Van cô lập - Chuyển động quay

Van cô lập được sử dụng để chuyển hướng môi chất quy trình, tạo điều kiện bảo trì, tháo dỡ thiết bị và ngừng hoạt động. Nguyên lý hoạt động, ứng dụng và cấu tạo của van chuyển động quay (quay một phần tư), bao gồm van bi và van bướm, được đề cập trong hướng dẫn này.

Van chuyển động quay, thường được gọi là van quay một phần tư, bao gồm van bi và van bướm. Bất kể loại van chuyển động quay nào, obturator quay quanh một trục vuông góc với hướng dòng chảy. Chất lỏng có thể chảy qua obturator, như trong trường hợp van bi, hoặc xung quanh nó, như với van bướm. Van chuyển động quay có xu hướng có cơ chế vận hành đơn giản và do đó dễ tự động hóa và bảo trì.

Van bi

Van bi được phát triển trong Thế chiến II và ban đầu được thiết kế để sử dụng trong hệ thống nhiên liệu máy bay, nơi trọng lượng và không gian rất quý giá. Chúng bao gồm một thân chứa bi xoay có lỗ hoặc bore được gia công trực qua. Bi được định vị trong thân bởi hai vòng đệm kín. Quay bi 90° mở và đóng van và cho phép chất lỏng chảy trực tiếp qua lỗ. Ở vị trí đóng, các mặt trống của bi chặn đầu vào và đầu ra ngăn mọi dòng chảy. Có hai thiết kế cơ bản của van bi - thiết kế bi nổi, dựa vào ghế van để đỡ bi, và bi gắn trục đỡ, sử dụng trục đỡ để đỡ bi. Gắn trục đỡ được sử dụng trên van lớn hơn, vì nó có thể giảm momen vận hành xuống khoảng hai phần ba so với bi nổi. Thông thường, tay cầm gắn vào bi thẳng hàng với trục ống khi van mở; ngược lại, nếu nó vuông góc với trục ống, điều này chỉ ra rằng van đã đóng.

Van bi có sẵn với lỗ thu hẹp hoặc lỗ đầy. Van lỗ đầy có lỗ cùng kích thước với đường kính ống, trong khi van lỗ thu hẹp, đường kính lỗ nhỏ hơn đường kính ống. Van lỗ đầy đắt hơn van lỗ thu hẹp, và chúng nên được sử dụng khi sụt áp qua van là quan trọng hoặc khi van bi được sử dụng phía trước đồng hồ đo lưu lượng.

Van lỗ đầy có thể được sử dụng trong ứng dụng đồng hồ đo lưu lượng để giảm thiểu dòng rối phía trước thiết bị đo. Để đưa bi vào thân, có ba loại lắp ráp khác nhau. Loại không chỉ ảnh hưởng đến sự dễ dàng lắp ráp, mà còn ảnh hưởng đến khả năng bảo trì của van.

• Van hai và ba mảnh - Thân van được chia ở một hoặc hai chỗ trên cùng mặt phẳng với mặt bích van, và các mảnh này được bu lông lại với nhau. Điều này có ưu điểm là bảo trì đơn giản tại chỗ.
• Van nhập trên - Bi được đưa vào qua nắp ở đỉnh van. Điều này tạo điều kiện bảo trì tại chỗ.
• Van một mảnh - Bi được bao bọc trong thân bởi phần chèn được lắp dọc theo trục van. Điều này loại bỏ khả năng rò rỉ mối nối thân và bất kỳ cơ hội ngắt kết nối trong khi vận hành, nhưng khi cần bảo trì, toàn bộ van phải được tháo ra khỏi đường ống.

Việc chọn vật liệu ghế quyết định điều kiện mà van bi cụ thể phù hợp nhất. Mặc dù vật liệu ghế mới liên tục được phát triển, Bảng 12.2.1 liệt kê một số vật liệu phổ biến hơn được sử dụng ngày nay.

