Blog

Lực kẹp của bu-lông mặt bích ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất niêm phong

Vật lý của việc lắp gioăng: Vì sao tải trọng bu-lông tối thiểu là điều bắt buộc

Việc đạt được một mối nối bích kín bắt đầu từ việc đảm bảo chúng ta áp dụng đủ lực siết chặt bằng các bulông được xiết đúng cách. Khi xiết chặt những bulông này, chúng sẽ nén vật liệu đệm kín giữa hai bề mặt bích lại với nhau. Sự nén này lấp đầy tất cả các gờ nhỏ trên bề mặt và tạo thành hàng rào đầu tiên chống lại rò rỉ. Lượng lực cần thiết phải lớn hơn cả áp lực từ bên trong đang đẩy hai mặt bích tách ra, đồng thời phải khắc phục được mức độ mà đệm kín tự nhiên có xu hướng giãn ra sau khi bị nén. Hầu hết các sự cố xảy ra do lực siết không đủ – các nghiên cứu cho thấy khoảng 73% mọi trường hợp rò rỉ là do đệm kín không được nén đúng cách. Các loại đệm kín khác nhau yêu cầu lượng lực khác nhau tùy theo thiết kế và áp lực mà chúng phải chịu. Ví dụ, đệm quấn xoắn thường cần lực nén lớn hơn khoảng một nửa so với đệm vòng kim loại đặc nếu muốn ngăn chất lỏng thấm qua. Tuy nhiên, điều thực sự quan trọng là duy trì lực siết chặt theo thời gian. Chỉ đạt đúng lực khi lắp đặt là chưa đủ. Mối nối phải tiếp tục giữ kín ngay cả khi nhiệt độ thay đổi và áp lực dao động trong suốt quá trình vận hành bình thường.

Ứng dụng Mô-men xoắn Quá mức hoặc Thiếu: Các nguyên nhân rò rỉ thực tế theo API RP 14E và ASME PCC-1

Sai lệch mô-men xoắn là nguyên nhân chính gây rò rỉ tại hiện trường, trong đó 68% trường hợp được xác định là do mô-men nằm ngoài phạm vi ±15% giá trị quy định. API RP 14E và ASME PCC-1 xác định ba dạng hỏng hóc nghiêm trọng sau:

Cả hai tiêu chuẩn đều yêu cầu sử dụng công cụ đã hiệu chuẩn và nhân viên được chứng nhận để đạt được tải mục tiêu trong phạm vi dung sai nghiêm ngặt 5%—công nhận rằng độ chính xác trong việc áp dụng mô-men xoắn là không thể tách rời khỏi độ tin cậy của việc làm kín.

Lựa chọn cấp bulong mặt bích phù hợp với điều kiện vận hành đường ống

ASTM A193 B7, B16, L7 và B8M: Phù hợp độ bền, khả năng chống ăn mòn và độ ổn định nhiệt với môi trường vận hành

Việc lựa chọn đúng vật liệu bulông tạo nên sự khác biệt lớn về hiệu suất của các mối nối theo thời gian. Lấy ví dụ thép hợp kim ASTM A193 B7 có độ bền kéo ấn tượng lên đến 125 ksi, rất phù hợp cho các ứng dụng áp suất cao nhưng bắt đầu suy giảm khi nhiệt độ vượt quá 400 độ Celsius và cũng không chống chịu tốt trước ăn mòn. Môi trường khí axit (sour gas) đặt ra những thách thức hoàn toàn khác. Trong trường hợp này, bulông ASTM A193 L7 với cấu trúc martensite tôi lại chống chịu tốt hơn trước các vấn đề nứt do ứng suất sunfua. Các hoạt động ngoài khơi tiếp xúc nhiều với clorua cần một loại vật liệu khác hoàn toàn. Thép không gỉ B8M phát huy hiệu quả nhờ hàm lượng molypden giúp ngăn chặn sự hình thành các vết chấm lõm khó chịu. Những tình huống thay đổi nhiệt độ liên tục như trong các nhà máy lọc hóa dầu lại yêu cầu dùng bulông B16. Theo tiêu chuẩn ASME năm 2022, các bulông này duy trì lực kẹp khoảng 17 phần trăm cao hơn so với B7 ở nhiệt độ khoảng 550 độ Celsius. Dữ liệu ngành công nghiệp cũng chỉ ra một thực tế đáng lo ngại: các báo cáo ăn mòn NACE cho thấy khoảng 42% sự cố rò rỉ bắt nguồn từ việc sử dụng bulông sai cấp. Chúng tôi đã chứng kiến những trường hợp người ta dùng bulông thép carbon thông thường trong các dòng chảy có tính axit và dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng về giòn hydro về sau.

