Chọn vật liệu van là ghép bốn nhóm chi tiết gồm thân, chi tiết đóng mở, trục và gioăng sao cho cả bốn cùng chịu được môi chất, nhiệt độ và áp suất của đường ống. Thứ tự hợp lý là xác định thông số vận hành, hiểu giới hạn của từng vật liệu, rồi tra bảng chọn theo 15 môi chất. Mọi giới hạn nhiệt độ, áp suất, nồng độ nêu trong bài là giá trị tham khảo, cần đối chiếu catalogue của hãng.
Mục lục
Vì sao chọn sai vật liệu van gây hỏng sớm
Vật liệu van chọn sai làm van hỏng theo ba kiểu. Kiểu thứ nhất là ăn mòn thân hoặc đĩa: môi chất phá màng bảo vệ của kim loại, thân bị rỗ hoặc mỏng dần cho tới khi rò ra ngoài. Kiểu thứ hai là hỏng gioăng: cao su hấp thụ dung môi và trương nở (EPDM trong dầu), hoặc chai cứng và mất đàn hồi khi nhiệt độ vượt giới hạn (NBR trong hơi nước). Kiểu thứ ba là mất cơ tính theo nhiệt độ: gang xám nứt vì sốc nhiệt, nhựa mềm khi vượt nhiệt độ hóa mềm, PTFE chảy lạnh dưới tải kéo dài.
Vật liệu van gồm bốn nhóm và phải chọn đồng bộ:
- Thân và nắp: chịu áp suất, tiếp xúc môi chất và môi trường bên ngoài.
- Chi tiết đóng mở (bi, đĩa, cánh, nút): bị dòng chảy và hạt rắn mài mòn nhiều nhất.
- Trục: chịu mô-men xoắn và đi xuyên qua vùng làm kín.
- Gioăng, seat, O-ring: làm kín, thường là mắt xích yếu nhất về hóa chất và nhiệt độ.
Chọn lệch một nhóm vật liệu van là đủ làm cả van hỏng. Van có thân inox 316 nhưng seat NBR dùng với dung môi thơm vẫn rò, vì seat trương nở trước khi thân kịp ăn mòn.
5 thông số cần xác định trước khi chọn vật liệu van
Năm thông số dưới đây quyết định phần lớn kết quả chọn vật liệu van. Thiếu một thông số, người bán chỉ đoán được vật liệu.
- Môi chất và nồng độ: tên chất, nồng độ phần trăm, có lẫn tạp chất hay không. HCl 5% và HCl 32% cần hai vật liệu khác nhau.
- Nhiệt độ nhỏ nhất và lớn nhất: tốc độ phản ứng ăn mòn thường tăng khoảng gấp đôi sau mỗi 10°C (quy tắc kinh nghiệm), nên bảng tương thích ở 20°C không dùng được cho môi chất nóng.
- Áp suất làm việc và áp suất thử: chọn PN hoặc Class theo cặp áp suất – nhiệt độ, vì khả năng chịu áp của gang, nhựa và PTFE giảm khi nhiệt độ tăng.
- Hàm lượng Cl⁻, pH, chất rắn lơ lửng: Cl⁻ quyết định inox 304 hay 316, chất rắn quyết định loại đĩa và seat chịu mài mòn.
- Yêu cầu vệ sinh: nước uống, thực phẩm, dược phẩm cần vật liệu có chứng nhận tiếp xúc thực phẩm và bề mặt nhẵn dễ làm sạch.
Kim loại thân van
Trong vật liệu van công nghiệp, kim loại chiếm phần lớn thân van vì chịu áp và nhiệt tốt hơn nhựa. Mỗi loại dưới đây có vùng dùng và vùng cấm rõ ràng.
Gang xám, gang cầu
Họ gang có hàm lượng cacbon cao hơn 2,14%, phần lớn cacbon tồn tại dưới dạng graphit. Gang xám (ASTM A126, EN 1561) có graphit dạng tấm, các mép sắc tập trung ứng suất nên giòn, dễ nứt khi va đập hoặc sốc nhiệt. Gang cầu (ASTM A536, EN 1563) có graphit dạng cầu nên dẻo hơn, chịu va đập và áp suất tốt hơn. Vì vậy vật liệu van bướm, van cổng cho nước và nước thải ưu tiên gang cầu.
