So Sánh Gioăng Xoắn Ốc và Răng Cưa Kim Loại – Loại Nào Tốt Hơn
—
Trong các hệ thống seal công nghiệp áp suất cao, gioăng xoắn ốc (spiral wound) và gioăng răng cưa kim loại (kammprofile) là hai giải pháp phổ biến nhất được quy định trong tiêu chuẩn ASME B16.20. Mỗi loại có cấu trúc thiết kế riêng biệt với ưu nhược điểm khác nhau về khả năng chịu áp suất, yêu cầu lực siết bu-lông và chi phí sử dụng. Bài viết dưới đây so sánh chi tiết hai loại gioăng này qua các tiêu chí kỹ thuật, giúp kỹ sư lựa chọn giải pháp phù hợp nhất cho ứng dụng cụ thể trong ngành dầu khí, hóa chất và các ngành công nghiệp nặng khác.
Giới Thiệu Hai Loại Gioăng
Spiral wound gasket được tạo thành từ dải kim loại hình chữ V (V-shaped metal strip) có độ dày 0.15-0.25mm được cuộn xoắn ốc với vật liệu filler mềm như graphite hoặc PTFE. Cấu trúc xoắn ốc này tạo ra khả năng đàn hồi cao và phục hồi tốt sau khi chịu tải, phù hợp với điều kiện nhiệt độ dao động và áp suất thay đổi. Gioăng spiral wound thường được trang bị inner ring và outer ring để định vị chính xác trên flange và ngăn filler bị thoát ra.
Kammprofile gasket có cấu trúc gồm lõi kim loại răng cưa (serrated metal core) dày 1.5-3mm với các rãnh đồng tâm có độ sâu 0.1-0.3mm và bước răng 0.3-0.5mm. Bề mặt răng cưa được phủ lớp vật liệu mềm (soft facing) như graphite hoặc expanded PTFE dày 0.5-1.5mm mỗi mặt. Thiết kế răng cưa tạo điểm tập trung ứng suất giúp seal hiệu quả ngay cả với lực siết bu-lông thấp hơn so với spiral wound.
Cả hai loại gioăng đều được quy định rõ trong tiêu chuẩn ASME B16.20 về vật liệu kim loại seal và có các phân loại theo kích thước, vật liệu và ứng dụng. Spiral wound được phân loại theo style (inner ring, outer ring, hoặc cả hai), trong khi kammprofile được phân loại theo loại lõi kim loại và vật liệu facing.
Bảng 1: Phân Loại Theo ASME B16.20
| Loại Gioăng | Classification | Components | Ring Configuration | Application Range |
|---|---|---|---|---|
| Spiral Wound | Style CG | Metal + Filler | Centering ring only | Flat face flange |
| Spiral Wound | Style R | Metal + Filler | Inner ring only | Raised face RF |
| Spiral Wound | Style RIR | Metal + Filler | Inner + outer rings | High pressure RF |
| Kammprofile | Type A | Serrated core + Graphite | Solid metal core | General industrial |
| Kammprofile | Type B | Serrated core + ePTFE | Grooved core | Chemical resistant |
| Kammprofile | Type C | Serrated core + Tanged | Perforated core | High temperature |
| Kammprofile | Hybrid | Serrated + Composite | Reinforced core | Severe service |
Cấu Trúc Chi Tiết
Cấu trúc của spiral wound gasket bao gồm dải kim loại 316 stainless steel (hoặc Inconel cho nhiệt độ cao) dày 0.15-0.25mm được định hình chữ V và cuộn xoắn với filler graphite hoặc PTFE. Mật độ cuộn điển hình là 3.5-4.5 vòng trên một centimet đường kính, tạo ra cấu trúc có độ xốp kiểm soát khoảng 20-35 phần trăm. Inner ring làm từ carbon steel hoặc stainless steel dày 3.0-6.0mm ngăn filler bị đẩy vào trong đường ống khi siết bu-lông. Outer ring có chức năng định vị và ngăn gioăng bị thổi ra ngoài flange.
