khớp nhân chuyển vị, nhưng lực đẩy do áp suất vẫn còn và do điểm neo chịu. Với khớp cao su, phải so 22 mm với hành trình nén cho phép của đúng model; chuyển vị nhiệt lớn, nhiều chu kỳ thường dùng khớp ống xếp kim loại.
Bù lệch tâm và lệch góc khi lắp
Hai mặt bích cần nối đôi khi lệch vài milimét hoặc nghiêng vài độ do sai số thi công. Thân đàn hồi bù các sai lệch nhỏ này, tránh phải kéo ống vào bích và gây ứng suất dư.
Mức bù có giới hạn. Theo hướng dẫn lắp của một nhà sản xuất khớp nối cao su (API International), ống cần được căn thẳng trong khoảng ±1/8 inch, tức khoảng ±3 mm. Lệch lớn hơn phải chỉnh lại ống hoặc đặt hàng khớp nối chế tạo riêng theo độ lệch.
Giảm tải lên mặt bích thiết bị
Bích bơm, van điều khiển và bình trao đổi nhiệt chỉ chịu được lực và mô-men giới hạn do nhà sản xuất quy định. Ống cứng truyền lực giãn nở lên bích, làm lệch trục bơm, mòn phớt cơ khí.
Khớp nối mềm đặt sát thiết bị cắt bớt lực do giãn nở và lệch lắp, với hai điều kiện: ống được đỡ riêng vì khớp không chịu trọng lượng ống, và lực đẩy do áp suất có neo hoặc thanh giằng chịu. Khớp không neo, không giằng đặt sát bơm sẽ đẩy lực P·A thẳng vào bích bơm.
Phân loại khớp nối mềm theo vật liệu
Khớp nối mềm cao su
Khớp nối mềm cao su làm từ ba nhóm cao su phổ biến, mỗi nhóm hợp với một nhóm lưu chất:
- EPDM: chịu nước lạnh, nước nóng, nước thải nhẹ, axit và kiềm loãng, bền ozon và tia UV. Phân tử EPDM không phân cực nên hút dầu và hydrocarbon, làm cao su trương nở và mềm nhão. Vì vậy không dùng EPDM cho dầu, nhiên liệu.
- NBR (nitrile, Buna-N): phân tử phân cực nhờ nhóm nitrile nên kháng dầu khoáng, nhiên liệu và mỡ tốt. Đổi lại NBR lão hóa nhanh hơn ngoài trời và chịu nhiệt thấp hơn EPDM.
- Neoprene (CR): kháng ozon, thời tiết và dầu ở mức trung bình, chịu mài mòn tốt hơn EPDM. Dùng cho nước, không khí và dầu nhẹ.
Theo kiểu thân, có ba dạng:
- Một cầu (single sphere): một gân tròn, ngắn, độ dịch chuyển vừa phải.
- Hai cầu (twin sphere): hai gân liền nhau, dài hơn, bù được chuyển vị lớn hơn.
- Có vòng gia cường: vòng thép bên trong hoặc xoắn gia cường chống xẹp khi đường hút bơm có chân không.
Khớp nối mềm inox
Khớp nối mềm inox có hai dạng. Dạng ống xếp (bellows) là ống thành mỏng dập nhiều nếp, tổng chuyển vị bằng tổng biến dạng các nếp; bù được dọc trục, ngang và góc, dùng cho hơi, dầu nóng, nước nóng. Thông tin giá của loại này có trong bài bảng giá khớp nối mềm inox.
Dạng ống mềm bện lưới (braided hose) gồm ống lượn sóng bên trong và lưới thép bện bên ngoài giữ áp suất, chủ yếu bù lệch ngang, dùng làm đầu nối bơm, máy nén. Theo tài liệu của Tipco Technologies, ống bện lưới không được thiết kế để chịu nén dọc trục hoặc lệch góc lớn.
Khớp nối mềm lót PTFE
Với hóa chất ăn mòn mạnh, thân cao su được lót PTFE dày 1–3 mm bên trong (theo Tubes International). PTFE trơ với hầu hết axit, kiềm, dung môi nhưng làm khớp cứng hơn, nên chuyển vị cho phép nhỏ hơn.
Khớp nối giãn nở kim loại
Khớp nối giãn nở kim loại dùng cho đường ống nhiệt độ cao hoặc áp suất cao mà cao su không chịu được. Loại này thường có thanh giới hạn hoặc cơ cấu dẫn hướng để thân xếp chỉ chuyển động theo phương thiết kế.
