Hướng Dẫn Toàn Diện Về Kết Nối Vít Bích: Hiểu Cách Chúng Hoạt Động
Giới thiệu
Kết nối bu lông mặt bích không chỉ đơn thuần là một tập hợp các bộ phận ghép lại với nhau. Đó là một hệ thống được thiết kế cẩn thận nhằm thực hiện một nhiệm vụ chính: tạo ra và duy trì lực kẹp chắc chắn. Lực này, gọi là lực dự tải, là sức mạnh ẩn giúp đảm bảo các mối nối không rò rỉ và giữ vững trước các lực tác động từ bên ngoài. Trong khi nhiều hướng dẫn chỉ đề cập đến việc chọn đúng các bộ phận, bài viết này đi sâu hơn nhiều. Chúng tôi sẽ giải thích cách các kết nối này hoạt động thực sự, từ khoa học cơ bản về lực dự tải và những thách thức khi sử dụng mô-men xoắn, đến các phương pháp siết chặt tốt hơn, phân tích nguyên nhân gây hỏng hóc, và lựa chọn vật liệu phù hợp. Mục tiêu của chúng tôi là giúp các kỹ sư và kỹ thuật viên biến công việc lắp ráp cơ bản thành một quá trình đáng tin cậy và dự đoán được, đảm bảo mối nối luôn vững chắc.
Cách hoạt động thực sự của Khớp nối
Để thành thạo kết nối vít flange, trước tiên bạn cần hiểu về khoa học đằng sau nó. Cách vít mở rộng, mô-men xoắn bạn áp dụng và ma sát đều phối hợp với nhau để làm cho quá trình lắp ráp thành công hoặc thất bại. Hiểu những ý tưởng cơ bản này là điều cần thiết để thiết kế các kết nối đáng tin cậy và giải quyết các vấn đề trong thực tế.
Tiền tải: Trái tim của kết nối
Về bản chất, một chiếc vít trong kết nối flange hoạt động như một chiếc lò xo rất chính xác, rất cứng. Khi bạn siết chặt vít, nó kéo dài theo chiều dài của nó. Việc kéo dài này tạo ra một lực kéo bên trong vít, gọi là lực trước. Lực căng nội bộ này kéo các mặt bích lại gần nhau, tạo ra lực giữ chặt giúp liên kết chắc chắn. Lực giữ chặt này là trái tim của kết nối.
Lực này phải đủ mạnh để vượt qua tất cả các lực bên ngoài cố gắng kéo các bộ phận ra khỏi nhau, giữ áp lực bên trong và ngăn chặn chuyển động ngang gây lỏng lẻo. Quy tắc cơ bản của thiết kế liên kết bắt vít là lực nén ban đầu luôn phải lớn hơn các tải trọng tối đa mà liên kết sẽ phải chịu. Nếu các lực bên ngoài trở nên mạnh hơn lực giữ chặt, các bộ phận của liên kết sẽ tách ra, toàn bộ tải trọng sẽ chuyển sang bu lông, và khả năng rò rỉ hoặc gãy do chịu tải lặp lại sẽ tăng lên rất nhiều.
Vấn đề về Mô-men xoắn và Lực căng
Trong khi tải trước là điều chúng ta muốn, việc sử dụng cờ lê để áp dụng mô-men xoắn cụ thể là cách phổ biến nhất để cố gắng đạt được điều đó. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa mô-men xoắn bạn đưa vào và lực kéo bulông bạn nhận được là gián tiếp, lãng phí và rất biến đổi. Năng lượng từ mô-men xoắn bạn áp dụng không đi trực tiếp vào tải trước hữu ích. Thay vào đó, phần lớn năng lượng bị tiêu hao để chống lại ma sát tại các điểm tiếp xúc khác nhau. Trong một kết nối thép không bôi trơn điển hình, phân phối năng lượng khá lãng phí:
- Khoảng 50% của mô-men xoắn đầu vào chống lại ma sát giữa đai ốc hoặc đầu vít quay và bề mặt mặt bích.
- Về 40% chống ma sát giữa ren nam và ren nữ.