Kammprofile gasket có lõi kim loại được gia công các rãnh răng cưa đồng tâm với độ sâu 0.1-0.3mm và bước răng 0.3-0.5mm bằng công nghệ CNC machining hoặc cold rolling. Mật độ răng thường là 2-3 răng trên một millimet đường kính, tạo ra khoảng 600-1,200 điểm tiếp xúc cho gioăng đường kính 100mm. Lớp graphite facing dày 0.5-1.5mm được dán lên mỗi mặt bằng keo nhiệt độ cao, tạo lớp seal mềm điền đầy các bất thường bề mặt flange trong khi lõi kim loại chịu tải chính.
Cấu trúc xoắn ốc của spiral wound cho phép gioăng nén đàn hồi 30-50 phần trăm so với độ dày ban đầu và phục hồi 60-75 phần trăm sau khi giảm tải. Khả năng đàn hồi này giúp duy trì lực seal khi nhiệt độ thay đổi gây co giãn flange. Ngược lại, kammprofile có độ nén thấp hơn chỉ 10-25 phần trăm nhưng lại tạo seal ban đầu tốt hơn do tập trung ứng suất tại các đỉnh răng cưa.
Bảng 2: So Sánh Cấu Trúc Chi Tiết
| Thành Phần | Spiral Wound | Kammprofile | Đơn Vị | Ảnh Hưởng |
|---|---|---|---|---|
| Metal thickness | 0.15-0.25 | 1.5-3.0 | mm | Độ cứng tổng thể |
| Winding/Groove density | 3.5-4.5 turns/cm | 2-3 grooves/mm | – | Điểm seal contact |
| Filler/Facing thickness | 0.3-0.5 | 0.5-1.5 per side | mm | Khả năng conform |
| Compression range | 30-50 | 10-25 | % | Đàn hồi nhiệt |
| Recovery capability | 60-75 | 40-55 | % | Tái sử dụng |
| Typical weight (DN100) | 45-65 | 120-180 | gram | Chi phí vận chuyển |
| Metal volume ratio | 30-40 | 65-75 | % | Độ bền cơ học |
Tính Năng Áp Suất
Spiral wound gasket được thiết kế cho dải áp suất làm việc rộng từ 20 bar đến 250 bar tùy theo class flange và cấu hình ring. Với flange class 150 áp suất làm việc tối đa là 20-30 bar ở nhiệt độ thường, class 300 cho phép 50-80 bar, class 600 đạt 100-140 bar, class 900 lên tới 150-180 bar và class 1500 có thể chịu 200-250 bar. Khả năng chịu áp suất cao này đến từ cấu trúc xoắn ốc tạo ra nhiều lớp kim loại chồng lên nhau chịu tải phân tán.
Kammprofile gasket có dải áp suất làm việc hẹp hơn từ 10 bar đến 160 bar, phù hợp với flange class 150 đến 900. Hạn chế này do lõi kim loại đặc dày 1.5-3mm có xu hướng biến dạng vĩnh viễn khi áp suất vượt quá 160 bar, làm mất khả năng seal khi giảm tải. Tuy nhiên trong dải áp suất làm việc, kammprofile thường cho hiệu suất seal tốt hơn spiral wound nhờ bề mặt tiếp xúc lớn hơn và phân bố đều áp lực.
Đối với ứng dụng áp suất dao động hoặc nhiệt độ thay đổi lớn, spiral wound có ưu thế rõ rệt do khả năng đàn hồi cao giúp duy trì lực seal khi flange co giãn. Kammprofile phù hợp hơn cho hệ thống áp suất ổn định hoặc thay đổi chậm, nơi yêu cầu seal ban đầu tốt quan trọng hơn khả năng thích ứng nhiệt. Trong ngành dầu khí offshore với áp suất 100-200 bar và nhiệt độ -20 đến 300 độ C, spiral wound style RIR là lựa chọn ưu tiên theo API 6A.