Bảng 12.2.1 Vật liệu ghế van bi phổ biến

Tùy chọn van bi

Van bi có thể được sản xuất với nhiều tùy chọn để đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau:

• Bộ truyền động - Van bi, và thực tế tất cả van quay, phù hợp để tự động hóa. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng bộ truyền động điện hoặc khí nén. Bộ truyền động được kết nối với van thông qua bộ liên kết. Mặc dù không thiết yếu, miếng đệm lắp đặt tiêu chuẩn ISO cho phép bộ liên kết được lắp đặt mà không cần tháo van, duy trì tính toàn vẹn van. Tham khảo Mô-đun 6.6 để biết thêm thông tin về bộ truyền động.
• Chống cháy - Vì van bi thường được sử dụng trong đường ống dầu và khí, nên cần thiết là van được sử dụng trong các ứng dụng này phải chống cháy. Van được coi là chống cháy nếu, khi tiếp xúc với điều kiện cháy, nó sẽ tiếp tục cung cấp rò rỉ tối thiểu qua ghế và thân van, và cung cấp đóng kín hiệu quả trong hoặc sau khi cháy hoặc tiếp xúc với nhiệt độ quá cao. Các tiêu chuẩn liên quan đến an toàn cháy được quy định trong BS 6755 và API RP 6FA. Mối quan tâm chính là nhiệt độ cháy sẽ phá hủy ghế mềm và đệm kín; nhiều phương pháp đã được phát triển để khắc phục. Một cách tiếp cận là bao gồm bề mặt kín kim loại thứ cấp phía sau ghế polyme như một phần không thể thiếu của thân. Khi tiếp xúc với nhiệt độ cháy, ghế bắt đầu biến dạng và áp suất của môi chất dịch chuyển bi để ép ghế polyme ra (Hình 12.2.3(b)). Khi ghế đã bị phá hủy hoàn toàn, bi sẽ ngồi vào bề mặt kín kim loại của thân, cung cấp đóng kín chặt (Hình 12.2.3(c)).

Ngoài sự an toàn vốn có của cơ chế ghế, kín thân van cũng phải có khả năng ngăn rò rỉ ra khí quyển trong điều kiện ‘cháy’. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng đệm kín nhiệt độ cao làm từ graphite linh hoạt hoặc Grafoil®; thay vào đó, có thể sử dụng sắp xếp kín ống bellow (xem Hình 12.2.4).

• Van hơi sạch - Có nhiều ứng dụng yêu cầu van phải có thiết kế ‘sạch’; bao gồm các ứng dụng hơi nước nơi có phun hơi trực tiếp vào sản phẩm và đường chất lỏng quy trình trong ngành công nghệ sinh học, thực phẩm và điện tử. Khu vực quan tâm chính trong các ứng dụng này là khoảng trống giữa thân và bi; chất lỏng quy trình có thể tích tụ trong các khoảng trống này dẫn đến ô nhiễm và ăn mòn. Điều này có thể khắc phục bằng cách chèn phần lấp đầy khoang trong các khoảng trống này. Phần lấp đầy khoang có thể là một phần tích hợp của ghế hoặc thành phần riêng biệt trong cụm van. Hơn nữa, van bi được sử dụng trong ứng dụng hơi sạch phải được làm từ thép không gỉ với bề mặt hoàn thiện tốt (khuyến nghị nhỏ hơn 81 micron Ra).
• Ứng dụng tiết lưu - Khi van bi được sử dụng trong ứng dụng tiết lưu, dòng chảy tốc độ cao có thể tác động vào khu vực cục bộ của bi và đệm kín, gây hư hỏng sớm vật liệu ghế. Các sửa đổi thiết kế tiêu chuẩn được yêu cầu để van bi được sử dụng cho tiết lưu; bao gồm sử dụng ghế kim loại, phủ cứng và đôi khi sửa đổi bi, để tạo mẫu dòng chảy đặc trưng.

Van bướm

Mặc dù có nhiều thiết kế van bướm khác nhau, tất cả đều bao gồm một đĩa quay trên trục vuông góc với dòng chảy chất lỏng. Khi mở, đĩa quay ngang với dòng chảy và chất lỏng đi xung quanh nó, cung cấp sức cản hạn chế. Ở vị trí đóng, đĩa được quay vào ghế trong thân van. Van bướm thường chỉ chiếm không gian tương đương với một cặp mặt bích ống, và do đó là sự thay thế hấp dẫn cho van bi khi không gian bị giới hạn. Thực tế, một số van bướm được thiết kế đặc biệt để lắp giữa mặt bích ống, chúng được gọi là van bướm dạng wafer.

Nhược điểm chính của van bướm là đóng kín không chặt như đạt được bởi các loại van khác. Điều này có thể được giảm bớt ở một mức độ nào đó bằng cách bù trục quay của đĩa và sử dụng ghế trợ lực áp suất. Bằng cách sử dụng trục quay bù, một hành động ‘cam’ được tạo ra, có nghĩa là đĩa tạo ra kín chặt với ghế trong vài độ cuối cùng của đóng kín. Các van bướm hiệu suất cao hoặc loại lệch tâm này có khả năng đóng kín được cải thiện và thiết kế cho phép chúng được sử dụng cho tiết lưu.