- Chỉ phần còn lại của mô-men xoắn 10% mới thực hiện công việc có ích là kéo căng bu lông để tạo lực nén ban đầu.
Mối quan hệ này được thể hiện qua Nhân Tố Đai ốc, hay còn gọi là Hệ số K, trong phương trình phổ biến: T = KDF, trong đó T là mô-men xoắn, K là hệ số đai ốc, D là đường kính bu lông, và F là lực kéo trước mong muốn. Hệ số K là một số đại diện cho tất cả các biến số ma sát. Đối với các bu lông thép không bôi trơn điển hình, K có thể dao động từ 0,18 đến 0,25. Khoảng dao động rộng này cho thấy vấn đề chính: cùng một lực mô-men xoắn đầu vào có thể dẫn đến các kết quả lực kéo trước rất khác nhau.
Tại sao ma sát lại là một vấn đề lớn như vậy
Vì 90% năng lượng mô-men xoắn bị mất do ma sát, bất kỳ sự thay đổi nào về ma sát đều ảnh hưởng trực tiếp đến lực siết cuối cùng. Ma sát là kẻ thù chính của việc giữ chặt chính xác và lặp lại. Những yếu tố ảnh hưởng đến ma sát bao gồm độ mịn của bề mặt, độ cứng của vật liệu, lớp phủ hoặc mạ, và tốc độ siết chặt.
Trong một bộ lắp ráp không bôi trơn hoặc bôi trơn kém, quá trình siết chặt có thể bị giật, gọi là “dính trượt”. Các bề mặt tạm thời bám chặt (dính) rồi trượt (trượt) khi lực xoắn được tác dụng, gây ra việc siết chặt xảy ra theo những nhảy không kiểm soát được. Điều này khiến việc đạt được lực nén chính xác gần như không thể thực hiện được.
Sử dụng chất bôi trơn phù hợp là cách tốt nhất để kiểm soát sự biến đổi này. Một loại chất bôi trơn được chỉ định không nhất thiết làm giảm ma sát (mặc dù thường làm vậy), nhưng quan trọng hơn, nó giúp hệ số ma sát ổn định. Bằng cách tạo ra một lớp chắn ổn định giữa các bề mặt tiếp xúc, chất bôi trơn thu hẹp phạm vi của Hệ số K (ví dụ, từ 0.12 đến 0.18 đối với nhiều bộ lắp ráp được bôi trơn), điều này giảm đáng kể sự biến đổi trong giá trị lực siết chặt trước khi lắp đặt của một nhóm bu lông được siết chặt với cùng một mô-men xoắn. Tính dự đoán này rất quan trọng đối với tính toàn vẹn của các kết nối mặt bích nhiều bu lông.

Hiểu về thiết kế ốc vít flange
Thiết kế vật lý của ốc flange tự nó quyết định mức độ hoạt động tốt của nó trong kết nối. Việc chọn giữa flange răng cưa hoặc trơn không phải ngẫu nhiên; đó là một quyết định thiết kế ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống rung của mối nối, tác động của nó lên bề mặt ghép nối và cách phân bổ lực kẹp đều đặn.
Ốc vít mặt bích răng cưa
Ốc vít mặt bích răng cưa có răng cưa hướng tâm được gia công vào phía dưới của mặt bích tích hợp. Những răng cưa này không phải ngẫu nhiên; chúng được thiết kế với một góc cụ thể để thực hiện chức năng khóa chặt. Trong giai đoạn cuối cùng của quá trình siết chặt, những răng sắc nhọn, cứng này cắn vào bề mặt của vật liệu liên kết.
Cơ chế hoạt động đơn giản nhưng hiệu quả. Góc của các răng cưa cho phép xoay dễ dàng hơn khi siết chặt. Tuy nhiên, chúng tạo ra lực cản cơ học đáng kể chống lại sự quay ngược hoặc nới lỏng. Điều này tạo ra hiệu ứng “cơ cấu ratchet” hoặc khóa chặt hoạt động rất tốt chống lại các lực ngang gây nới lỏng do rung động.