Bảng 3: Áp Suất Làm Việc Theo Flange Class
| Flange Class | Spiral Wound Max | Kammprofile Max | Temperature Range | Typical Application | Standard |
|---|---|---|---|---|---|
| Class 150 | 20-30 bar | 10-25 bar | -29 to 538 do C | Low pressure steam | ASME B16.5 |
| Class 300 | 50-80 bar | 40-65 bar | -29 to 538 do C | Process piping | ASME B16.5 |
| Class 600 | 100-140 bar | 80-110 bar | -29 to 538 do C | High pressure gas | ASME B16.5 |
| Class 900 | 150-180 bar | 120-160 bar | -29 to 538 do C | Oil & gas pipeline | API 6A |
| Class 1500 | 200-250 bar | Not recommended | -29 to 538 do C | Subsea wellhead | API 6A |
| Class 2500 | 280-350 bar | Not recommended | -29 to 427 do C | High pressure reactor | ASME B16.47 |
Seating Stress Requirements
Seating stress là áp lực nén ban đầu cần thiết để tạo seal hiệu quả, được đo bằng megapascal (MPa) trên diện tích gioăng. Spiral wound gasket yêu cầu seating stress điển hình 50-70 MPa tùy theo loại filler, trong đó graphite filler cần 50-60 MPa và PTFE filler cần 60-70 MPa do độ cứng cao hơn. Yêu cầu cao này đến từ cấu trúc xoắn ốc cần nén đủ để kim loại và filler tạo thành lớp seal liên tục mà không có khe hở.
Kammprofile gasket yêu cầu seating stress thấp hơn đáng kể chỉ 30-50 MPa, trong đó loại graphite facing cần 30-40 MPa và ePTFE facing cần 40-50 MPa. Lợi thế này đến từ thiết kế răng cưa tập trung ứng suất tại các đỉnh răng, giúp vật liệu mềm facing biến dạng và điền đầy bất thường bề mặt ngay cả với lực siết bu-lông thấp. Điều này đặc biệt có lợi khi làm việc với flange composite, fiberglass hoặc thiết bị có giới hạn lực siết bu-lông.
Công thức tính mô-men siết bu-lông dựa trên seating stress là M equals K times D times P, trong đó M là mô-men (Nm), K là hệ số ma sát bu-lông (thường 0.18-0.22), D là đường kính bu-lông (m) và P là lực cần thiết (N). Với gioăng DN 100 spiral wound cần seating stress 60 MPa, diện tích seal 0.008 m2 sẽ cần tổng lực 480 kN, tương đương mô-men 135 Nm cho mỗi bu-lông M20 (8 bu-lông). Kammprofile chỉ cần 320 kN tổng lực tương đương 90 Nm mỗi bu-lông.
Bảng 4: Yêu cầu Seating Stress Theo Áp Suất
| Working Pressure | Spiral Wound Seating | Kammprofile Seating | Bolt Load Ratio | Equipment Suitability | Notes |
|---|---|---|---|---|---|
| 10-30 bar | 50-55 MPa | 30-35 MPa | 1.5:1 | All flange types | Low pressure advantage K |
| 40-60 bar | 55-60 MPa | 35-40 MPa | 1.5:1 | Steel flanges | Standard applications |
| 70-100 bar | 60-65 MPa | 40-45 MPa | 1.4:1 | High strength steel | Offshore typical |
| 110-150 bar | 65-70 MPa | 45-50 MPa | 1.4:1 | API flanges only | Premium service |
| 160-200 bar | 70-75 MPa | Not recommended | – | Spiral only | High pressure limit |
Ứng Dụng và Standards
Trong ngành dầu khí, spiral wound gasket là lựa chọn chuẩn cho các ứng dụng API 6A bao gồm wellhead, christmas tree và subsea equipment với áp suất làm việc 100-250 bar và nhiệt độ -29 đến 250 độ C. Tiêu chuẩn API 6A yêu cầu spiral wound phải được kiểm tra pressure cycle test với 1,000 chu kỳ áp suất từ 0 đến 1.5 lần áp suất làm việc mà không được rò rỉ vượt quá 0.1 ml/hour helium. Filler graphite phải đạt độ tinh khiết carbon tối thiểu 95 phần trăm theo API 6FB.