- Nhiệt độ điển hình: gang xám khoảng −10°C đến 300°C, gang cầu khoảng −10°C đến 350°C theo bảng áp suất – nhiệt độ của EN 1092-2; van thực tế thường bị giới hạn thấp hơn bởi gioăng (tham khảo, đối chiếu catalogue của hãng).
- Phù hợp: nước sạch, nước thải, khí nén, dầu, hơi áp thấp (gang cầu).
- Không phù hợp: axit, nước biển, kiềm nóng; môi chất có sốc nhiệt (gang xám).
Thép đúc WCB, thép rèn A105
WCB (ASTM A216) là thép cacbon đúc, A105 là thép cacbon rèn. Hai mác này cùng nhóm thành phần, chịu áp cao và dùng được từ khoảng −29°C đến 425°C (tham khảo). Cacbon thấp nên dễ hàn và dai, nhưng không có crom nên gỉ nhanh trong nước và ẩm. Thép cacbon là vật liệu van quen thuộc cho hơi nước, dầu nóng, khí và môi chất khô; không dùng cho nước biển, axit và nước có oxy hòa tan cao nếu không phủ.
Inox 304, 316, CF8, CF8M
Crom từ 10,5% trở lên tạo màng Cr₂O₃ thụ động tự tái tạo khi có oxy, nên vật liệu inox (thép không gỉ) không gỉ trong nước và không khí. Inox 304 (CF8 khi đúc) có khoảng 18% Cr, 8% Ni. Inox 316 (CF8M khi đúc) thêm 2–3% Mo, giúp chống rỗ do Cl⁻. Cả hai chịu được nước nóng, hơi, nhiều kiềm và axit oxy hóa như HNO₃; đều kém trong HCl vì Cl⁻ phá màng thụ động.
- Nhiệt độ điển hình: từ −196°C đến trên 400°C tùy cấp áp (tham khảo).
- Chọn 304 cho nước sạch, thực phẩm, khí nén; chọn 316 khi có Cl⁻ (nước lợ, nước hồ bơi), axit hữu cơ.
Đồng thau, đồng thanh
Đồng thau (hợp kim Cu–Zn) dễ gia công, giá hợp lý, là vật liệu van quen thuộc cho van bi và van cổng cỡ nhỏ dùng với nước. Điểm yếu là mất kẽm: kẽm bị hòa tan chọn lọc trong nước mềm, nước nhiều Cl⁻, để lại khung đồng xốp. Loại đồng thau chống mất kẽm (DZR) giảm hiện tượng này. Amoniac gây nứt ăn mòn ứng suất ở đồng thau, và H₂S ăn mòn mọi hợp kim đồng. Đồng thanh (Cu–Sn) và đồng nhôm niken bền hơn trong nước biển.
Nhựa thân van
Vật liệu nhựa làm thân van vì trơ với axit và muối mà kim loại không chịu được, nhẹ và không cần sơn bảo vệ. Điểm hạn chế chung của nhóm vật liệu van này là nhiệt độ làm việc thấp và áp suất giảm mạnh khi nóng.
| Nhựa | Nhiệt độ làm việc | Dùng tốt cho | Hạn chế |
|---|---|---|---|
| uPVC | 0–60°C | Nước, axit loãng, muối, kiềm | Dung môi hữu cơ, nhiệt độ cao |
| CPVC | đến khoảng 90°C | Nước nóng, hypoclorit, axit | Axeton, dung môi thơm |
| PP | khoảng 0–80°C | Kiềm, nhiều dung môi, mạ điện | Chất oxy hóa mạnh, UV nếu không ổn định |
| PVDF | −20°C đến khoảng 120–140°C | Axit mạnh, halogen, ngoài trời | Kiềm mạnh nóng, amin, xeton |
Vật liệu gioăng, đệm
Gioăng và seat là vật liệu van tiếp xúc môi chất trực tiếp nhất, nên chọn trước hoặc song song với thân. Sáu nhóm thường gặp:
- EPDM: cao su không phân cực, dùng cho nước, hơi áp thấp, kiềm, axit loãng; không dùng cho dầu vì mạch polyme hấp thụ hydrocacbon và trương nở. Dải khoảng −40°C đến 120°C.
- NBR: cao su nitrile, chịu dầu khoáng, mỡ, nhiên liệu nhờ nhóm nitrile phân cực; kém ozone, UV và hơi nước. Dải khoảng −30°C đến 100°C.
