Đặc điểm thiết kế van cầu xoay quanh một cặp đĩa và bệ đặt vuông góc với dòng chảy: ty van đẩy đĩa tịnh tiến xuống ép vào bệ để đóng, nâng đĩa lên để mở. Kiểu thân (chữ Z, chữ Y, góc), dạng đĩa, cách lắp bệ và kiểu nắp capo quyết định tổn thất áp suất, độ kín, khả năng điều tiết và cách bảo trì của từng van. Nắm các chi tiết này giúp đọc đúng catalogue và phân biệt các dòng van cầu khi chọn mua.
Các bộ phận chính của van cầu và chức năng
Một van cầu tay quay tiêu chuẩn gồm các chi tiết sau, tính từ phần tiếp xúc lưu chất ra ngoài:
- Thân van (body): chứa dòng chảy, có hai cổng nối ống (ren, mặt bích, hàn) và vách ngăn tạo bệ van ở giữa.
- Bệ van (seat): vòng tròn nằm trong thân, là nơi đĩa tì vào để chặn dòng.
- Đĩa van (disc): gắn ở đầu ty, di chuyển vuông góc với mặt bệ. Đĩa và bệ cùng với phần ty tiếp xúc lưu chất được gọi là trim.
- Ty van (stem): nối đĩa với tay quay hoặc bộ truyền động, truyền lực đóng mở. Ty có ren chuyển chuyển động quay của tay quay thành chuyển động tịnh tiến của đĩa.
- Nắp capo (bonnet): đậy kín khoang thân phía trên, là đường dẫn ty ra ngoài và là điểm rò rỉ tiềm tàng thứ hai sau ty.
- Tết chèn (packing) và đai ốc ép tết (gland): vòng đệm bao quanh ty trong hộp chèn; đai ốc ép tết siết tết vào ty để chặn lưu chất không rò ra ngoài.
- Ách van (yoke): khung đỡ phía trên nắp capo, giữ đai ốc ty và tay quay hoặc mặt bích lắp bộ truyền động.
- Bộ truyền động: tay quay, bộ điện hoặc khí nén. Bộ khí nén đẩy thẳng ty trơn lên xuống; bộ điện có cơ cấu ren hoặc hộp số riêng, ty van vẫn chỉ tịnh tiến.
Thiết kế thân van: chữ Z, chữ Y và góc 90°
Hình dạng thân quyết định số lần dòng chảy đổi hướng, và vì vậy quyết định phần lớn tổn thất áp suất qua van.
Thân chữ Z (thân thẳng)
Đây là kiểu phổ biến nhất. Vách ngăn trong thân có dạng chữ Z, hai cổng nằm thẳng hàng, ty đặt thẳng đứng vuông góc với trục ống. Dòng chảy bị ép đi lên qua bệ rồi quay xuống ra cổng, tức đổi hướng hai lần nên trở lực lớn nhất trong các kiểu thân. Thân Z có bệ nằm ngang, đĩa đóng khít đều và dễ chế tạo, nên giá thấp. Với van tay quay, hướng dòng chảy thường đi từ dưới lên, theo mũi tên đúc trên thân.
Thân chữ Y
Ở thân chữ Y, ty và bệ nghiêng khoảng 45–60° so với trục ống. Dòng ít bị bẻ góc hơn thân Z (dù vẫn không thông thẳng như van cổng) nên hệ số trở lực K chỉ khoảng 2–3, so với 4–10 của thân Z (tham khảo, tùy DN và hãng). Nhờ vậy tổn thất áp suất thấp hơn, van hợp với hơi nóng, áp cao và đường ống cần hạn chế sụt áp. Đổi lại thân Y dài hơn, nặng hơn và đắt hơn thân Z cùng cỡ.
Thân góc 90°
Cổng vào và cổng ra vuông góc với nhau, dòng chỉ đổi hướng một lần ở bệ. Một van góc thay được một cút 90° cộng một van thẳng, tiết kiệm mối nối và chỗ lắp. Thân góc chịu xung lực dòng tốt nên hay gặp ở đầu ra bình, nồi hơi, đường xả và van điều khiển lưu lượng lớn. K tham khảo khoảng 2–5.
| Kiểu thân | Số lần đổi hướng dòng | Tổn thất tương đối (K tham khảo) | Ứng dụng thường gặp |
|---|---|---|---|
| Chữ Z | 2 | Cao nhất (4–10) | Nước, khí, dầu áp trung bình, đóng ngắt và điều tiết thông thường |
| Chữ Y | Gần thẳng | Thấp nhất (2–3) | Hơi nóng, áp cao, đường ống nhạy với sụt áp |
| Góc 90° | 1 | Trung bình (2–5) | Đầu ra bình, nồi hơi, đường xả, chỗ cần đổi hướng ống |
Thiết kế đĩa van: đĩa phẳng, côn, kim và đĩa mềm
- Đĩa phẳng và đĩa côn (plug): bề mặt tiếp xúc bệ là mặt phẳng hoặc mặt côn. Dùng cho đóng ngắt và điều tiết thô, kín kim loại với kim loại. Đĩa côn dài có thể làm biên dạng để cải thiện điều tiết.