Bảng so sánh các loại khớp nối mềm
Các số liệu dưới đây là khoảng tham khảo từ catalogue các nhà sản xuất nước ngoài. Giá trị thực tế phụ thuộc cỡ ống, hãng và số lớp gia cường, nên dùng đúng bảng thông số của sản phẩm đã chọn.
| Loại | Nhiệt độ làm việc | Áp suất làm việc | Lưu chất phù hợp | Độ dịch chuyển | Tuổi thọ tham khảo |
|---|---|---|---|---|---|
| EPDM | -10 đến khoảng 100 °C; một số hãng công bố 120–130 °C | Đến PN16, một số loại PN25 | Nước lạnh, nước nóng, axit và kiềm loãng; không dùng cho dầu | Lớn (cao su, hai cầu bù tốt nhất) | Khoảng 5–10 năm, tùy điều kiện |
| NBR | -10 đến khoảng 75–80 °C | Đến PN16 | Dầu, nhiên liệu, mỡ, khí tự nhiên | Lớn, tương đương EPDM | Khoảng 5–10 năm, tùy điều kiện |
| Neoprene | -10 đến khoảng 75–100 °C, tùy hãng | Đến PN16 | Nước, không khí, dầu nhẹ | Lớn | Khoảng 5–10 năm, tùy điều kiện |
| Cao su lót PTFE | Đến khoảng 150 °C, giới hạn bởi thân cao su bên ngoài | Đến PN16 hoặc PN25 | Hóa chất ăn mòn | Nhỏ hơn cao su không lót | Tùy hóa chất |
| Inox ống xếp (bellows) | Đến vài trăm °C, tùy mác thép và bảng giảm áp theo nhiệt độ | Từ vài bar đến vài chục bar, tùy số lớp | Hơi, nước nóng, dầu nóng, khí | Vừa, tính theo số nếp | Theo số chu kỳ mỏi thiết kế |
| Inox bện lưới (braided hose) | Giảm áp suất cho phép khi trên khoảng 200 °C | Cao, tùy lưới bện | Nước, dầu, khí, hơi nhẹ | Ngang và góc nhỏ, gần như không nén dọc | Giảm nhanh nếu uốn quá bán kính |
Hai ví dụ cho thấy chênh lệch về độ dịch chuyển. Theo catalogue khớp hai cầu của API International, cỡ 4 inch (DN100) cho phép nén 51 mm, giãn 35 mm, lệch ngang 40 mm và lệch góc 35°, các giá trị này không tác dụng đồng thời. Một khớp ống xếp inox ngắn cùng cỡ thường có hành trình nhỏ hơn; muốn tăng phải thêm nếp hoặc dùng kiểu hai ống xếp, tra theo catalogue.
Áp suất ghi trên khớp cao su chỉ đúng ở nhiệt độ thấp. Catalogue trên ghi 214 psi (khoảng 14,8 bar) cho cỡ 1–12 inch, chỉ áp dụng đến khoảng 52 °C với EPDM và 43 °C với Neoprene; nóng hơn phải tra bảng giảm áp. Giới hạn nhiệt cùng dòng là khoảng 99 °C cho EPDM, 77 °C cho NBR và Neoprene.
Kiểu nối: bích, ren và rắc co
Kiểu nối quyết định cách lắp và cỡ ống áp dụng:
- Nối bích: phổ biến cho DN50 trở lên; bích phải cùng tiêu chuẩn với bích đối tiếp về PN hoặc class, số lỗ, vòng bu lông (xem mặt bích).
- Nối ren: cỡ DN15 đến khoảng DN50; ren phải cùng hệ (NPT hoặc BSP) với ống.
- Rắc co: đai ốc xoay, tháo lắp không cần xoay ống, hợp với bơm nhỏ hay tháo.
Cách chọn khớp nối mềm
Chọn lần lượt theo sáu thông số.
- Lưu chất: quyết định loại cao su, hay phải dùng inox, PTFE.
- Nhiệt độ làm việc: lấy nhiệt độ cao nhất, kể cả khi khởi động hoặc vệ sinh bằng hơi.
- Áp suất và xung áp: tính cả áp suất đỉnh do búa nước, rồi đối chiếu với áp suất cho phép ở đúng nhiệt độ làm việc.