Kammprofile gasket được ưa chuộng trong ngành hóa chất và dược phẩm theo tiêu chuẩn EN 1514-6 cho các ứng dụng cần bảo trì thường xuyên với áp suất 10-100 bar. Tiêu chuẩn EN 1514-6 quy định kammprofile phải chịu được thermal cycling test với 500 chu kỳ nhiệt độ từ -20 đến 300 độ C mà độ rò rỉ không vượt quá class L1.5 (1.5 mg/s/m nitrogen). Lớp facing phải duy trì độ dày tối thiểu 0.3mm sau khi compression test ở 50 MPa trong 24 giờ.
Trong công nghiệp điện lực, cả hai loại gioăng đều được sử dụng theo ASME B16.20 cho flange turbine và boiler feed pump. Spiral wound style RIR được chỉ định cho steam header áp suất 140-160 bar nhiệt độ 540 độ C, trong khi kammprofile phù hợp cho condensate line áp suất 20-40 bar nhiệt độ 150 độ C. Đối với nuclear power plant theo ASME Boiler Code Section III, chỉ spiral wound với filler graphite flexible được phép sử dụng trong reactor coolant system do yêu cầu radiation resistance.
Bảng 5: Tuân Thủ Standards Theo Ngành
| Standard | Spiral Wound | Kammprofile | Industry | Pressure Range | Key Requirements | Test Protocol |
|---|---|---|---|---|---|---|
| API 6A | Required | Not approved | Oil & Gas upstream | 100-350 bar | Pressure cycle 1000x | Gas tight test |
| ASME B16.20 | Type A/B | Type C | General industrial | 10-200 bar | Material certs | Visual + dimension |
| EN 1514-6 | Optional | Preferred | Chemical process | 10-100 bar | Thermal cycling 500x | Leak class L1.5 |
| ASME Sec III | Nuclear grade | Not allowed | Nuclear power | 40-170 bar | Radiation test | Helium leak test |
| ISO 3601 | Standard | Standard | Automotive | 5-60 bar | Temperature cycling | Compression set |
| DIN 2690 | Type B | Type A | European industrial | 10-160 bar | Chemical resistance | Immersion test |
Reusability và Maintenance
Spiral wound gasket được khuyến nghị sử dụng một lần duy nhất (single use) và thay thế mỗi khi mở flange theo best practice của API và ASME. Sau khi chịu tải, cấu trúc xoắn ốc bị nén vĩnh viễn 30-40 phần trăm và filler bị đẩy lấp đầy các khoảng trống, khiến gioăng không thể phục hồi hình dạng ban đầu. Nếu tái sử dụng, khả năng seal giảm 60-70 phần trăm và nguy cơ rò rỉ tăng đáng kể đặc biệt ở các điểm có nhiệt độ cao hoặc dao động áp suất.
Kammprofile gasket có khả năng tái sử dụng 2-3 lần nếu lõi kim loại không bị biến dạng và lớp facing còn nguyên vẹn. Sau mỗi lần tháo, cần kiểm tra lớp graphite facing bằng thước đo độ dày – nếu còn tối thiểu 0.5mm có thể tái sử dụng. Lõi kim loại cần kiểm tra độ phẳng bằng straight edge – độ cong không quá 0.1mm trên 100mm là chấp nhận được. Khả năng tái sử dụng này giúp giảm 40-50 phần trăm chi phí bảo trì hàng năm cho thiết bị cần mở thường xuyên.
Quy trình bảo trì cho spiral wound bao gồm kiểm tra tình trạng flange surface finish (Ra ≤ 6.3 micromet) và độ phẳng (≤ 0.05mm per 100mm) trước khi lắp gioăng mới. Làm sạch bề mặt flange bằng dung môi không ăn mòn và solvent wipe, siết bu-lông theo pattern chéo góc với 3-4 bước tăng dần mô-men đến giá trị quy định. Sau 24 giờ vận hành, cần retorque bu-lông lên thêm 10-15 phần trăm để bù lún của gioăng.