- FKM: cao su flo, chịu dầu nóng, dung môi thơm và nhiều axit; dải khoảng −20°C đến 200°C. Kém với hơi nước, xeton và amin.
- PTFE, RPTFE: nhựa flo trơ gần như mọi hóa chất, xem thêm về Teflon™ của Chemours; dải khoảng −200°C đến 260°C, nhưng không đàn hồi và chảy lạnh nên RPTFE (PTFE gia cường sợi thủy tinh hoặc carbon) giới hạn thấp hơn.
- Graphite mềm: làm kín hơi nhiệt cao và dầu nóng, chịu đến khoảng 450°C trong không khí, cao hơn trong môi trường không oxy hóa (tham khảo).
- Seat kim loại: dùng cho hơi quá nhiệt và môi chất có hạt rắn, đổi lại độ kín thấp hơn seat mềm.
Dải nhiệt độ của các vật liệu van trên thay đổi theo hợp chất của từng hãng (tham khảo, đối chiếu catalogue của hãng).
Bảng chọn vật liệu van theo môi chất
Bảng dưới là điểm xuất phát để chọn vật liệu van theo môi chất. Mỗi dòng nêu vật liệu thường dùng, không phải mọi phương án khả thi.
| Môi chất | Thân van | Đĩa, bi | Trục | Gioăng, seat |
|---|---|---|---|---|
| Nước sạch lạnh | Gang xám, gang cầu, đồng thau | Gang cầu bọc EPDM, inox 304, đồng thau | Inox 304, 420 | EPDM |
| Nước nóng đến 90°C | Đồng thau, inox 304, gang cầu | Inox 304 | Inox 304 | EPDM, PTFE |
| Nước uống | Đồng thau chống mất kẽm, inox 304, gang cầu phủ epoxy | Inox 304, 316 | Inox 304 | EPDM có chứng nhận tiếp xúc nước uống |
| Nước thải | Gang cầu phủ epoxy | Gang cầu phủ epoxy hoặc nylon, inox 304 | Inox 304, 410 | EPDM; NBR nếu có dầu mỡ |
| Nước biển, nước lợ | Nhựa, super duplex (PREN ≥40), đồng nhôm niken; duplex 2205 và inox 316 chỉ khi nước lạnh, có lưu thông | Super duplex, inox 316 (có điều kiện) | Super duplex, inox 316 (có điều kiện) | EPDM |
| Hơi bão hòa đến 10 bar | Gang cầu, WCB | Inox 304, 316 | Inox 410, 316 | RPTFE, graphite, seat kim loại |
| Hơi trên 10 bar, hơi quá nhiệt | WCB, thép hợp kim Cr–Mo theo nhiệt độ | Inox phủ cứng | Inox | Graphite, seat kim loại |
| Khí nén | Đồng thau, inox, gang cầu | Inox 304, đồng thau | Inox 304 | NBR (khí có dầu), PTFE |
| Dầu, nhiên liệu | Gang cầu, WCB, inox | Inox 304, 316 | Inox | NBR; FKM khi nóng |
| Gas LPG | Thép rèn A105, WCB, đồng thau | Inox 304 | Inox | NBR, HNBR, PTFE |
| Axit loãng (HCl, H₂SO₄) | uPVC, CPVC, PVDF hoặc thân lót PTFE | Cùng loại nhựa hoặc lót PTFE | Hợp kim đặc biệt hoặc bọc nhựa (hỏi hãng) | FKM, EPDM, PTFE |
| Kiềm (NaOH) | Inox 304, 316, PP, uPVC | Inox, PP | Inox 316 | EPDM, PTFE (tránh FKM) |
| Clo, hypoclorit | PVDF, CPVC, uPVC | Cùng loại nhựa | Trục bọc nhựa hoặc titan (hỏi hãng) | FKM, PTFE |
| Thực phẩm, đồ uống | Inox 304L, 316L vi sinh | Inox 316L | Inox 316L | EPDM, silicone, PTFE |
| Dược phẩm, CIP | Inox 316L, Ra ≤0,8 µm hoặc thấp hơn | Inox 316L | Inox 316L | EPDM, PTFE, silicone |
Nhiệt độ và nồng độ cao hơn mức thông thường làm giảm cấp của mọi vật liệu van trong bảng. Khi môi chất là hỗn hợp, hãy tra từng thành phần.