Hình học và Cấu hình Bu-lông Bích: Đảm bảo Phân bố Tải trọng Đồng đều

Bu-lông Trụ so với Bu-lông Ren trong lỗ so với Khớp nối Đai ốc Kép—Ảnh hưởng đến Độ Lặp lại và Độ Bền trong Chu kỳ Cao

Hình dạng của bu-lông đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố lực kẹp lên các gioăng đệm. Các bu-lông kiểu trụ (stud bolts), có ren ở cả hai đầu, cho phép phân bố lực căng đều hơn và giúp ngăn ngừa sự tích tụ ứng suất tại các điểm nối mặt bích. Trong khi đó, bu-lông ren lỗ (tap bolts) lại có xu hướng tạo ra các mô hình tải không đồng đều, dẫn đến những vị trí mà gioăng bị nén quá mức hoặc biến dạng không đúng cách. Khi làm việc với thiết bị trải qua nhiều chu kỳ vận hành, việc sử dụng hai đai ốc (double nuts) tạo nên sự khác biệt lớn vì chúng ngăn ngừa hiện tượng trượt ren khi nhiệt độ thay đổi trong quá trình hoạt động. Theo tiêu chuẩn công nghiệp ASME PCC-1, khi sử dụng bu-lông trụ kết hợp với trình tự siết chặt đúng cách, sự biến thiên tải trọng giảm xuống dưới 15%. Đây là một cải thiện đáng kể so với hệ thống bu-lông ren lỗ, nơi mà biến thiên tải thường dao động từ 25 đến 40%. Việc sử dụng bu-lông có đường kính lớn hơn sẽ giúp phân bố áp lực đều hơn, và các bu-lông trụ dài hơn cũng chịu được tốt hơn các chu kỳ ứng suất lặp lại – yếu tố rất quan trọng đối với các mối nối phải chịu trên 500 chu kỳ áp lực định kỳ.

Xác định kích thước bu lông mặt bích theo yêu cầu tuân thủ: Yêu cầu về cấp, kích cỡ và mác theo ASME B16.5

Các tiêu chuẩn ASME B16.5 không chỉ là những đề xuất mà về cơ bản là các yêu cầu bắt buộc để đảm bảo hoạt động an toàn, không rò rỉ. Tiêu chuẩn này bao gồm ba yếu tố chính không thể bỏ qua: áp suất định mức (cấp), kích thước (kích cỡ và chiều dài), và độ bền vật liệu (mác). Ví dụ, một mặt bích cấp 300 vận hành ở áp suất 500 pound trên inch vuông tại nhiệt độ khoảng 400 độ Fahrenheit. Cấu hình này đòi hỏi các bu lông có độ bền cao hơn nhiều so với loại dùng cho mặt bích cấp 150. Khi các thành phần không đáp ứng đúng các thông số kỹ thuật này, sự cố sẽ xảy ra nhanh chóng. Phân bố áp lực không đều sẽ xuất hiện, theo một số báo cáo ngành gần đây, chiếm khoảng 37% tổng số sự cố rò rỉ đường ống. Đó là lý do tại sao các kỹ sư chuyên nghiệp luôn kiểm tra đồng thời cả ba thông số chính này trước khi đưa ra quyết định lựa chọn và lắp đặt thiết bị.