Bảng 6: So Sánh Maintenance và Reusability
| Aspect | Spiral Wound | Kammprofile | Cost Impact | Best Practice | Frequency |
|---|---|---|---|---|---|
| Recommended usage | Single use only | Reusable 2-3 times | 150-200% higher SW | Always new for critical | Per shutdown |
| Inspection after removal | Visual only | Thickness + flatness | Testing cost +30K | Use calibrated tools | Every removal |
| Minimum facing thickness | N/A (replace) | 0.5mm remaining | Replacement trigger | Document thickness | Annual |
| Core deformation limit | N/A (replace) | 0.1mm per 100mm | Reuse acceptable | Check with straight edge | Every removal |
| Retorque requirement | Yes 10-15% at 24h | Yes 5-10% at 24h | Downtime 2-4 hours | Mandatory for both | Initial startup |
| Storage shelf life | 5 years sealed | 10 years if protected | Inventory turnover | Climate controlled | Check annually |
| Replacement trigger | Every opening | Damage or 3rd use | Planning criticality | Spare stock 2x usage | Track usage count |
| Flange preparation time | 45-60 minutes | 30-45 minutes | Labor cost difference | Include in schedule | Per maintenance |
Chi Phí Total Cost of Ownership
Giá mua ban đầu của spiral wound gasket dao động 650,000-1,200,000 VND mỗi cái cho kích thước DN 100-200, trong đó style R (inner ring) rẻ nhất 650,000-800,000 VND, style RIR (inner và outer ring) tốn 900,000-1,200,000 VND. Vật liệu kim loại ảnh hưởng đáng kể – 316 SS tiêu chuẩn, Inconel 625 tăng 80-100 phần trăm giá, và titanium cho môi trường biển tăng 150-200 phần trăm. Filler graphite rẻ hơn PTFE khoảng 15-20 phần trăm.
Kammprofile gasket có giá 480,000-850,000 VND cho cùng size DN 100-200, rẻ hơn spiral wound 20-30 phần trăm do cấu trúc đơn giản hơn và ít vật liệu kim loại quý hơn. Loại graphite facing rẻ nhất 480,000-600,000 VND, trong khi ePTFE facing tốn 650,000-850,000 VND do vật liệu đắt hơn. Lõi kim loại carbon steel là rẻ nhất, stainless steel 316 tăng 25-30 phần trăm, và Inconel tăng 70-80 phần trăm so với carbon steel.
Phân tích Total Cost of Ownership (TCO) trong 10 năm cho hệ thống có 20 flange cần bảo trì 2 lần mỗi năm cho thấy spiral wound tốn tổng 312 triệu VND (26 triệu/năm) do phải thay mới 400 lần. Kammprofile chỉ tốn 192 triệu VND (16 triệu/năm) vì tái sử dụng được giảm số lượng thay thế xuống còn 160 lần. Chi phí lao động lắp đặt cũng thấp hơn cho kammprofile do seating stress yêu cầu thấp hơn giúp tiết kiệm 20-25 phần trăm thời gian siết bu-lông.
Bảng 7: Phân Tích Chi Phí 10 Năm (20 Flanges, 2 Shutdowns/Year)
| Cost Component | Spiral Wound | Kammprofile | Difference | Calculation Basis | Notes |
|---|---|---|---|---|---|
| Unit price DN100 | 750,000 VND | 550,000 VND | -27% | Market average 2025 | 316SS graphite |
| Total replacements | 400 pcs | 160 pcs | -60% | 20 flanges x 20 events | Reuse factor 2.5x |
| Gasket material cost | 300,000,000 VND | 88,000,000 VND | -71% | Units x price | Major savings |
| Installation labor | 8,000,000 VND | 6,400,000 VND | -20% | 400h @ 20K vs 320h | Seating stress diff |
| Inspection cost | 2,000,000 VND | 6,000,000 VND | +200% | Visual vs measure | K requires tools |
| Unplanned shutdown | 2,000,000 VND | 800,000 VND | -60% | Failure rate based | SW higher leak risk |
| Total 10-year TCO | 312,000,000 VND | 192,000,000 VND | -38% | Sum all costs | K significantly cheaper |
Lựa Chọn Theo Ứng Dụng
Spiral wound gasket là lựa chọn bắt buộc cho các ứng dụng áp suất trên 160 bar, môi trường nhiệt độ dao động lớn trên 100 độ C trong một chu kỳ, hoặc các hệ thống theo tiêu chuẩn API 6A trong ngành dầu khí. Ưu điểm vượt trội của spiral wound là khả năng đàn hồi cao giúp duy trì seal khi flange co giãn nhiệt, phục hồi tốt sau pressure surge, và chịu được thermal shock trong quá trình startup-shutdown nhanh. Đối với offshore platform và subsea equipment, spiral wound style RIR với Inconel 625 winding là tiêu chuẩn công nghiệp.