Nước biển, nước lợ
Nước biển chứa khoảng 19.000 mg/L ion Cl⁻ (tham khảo, thay đổi theo vùng biển). Cl⁻ xuyên qua màng thụ động của inox tại điểm yếu, tạo ăn mòn rỗ rồi lan thành ăn mòn kẽ ở mặt bích, ren và vùng đọng nước. Vì vậy vật liệu van bằng inox 304 không phù hợp cho nước biển.
Vật liệu inox 316 chứa 2–3% Mo nên màng thụ động bền hơn, chấp nhận được ở nhiệt độ thường và dòng chảy liên tục. Chỉ số PREN (%Cr + 3,3×%Mo + 16×%N) của 316 khoảng 24, còn duplex 2205 khoảng 35 và super duplex trên 40. PREN càng cao, nước biển càng khó gây rỗ. Khi nước đọng hoặc nhiệt độ cao, 316 vẫn có thể bị ăn mòn kẽ.
Khi chọn vật liệu van cho tuổi thọ dài, ba hướng thường dùng là super duplex (PREN ≥40), đồng nhôm niken (NAB) và van thân nhựa; duplex 2205 chỉ phù hợp khi nước lạnh, có lưu thông. Hai lưu ý khi thiết kế:
- Tránh ghép kim loại khác điện thế (thép cacbon với inox hoặc đồng) trong nước biển; kim loại kém quý bị ăn mòn điện hóa nhanh, nhất là khi diện tích kim loại quý lớn hơn nhiều.
- Dùng gioăng EPDM, không dùng NBR cho nước biển ngoài trời vì NBR kém ozone và UV.
Hơi nước
Hơi nước ở 10 bar g có nhiệt độ bão hòa khoảng 184°C, cao hơn giới hạn của nhiều gioăng cao su. Vật liệu van làm thân phải chịu được nhiệt, chu kỳ giãn nở và nước ngưng ăn mòn.
- Gang xám hạn chế vì giòn khi sốc nhiệt (khởi động nguội, xả nước ngưng đột ngột). Gang cầu và vật liệu WCB là lựa chọn phổ biến cho hơi; inox đúc CF8M dùng khi hơi sạch hoặc nước ngưng ăn mòn.
- Seat PTFE, RPTFE giới hạn bởi nhiệt độ và chảy lạnh nên dùng ở hơi áp thấp; hơi cao hơn dùng graphite hoặc seat kim loại.
- EPDM chỉ dùng cho hơi áp thấp, đến khoảng 150°C (tương ứng 4 bar g, tham khảo).
- Với vật liệu van cho hơi, tránh NBR và FKM tiêu chuẩn: NBR chai cứng, còn FKM bị hơi nước thủy phân dần.
Hóa chất ăn mòn
Với hóa chất, quy tắc đầu tiên khi chọn vật liệu van là tra theo nồng độ và nhiệt độ cụ thể, không theo tên chất. Bảng chi tiết cho kim loại, nhựa, cao su nằm ở bảng độ bền hóa học.
Bốn nguyên tắc phân loại giúp thu hẹp lựa chọn nhanh:
- Axit khử như HCl: phá màng thụ động của inox nên chọn nhựa hoặc van lót PTFE. Nhóm nhựa uPVC, CPVC, PP và PVDF khác nhau ở nhiệt độ và độ bền với từng chất.
- Axit oxy hóa như HNO₃: làm dày thêm màng thụ động nên inox 304L, 316L phù hợp; nhựa PVDF và PTFE cũng chịu được.
- Kiềm: inox, PP và gioăng EPDM là các lựa chọn thường dùng; kiềm nóng đậm đặc làm tăng nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất của inox austenit, cần hỏi hãng.
- Dung môi hữu cơ: thân inox, gioăng chọn theo loại dung môi. Với xeton (axeton, MEK) dùng PTFE hoặc EPDM, tránh uPVC, NBR và FKM; với hydrocacbon thơm dùng PTFE hoặc FKM, tránh EPDM và NBR.
Hypoclorit và clo ẩm phá hầu hết kim loại, nên van nhựa CPVC, PVDF hoặc lót PTFE là phương án thường dùng.
Thực phẩm, đồ uống, dược
Chọn vật liệu van cho dây chuyền thực phẩm và dược phải xét tới khả năng không thôi nhiễm và bề mặt dễ làm sạch. Inox 304L phù hợp thực phẩm, đồ uống; 316L dùng khi có muối, axit hoặc quy trình CIP bằng kiềm, axit nóng. Chữ L (C ≤0,03%) giữ mối hàn không nhạy cảm với ăn mòn liên hạt.