Đối với ứng dụng hơi nước, van bướm đã phần lớn được thay thế bởi van bi. Van bướm thường được sử dụng hơn trong hệ thống chất lỏng hoặc nơi không gian bị giới hạn. Tính nhỏ gọn của van bướm có nghĩa là cần ít vật liệu hơn và do đó lý tưởng khi ứng dụng chỉ định sử dụng vật liệu đắt tiền, ví dụ, trong ứng dụng nước biển nơi niken được chỉ định.

Lựa chọn và kích thước van cô lập

Chất lỏng quy trình phải được chứa hoàn toàn trong hệ thống đường ống được thiết kế đúng cách để tránh gây nguy hiểm cho con người và môi trường, và ô nhiễm chính chất lỏng. Hệ thống đường ống có thể có nhiều đường dẫn rò rỉ tiềm ẩn, như mối nối ống, mối hàn, kết nối thiết bị và quan trọng nhất là van. Van có thể là một trong những nguyên nhân lớn nhất gây ra vấn đề nhà máy nếu chúng được chọn sai hoặc thiết kế hoặc sản xuất kém. Hơn nữa, van, khi được chọn đúng cho ứng dụng, phải tồn tại ít nhất bằng tuổi thọ nhà máy nếu được bảo trì đúng cách. Khi chọn van cô lập cho một ứng dụng cụ thể, nhiều yếu tố cần được xem xét; chúng được hiển thị trong Bảng 12.2.2, cùng với tham số lựa chọn van bị ảnh hưởng.

Bảng 12.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn van cô lập

Bảng 12.2.3 tóm tắt các đặc điểm chính của các loại van cô lập khác nhau.

Bảng 12.2.3 Kích thước và phạm vi vận hành điển hình của van cô lập

1 Lưu ý: Giá trị điển hình cho van lỗ DN150 dẫn hơi bão hòa ở 24 bar, chảy ở tốc độ 40 m/s. Bảng 12.2.4 tóm tắt các ứng dụng của các loại van cô lập phổ biến nhất được sử dụng ngày nay.

Bảng 12.2.4 Ứng dụng của các loại van cô lập

Bảng 12.2.5 là hướng dẫn tổng quát về lựa chọn van cô lập cho các ứng dụng hơi nước và ngưng tụ cụ thể. Cần lưu ý rằng lựa chọn van cô lập mang tính chủ quan và các ngành công nghiệp khác nhau và những người ở các khu vực địa lý khác nhau có sở thích riêng.

Bảng 12.2.5 Lựa chọn van cho mục đích cô lập hơi nước/ngưng tụ Lưu ý: trong bảng này, kín ống bellow chỉ van cầu kín ống bellow và cầu chỉ van cầu tiêu chuẩn, đệm đóng gói.

Khi loại van phù hợp nhất đã được chọn, cần phải chọn kích thước chính xác. Van thường được tính theo kích thước đường ống. Tuy nhiên, nên kiểm tra rằng sụt áp qua van (khi mở hoàn toàn) nằm trong giới hạn chấp nhận được. Sụt áp là hàm số của hệ số lưu lượng van (hoặc giá trị Kvs), lưu lượng và áp suất đầu vào. Bảng thông số kỹ thuật thường chứa dữ liệu về giá trị Kvs khi van mở hoàn toàn.

Với kiến thức về áp suất vận hành điển hình và lưu lượng khối, có thể xác định sụt áp qua van đã chọn. Hoặc nếu sụt áp tối đa chấp nhận được đã biết, có thể chọn kích thước van phù hợp. Mặc dù có nhiều công thức và biểu đồ có sẵn để dự đoán mối quan hệ giữa lưu lượng và sụt áp, công thức thực nghiệm đơn giản hóa sau (Phương trình 3.21.1) cho kết quả đáng tin cậy cho hơi nước và do đó được sử dụng phổ biến:

Công thức này tạo thành cơ sở của biểu đồ được hiển thị trong Hình 12.2.7, được giới thiệu đầu tiên trong Khối 3, Mô-đun 21.

Nếu van cô lập được sử dụng trong hệ thống chất lỏng, sụt áp qua van được xác định bằng phương trình sau: