Lựa chọn gioăng làm kín

Giới thiệu về gioăng làm kín

Gioăng là một vật liệu có tính biến dạng, có thể mềm hoặc cứng, được đặt giữa hai chi tiết nhằm ngăn ngừa rò rỉ tại mối ghép. Gioăng được thiết kế để lắp vào một không gian đã được xác định trước trong mối nối giữa hai bộ phận.

Không gian lắp gioăng này có thể là lỗ bậc, rãnh hoặc tấm giữ gioăng. Lực ép được tạo ra thông qua bu lông hoặc kẹp nhằm nén chặt gioăng vào đúng vị trí làm kín.

Theo nguyên tắc chung, để tránh làm hư hỏng các chi tiết và đảm bảo khả năng làm kín hiệu quả, vật liệu gioăng phải mềm hơn vật liệu của các chi tiết ghép.

Vật liệu gioăng

Gioăng được chế tạo từ rất nhiều loại vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ, áp suất và đặc tính của môi chất trong quá trình vận hành. Một số loại gioăng được thiết kế có tính đàn hồi hoặc khả năng tự tăng lực làm kín, cho phép thích ứng với các biến đổi về nhiệt độ hoặc áp suất, khi đó gioăng có thể giãn nở hoặc co lại tương ứng.

Ngược lại, trong các điều kiện làm việc ổn định hoặc dịch vụ khắc nghiệt, gioăng thường được chế tạo từ vật liệu cứng hơn, chẳng hạn như kim loại mềm. Những loại gioăng này tạo ra độ kín rất cao nhưng không có khả năng tự tăng lực làm kín và không thể tái sử dụng sau khi đã bị nén.

Chức năng của gioăng trong van công nghiệp

Gioăng được sử dụng trong van với ba mục đích chính. Thứ nhất, gioăng ngăn ngừa rò rỉ xung quanh cơ cấu đóng. Ví dụ, trong van tuyến tính, gioăng được dùng để làm kín mối ghép giữa thân van và ghế van, nhằm ngăn môi chất rò rỉ từ phía thượng lưu sang phía hạ lưu.

Nếu không có gioăng, môi chất sẽ rò rỉ qua nút van đã đóng kín.

Thứ hai, gioăng được sử dụng để ngăn môi chất rò rỉ ra môi trường bên ngoài. Ví dụ, các van có thân tách đôi hoặc van lắp từ phía trên được thiết kế với gioăng tại các mối ghép tháo lắp.

Thứ ba, gioăng cho phép các cơ cấu bên trong hoạt động đúng chức năng, đặc biệt là các thiết kế phụ thuộc vào các buồng chất lỏng tách biệt, chẳng hạn như bộ trim cân bằng áp suất.

Lực ép gioăng và yêu cầu lắp đặt

Khả năng làm việc hiệu quả của gioăng phụ thuộc trực tiếp vào lực ép làm kín. Lực này có thể thay đổi rất lớn tùy theo kiểu gioăng, chiều cao tự do, chiều dày thành, vật liệu và độ sâu của rãnh hoặc bậc lắp gioăng.

Thông thường, nhà sản xuất van sẽ cung cấp thông số mô-men siết cho các bu lông nhằm đảm bảo lực ép phù hợp cho gioăng. Tuy nhiên, một vấn đề phổ biến là khi không có sẵn cờ lê lực, kỹ thuật viên có thể siết quá chặt bu lông, làm nghiền nát cấu trúc gioăng, từ đó tạo ra đường rò rỉ.

Ngược lại, một số thiết kế van ngăn ngừa hiện tượng nghiền gioăng bằng cách sử dụng kết cấu tiếp xúc kim loại – kim loại giữa hai chi tiết ghép. Khi đó, độ nén của gioăng được đảm bảo thông qua chiều cao bậc và không cần sử dụng cờ lê lực.

Khi hai chi tiết được siết chặt đến mức đạt tiếp xúc kim loại – kim loại, chiều cao bậc và độ nén gioăng sẽ được đảm bảo chính xác. Trạng thái tiếp xúc này có thể dễ dàng cảm nhận được thông qua dụng cụ siết.

Các kiểu gioăng thông dụng

Gioăng có nhiều kiểu dáng khác nhau, trong đó các loại phổ biến nhất gồm: gioăng phẳng, gioăng xoắn kim loại, gioăng vòng O kim loại, gioăng vòng C kim loại, gioăng vòng kim loại có lò xo và gioăng vòng chữ U kim loại.