- Độ dịch chuyển cần bù: cộng giãn nhiệt, lún và lệch lắp, so với bảng chuyển vị của hãng cho đúng cỡ.
- DN và chiều dài lắp: trùng DN ống, chiều dài tự do bằng khe hở thực tế giữa hai bích.
- Tiêu chuẩn bích: PN10, PN16, JIS 10K hoặc ANSI 150, trùng bích đối tiếp.
Đường hút bơm có thể xuất hiện áp suất âm, nên cần hỏi hãng về khả năng chịu chân không và dùng loại có vòng gia cường. Tubes International lưu ý khả năng chịu chân không giảm khi đường kính tăng.
Lắp đặt khớp nối mềm đúng cách
Vị trí đặt
Với bơm, đặt khớp nối mềm cả ở đường hút và đường đẩy, càng sát bích bơm càng tốt. Ở đường đẩy, thứ tự thường là bơm, khớp nối mềm, van một chiều, van chặn. Ngay sau khớp phải có gối đỡ hoặc neo chịu trọng lượng van và lực đẩy, nếu không van treo trên khớp và bích bơm vẫn gánh tải.
Neo và dẫn hướng hai phía
Khớp nối không giằng không truyền được lực dọc trục, nên lực đẩy do áp suất phải do điểm neo cố định ở hai phía chịu. Lực đẩy tính bằng F = P · A, trong đó A là diện tích hiệu dụng của thân theo đường kính hiệu dụng của nếp. Ví dụ giả định đường kính hiệu dụng 130 mm ở áp suất 10 bar: F = 106 × π/4 × 0,132 ≈ 13,3 kN, tương đương khoảng 1,35 tấn lực.
Nếu một phía khớp là bơm, bích bơm trở thành điểm neo, điều nhà sản xuất bơm thường không cho phép. Neo và thanh giằng tính với áp suất lớn nhất, kể cả áp suất thử thủy lực (theo các bộ ASME B31 thường khoảng 1,5 lần áp suất thiết kế).
API International hướng dẫn đặt khớp gần một điểm neo chính, kèm một hoặc nhiều gối dẫn hướng phía sau. Chi tiết về gối neo và gối dẫn hướng có trong bài giá đỡ đường ống. Với khớp ống xếp kim loại kiểu dọc trục, hướng dẫn phổ biến của các hãng (ví dụ US Bellows) là gối dẫn hướng thứ nhất cách khớp không quá 4D, gối thứ hai cách gối thứ nhất không quá 14D.
Thanh giới hạn (tie rod, control unit)
Thanh giới hạn là các thanh ren có đai ốc và đệm, nối hai bích của khớp để giới hạn hành trình nén và dãn. Hướng dẫn của API International yêu cầu dùng thanh giới hạn ở hệ thống không neo và khuyến nghị dùng cả khi đã neo như một lớp an toàn.
Thanh để khe hở (control unit) chỉ chặn khi khớp đã dãn hết khe, trước đó lực đẩy vẫn truyền toàn bộ sang ống và thiết bị. Thanh siết sát (tie rod) chịu toàn bộ lực đẩy nhưng khớp mất khả năng bù dọc trục. Thanh và tai bích chọn theo lực đẩy ở áp suất thử.
Các lỗi cần tránh khi lắp
- Dùng khớp để kéo ống lệch tâm lớn: ống bị ép vào bích sẽ làm khớp chịu lệch ngay từ đầu, mất phần dự trữ chuyển vị, bích rò và gân cao su rách. Phải căn chỉnh ống trước khi lắp khớp.
- Ép khớp vào khe hẹp hơn chiều dài tự do: nén sẵn làm hỏng gân và mối làm kín.
- Sơn hoặc bọc bảo ôn kín thân cao su: dung môi trong sơn có thể làm cao su cứng, nứt; bảo ôn che mất dấu hiệu hư hỏng và không cho kiểm tra bu lông. API International không khuyến nghị bảo ôn khớp cao su; nếu bắt buộc, làm dạng tháo được.
- Bôi dầu mỡ gốc dầu mỏ lên mặt bích cao su: cao su trương nở. Muốn chống dính bích, hãng trên hướng dẫn dùng dung dịch graphite pha nước hoặc glycerin.
- Lắp bu lông sai chiều và siết không đều: đầu bu lông nên đặt về phía cầu cao su. Siết dần, chéo đối xứng, rồi kiểm tra siết lại ít nhất một tuần sau khi chạy (theo API International) vì cao su bị lún.