Bề mặt trong thường yêu cầu Ra ≤0,8 µm; yêu cầu dược phẩm có thể thấp hơn. Vật liệu van làm kín thường là EPDM, silicone hoặc PTFE; thực phẩm nhiều dầu béo nên cân nhắc FKM hoặc PTFE thay cho EPDM. Chứng nhận tiếp xúc thực phẩm (ví dụ FDA) phải do hãng sản xuất gioăng cung cấp cho từng lô.
Giới hạn nhiệt độ làm việc của vật liệu van
| Vật liệu | Nhiệt độ lớn nhất | Ghi chú |
|---|---|---|
| Gang xám | khoảng 300°C (van thực tế thường thấp hơn) | Giòn, tránh sốc nhiệt |
| Gang cầu | khoảng 350°C | Dai hơn gang xám |
| Thép WCB, A105 | khoảng 425°C | Gỉ trong nước nếu không phủ |
| Inox 304, 316, CF8M | trên 400°C tùy cấp áp | Kiểm tra ăn mòn liên hạt trên 425°C |
| uPVC, CPVC, PP, PVDF | 60 / 90 / 80 / 120–140°C | Áp suất cho phép giảm theo nhiệt độ |
| EPDM, NBR, FKM | 120 / 100 / 200°C | Phụ thuộc hợp chất |
| PTFE, RPTFE | khoảng 260°C | Chảy lạnh dưới tải |
Chọn nhóm van theo vật liệu
Sau khi chọn vật liệu, Viva phân loại van theo ba nhóm chính. Van bi thân inox cho nước nóng, hơi sạch, hóa chất trung tính và thực phẩm. Van bướm thân gang cho nước sạch, nước thải, khí nén ở cỡ lớn. Van bi nhựa uPVC, PVDF cho hóa chất ăn mòn, nước xử lý và nước biển ở nhiệt độ thường.
Xem thêm: chọn vật liệu van bướm theo thân, đĩa và gioăng.
Viva cung cấp van và phụ kiện đường ống tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội; giao hàng toàn quốc. Gửi tên môi chất, nồng độ, nhiệt độ, áp suất và kích thước đường ống để được tư vấn vật liệu:
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp
Van inox 304 có dùng cho nước biển được không?
Không nên dùng cho nước biển. Ion Cl⁻ khoảng 19.000 mg/L gây ăn mòn rỗ và ăn mòn kẽ trên inox 304, nhất là tại ren, mặt bích và vùng nước đọng. Inox 316 chỉ dùng có điều kiện (nước lạnh, dòng chảy liên tục, chấp nhận tuổi thọ ngắn hơn); khi cần tuổi thọ dài nên dùng super duplex, đồng nhôm niken hoặc nhựa.
Van gang có dùng cho hóa chất được không?
Gần như không. Gang chứa sắt nên bị axit hòa tan nhanh và gỉ trong nước biển. Gang chỉ dùng được với một số kiềm loãng, dầu và nước trung tính. Với axit, hypoclorit và hóa chất ăn mòn, dùng van nhựa uPVC, CPVC, PVDF hoặc van lót PTFE, sau khi tra bảng tương thích theo nồng độ và nhiệt độ.
Gioăng nào chịu được dầu?
NBR là lựa chọn thông dụng cho dầu khoáng, mỡ và nhiên liệu đến khoảng 100°C. Dầu nóng hơn hoặc dung môi thơm cần FKM, đến khoảng 200°C. PTFE chịu mọi loại dầu nhưng không đàn hồi. Không dùng EPDM cho dầu vì mạch polyme hấp thụ hydrocacbon và trương nở. Giá trị tham khảo, đối chiếu catalogue của hãng.
Cần cung cấp thông số gì để chọn đúng vật liệu van?
Cần năm thông tin: tên và nồng độ môi chất, nhiệt độ nhỏ nhất và lớn nhất, áp suất làm việc, hàm lượng Cl⁻ hoặc chất rắn nếu có, và yêu cầu vệ sinh nếu dùng cho nước uống, thực phẩm. Thiếu một thông số thì người tư vấn chỉ đoán được vật liệu, không xác nhận được.
