Van bi nào đảm bảo độ kín đáng tin cậy trong điều kiện áp suất cao?

Thiết kế van bi như thế nào để đảm bảo độ kín đáng tin cậy ở áp suất cao

Các thách thức chính về độ kín: rò rỉ do áp suất gây ra, biến dạng ghế van và tải lên trục van

Khi nói đến van bi áp lực cao, thực tế có ba cách chính mà chúng thường bị hỏng, và các vấn đề này đều có liên hệ với nhau: rò rỉ do áp suất, sự cố về hình dạng đế van, và ứng suất quá lớn lên trục van. Rò rỉ xảy ra vì chênh lệch áp suất có thể đẩy vượt qua phần giữ đế van ở vị trí, đặc biệt khi van mở và đóng nhanh. Điều này tạo ra những khe hở nhỏ giữa bi van và bề mặt tiếp xúc. Với các đế làm từ vật liệu mềm như PTFE hoặc cao su, hiện tượng nén trở thành vấn đề khi áp suất vượt quá khoảng 3.000 psi. Những vật liệu này đơn giản là không còn chịu được lực ép mạnh nữa. Tuy nhiên, đế kim loại cũng có những vấn đề riêng. Nếu không có các lớp phủ bề mặt đặc biệt và hợp kim cứng, chúng bắt đầu dính vào nhau và mài mòn. Phần trục van còn trở nên tồi tệ hơn trong điều kiện áp suất cực cao. Lấy van loại Class 2500 làm ví dụ. Chúng phải chịu lực xoắn lớn hơn khoảng 48 phần trăm so với van thông thường. Điều này có nghĩa là kỹ sư cần tính toán cẩn thận cách hỗ trợ trunnion một cách phù hợp và tích hợp các vòng bi giảm ma sát để tránh hư hại cho trục hoặc làm lệch các gioăng kín.

Các yếu tố thiết kế quan trọng: độ bền của thân xe, tải trước ghế ngồi và độ hoàn thiện bề mặt bi

Việc đạt được độ kín đáng tin cậy ở áp suất cao thực sự phụ thuộc vào việc kết hợp ba phương pháp cơ khí khác nhau. Trước hết, khi các nhà sản xuất rèn toàn bộ đường kính thân van, điều này loại bỏ những điểm ứng suất khó chịu tại vị trí mặt bích tiếp giáp với cửa nối. Cách làm này đảm bảo mọi thứ đều đáp ứng yêu cầu ASME B16.34 ngay cả ở mức áp suất lên đến 2500 và đôi khi còn cao hơn. Tiếp theo là hệ thống tải trước của đệm ngồi (seat preload system). Một số thiết kế sử dụng lò xo, trong khi những thiết kế khác dùng polymer đàn hồi. Dù bằng cách nào, các thành phần này cũng chủ động chống lại hiện tượng co nhiệt và hiện tượng vật liệu giãn nở theo thời gian do áp lực. Chúng duy trì lực ép tiếp xúc ổn định bất kể điều kiện vận hành thay đổi như thế nào. Và cuối cùng là độ hoàn thiện bề mặt bi. Khi được đánh bóng xuống dưới 0,4 micromet Ra, các bề mặt này tạo ra rất ít vị trí để rò rỉ nhỏ có thể hình thành. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng cho thấy một điều đáng chú ý: Trong các chu kỳ làm việc với khí hydro ở áp suất 5.000 psi, các bi được đánh bóng gương giảm phát thải vô hình gần 99,7% so với các bề mặt hoàn thiện thông thường. Khi kết hợp tất cả những yếu tố này lại, chúng tạo thành một rào cản áp suất vững chắc, có thể chịu đựng được cả tải trọng liên tục lẫn những thay đổi nhiệt độ đột ngột.

Van Bi Cố Định Trục Dưới cho Ổn Định Áp Suất Cao

Tại sao thiết kế trục dưới loại bỏ giới hạn van bi nổi ở áp suất trên 3.000 psi

Các van bi kiểu trunnion cố định bi giữa các trục cơ khí chắc chắn thay vì dựa vào áp suất chất lỏng để làm kín như các thiết kế nổi truyền thống. Cách thức chế tạo các van này ngăn chặn cả chuyển động dọc trục và hướng kính khi chịu tải trọng lớn, từ đó giải quyết một trong những vấn đề chính của van nổi – hiện tượng rò rỉ khi đạt đến khoảng 3.000 psi hoặc cao hơn. Khi chuyển động của bi bị hạn chế nhờ giá đỡ trunnion, người vận hành thực tế chỉ cần mô-men xoắn thấp hơn khoảng 30 đến thậm chí 40 phần trăm để vận hành ở những áp suất cao như vậy. Hơn nữa, cấu trúc này duy trì lực ép lên đệm làm kín ổn định và dự đoán được trong suốt quá trình vận hành, ngay cả khi hệ thống xuất hiện các cú sốc áp suất đột ngột. Đối với các ứng dụng yêu cầu cách ly tuyệt đối phải được đảm bảo, loại ổn định này rất quan trọng, bởi nếu bi dịch chuyển bất ngờ, có thể làm hỏng nghiêm trọng các bề mặt làm kín và dẫn đến nguy cơ thất bại hoàn toàn.