Kammprofile gasket phù hợp cho hệ thống áp suất 10-120 bar có yêu cầu bảo trì thường xuyên như reactor chemical plant, pharmaceutical clean process, và food grade piping. Khả năng tái sử dụng 2-3 lần giúp giảm downtime và chi phí vận hành trong môi trường cần mở flange hàng tuần hoặc hàng tháng. Yêu cầu seating stress thấp làm kammprofile trở thành lựa chọn duy nhất cho flange composite, fiberglass equipment, và thiết bị có giới hạn lực siết bu-lông như glass-lined reactor.
Đối với thiết bị có yêu cầu zero emission như toxic service theo EPA regulation hoặc TA Luft, cả hai loại gioăng đều có thể sử dụng nhưng spiral wound có track record tốt hơn trong long-term fugitive emission test. Kammprofile lại ưu việt hơn cho ứng dụng cryogenic dưới -50 độ C do lớp facing graphite duy trì độ mềm tốt hơn filler trong spiral wound ở nhiệt độ cực thấp. Trong vacuum service dưới 10 mbar, spiral wound là lựa chọn ưu tiên do cấu trúc xoắn có ít đường thoát khí hơn.
Bảng 8: Ma Trận Lựa Chọn Theo Thông Số
| Parameter | Range | Spiral Wound | Kammprofile | Winner | Reasoning |
|---|---|---|---|---|---|
| Pressure | >160 bar | Excellent | Not suitable | SW | Structural limit K |
| Pressure | 80-160 bar | Excellent | Good | SW | Better reliability |
| Pressure | 40-80 bar | Good | Excellent | Equal | Both suitable |
| Pressure | <40 bar | Good | Excellent | K | Cost advantage |
| Thermal cycling | >100 do C swing | Excellent | Fair | SW | Resilience critical |
| Thermal cycling | <50 do C swing | Good | Excellent | K | Stable conditions |
| Maintenance freq | Annual or less | Good | Excellent | K | Reusability benefit |
| Maintenance freq | Once every 5yr | Excellent | Good | SW | Single use OK |
| Flange material | Composite/FRP | Not suitable | Excellent | K | Low seating stress |
| Flange material | Steel/Alloy | Excellent | Excellent | Equal | Both perform well |
| Budget constraint | High cost OK | Excellent | Good | SW | Performance priority |
| Budget constraint | Cost critical | Fair | Excellent | K | 38% lower TCO |
Kết Luận
Spiral wound gasket và kammprofile gasket đều là giải pháp seal hiệu quả cho flange công nghiệp nhưng phù hợp với các điều kiện khác nhau. Spiral wound vượt trội ở áp suất trên 160 bar, khả năng chịu thermal cycling cao và ứng dụng API standard trong dầu khí với chi phí ban đầu 650,000-1,200,000 VND nhưng phải thay mới mỗi lần mở. Kammprofile tiết kiệm 38 phần trăm total cost qua 10 năm nhờ tái sử dụng 2-3 lần, yêu cầu seating stress thấp hơn 30-50 MPa so với 50-70 MPa của spiral wound, phù hợp cho áp suất dưới 160 bar và thiết bị bảo trì thường xuyên. Lựa chọn giữa hai loại cần cân nhắc áp suất làm việc, tần suất bảo trì, yêu cầu tiêu chuẩn và tổng chi phí sở hữu trong vòng đời thiết bị.
Tại amiang.net có cung cấp cả spiral wound và kammprofile gasket từ các nguồn uy tín với dịch vụ tư vấn kỹ thuật miễn phí giúp khách hàng lựa chọn loại gioăng và thông số phù hợp nhất với điều kiện vận hành cụ thể của hệ thống.