Chúng hoạt động tốt nhất trong môi trường rung động cao, như trên các khối động cơ, giá đỡ máy móc và khung cấu trúc, nơi giữ lực kẹp dưới tác động của rung lắc liên tục là mối quan tâm chính. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng đi kèm với những lưu ý quan trọng. Chức năng khóa tự nhiên gây hư hại bề mặt ghép nối, điều này có thể không chấp nhận được trên các bề mặt sơn, phủ hoặc vật liệu mềm như nhôm. Hư hại bề mặt này cũng có thể làm cho việc đạt được lực nén chính xác hơn trở nên khó khăn do ma sát không thể đoán trước từ các răng cưa cắm sâu vào. Hơn nữa, chúng không thể tái sử dụng nhiều lần, vì các cạnh sắc của răng cưa có thể mòn đi sau mỗi lần sử dụng, làm giảm khả năng khóa chặt của chúng.
Ốc vít mặt bích trơn
Ốc vít mặt bích trơn, hoặc không có răng cưa, có bề mặt chịu lực phẳng, không bị gián đoạn dưới đầu vít. Mục đích thiết kế của nó hoàn toàn khác so với loại có răng cưa. Thay vì cung cấp tính năng khóa, mặt bích trơn được thiết kế để phân phối lực kẹp trên diện tích lớn nhất có thể.
Việc phân phối lực rộng, đều này rất quan trọng trong nhiều ứng dụng. Nó giảm thiểu tập trung ứng suất trên bề mặt liên kết, điều này rất cần thiết để bảo vệ các vật liệu nhạy cảm hoặc mềm khỏi bị hư hại. Ứng dụng chính của nó là trong các mối ghép kín bằng gioăng, như trong hệ thống ống dẫn, bình chứa áp lực và hệ thống thủy lực. Áp lực đều và nhất quán trên toàn bộ mặt gioăng là điều cần thiết để tạo ra và duy trì một niêm phong. Một ốc vít mặt bích trơn đảm bảo sự nén đồng đều này, ngăn chặn việc nghiền nát cục bộ của gioăng có thể dẫn đến các đường rò rỉ.
Vì chúng không có tính năng khóa cơ học, ốc vít mặt bích trơn hoàn toàn dựa vào lực nén đủ và ma sát tự nhiên trong ren để chống nới lỏng. Trong các ứng dụng có rung động vừa phải, chúng có thể cần thêm các tính năng khóa, như chất kết dính ren, đĩa khóa hoặc dây an toàn, để đảm bảo tính toàn vẹn của liên kết lâu dài.
So sánh các thiết kế
Việc lựa chọn giữa ốc vít mặt bích răng cưa và trơn là sự đánh đổi giữa khả năng chống rung và phân phối lực kẹp. Quyết định phải dựa trên yêu cầu chính của liên kết cụ thể. Bảng dưới đây cung cấp so sánh trực tiếp các đặc điểm hiệu suất của chúng để hỗ trợ việc lựa chọn này.
Bảng 1: Đặc điểm hiệu suất của ốc vít mặt bích răng cưa và trơn
| Đặc điểm | Ốc vít mặt bích răng cưa | Ốc vít mặt bích trơn |
| Chức năng Chính | Chống rung (Khóa chặt) | Phân phối lực kẹp đều |
| Lỏng lẻo do rung động | Chống rung xuất sắc | Chống rung kém đến trung bình (Yêu cầu lực nén cao) |
| Ảnh hưởng bề mặt | Gây vết lõm / vết in trên bề mặt ghép nối | Ảnh hưởng bề mặt tối thiểu |
| Ứng dụng lý tưởng | Động cơ, máy móc rung, khung cấu trúc | Các mối ghép kín bằng gioăng, mặt bích ống, thiết bị chính xác |
| Có thể tái sử dụng | Hạn chế (Các răng cưa có thể mòn đi) | Cao (Nếu không bị biến dạng) |
| Phân tán lực trước tải | Có thể cao hơn do ma sát từ các răng cưa | Thấp hơn và dễ dự đoán hơn khi bôi trơn |
Các phương pháp tiên tiến để kiểm soát lực trước tải
Việc có được một mối ghép bulông đáng tin cậy đòi hỏi phải vượt ra ngoài việc chỉ dựa vào giá trị mô-men xoắn. Một mô-men xoắn quy định chỉ là điểm khởi đầu—một cách gián tiếp để cố gắng đạt được mục tiêu thực sự của lực trước tải chính xác. Đối với các ứng dụng quan trọng, các kỹ sư phải sử dụng các chiến lược tinh vi hơn để kiểm soát lực căng của bulông và đảm bảo an toàn, độ tin cậy của kết nối.