Trong một số ứng dụng, gioăng được phủ thêm lớp cao su hoặc nhựa nhằm tăng khả năng tự làm kín hoặc cải thiện khả năng chống ăn mòn. Một số gioăng vòng O kim loại còn được mạ bề mặt để tăng khả năng chống ăn mòn.

Để đảm bảo làm kín hiệu quả, bề mặt bậc hoặc rãnh lắp gioăng phải đủ nhẵn và phẳng. Lý tưởng nhất, độ nhám bề mặt nên nằm trong khoảng từ 125 đến 500 micro-inch RMS, tương đương từ 3,2 đến 12,5 micromet.

Các thông số kỹ thuật phổ biến cho các kiểu gioăng này được trình bày trong Bảng 1.

Thông số kỹ thuật điển hình của gioăng

*Gioăng không chứa amiăng. Dữ liệu do Valtek Valves – Flowserve Corporation cung cấp.

Gioăng phẳng

Trong số các loại gioăng, gioăng phẳng là loại đơn giản và có chi phí thấp nhất. Đúng như tên gọi, gioăng phẳng được gia công với đường kính ngoài, đường kính trong và chiều dày xác định.

Nhờ tính đàn hồi hoặc khả năng biến dạng dẻo, gioăng phẳng có thể dễ dàng thích nghi với các sai lệch nhỏ trên bề mặt kim loại của mối ghép.

Gioăng phẳng phù hợp nhất cho các ứng dụng dịch vụ thông thường, nơi không có yêu cầu khắt khe về nhiệt độ hoặc áp suất.

Gioăng phẳng có thể được chế tạo từ nhựa công nghiệp như PTFE hoặc CTFE, hoặc từ kim loại mềm như nhôm, đồng, bạc, sắt mềm, chì hoặc đồng thau.

Một số gioăng phẳng kim loại được sử dụng cho các ứng dụng nhiệt độ cao, chẳng hạn như niken (1400°F / 760°C), Monel (1500°F / 815°C) hoặc Inconel (2000°F / 1095°C).

Gioăng xoắn kim loại

Gioăng xoắn kim loại là loại gioăng đa dụng, có giá thành trung bình, được cấu tạo từ các lớp kim loại và vật liệu phi kim quấn xen kẽ với nhau.

Dải kim loại thường có tiết diện chữ V và được đặt đứng, trong khi vật liệu chèn nằm xen giữa các vòng quấn.

Gioăng xoắn kim loại kết hợp tính đàn hồi của gioăng phẳng với các vòng kim loại mềm, giúp tăng độ bền và ngăn ngừa hiện tượng thổi bật gioăng trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao.

Độ bền của gioăng xoắn kim loại phụ thuộc vào vật liệu được lựa chọn và số lượng vòng quấn. Số vòng càng nhiều thì khả năng chịu áp suất càng lớn.

Khi bị nén, các lớp kim loại bị biến dạng, tạo ra độ kín hiệu quả ngay cả khi bề mặt gioăng không hoàn toàn phẳng. Tuy nhiên, do biến dạng này, gioăng xoắn kim loại không thể tái sử dụng.

Theo nguyên tắc chung, gioăng xoắn kim loại không nên sử dụng cho các thiết kế có ghế làm kín mềm. Lực ép để nén gioăng sẽ truyền một phần qua lớp làm kín mềm, khiến lớp này bị ép biến dạng trước khi gioăng được nén đủ, dẫn đến hư hỏng hoặc rò rỉ.

Trước đây, vật liệu chèn phổ biến cho gioăng xoắn kim loại chịu nhiệt cao là giấy amiăng. Tuy nhiên, do các vấn đề về sức khỏe và pháp lý, nhiều nhà sản xuất đã thay thế bằng vật liệu mới như giấy sợi gốm. Các gioăng này thường được gọi là gioăng không amiăng.

Khả năng làm kín ở nhiệt độ cao của gioăng không amiăng rất tương đương với gioăng xoắn kim loại sử dụng graphite.

Mặc dù có tranh cãi, gioăng amiăng vẫn đôi khi được sử dụng, đặc biệt trong ngành phát điện. Các gioăng này thường được lắp trong van thép không gỉ, thép carbon và thép chrome–molypden.

Ngoài amiăng, các vật liệu chèn phổ biến khác bao gồm PTFE, graphite, mica hoặc giấy gốm.

Gioăng xoắn kim loại dùng graphite thường được áp dụng cho các van làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ rất cao. Vật liệu vòng kim loại có thể là thép không gỉ 316 hoặc Inconel, tùy theo môi chất.

