Van an toàn là gì?

Nội dung

Van an toàn là một thiết bị/phần tử thuỷ lực không thể thiếu nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động an toàn. Khi áp suất trong hệ thống vượt quá giá trị cho phép, van an toàn sẽ tự động xả bớt chất lưu một cách an toàn để đưa áp suất trong hệ thống về mức hoạt động bình thường (nhỏ hơn áp suất lớn nhất cho phép). Ngày nay, van an toàn có mặt trên các hệ thống như hệ thống truyền động thuỷ lực, hệ thống hơi nước, hệ thống cung cấp nước cứu hoả, hệ thống cung cấp nước sạch, hệ thống đường ống công nghiệp, hệ thống khai thác, xử lý, vận chuyển dầu mỏ, khí đốt, hệ thống cung cấp khí nén… Chính vị sự đa dạng trong lĩnh vực áp dụng đã khiến một số người có sự nhầm lẫn hoặc bối rối khi lựa chọn van an toàn cho hệ thống của mình. Bài viết này được tác giả viết lại trên cơ sở dựa theo một bài viết đăng trên trang web Beswich Engineering để bạn đọc dẽ dàng tham khảo.

Nguyên lý làm việc của van an toàn

Van an toàn làm việc dựa trên nguyên lý cân bằng lực tác động lên nút van. Ở trạng thái tĩnh, van đóng kín, lực tác động lên nút van bao gồm lực đóng kín van do lò xo hoặc do tải trọng treo trên đòn bẩy tạo ra và lực đẩy mở van do áp suất tại cửa vào của van gây ra. Lực đẩy mở van P = p*A (Trong đó: P-lực đẩy mở van, p-áp suất trong hệ thống, A-tiết diện hiệu dụng của nút van). Van sẽ bắt đầu mở để xả lưu chất trong hệ thống khi lực đẩy mở van bắt đầu bằng và lớn hơn lực đóng kín nút van: F = k*x (Trong đó: F-lực đóng kín nút van, k-độ cứng của lò xo, x-độ biến dạng của lò xo) hoặc F = k*G (Trong đó, k-hệ số khuếch đại của đòn bẩy, G-trọng lượng vật treo trên đòn bầy). Từ đó, giá trị áp suất danh nghĩa cài đặt mở van và cũng là áp suất giới hạn cho phép trong hệ thống: p = F/A. Giá trị này có thể thay đổi do điều chỉnh vị trí của vật treo trên đòn bẩy hoặc vít chỉnh độ căng lò xo.

weight lever operate — Van an toàn kết cầu đòn bẩy

Cách lựa chọn van an toàn

Phân tích trên mới chỉ giải thích nguyên lý làm việc của van. Để lựa chọn chính xác van an toàn cho những ứng dụng cụ thể cần phân tích rõ các yếu tố sau:

1. Phần lớn các van an toàn dùng lò xo để tạo lực giữ nút van đóng kín, kết cấu này cũng giúp người sử dụng dễ dàng điều chỉnh áp suất mở van. Trong quá trình làm việc, lực đàn hồi của lò xo và áp lực do chất lưu gây ra cùng tác động lên hai phía đối diện của nút van. Khi áp lực vượt quá giới hạn cho phép (do áp suất tăng) thì nút van được đẩy rời khỏi đế van cho phép chất lưu chảy qua van tới khi nào áp suất giảm thì van sẽ đóng lại duy trì hoạt động bình thường của hệ thống.

2. Nút van là phần tử cảm biến áp suất đối với van an toàn tác động trực tiếp. Nút van dạng pit-tông được lựa chọn trong trường hợp áp suất làm việc của van lớn và không yêu cầu chênh lệch giữa áp suất kích mở van khi áp suất tăng và áp suất đóng van khi áp suất giảm nhỏ. Điều này có nghĩa là van sẽ mở trong phạm vi áp suất biến đổi từ p1 tới p2 khá lớn. Đặc tính làm việc này rất phù hợp với một van tràn trong hệ thống truyền động thuỷ lực thể tích. Nếu nút van có dạng màng đàn hồi thì áp suất làm việc của van nhỏ hơn so với trường hợp nút van dạng pit-tông. Tuy nhiên, áp suất đóng và mở van có sai số rất nhỏ so với áp suất cài đặt danh nghĩa do khi sử dụng kết cấu màng đã loại bỏ lực ma sát giữa nút van và thân van, hơn nữa diện tích hiệu dụng của nút van cũng lớn hơn.

3. Các thông số thiết kế là cơ sở quan trọng để lựa chọn van an toàn:

– Áp suất làm việc, áp suất làm việc của van phải đảm bảo lớn hơn áp suất giới hạn trong hệ thống.

– Lưu lượng lớn nhất xả qua van, lưu lượng xả qua van là yếu tố quyết định thời gian giảm áp suất trong hệ thống của van an toàn hoặc khả năng duy trì áp suất trong hệ thống của van tràn.

– Loại chất lưu, tính chất của chất lưu trong hệ thống cũng là yếu tố quan trọng để lựa chọn được van an toàn hợp lý nhất. Mỗi loại chất lưu khác nhau có một vài tính chất mang tính quyết định trong việc lựa chọn vật liệu chế tạo thân van, nút van và vòng đế van cũng như chi tiết làm kín. Các bộ phân tiếp xúc với chất lưu của van được gọi là “wetted”. Nếu chất lưu có tính dễ cháy hoặc gây nguy hại với môi trường thì van an toàn cần có đường dẫn xả chất lưu tới nơi an toàn.

– Kích cỡ và khối lượng, trong nhiều ứng dụng kích thước và khối lượng của van là một yếu tố hàng đầu khi lựa chọn van an toàn. Vật liệu chế tạo, kích thước cửa van và kiểu ren, kiểu lắp ghép cũng là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới khối lượng của van.

– Vật liệu chế tạo, có rất nhiều loại vật liệu chế tạo van dành cho những ứng dụng khác nhau về chất lưu làm việc và điều kiện môi trường. Các vật liệu chế tạo van an toàn thông dụng như thép không rỉ 303, 304 hoặc 316, hợp kim đồng, thép cac-bon, nhôm hoặc nhựa. Hợp kim đồng là sự lựa chọn kinh tế cho phần lớn các ứng dụng van an toàn có áp suất làm việc không lớn, vật liệu nhôm lại có ưu thế khi khối lượng của van là yếu tố quyết định và nhựa là ưu tiên hàng đầu cho các ứng dụng có áp suất thấp và yêu cầu chi phí nhỏ như hệ thống cung cấp nước. Trong khi đó, thép không rỉ là ưu tiên hàng đầu trong các hệ thống có áp suất làm việc khá lớn và chất lưu có tính chất ăn mòn kim loại hoặc môi trường có tính ẩm hoặc ẩm và mặn như hệ thống thu gom, vận chuyển dầu khí, hệ thống bơm nước trên tàu biển. Trong trường hợp yêu cầu về tính thẩm mĩ và sạch sẽ đảm bảo vệ sinh thì vật liệu thép không rỉ là ưu tiên hàng đầu. Tính chất ăn mòn đối với vật liệu làm kín cũng là một yếu tố quyết định lựa chọn vật liệu làm kín như teflon, cao su Buna-N, viton…