Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất van an toàn

Hiệu suất van an toàn là mức độ van làm đủ ba việc: mở đúng áp suất đặt, xả đủ công suất để áp suất không vượt giới hạn cho phép, và đóng kín trở lại khi áp suất hạ. Thiếu một trong ba, van không còn bảo vệ được thiết bị, dù bên ngoài vẫn nguyên vẹn.

Bài này phân tích 9 yếu tố làm hiệu suất van an toàn giảm: chênh áp làm việc, áp suất đặt và dung sai, công suất xả, blowdown, tổn thất đầu vào và áp suất ngược, rò rỉ, vật liệu, môi chất cùng nhiệt độ và tạp chất, và lắp đặt. Nếu chưa nắm cấu tạo và nguyên lý, hãy đọc trước bài van an toàn là gì.

Hiệu suất van an toàn được đo bằng những tiêu chí nào?

Van an toàn làm việc rất hiếm, nhưng khi cần thì phải chạy đúng. Hiệu suất van an toàn được đo bằng ba tiêu chí kiểm chứng được:

1. Mở đúng áp suất đặt: sai số cho phép theo ASME Section VIII là ±2 psi khi áp đặt đến 70 psig (khoảng 4,8 barg) và ±3% khi áp đặt cao hơn (tham khảo).
2. Xả đủ công suất: lưu lượng xả khi đầy tải phải lớn hơn hoặc bằng lưu lượng lớn nhất mà nguồn có thể đưa vào thiết bị, trong giới hạn tích áp (accumulation) cho phép.
3. Đóng kín lại: van đóng ở áp suất đóng đã định (qua blowdown) và sau đó rò rỉ không vượt mức cho phép.

Bảng dưới giúp dò nhanh yếu tố nào chi phối từng tiêu chí.

Chênh áp làm việc ảnh hưởng hiệu suất van an toàn ra sao

Yếu tố đầu tiên là khoảng cách giữa áp làm việc bình thường và áp suất đặt. Khuyến nghị phổ biến (API 520, tham khảo) là áp làm việc thấp hơn áp đặt ít nhất 10%, tức không vượt khoảng 90% áp đặt.

Lý do nằm ở cơ học của bệ đĩa, phần quyết định hiệu suất van an toàn ở trạng thái đóng. Lò xo ép đĩa vào bệ bằng một lực cố định. Áp suất dưới đĩa càng gần áp đặt thì lực ép dư càng nhỏ, bề mặt tiếp xúc kém kín và khí hay hơi bắt đầu rỉ qua các vết xước vi mô. Rò rỉ lâu ngày xói mòn bệ, và van càng rò càng khó đóng kín.

Ví dụ: bình khí nén có áp làm việc cao nhất 9,5 bar, van đặt 10 bar. Tỷ lệ là 95%, hiệu suất van an toàn giảm vì van gần như luôn ở trạng thái sắp mở. Cách đúng là giảm áp làm việc, hoặc dùng bình có MAWP cao hơn rồi đặt van cao hơn (bình hiện hữu chỉ nâng MAWP khi đã tính toán lại và được kiểm định). Áp đặt không được vượt áp làm việc cho phép tối đa (MAWP) của thiết bị.

Áp suất đặt và dung sai mở

Độ chính xác của áp suất đặt là phần dễ đo nhất của hiệu suất van an toàn. Áp suất đặt là áp tại đó van bắt đầu mở, do độ nén lò xo quyết định. Sai số vẫn tồn tại nên tiêu chuẩn quy định dung sai. Ví dụ: van đặt 10 bar, dung sai ±3% nghĩa là van mở trong khoảng 9,7 đến 10,3 bar. Áp đặt được phép bằng MAWP (van đơn), vì dung sai mở đã nằm trong phần quá áp cho phép, nên không cần hạ áp đặt chỉ để bù dung sai (tham khảo ASME VIII).

Áp suất đặt còn trôi theo thời gian do lò xo mỏi, cặn kết ở bệ đĩa hoặc ma sát ở trục dẫn hướng, nên cần thử định kỳ và chỉnh lại khi sai số vượt dung sai.