Vượt qua giới hạn của quy định mô-men xoắn
Khi một nhóm bulông trong mặt bích được siết chặt theo cùng một quy định mô-men xoắn, lực trước tải sinh ra trong từng bulông sẽ không giống nhau. Sự biến đổi này được gọi là phân tán lực trước tải. Do sự khác biệt không thể tránh khỏi về ma sát từ bulông này sang bulông khác, chiến lược siết chặt chỉ dựa vào mô-men xoắn có thể dễ dàng dẫn đến phân tán lực trước tải ±30% hoặc hơn. Trong một mặt bích nhiều bulông, đây là một vấn đề đáng kể. Một số bulông có thể bị siết quá mức nguy hiểm và có nguy cơ biến dạng vĩnh viễn, trong khi những bulông khác có thể bị siết chưa đủ, khiến chúng dễ bị gãy do căng thẳng lặp đi lặp lại và tạo ra các đường rò rỉ tiềm năng. Mục tiêu chính của các chiến lược siết chặt tiên tiến là giảm thiểu sự phân tán lực trước tải này và đảm bảo lực giữ chặt đồng đều, dự đoán được trên toàn bộ mối ghép.
Chiến lược kẹp chính xác
Để vượt qua giới hạn của mối quan hệ giữa mô-men xoắn và lực căng, đã phát triển một số phương pháp tiên tiến. Các chiến lược này nhằm kiểm soát hoặc bỏ qua biến số ma sát để đạt được mối liên hệ trực tiếp hơn với sự kéo dài của bulông và lực trước tải.
- Phương pháp mô-men xoắn- góc: Đây là một trong những chiến lược hiệu quả nhất và được sử dụng rộng rãi để kẹp chính xác. Quá trình gồm hai giai đoạn. Đầu tiên, bulông được siết chặt đến một mô-men xoắn thấp, quy định “chặt vừa đủ”. Mô-men xoắn ban đầu này đủ để các bề mặt mối ghép tiếp xúc đầy đủ, loại bỏ các khe hở. Từ điểm khởi đầu nhất quán này, một góc quay chính xác của phần bổ sung được áp dụng cho đai ốc hoặc đầu vít. Nguyên tắc là khi mối ghép đã chặt, mối quan hệ giữa góc quay và sự kéo dài của bulông trở nên tuyến tính và dự đoán được cao, vì nó chủ yếu phụ thuộc vào bước ren. Phương pháp này phần lớn bỏ qua tác động của ma sát trong giai đoạn căng thẳng quan trọng, giảm đáng kể phân tán lực trước tải xuống còn ±10%.
- Siết chặt điểm giới hạn chảy: Còn gọi là mô-men xoắn-đến điểm giới hạn chảy, phương pháp này được thiết kế để sử dụng lực giữ chặt tối đa có thể từ một bulông cho sẵn. Quá trình bao gồm siết chặt bulông bằng thiết bị chuyên dụng theo dõi mối quan hệ giữa mô-men xoắn và góc quay. Khi siết chặt, bulông ban đầu kéo dài đàn hồi. Điểm giới hạn chảy được phát hiện khi góc quay bắt đầu tăng mà không có sự gia tăng tỷ lệ thuận của mô-men xoắn, cho thấy vật liệu đã vào vùng dẻo. Bulông được siết chặt vượt quá điểm này. Điều này cung cấp lực trước tải cao nhất có thể và làm cho mối ghép cực kỳ chống lỏng lẻo. Tuy nhiên, đi kèm cảnh báo quan trọng: bulông đã bị kéo dài vĩnh viễn và trải qua biến dạng dẻo. Các bulông mô-men xoắn-đến điểm giới hạn chảy được coi là thành phần dùng một lần và không bao giờ được tái sử dụng.