- Đĩa kim (needle): đầu thuôn dài, nhỏ dần. Khe hở thay đổi rất chậm theo hành trình ty, nên chỉnh lưu lượng nhỏ được chính xác. Hay gặp ở van lấy mẫu, van đo, van công cụ.
- Đĩa composite (đĩa mềm): gắn vòng PTFE hoặc cao su ở mặt tiếp xúc. Vật liệu mềm biến dạng bù vào bề mặt bệ, cho độ kín bọt khí (bubble-tight) với lưu chất sạch ở nhiệt độ thấp. Giới hạn nhiệt của PTFE khoảng 180–200 °C (tham khảo, đối chiếu catalogue hãng), cao su thấp hơn nhiều.
- Đĩa parabol và đặc tính đẳng phần trăm: trên van điều khiển, biên dạng đĩa được gia công để lưu lượng thay đổi theo quy luật định trước. Với đặc tính đẳng phần trăm, mỗi bước hành trình làm lưu lượng tăng một tỷ lệ xấp xỉ cố định so với lưu lượng hiện tại, nên điều chỉnh ổn định ở độ mở nhỏ. Biên dạng này gặp nhiều ở van điều khiển khí nén dùng vòng điều khiển tự động.
Bệ van và vật liệu trim
Bệ liền thân được gia công trực tiếp trên thân van, hoặc hàn đắp một lớp hợp kim cứng lên. Kiểu này chắc, không có mối ghép rò, nhưng khi bệ hỏng phải mài lại hoặc thay van. Bệ rời là vòng riêng, vặn ren hoặc ép vào thân, có thể tháo bằng dụng cụ chuyên dụng để thay khi mòn, phù hợp van cỡ vừa và lớn cần sửa chữa tại chỗ.
Khi van mở nhỏ, lưu chất đi qua khe hẹp giữa đĩa và bệ với vận tốc rất cao, cuốn theo hạt cặn hoặc giọt nước, và cắt mòn bề mặt thành rãnh. Hiện tượng này gọi là wire drawing. Vì vậy bề mặt trim cần cứng hơn lưu chất và hạt cặn. Vật liệu trim phổ biến, tham khảo theo điều kiện làm việc:
| Vật liệu trim | Đặc điểm | Điều kiện hay dùng |
|---|---|---|
| Đồng thau, đồng đỏ | Mềm, dễ gia công, bám bệ tốt | Nước, khí, hơi áp thấp |
| Inox 13Cr (thép không gỉ martensit) | Tôi được lên độ cứng cao, chống mòn tốt hơn inox austenit | Hơi, nước nóng, dầu; thường đi với thân thép carbon |
| Inox 304/316 | Chống ăn mòn nhờ lớp màng Cr₂O₃; 316 có thêm Mo nên chịu clorua tốt hơn | Hóa chất, thực phẩm, nước biển |
| Phủ stellite (hợp kim Co-Cr-W) | Rất cứng và giữ độ cứng ở nhiệt độ cao, chống xói mòn và kẹt bề mặt | Hơi cao áp, nhiệt độ cao, lưu chất có cặn |
Vật liệu thân và trim cần chọn đồng bộ. Van cầu gang (FC, FCD) thường dùng trim đồng hoặc inox 13Cr cho nước, dầu, hơi áp thấp đến trung bình. Van cầu inox CF8/CF8M có trim inox cùng mác, hoặc phủ stellite khi chạy hơi và lưu chất mài mòn.
Thiết kế nắp capo: ren, bu lông, hàn và pressure seal
Nắp capo ghép với thân theo bốn kiểu, mỗi kiểu cân bằng giữa dễ tháo và khả năng chịu áp.
- Nắp ren: vặn trực tiếp vào thân hoặc qua đai ốc liên kết. Gọn, rẻ, thường ở van đồng và van nhỏ áp thấp. Ren dễ kẹt sau thời gian dài nên khó tháo.
- Nắp bắt bu lông: mặt bích nắp ép gioăng vào thân, dùng bu lông siết. Kiểu phổ biến nhất ở van công nghiệp, chịu áp tốt, tháo ra kiểm tra bệ, thay đĩa dễ, thuận tiện cho bảo trì. Gioăng được thay mỗi lần mở van.
- Nắp hàn: hàn kín nắp với thân, không còn gioăng nên chống rò rỉ tốt và nhẹ hơn. Không tháo được nên bên trong hỏng phải cắt hoặc thay van. Dùng cho lưu chất độc hại, nhiệt độ cao, nơi hạn chế tối đa rò rỉ.
- Nắp tự kín áp lực (pressure seal): gioăng đặt trong rãnh và bị ép chặt hơn khi áp suất trong thân tăng, nên áp càng cao càng kín. Dành cho áp rất cao, thường từ cấp Class 900 trở lên, như đường hơi chính trong nhà máy điện.