Lưu lượng và công suất xả

Van mở đúng áp mà xả không đủ thì áp suất vẫn tăng tiếp. Công suất xả danh định phải bằng hoặc lớn hơn lưu lượng lớn nhất có thể xảy ra khi sự cố, ví dụ lưu lượng sinh hơi tối đa của nồi hơi hoặc lưu lượng máy nén khi đường ra bị chặn. Cách tính nằm trong bài về công suất xả của van an toàn. Với khí và hơi, dòng qua họng van thường là dòng nghẹt (choked flow), nên lưu lượng tỷ lệ với áp suất tuyệt đối phía trước.

Chọn van quá lớn cũng làm giảm hiệu suất van an toàn. Van dư công suất xả nhanh, áp suất tụt ngay dưới áp đóng, van đóng rồi mở lại liên tục. Hiện tượng này gọi là van đập (chattering) và phá bệ đĩa rất nhanh. Cỡ van đúng là cỡ lỗ tiêu chuẩn nhỏ nhất có công suất bằng hoặc lớn hơn lưu lượng xả yêu cầu.

Blowdown và hiệu suất van an toàn

Blowdown gắn với tiêu chí thứ ba là đóng lại đúng áp. Đó là độ chênh giữa áp suất đặt và áp suất đóng, tính theo phần trăm áp đặt. Cơ chế mở và đóng được mô tả trong bài về hoạt động của van an toàn. Blowdown có hai giới hạn:

• Quá ngắn: áp suất chưa kịp hạ đủ thì đĩa đã đóng, áp tăng lại và van mở tiếp.
• Quá dài: van xả kéo dài, hao môi chất, áp hệ thống có thể tụt dưới mức vận hành tối thiểu.

Với van khí và hơi thông thường, blowdown khoảng 4 đến 10% áp đặt, tùy thiết kế và hãng (tham khảo API 520, catalog). Với van nồi hơi theo ASME Section I, giá trị phổ biến là 2 đến 4% (tham khảo). Blowdown chỉnh bằng vành điều chỉnh (adjusting ring) và chỉ người có chuyên môn mới được thực hiện.

Tổn thất đầu vào và áp suất ngược

API 520 Part II khuyến nghị tổn thất áp trên ống nối từ thiết bị đến cửa vào van, tính ở lưu lượng xả định mức, không quá 3% áp đặt và phải nhỏ hơn blowdown (tham khảo). Khi van mở, dòng chảy qua ống vào gây tổn thất, nên áp tại cửa vào van thấp hơn áp trong thiết bị.

Ví dụ: áp đặt 10 bar thì tổn thất cho phép là 0,3 bar. Nếu ống vào dài, nhỏ hoặc nhiều co làm tổn thất đạt 0,6 bar thì vừa mở, áp tại cửa vào đã tụt 0,6 bar. Tổn thất đầu vào là nguyên nhân phổ biến làm hiệu suất van an toàn kém dù chọn van đúng. Với van có blowdown 5% (đóng ở 9,5 bar), áp tại cửa vào 9,4 bar đã dưới mức đóng nên lò xo đẩy đĩa đóng ngay dù áp thiết bị vẫn cao. Áp hồi lại, van mở lại, và chu kỳ lặp liên tục.

Áp suất ngược ở đầu ra cộng thêm vào lực đóng của lò xo nên làm lệch áp mở của van thường (conventional). Van cân bằng ống xếp cách ly mặt sau đĩa khỏi áp suất ngược, nên chịu được mức cao hơn nhiều (tùy hãng, thường 30 đến 50% áp đặt). Khái niệm chung: back pressure.

Rò rỉ qua bệ đĩa làm giảm hiệu suất van an toàn

Rò rỉ là dấu hiệu sớm nhất cho thấy hiệu suất van an toàn đang giảm. Có hai loại: rò rỉ ngoài qua ren, bích, trục hoặc nắp, và rò rỉ trong qua bệ đĩa khi van còn đóng. Rò rỉ trong làm mất môi chất và dần xói rãnh trên bệ (wire drawing). Nguyên nhân và cách xử lý nằm trong bài lỗi van an toàn.