- Đo lực căng trực tiếp: Đối với các ứng dụng quan trọng nhất, đo lực căng của bulông trực tiếp cung cấp mức độ chính xác cao nhất, loại bỏ hoàn toàn sự suy đoán. Các phương pháp bao gồm:
- Chỉ báo Tension Trực tiếp (DTIs): Đây là các vòng đệm chuyên dụng có các chấm nhỏ nén lại khi bu lông được siết chặt. Kỹ thuật viên siết chặt bu lông cho đến khi thước cảm biến không còn chèn vào khe hở nữa, điều này cho thấy lực nén tối thiểu yêu cầu đã đạt được.
- Đo siêu âm: Đây là tiêu chuẩn vàng để xác nhận lực nén trước. Theo kinh nghiệm thực tế của chúng tôi, việc sử dụng cảm biến mở rộng siêu âm là bước đột phá cho các mối nối quan trọng. Quá trình này bao gồm đặt một cảm biến nhỏ trên đầu bu lông và lấy phép đo cơ sở về chiều dài của nó trước khi siết chặt. Khi kỹ thuật viên áp dụng mô-men xoắn, thiết bị gửi các xung siêu âm qua bu lông và đo thời gian bay, tính toán sự thay đổi về chiều dài theo thời gian thực. Sự thay đổi này, hay kéo dài, có mối quan hệ trực tiếp, có thể tính toán được với lực nén. Điều này cho phép chúng ta đạt được lực nén mục tiêu — ví dụ, 75% của lực thử của bu lông — với độ chính xác ±5% hoặc tốt hơn, mức độ chính xác mà không thể đạt được bằng cờ lê mô-men xoắn đơn giản.
Áp lực, biến dạng và hỏng hóc
Kết nối bu lông flange là một hệ thống động dưới áp lực liên tục. Hiểu cách phân phối các ứng suất này và những yếu tố có thể khiến chúng vượt quá giới hạn của hệ thống là nền tảng để thiết kế độ bền và chẩn đoán sự cố. Một phương pháp chủ động trong phân tích lỗi giúp kỹ sư ngăn ngừa các vấn đề trước khi chúng xảy ra.
Sơ đồ Liên kết (VDI 2230)
Để hình dung các lực tác động trong một mối nối bắt bu lông, kỹ sư thường tham khảo sơ đồ liên kết, một khái niệm được trình bày kỹ lưỡng trong các tiêu chuẩn như VDI 2230. Sơ đồ này là một biểu đồ thể hiện lực so với biến dạng của cả bu lông và các thành phần flange kẹp chặt. Bu lông được thể hiện bằng một đường dốc tương đối nông (ít cứng), trong khi các thành phần kẹp chặt, thường ngắn hơn và nặng hơn, được thể hiện bằng một đường dốc dốc hơn nhiều (cứng hơn).
Khi một tải kéo bên ngoài được tác dụng lên mối nối đã được nén trước, sơ đồ thể hiện rõ cách tải này được chia sẻ như thế nào. Một nguyên tắc quan trọng được tiết lộ qua phân tích này là tầm quan trọng của độ cứng của mối nối. Trong một mối nối được thiết kế tốt, nơi các thành phần kẹp chặt cứng hơn đáng kể so với bu lông, phần lớn tải chu kỳ bên ngoài được hấp thụ bởi sự giảm áp của các thành phần flange, chứ không phải bởi sự tăng lực kéo của bu lông. Điều này bảo vệ bu lông khỏi những thay đổi ứng suất lớn dẫn đến mỏi mòn. Tiêu chuẩn VDI 2230 cung cấp các phương pháp tính toán hệ thống để phân tích các tương tác này và đảm bảo mối nối bắt bu lông hoạt động tối ưu về hiệu suất và an toàn.