Trục, tết chèn và cơ cấu ty nổi
Ở van tay quay, ty có ren nên chuyển quay thành tịnh tiến. Có hai cách bố trí ren. Ty nổi ren ngoài (OS&Y) đặt ren phía trên hộp chèn, ngoài lưu chất: ren được bôi trơn, không ăn mòn, và nhìn độ nhô của ty biết van đang mở hay đóng, nhưng cần chừa chỗ cho ty nâng lên. Kiểu ren trong có ren nằm trong thân, tiếp xúc lưu chất, gọn hơn nhưng ren dễ ăn mòn và bám cặn, thường ở van nhỏ cho lưu chất sạch.
Tết chèn là điểm hao mòn thường xuyên nhất. Tết graphite chịu nhiệt cao hơn PTFE nên dùng cho hơi và dầu nóng; tết PTFE trơ với hầu hết hóa chất nhưng bị chảy dão khi nóng, hợp với nhiệt độ vừa phải. Khi tết chai cứng hoặc mòn, lưu chất rỉ dọc ty. Siết đai ốc ép tết đều hai bên thường xử lý được, nếu không hết thì phải thay tết. Các tình huống rò rỉ khác nằm trong mục lỗi thường gặp của van cầu.
Một số van có bệ phụ (back seat) ở phía trên: khi mở hết, vai ty tì vào bệ phụ trong nắp capo và hạn chế lưu chất đi vào hộp chèn, giúp giảm rò tạm thời khi siết tết. Bệ phụ có thể mòn hoặc bám cặn nên không thay được vai trò cách ly: muốn thay tết vẫn phải cô lập đường ống và xả áp, trừ khi hãng có quy trình riêng.
Thiết kế ảnh hưởng gì khi chọn và dùng van cầu
Thân Z rẻ nhưng tốn áp, thân Y đắt hơn nhưng giữ áp; đĩa mềm kín tốt nhưng chịu nhiệt thấp; nắp bu lông dễ bảo trì còn nắp hàn không có gioăng nên loại bỏ điểm rò ở mối ghép nhưng không sửa được. Khi cân nhắc ưu và nhược điểm của van cầu, các điểm này cần đặt cạnh điều kiện vận hành thực tế.
- Đóng ngắt thường xuyên, nước hoặc khí thông thường: thân Z, đĩa phẳng hoặc đĩa mềm, nắp bu lông.
- Hơi nóng, áp cao, cần ít sụt áp: thân Y hoặc thân góc, trim 13Cr hoặc phủ stellite, tết graphite.
- Điều tiết liên tục: đĩa côn biên dạng hoặc đĩa kim, tránh vận hành lâu dài dưới khoảng 10–15% hành trình để khỏi bị xói mòn bệ.
- Lưu chất độc hại, cần hạn chế rò rỉ: nắp hàn hoặc ty làm kín bằng ống xếp (bellows seal) theo yêu cầu hãng.
Các điểm cụ thể về lưu chất, áp suất và nhiệt độ được đối chiếu ở bước chọn van cầu. Áp suất định mức luôn giảm khi nhiệt độ tăng, nên cần xem đường cong P–T của vật liệu thân, không chỉ đọc cấp PN trên nhãn.
Tư vấn chọn van cầu theo thiết kế tại Viva
Gửi cho Viva lưu chất, nhiệt độ, áp suất làm việc, kích thước DN và kiểu nối ống, kỹ thuật sẽ đề xuất kiểu thân, vật liệu trim và kiểu nắp phù hợp, kèm thông số để bạn đối chiếu với catalogue của hãng. Cần so sánh nhiều phương án, có thể gửi bản vẽ P&ID hoặc ảnh nhãn van đang dùng để được kiểm tra.
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 về đặc điểm thiết kế van cầu
Van cầu thân chữ Z và chữ Y khác nhau chỗ nào?
Thân Z đổi hướng dòng hai lần nên tổn thất áp suất lớn, giá thấp. Thân Y đặt ty nghiêng khoảng 45–60° nên dòng ít bị bẻ góc, sụt áp thấp hơn, hợp hơi nóng và áp cao nhưng đắt hơn.
Vì sao van cầu không nên mở quá nhỏ trong thời gian dài?
Khe hở giữa đĩa và bệ rất hẹp nên vận tốc dòng lớn, gây xói mòn bề mặt (wire drawing), rung và ồn. Nên tránh vận hành lâu dài dưới khoảng 10–15% hành trình.
Bệ van rời có ưu điểm gì so với bệ liền thân?
Bệ rời vặn ren hoặc ép vào thân, có thể tháo ra thay khi mòn mà không phải thay cả van. Bệ liền thân chắc và ít mối ghép nhưng khi hỏng phải mài lại hoặc thay van.
Khi nào nên chọn nắp capo hàn hoặc pressure seal?
Nắp hàn dùng khi cần hạn chế tối đa rò rỉ và không cần tháo bảo trì. Nắp pressure seal dùng cho áp rất cao, vì áp suất trong thân càng lớn thì gioăng càng được ép kín.
Có thay tết chèn khi van đang mở hết được không?
Không nên. Bệ phụ (back seat) chỉ giúp giảm rò tạm thời khi siết tết; muốn thay tết phải cách ly van và xả áp, trừ khi hãng có quy trình riêng.
Đặc điểm thiết kế van cầu