Gioăng xoắn kim loại cũng có thể được chế tạo theo yêu cầu riêng, tùy thuộc vào môi chất và sự tương tác với vật liệu vòng kim loại hoặc vật liệu chèn. Các vật liệu vòng có thể bao gồm thép không gỉ 304, 316, 347, 321, Monel, niken, titan, Alloy 20, Inconel, thép carbon, Hastelloy B, Hastelloy C-276, đồng phosphor, đồng, vàng hoặc bạch kim.

Gioăng vòng O kim loại

Đối với các dịch vụ đặc biệt khắc nghiệt, gioăng vòng O kim loại là giải pháp rất linh hoạt và có thể áp dụng trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau.

Thay vì dạng phẳng, gioăng được thiết kế dưới dạng một ống kim loại rỗng, có tiết diện tròn và được hàn kín hai đầu. Hình dạng phổ biến là tròn, nhưng cũng có thể chế tạo theo hình dạng không tròn hoặc hình dạng đặc biệt.

Do kết cấu rỗng, gioăng vòng O kim loại có thể bị nén khi siết bu lông hoặc kẹp, tạo ra độ kín rất cao, đặc biệt trong các ứng dụng áp suất và nhiệt độ cao, cũng như các hệ thống có áp suất đảo chiều.

Trong một số ứng dụng áp suất thấp nhưng nhiệt độ cao, thể tích bên trong vòng O có thể được nạp áp suất để tăng hiệu quả làm kín.

Ưu điểm lớn của gioăng vòng O kim loại là khả năng thích ứng với các sai lệch nhỏ về độ phẳng hoặc độ đồng tâm của bề mặt ghép. Tuy nhiên, giống như gioăng xoắn kim loại, gioăng vòng O kim loại không thể tái sử dụng sau khi đã bị nén.

Gioăng vòng C kim loại

Gioăng vòng C kim loại có hình dạng chữ C, với khe hở hướng về phía đường kính trong và phía chịu áp suất của hệ thống.

Hình dạng này cho phép gioăng tự tăng lực làm kín khi chịu áp suất.

Mặc dù có chi phí cao hơn nhiều loại gioăng khác, gioăng vòng C kim loại rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu lực ép thấp nhưng độ đàn hồi hồi phục cao, thường được sử dụng cho các hệ thống chân không thấp hoặc áp suất thấp.

Gioăng vòng kim loại có lò xo

Tương tự gioăng vòng C, gioăng vòng kim loại có lò xo được thiết kế với lò xo kim loại đặt bên trong vòng C, kết hợp hai yếu tố để tạo ra độ làm kín rất cao.

Loại gioăng này yêu cầu lực ép lớn hơn nhưng mang lại độ kín ổn định hơn nhờ tải trọng cao và khả năng hồi phục tốt.

Do chi phí cao, gioăng vòng kim loại có lò xo chỉ được chỉ định khi điều kiện làm việc thay đổi lớn.

Thiết kế này cho phép gioăng giãn nở hoặc co lại theo sự thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất, trong khi vẫn duy trì độ kín.

Gioăng vòng chữ U kim loại

Gioăng vòng chữ U kim loại được thiết kế cho các ứng dụng áp suất rất cao, lên đến 12.000 psi (828 bar), và nhiệt độ cao, lên đến 1600°F (871°C), nơi độ tin cậy là yếu tố then chốt.

Gioăng có hình dạng chữ V, với mặt trong của chữ U hướng về phía chịu áp suất hoặc hướng ra ngoài khi sử dụng trong môi trường chân không, tận dụng áp suất hoặc chân không để hỗ trợ khả năng làm kín.

Do hai đầu loe của gioăng phải luôn tiếp xúc với bề mặt trên và dưới, các bề mặt này cần có độ phẳng rất cao và phải song song tuyệt đối.

Kết luận

Gioăng làm kín là bộ phận nhỏ nhưng giữ vai trò quyết định trong khả năng vận hành an toàn và ổn định của van công nghiệp. Việc hiểu đầy đủ tất cả các loại gioăng, vật liệu, thông số kỹ thuật, hình ảnh minh họa và bảng dữ liệu liên quan giúp lựa chọn giải pháp làm kín phù hợp với từng điều kiện làm việc cụ thể.

Tuân thủ đúng yêu cầu về lực ép, độ nhẵn bề mặt và giới hạn nhiệt độ – áp suất là điều kiện tiên quyết để gioăng phát huy hiệu quả tối đa và đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho hệ thống.