1. Yêu cầu về cấp : Đánh giá áp suất-nhiệt độ quy định độ bền tối thiểu của bu-lông
2. Thông số kỹ thuật kích thước : Các tổ hợp đường kính/chiều dài đảm bảo ăn khớp ren đầy đủ và độ giãn nở thích hợp
3. Tương thích cấp độ : Chứng nhận vật liệu (ví dụ: ASTM A193) phù hợp với yêu cầu về ăn mòn, nhiệt độ và cơ học

Phương pháp làm kín ba thành phần xem xét bu-lông, đệm kín và mặt bích như các bộ phận của một hệ thống lớn, trong đó sự cố ở bất kỳ thành phần nào cũng có thể làm sụp đổ toàn bộ hệ thống. Các công cụ phần mềm mới để tính toán kích cỡ bu-lông hiện nay được tích hợp sẵn dữ liệu ASME B16.5 nên công nhân không còn phải thực hiện các phép tính này bằng tay nữa. Kỹ thuật viên tại hiện trường báo cáo số sự cố lắp đặt giảm khoảng 23% kể từ khi các giải pháp kỹ thuật số này xuất hiện vào năm 2022. Và hãy nhớ kiểm tra xem tiêu chuẩn phiên bản nào đang áp dụng vì đã có những thay đổi quan trọng đối với các hợp kim chịu nhiệt độ cao vào năm ngoái 2021 mà nhiều người vẫn chưa biết khi làm việc trên các hệ thống lắp đặt.

Hệ Thống Làm Kín Ba Thành Phần: Tại Sao Việc Lựa Chọn Bu Lông Bích Phải Phù Hợp Với Thiết Kế Đệm Làm Kín Và Bích

Độ nguyên vẹn của đường ống phụ thuộc vào hiệu suất đồng bộ của các bích, đệm làm kín và bu lông. Sự không tương thích giữa các thành phần này là nguyên nhân gốc gây ra sự cố nghiêm trọng tại mối nối. Ví dụ, các đệm xoắn cần tải bu lông thấp hơn 30–50% so với đệm RTJ để đạt được độ ép làm kín phù hợp mà không làm hư hại các vòng kim loại—theo hướng dẫn ASME B16.20.

Đệm Xoắn So Với Đệm RTJ: Cách Loại Đệm Quyết Định Tải Bu Lông Bích Yêu Cầu Và Biên Độ Dẻo

Các gioăng dạng xoắn hoạt động bằng cách nén các vật liệu linh hoạt như graphite bên trong các vòng kim loại. Những loại gioăng này hoạt động tốt nhất khi được nén ở mức khoảng từ 15 nghìn đến 30 nghìn pound trên inch vuông. Dải áp suất này vừa đủ để tạo ra một mối bịt kín tốt, đồng thời vẫn giữ cho vật liệu đủ độ đàn hồi để duy trì tính chất của nó theo thời gian. Hầu hết các thiết kế gioăng xoắn đều chịu được khá tốt sự thay đổi nhiệt độ, thường phục hồi lại khoảng 15 phần trăm sau các chu kỳ giãn nở và co rút. Tuy nhiên, gioăng RTJ thì khác. Chúng yêu cầu áp suất cao hơn nhiều vì chúng làm biến dạng các kim loại mềm như nhôm hoặc thép nhẹ vào các rãnh mặt bích. Điều này đòi hỏi lực siết bulông phải đạt ít nhất 40 nghìn psi để giữ toàn bộ hệ thống lại với nhau. Kết quả là tạo thành một mối bịt kín tiếp xúc kim loại vĩnh viễn, không có khả năng phục hồi. Nhược điểm là gì? Nếu những bulông đó bị kéo giãn quá giới hạn chịu đựng, toàn bộ hệ thống sẽ dễ bị cong vênh và hư hỏng về lâu dài.

Việc chọn bu-lông phải phản ánh sự khác biệt cơ bản này: các hệ thống spiral-wound được lợi từ bu-lông có độ đàn hồi cao hơn để duy trì tải trọng trong các biến đổi nhiệt; các hệ thống RTJ đòi hỏi bu-lông có độ bền kéo cao, có khả năng duy trì áp suất biến dạng cực lớn. Theo các nghiên cứu điển hình của ASME B31.3, những sai lệch chiếm 23% các sự cố rò rỉ trong các đường ống chịu áp suất cao.