Các phương thức hỏng hóc phổ biến
Hiểu lý do tại sao các kết nối bu lông flange thất bại là bước đầu tiên để phòng ngừa. Các sự cố hiếm khi xảy ra một cách ngẫu nhiên; chúng thường là kết quả của sai sót trong thiết kế, quy trình lắp ráp không chính xác hoặc sự không phù hợp giữa vật liệu và môi trường vận hành. Bảng dưới đây là hướng dẫn nhanh giúp kỹ sư và kỹ thuật viên nhận diện và ngăn chặn các dạng lỗi phổ biến nhất.
Bảng 2: Các dạng lỗi phổ biến trong các kết nối bu lông flange
| Chế độ hỏng hóc | Nguyên Nhân Chính | Chỉ số chính | Chiến lược Ngăn ngừa |
| Mệt mỏi của Bulông | Lực nén không đủ; tải ngoại lực chu kỳ | Gãy bu lông, thường ở dưới đầu hoặc tại vòng ren tiếp xúc đầu tiên. Bề mặt gãy thể hiện các vết “dấu bãi biển”. | Đảm bảo lực nén đủ lớn để ngăn ngừa tách rời mối nối dưới tải; sử dụng quy trình siết chặt đúng (ví dụ, mô-men xoắn- góc); sử dụng bu lông flange có bán kính viền lớn dưới đầu. |
| Lỏng lẻo do rung động | Lực nén thấp; rung chuyển ngang hoặc cắt | Mất lực kẹp theo thời gian; chuyển động mối nối rõ ràng; rò rỉ; tiếng kêu lục cục. | Sử dụng bu lông flange răng cưa để khóa cơ học; tăng lực nén đến mức an toàn tối đa; sử dụng chất kết dính ren hóa học; thiết kế mối nối để giảm thiểu chuyển động ngang. |
| Nén miếng đệm / Rò rỉ | Lực nén quá mức hoặc không đều; vật liệu miếng đệm không phù hợp | Miếng đệm bị hư hỏng hoặc bị ép trồi lên; rò rỉ chất lỏng/khí từ giao diện flange. | Sử dụng bu lông flange mịn để phân bổ lực đều; theo mẫu hình sao hoặc chéo khi siết chặt; chọn loại và độ dày miếng đệm phù hợp với áp lực, nhiệt độ và môi trường media. |
| Làm tróc ren | Vặn quá chặt; không đủ chiều dài ren tiếp xúc; sử dụng vật liệu khác nhau/mềm | Không thể đạt được mô-men xoắn mục tiêu (ốc vít cứ quay); ren bị trượt trên vít hoặc trong đai ốc/lỗ. | Đảm bảo chiều dài tiếp xúc ren tối thiểu từ 1 đến 1,5 lần đường kính ốc vít trong thép; sử dụng dầu bôi trơn phù hợp để ngăn ngừa kẹt rỉ; không vượt quá giới hạn chịu lực của vật liệu. |
| Nứt nẻ do ăn mòn do ứng suất | Vật liệu dễ bị ảnh hưởng + môi trường ăn mòn + ứng suất kéo | Các vết nứt giòn xuất hiện trên ốc vít, thường sau một thời gian sử dụng, mà không có dấu hiệu quá tải rõ ràng. | Lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng (xem phần tiếp theo); áp dụng lớp phủ bảo vệ; sử dụng các loại ốc vít có độ bền thấp hơn khi có thể để giảm khả năng bị ảnh hưởng; kiểm soát môi trường nếu có thể. |
Ảnh hưởng của vật liệu và môi trường
Tính toàn vẹn và an toàn lâu dài của kết nối đai ốc flange phụ thuộc rất lớn vào việc chọn đúng vật liệu và đảm bảo chúng phù hợp với môi trường vận hành. Một bộ bắt vít hoạt động hoàn hảo trong phòng khô, điều kiện nhiệt độ kiểm soát có thể gặp sự cố nghiêm trọng khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, hóa chất ăn mòn hoặc điều kiện cực lạnh. Phân tích kỹ lưỡng các yếu tố môi trường không phải là tùy chọn; đó là phần cốt lõi của thiết kế mối nối có trách nhiệm.