Xác nhận thực tế: dữ liệu hiệu suất từ các van bi trunnion đã được chứng nhận API 6D/6FA

Các van bi trunnion đã được chứng nhận API 6D/6FA trải qua các bài kiểm tra chịu lửa, phát thải rò rỉ và áp suất chu kỳ – xác nhận hiệu suất ở áp suất duy trì vượt quá 2.500 psi. Dữ liệu ngành độc lập xác nhận sự vượt trội của chúng:

Các đơn vị được chứng nhận duy trì độ rò rỉ bằng không sau hơn 500 chu kỳ nhiệt và đáp ứng yêu cầu NACE MR0175 cho môi trường khí axit – chứng minh độ tin cậy trong xử lý hydrocarbon dưới biển, LNG và nhà máy lọc hóa dầu.

Van bi đế kim loại: Tiêu chuẩn cho độ kín ở áp suất cực cao

Cơ chế làm kín kim loại với kim loại dưới điều kiện chu kỳ nhiệt và áp suất cao liên tục

Van bi có đế kim loại hoạt động dựa trên cách quả cầu cứng và đế biến dạng vừa đủ để tạo thành một lớp kín chắc chắn mà không có khe hở hay vật liệu bị ép ra ngoài. Các bề mặt tiếp xúc bằng kim loại này chịu được áp lực rất cao trên 1.000 psi và nhiệt độ vượt quá 400 độ Fahrenheit tốt hơn nhiều so với loại đế mềm. Cũng có một hiện tượng thú vị xảy ra trong quá trình thay đổi nhiệt độ. Khi các bộ phận bằng thép không gỉ giãn nở khác nhau khi nóng lên, áp lực giữa chúng thực tế tăng thêm khoảng 15 đến 20 phần trăm, làm cho lớp kín chặt hơn. Hiệu ứng này đã được các bài kiểm tra trong ngành chứng minh trong nhiều năm nay. Để các van này có thể hoạt động hàng ngàn lần mà không bị hỏng, bề mặt cần phải cực kỳ nhẵn, lý tưởng là dưới 16 Ra microinch. Các lớp phủ cứng như Stellite 6 cũng rất quan trọng vì chúng ngăn các bộ phận kim loại dính vào nhau và giữ cho van không bị rò rỉ ngay cả sau nhiều lần sử dụng.

Khi nào nên chọn van bi đế kim loại thay vì van bi đế mềm: hướng dẫn về áp suất, nhiệt độ và môi chất

Van đế kim loại là lựa chọn tối ưu cho các điều kiện khắc nghiệt yêu cầu độ bền lâu dài, an toàn cháy nổ hoặc khả năng chống mài mòn:

Chúng là bắt buộc đối với các ứng dụng chống cháy nổ theo tiêu chuẩn API 607/6FA, nơi mà sự phân hủy nhiệt không được làm ảnh hưởng đến khả năng đóng kín. Trong các hệ thống hơi nước nhiệt độ cao (>750°F), chúng ngăn ngừa sụp đổ nghiêm trọng của đệm làm kín mềm. Ngược lại, các van có đệm làm kín mềm vẫn là lựa chọn tối ưu cho các hệ thống nước áp suất thấp, nơi ưu tiên khả năng đóng kín tuyệt đối với momen xoắn tối thiểu hơn là độ bền hoặc khả năng chịu điều kiện khắc nghiệt.

Các lựa chọn về vật liệu và cấu tạo nhằm tối đa hóa hiệu suất áp suất của van bi

Các mác thép không gỉ (F22, F51, F53) và các xếp hạng áp suất-nhiệt độ đã được xác nhận

Việc lựa chọn vật liệu thực sự quyết định khả năng thiết bị chịu áp lực, chống lại các chu kỳ ứng suất lặp đi lặp lại và chống ăn mòn theo thời gian. Trong những môi trường mà các yếu tố này đặc biệt quan trọng, các kỹ sư thường sử dụng thép không gỉ austenitic và duplex như F51 (loại Duplex tiêu chuẩn) và F53 (Super Duplex). Những hợp kim này có độ bền ấn tượng trong khi vẫn nhẹ, đồng thời có khả năng chịu clorua rất tốt, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các giàn khoan ngoài khơi và các cơ sở xử lý hóa chất. Khi nhiệt độ vượt quá 500 độ C, hợp kim chrome-moly F22 trở thành lựa chọn hàng đầu nhờ tính chất chịu nhiệt vượt trội. Tất cả các vật liệu này đều đáp ứng các yêu cầu được nêu trong tiêu chuẩn ASME B16.34 về xếp hạng áp suất-nhiệt độ, mang lại sự tin cậy cho nhà sản xuất khi lựa chọn cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khắt khe.

