Khi lựa chọn khớp nối giãn nở nhiệt, nhiều người thường tập trung vào DN, nhiệt độ, vật liệu và kiểu kết nối. Tuy nhiên, một yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến thiết kế hệ thống lại thường bị bỏ qua: lực đẩy do áp suất bên trong đường ống.

Đây là lý do một expansion joint không thể được lựa chọn chỉ dựa trên kích thước đường ống. Khi hệ thống có áp suất, lực tác động lên vùng bellows có thể truyền thành tải trọng đáng kể lên anchor, pipe support và thiết bị kết nối.

Các tài liệu kỹ thuật về bellows expansion joint đều đề cập đến pressure thrust và yêu cầu phải xem xét lực này trong thiết kế hệ thống neo.

Pressure thrust là gì trong hệ thống khớp nối?

Có thể hiểu đơn giản, khi môi chất có áp suất tác động lên vùng hiệu dụng của bellows, nó tạo ra một lực có xu hướng làm khớp nối giãn ra.

Lực này không phải là lực do nhiệt độ trực tiếp tạo ra.

Nhiệt độ tạo ra thermal movement.

Áp suất tạo ra pressure thrust.

Hai yếu tố này cùng tồn tại trong hệ thống nhưng có bản chất khác nhau.

Đây là điểm quan trọng khi thiết kế khớp nối ống.

Nếu chỉ tính chuyển vị nhiệt mà bỏ qua áp suất, hệ thống có thể được chọn đúng về khả năng bù nhiệt nhưng lại không được thiết kế đúng về tải trọng.

Vì sao đường kính càng lớn càng cần chú ý?

Một cách khái quát, lực do áp suất tác động liên quan đến:

Lực = Áp suất × Diện tích hiệu dụng

Khi kích thước expansion joint tăng, diện tích chịu tác động của áp suất cũng tăng.

Vì vậy, một khớp nối DN lớn trong hệ thống áp suất cao có thể tạo ra tải trọng rất đáng kể lên anchor.

Đây chính là lý do việc lựa chọn khớp nối inox hoặc bất kỳ loại expansion joint nào cho đường ống lớn cần được xem xét cùng với:

• DN.
• Áp suất.
• Nhiệt độ.
• Môi chất.
• Chuyển vị.
• Vật liệu.
• Số chu kỳ.
• Kiểu kết nối.
• Cấu hình đường ống.
• Hệ thống anchor.

US Bellows cũng cảnh báo rằng việc hiểu sai bellows thrust có thể dẫn tới sai số nghiêm trọng trong thiết kế tải cho main anchor.

Main anchor chịu nhiệm vụ gì?

Main anchor là điểm neo được thiết kế để giữ hệ thống trước tải trọng lớn do expansion joint tạo ra.

Trong hệ thống có pressure thrust, main anchor không chỉ đơn giản là một thanh thép cố định đường ống vào kết cấu.

Nó phải được tính toán phù hợp với tải trọng tác động.

Nếu anchor không đủ khả năng chịu lực, chuyển động của đường ống có thể vượt ngoài dự kiến.

Hậu quả có thể liên quan đến:

• Biến dạng đường ống.
• Dịch chuyển mặt bích.
• Tải lên thiết bị.
• Biến dạng expansion joint.
• Rò rỉ.
• Hư hỏng support.
• Giảm tuổi thọ bellows.

Vì vậy, khi thiết kế một hệ thống có khớp nối giãn nở nhiệt, anchor phải được xem như một phần của chính hệ thống bù trừ.

Intermediate anchor có giống main anchor không?

Không hoàn toàn.

Intermediate anchor được sử dụng để chia tuyến ống dài thành các đoạn kiểm soát chuyển động.

Nó giúp giới hạn vùng mà expansion joint phải hấp thụ chuyển vị.

US Bellows phân biệt main anchor và intermediate anchor dựa trên loại tải trọng mà mỗi điểm neo cần chịu.

Đối với tuyến ống dài, nếu chỉ sử dụng một expansion joint, toàn bộ chuyển vị nhiệt có thể tập trung vào một vị trí.

Khi chia thành nhiều đoạn, mỗi đoạn có thể được kiểm soát riêng.

Điều này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống công nghiệp lớn.

Áp suất và nhiệt độ phải được xem xét đồng thời

Một sai lầm trong lựa chọn khớp nối giãn nở là chỉ hỏi:

“Đường ống DN bao nhiêu?”

Trong khi một bộ thông số đầy đủ hơn phải bao gồm:

• DN.
• Áp suất làm việc.
• Nhiệt độ làm việc.
• Nhiệt độ thấp nhất.
• Nhiệt độ cao nhất.
• Môi chất.
• Chuyển vị axial.
• Chuyển vị lateral nếu có.
• Chuyển vị angular nếu có.
• Số chu kỳ.
• Điều kiện môi trường.

Ví dụ, cùng một DN nhưng một đường ống nước lạnh và một tuyến hơi nóng sẽ có yêu cầu hoàn toàn khác nhau.

Tương tự, cùng nhiệt độ nhưng áp suất khác nhau cũng có thể dẫn đến thiết kế anchor khác nhau.

Khớp nối có chịu pressure thrust thay cho anchor không?

Không nên hiểu expansion joint là thiết bị dùng để “chịu áp lực thay cho đường ống”.

Chức năng của expansion joint phải được xác định theo thiết kế cụ thể.

Với các hệ thống bellows thông thường, pressure thrust cần được hệ thống neo hoặc giải pháp restraint phù hợp kiểm soát.

Trong một số cấu hình đặc biệt, có thể sử dụng expansion joint có tie rod, hinge hoặc các dạng pressure-balanced/self-restrained design. Các giải pháp này có cách truyền tải khác với axial expansion joint thông thường.

Do đó, không nên tự ý tháo hoặc thay đổi tie rod, hinge hay các thành phần restraint trên khớp nối.

Tại sao khớp nối bị kéo giãn sau khi cấp áp?

Một hiện tượng dễ gây hiểu nhầm là expansion joint có thể thay đổi hình dạng sau khi hệ thống được cấp áp.

Nếu hệ thống anchor không được bố trí đúng, pressure thrust có thể khiến bellows bị kéo dài.

Tài liệu kỹ thuật về installation cũng nhấn mạnh rằng anchor và guide cần được bố trí trong các hệ thống sử dụng expansion joint để kiểm soát chuyển động.

Điều này cho thấy một khớp nối không thể được đánh giá độc lập khỏi hệ thống.

Khớp nối mềm cao su có giống hoàn toàn khớp nối bellows inox không?

Không.

Khớp nối mềm cao su thường được sử dụng với mục đích hấp thụ rung động, giảm truyền chấn động và xử lý một số chuyển vị trong các hệ thống phù hợp.

Trong khi đó, metallic bellows expansion joint có cấu trúc và nguyên lý chịu tải khác.

Do đó, không nên lấy thông số của khớp nối mềm cao su áp dụng cho khớp nối kim loại hoặc ngược lại.

Việc lựa chọn phải dựa trên môi chất, nhiệt độ, áp suất và chuyển vị thực tế.

Pressure thrust ảnh hưởng đến thiết bị phía sau như thế nào?

Một trong những vấn đề đáng chú ý là tải trọng không chỉ tác động lên expansion joint.

Nó có thể truyền đến:

• Van.
• Bơm.
• Thiết bị trao đổi nhiệt.
• Bình áp lực.
• Mặt bích.
• Nozzle.
• Giá đỡ.
• Kết cấu thép.

Ví dụ, nếu expansion joint được lắp gần một van công nghiệp nhưng hệ thống anchor và guide không được thiết kế phù hợp, tải trọng có thể tác động lên cụm van.

Vì vậy, trong một hệ thống valve công nghiệp, việc chọn van đúng áp suất không đồng nghĩa với việc cụm đường ống đã an toàn nếu các tải phụ từ expansion joint chưa được kiểm soát.

Khi nào nên sử dụng expansion joint có restraint?

Với những hệ thống không thuận lợi để bố trí main anchor truyền toàn bộ pressure thrust vào kết cấu, có thể cần các thiết kế đặc biệt.

Một số dạng expansion joint có hinge, gimbal, tie rod hoặc pressure-balanced arrangement có thể được sử dụng để kiểm soát lực đẩy.

Theo US Bellows, trong hệ thống tension, các thiết bị như hinge, gimbal hoặc tie rod có thể đảm nhiệm việc giữ pressure thrust và cho phép hệ thống hấp thụ chuyển vị theo cấu hình được thiết kế.

Đây là vấn đề cần được xác định ngay từ giai đoạn thiết kế, không nên thay đổi tùy ý tại công trường.

Kết luận

Áp suất là một trong những yếu tố quan trọng nhất khi thiết kế khớp nối giãn nở nhiệt. Một expansion joint không chỉ cần đáp ứng chuyển vị nhiệt mà còn phải được đặt trong hệ thống có anchor, guide và restraint phù hợp.

Khi lựa chọn khớp nối, khớp nối inox, khớp nối mềm cao su, khớp nối nhanh hoặc phụ kiện khớp nối, cần cung cấp đầy đủ thông số làm việc thay vì chỉ cung cấp DN.

Tân Thành chia sẻ kiến thức về van công nghiệp, valve công nghiệp, khớp nối ống và các phụ kiện đường ống nhằm hỗ trợ kỹ sư và đơn vị thi công nhìn nhận expansion joint như một bộ phận của cả hệ thống, thay vì một thiết bị lắp độc lập.