Phù hợp giữa cấp độ ốc vít và độ bền
Các ốc vít flange có nhiều cấp độ độ bền khác nhau, thường được xác định theo tiêu chuẩn như ISO 898-1 (ví dụ, lớp tính chất 8.8, 10.9, 12.9) hoặc SAE J429 (ví dụ, cấp 5, 8). Các cấp độ này thể hiện đặc tính cơ học của vật liệu, cụ thể là độ bền kéo và độ bền dẻo. Một ốc vít có cấp độ cao hơn, như lớp 12.9, có độ bền kéo cao hơn, cho phép siết chặt với lực nén lớn hơn, tạo thành mối nối chắc chắn hơn với lực giữ chặt cao hơn.
Tuy nhiên, giải pháp không phải lúc nào cũng là “sử dụng ốc vít có độ bền cao nhất.” Thép có độ bền cao hơn (thường là lớp 10.9 trở lên) có thể dễ bị nứt do hydrogen, một cơ chế hỏng hóc khi hydrogen hấp thụ gây ra vỡ giòn dưới tải kéo, đặc biệt trong môi trường phủ lớp hoặc ăn mòn nhất định. Nguyên tắc kỹ thuật chính là chọn cấp độ ốc vít phù hợp với yêu cầu thiết kế của mối nối. Việc quá mức yêu cầu về độ bền có thể gây rủi ro và chi phí không cần thiết.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ cực đoan ảnh hưởng sâu sắc đến đặc tính cơ học của vật liệu bắt vít.
- Nhiệt độ cao: Khi nhiệt độ tăng, kim loại bắt đầu mất đi độ bền và độ cứng. Quan trọng hơn, chúng có thể trải qua hiện tượng gọi là giãn nở hoặc co ngót, trong đó ốc vít từ từ kéo dài dưới áp lực liên tục theo thời gian, dẫn đến mất lực nén dần dần nhưng vĩnh viễn. Đối với các ứng dụng trên khoảng 250°C (480°F), thép carbon và hợp kim tiêu chuẩn thường không đủ khả năng chịu đựng. Các vật liệu như thép hợp kim crom-molypden (ví dụ, ASTM A193 Loại B7 hoặc B16) hoặc hợp kim nickel dựa trên superalloy cần thiết để duy trì lực giữ chặt.
- Nhiệt độ thấp (Cryogenic): Khi nhiệt độ giảm, nhiều loại thép carbon và hợp kim thông thường trải qua chuyển đổi từ dẻo sang giòn. Chúng mất khả năng chịu va đập và có thể gãy vỡ giòn dưới tác động hoặc tải sốc. Đối với các ứng dụng cực lạnh, vật liệu giữ được độ dẻo ở nhiệt độ thấp là cần thiết. Bao gồm thép không gỉ dạng austenitic (ví dụ, series 304 và 316) và một số hợp kim nickel.

Ăn mòn: Mối đe dọa thầm lặng
Ăn mòn là nguyên nhân chính gây hỏng hóc bộ bắt vít trong quá trình sử dụng. Nó có thể xuất hiện dưới nhiều dạng, mỗi dạng yêu cầu chiến lược phòng ngừa khác nhau. Ăn mòn tổng thể (gỉ sét) là phổ biến nhất, nhưng các dạng nguy hiểm hơn như ăn mòn galva (khi các kim loại khác nhau tiếp xúc trong dung dịch điện ly) và nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) gây ra rủi ro lớn hơn. Việc lựa chọn vật liệu và lớp phủ phù hợp là hàng đầu để phòng ngừa. Bảng dưới đây cung cấp hướng dẫn thực tế để chọn vật liệu và lớp phủ cho đai ốc flange phù hợp với các môi trường công nghiệp phổ biến.