- Bỏ qua mũi tên chiều dòng: khớp inox có ống lót dẫn dòng bên trong phải lắp theo chiều mũi tên, nếu lắp ngược ống lót gây rung và xói mòn nếp. Khớp cao su thường đối xứng.
Hư hỏng thường gặp và tuổi thọ
Tuổi thọ khớp nối mềm cao su phụ thuộc nhiệt độ, lưu chất, số chu kỳ chuyển vị và điều kiện lắp. Khớp inox hỏng chủ yếu vì mỏi ở chân nếp.
Dấu hiệu cần thay khớp nối mềm:
- Nứt bề mặt dạng mạng nhện hoặc quanh gân: lão hóa do ozon, nhiệt, hóa chất.
- Phồng gân hoặc lộ lớp vải gia cường: sợi gia cường đã đứt hoặc quá áp, cần thay ngay vì có thể nổ.
- Rò ở mép bích sau khi đã siết lại: mặt cao su lún hoặc bị nén quá mức.
- Cứng, hoặc dính nhớt, trương nở: sai vật liệu, ví dụ EPDM gặp dầu.
- Rỉ hoặc nứt ở nếp inox, lưới bện đứt sợi: mỏi hoặc ăn mòn clorua.
- Rung và ồn tăng trở lại: thân đã cứng hoặc thanh giới hạn bị siết sát.
Các loại khớp nối khác xem trong danh mục khớp nối các loại. Nguyên lý kỹ thuật tổng quan về bù giãn nở có thể tham khảo thêm tại Expansion joint (Wikipedia).
Kết luận: chọn theo lưu chất trước, độ dịch chuyển sau
Chọn vật liệu khớp nối mềm theo lưu chất và nhiệt độ, kiểm tra áp suất cho phép ở đúng nhiệt độ đó, chọn kiểu thân theo độ dịch chuyển. Sau đó neo, giằng và đỡ ống đúng cách thì khớp mới làm việc đúng thiết kế.
Viva cung cấp tài liệu kỹ thuật và vật tư đường ống tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội. Các bài kỹ thuật khác nằm trong danh mục tài liệu đường ống.
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 khớp nối mềm
Khớp nối mềm và khớp nối giãn nở có giống nhau không?
Trong thực tế hai tên gọi thường dùng lẫn nhau. Khớp nối giãn nở nhấn mạnh chức năng bù giãn nở nhiệt, còn khớp nối mềm hoặc khớp chống rung nhấn mạnh việc hấp thụ rung và bù lệch lắp. Cả hai đều có thân đàn hồi giữa hai đầu nối.
Khớp nối mềm EPDM dùng được cho dầu không?
Không. EPDM hút dầu và hydrocarbon nên trương nở, mềm nhão và mất khả năng làm kín. Với dầu, nhiên liệu và mỡ, dùng NBR hoặc cao su kháng dầu khác. EPDM chỉ hợp với nước, hơi áp thấp theo giới hạn của hãng, axit và kiềm loãng.
Khớp nối mềm có cần thanh giới hạn (tie rod) không?
Cần khi ống không được neo hai phía hoặc áp suất làm việc cao, vì lực đẩy do áp suất có thể kéo khớp dãn quá hành trình. Nhiều nhà sản xuất khuyến nghị dùng thanh giới hạn cả khi đã neo như một lớp an toàn. Lưu ý thanh để khe hở chỉ chặn quá hành trình; muốn thanh chịu toàn bộ lực đẩy phải siết sát, khi đó khớp mất khả năng bù dọc trục.
Khớp nối mềm cao su dùng được bao lâu?
Không có con số chung cho mọi trường hợp. Nhiều tài liệu thương mại nêu khoảng 5–10 năm ở điều kiện làm việc bình thường, ngắn hơn khi nhiệt độ cao, lưu chất ăn mòn hoặc xung áp lớn. Kiểm tra vết nứt và gân phồng định kỳ để quyết định thay.
Lắp khớp nối mềm ở đường hút hay đường đẩy của bơm?
Nên lắp ở cả hai. Mỗi khớp đặt sát bích bơm, ở đường đẩy đặt trước van một chiều và van chặn. Đường hút có thể có áp suất âm nên cần loại chịu chân không, có vòng gia cường, và không lắp khớp ở trạng thái dãn.