• F53 (UNS S32750) : Độ bền chảy tối thiểu 550 MPa tại 38°C, duy trì 480 MPa tại 200°C
• F51 (UNS S31803) : Duy trì độ bền kéo 450 MPa ở 100°C trong môi trường clorua ăn mòn
• F22 (A182 F22) : Duy trì độ bền kéo 205 MPa ở 540°C

Các đặc tính đã được xác minh này đảm bảo hiệu suất làm kín ổn định khi kết hợp với vật liệu đệm phù hợp và các phương pháp gia công đúng cách.

Thân rèn so với thân đúc: ảnh hưởng đến độ tin cậy cấu trúc trong dịch vụ ASME B16.34 Class 2500+

Các bộ phận rèn có lợi thế rõ rệt khi làm việc trong các dịch vụ áp suất cực cao trên 2500 psi. Cách mà các hạt kim loại sắp xếp trong quá trình rèn giúp loại bỏ những lỗ rỗng vi mô và tạp chất thường thấy ở các chi tiết đúc. Điều này tạo nên sự khác biệt thực sự về hiệu suất theo thời gian. Khả năng chống mỏi tăng khoảng 30 phần trăm, khả năng chịu các cú sốc áp suất đột ngột tốt hơn khoảng một nửa, và tuổi thọ kéo dài gấp ba lần khi phải chịu những thay đổi áp suất liên tục. Khi nhiệt độ giảm xuống âm 196 độ C trong các ứng dụng đông lạnh, các bộ phận rèn sẽ không nứt như các bộ phận đúc có thể gặp phải do những khuyết tật ẩn bên trong. Theo tiêu chuẩn ASME B16.34, bất kỳ van nào có cấp áp suất từ Class 2500 trở lên với kích thước danh nghĩa ống 8 inch đều phải được chế tạo bằng phương pháp rèn. Lý do là vì vật liệu rèn đồng nhất hơn dọc theo toàn bộ cấu trúc và hành xử một cách dự đoán được. Các van đúc hoạt động tốt trong các ứng dụng ít yêu cầu khắt khe hơn, nhưng nếu ai đó cần đảm bảo hoàn toàn không rò rỉ trong suốt thời gian vận hành dài hạn ở áp suất 413 bar hay 6.000 psi với các hợp chất hydrocarbon, thì phương pháp rèn vẫn là lựa chọn đáng tin cậy duy nhất hiện nay. Hơn nữa, độ tin cậy này còn giúp giảm thiểu lượng khí phát thải vô hình mà các cơ quan quản lý luôn lo ngại.

Phần Câu hỏi Thường gặp

Những nguyên nhân chính gây ra sự cố van bi ở áp suất cao là gì?

Van bi thường bị hỏng do rò rỉ do áp suất, biến dạng đệm làm kín và tải trục quá mức, đặc biệt khi được làm từ vật liệu mềm hơn không thể chịu được áp suất trên 3.000 psi.

Van bi kiểu trunnion-mounted cải thiện độ ổn định so với thiết kế nổi truyền thống như thế nào?

Van bi kiểu trunnion-mounted loại bỏ chuyển động trục và hướng kính của bi, giảm mô-men xoắn yêu cầu từ 30-40% và cung cấp lực ép đệm làm kín và độ kín áp suất ổn định.

Khi nào nên chọn van bi đệm kim loại thay vì van bi đệm mềm?

Van bi đệm kim loại lý tưởng cho các điều kiện áp suất cao, nhiệt độ cao và môi chất mài mòn, đồng thời bắt buộc phải sử dụng trong các ứng dụng an toàn cháy nổ theo tiêu chuẩn API 607/6FA.

Tại sao thân van rèn lại được ưu tiên hơn thân van đúc trong các ứng dụng áp suất cao?

Các bộ phận rèn có ít tạp chất hơn và khả năng chống mỏi tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu suất, độ tin cậy về kết cấu và tuổi thọ, đặc biệt là cho các dịch vụ trên 2500 psi.