Bảng 3: Hướng dẫn chọn vật liệu/lớp phủ cho đai ốc flange trong các môi trường khác nhau
| Môi trường | Thách thức chính | Vật liệu đề xuất | Lớp phủ đề xuất |
| Trong nhà / Khô | Nguy cơ ăn mòn tối thiểu | Thép carbon (ví dụ: Loại 8.8, 10.9) | Mạ kẽm, Phốt phát & Dầu |
| Ngoài trời / Độ ẩm cao | Ăn mòn chung (gỉ sét) | Thép carbon, Thép không gỉ 304 | Phun mạ kẽm nóng (HDG), Kẽm bột (ví dụ: Geomet, Dacromet) |
| Hàng hải / Phun muối | Ăn mòn chloride gây hấn | Thép không gỉ 316, Thép không gỉ Duplex, Đồng silicon | Không áp dụng (dựa vào khả năng chống ăn mòn tự nhiên của vật liệu nền) |
| Nhà máy hóa chất | Tấn công hóa chất đặc biệt | Thép không gỉ (316/317L), Hợp kim Nickel (ví dụ: Inconel, Hastelloy), Titanium | Polymer fluor (ví dụ: PTFE/Teflon) để tăng cường lớp chắn |
| Nhiệt độ cao (>400°C) | Thư giãn, Oxy hóa, Ăn mòn ở nhiệt độ cao | Thép hợp kim (ví dụ: A193 B16), Hợp kim Niken (ví dụ: Inconel 718) | Lớp phủ dựa trên gốm, Mạ bạc (như chống kẹt) |
Kết luận: Phương pháp tiếp cận hệ thống toàn diện
Một kết nối vít mặt bích đáng tin cậy không đạt được chỉ bằng cách tập trung vào một thành phần duy nhất, mà bằng cách hiểu và kiểm soát toàn bộ hệ thống kỹ thuật. Thành công của nó là kết quả của một phương pháp tiếp cận toàn diện kết hợp hiểu biết sâu sắc về vật lý cơ học, quy trình lắp ráp chính xác, lựa chọn thành phần đúng đắn và khoa học vật liệu thông minh. Một thông số mô-men xoắn đơn giản là không đủ; tính toàn vẹn của mối nối thực sự đòi hỏi một phương pháp tiếp cận nghiêm ngặt hơn.
Chúng ta phải nhớ ba điểm quan trọng nhất từ phân tích này:
- Đạt được lực nén chính xác và đủ là mục tiêu quan trọng nhất, vì lực giữ chặt này là yếu tố đảm bảo hiệu suất của mối nối.
- Thiết kế vật lý của vít mặt bích phải phù hợp một cách có chủ đích với yêu cầu chính của ứng dụng, dù là chống rung hay phân phối tải đều.
- Mối liên kết là một hệ thống hoàn chỉnh cần được kỹ thuật hóa để tính đến các ứng suất vận hành, khả năng tương thích vật liệu và tác động lâu dài của môi trường.
Bằng cách áp dụng phương pháp tiếp cận hệ thống toàn diện này, chúng ta nâng cao một nhiệm vụ lắp ráp phổ biến thành một kết quả kỹ thuật dự đoán được, đáng tin cậy và an toàn, đảm bảo tính toàn vẹn của mối liên kết trong suốt vòng đời sử dụng.
- Tiêu chuẩn và Kỹ thuật ốc vít – ASTM International https://www.astm.org/
- Thiết kế liên kết bu lông – VDI (Hiệp hội Kỹ sư Đức) https://www.vdi.de/
- Ốc vít cơ khí – Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Bolted_joint
- Tiêu chuẩn về ốc vít và bu lông – ISO https://www.iso.org/
- Tiêu chuẩn kỹ thuật cơ khí – ASME https://www.asme.org/
- Viện Ốc vít Công nghiệp https://www.industrial-fasteners.org/
- Công nghệ ốc vít – ScienceDirect https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/bolted-joint
- Hệ thống sản xuất và bắt vít – SME https://www.sme.org/
- Ốc vít và thành phần công nghiệp – Thomasnet https://www.thomasnet.com/
- Giáo dục Kỹ thuật Cơ khí – MIT OpenCourseWare https://ocw.mit.edu/

Phù hợp giữa cấp độ ốc vít và độ bền