Về độ kín, mức rò cho phép của van bệ kim loại được quy định trong API 527 (tham khảo), thử ở 90% áp đặt với van đặt trên 50 psig. Van bệ mềm kín hơn nhưng bị giới hạn bởi nhiệt độ và hóa chất, xem phần vật liệu.

Vật liệu quyết định hiệu suất van an toàn như thế nào?

Thân, bệ đĩa, lò xo và đệm kín phải chịu đồng thời áp suất, nhiệt độ và hóa tính của môi chất. Chọn sai vật liệu, van vẫn lắp được nhưng hiệu suất van an toàn giảm và van hỏng sau thời gian ngắn. Cách chọn tổng hợp có trong bài chọn vật liệu và thông số van an toàn. Giới hạn nhiệt độ dưới đây chỉ là mức tham khảo.

Đồng và đồng thau

Hợp kim đồng dễ gia công và chống ăn mòn tốt trong nước, khí nén sạch và hơi áp thấp ở nhiệt độ vừa phải (thường đến khoảng 200 độ C). Đồng thau chứa kẽm nên có thể bị mất kẽm (dezincification) trong nước mềm hoặc nước có clorua, làm thân xốp, giảm bền và rò. Môi trường như vậy nên dùng đồng thau chống mất kẽm (DZR), đồng thanh hoặc inox.

Gang

Gang xám rẻ và đúc được thân cỡ lớn, nhưng giòn: chịu va đập, rung và sốc nhiệt kém, giới hạn áp và nhiệt độ thấp hơn thép. Vì vậy gang hợp với nước, khí nén, dầu nhẹ ở áp và nhiệt độ vừa. Hệ có búa nước hoặc hơi nóng dễ làm nứt thân gang. Nhiều quy định hạn chế gang xám cho hơi nước (tham khảo).

Thép carbon WCB

WCB là thép carbon đúc theo ASTM A216, dùng phổ biến cho hơi nước, nước nóng và dầu ở nhiệt độ cao. Giới hạn sử dụng thường từ khoảng âm 29 độ C đến khoảng 425 độ C (bảng áp suất nhiệt độ ASME B16.34, tham khảo). Trên mức này thép carbon có nguy cơ graphit hóa và giảm bền rão khi làm việc lâu dài.

Inox 316

Inox 316 chứa khoảng 2 đến 3% molypden, còn inox 304 thì không. Molypden làm lớp oxit crom thụ động ổn định hơn, khó bị ion clorua xuyên thủng, nên 316 chống ăn mòn rỗ trong nước biển, nước muối và hóa chất chứa clorua tốt hơn 304. Tìm hiểu rộng hơn tại trang về thép không gỉ và bài van an toàn inox.

Inox 316 vẫn không miễn nhiễm hoàn toàn: ở nhiệt độ trên khoảng 60 độ C có clorua và có ứng suất kéo, inox austenit có thể nứt do ăn mòn ứng suất. Axit mạnh hoặc clorua đậm đặc cần hợp kim chuyên dụng.

Lò xo và đệm kín mềm trong hiệu suất van an toàn

Lò xo quyết định áp suất đặt nên phải giữ độ đàn hồi theo nhiệt độ. Khi nóng, mô đun đàn hồi giảm, lò xo mềm đi và áp mở thực tế thấp hơn giá trị chỉnh ở nhiệt độ thường, làm hiệu suất van an toàn lệch về phía mở sớm. Thép carbon dùng đến khoảng 200 độ C. Thép hợp kim crom-vanadi hoặc crom-silic chịu nhiệt cao hơn (khoảng 300 đến 400 độ C, theo hãng), còn nhiệt độ cao hơn nữa dùng hợp kim niken như Inconel (tham khảo). Lò xo inox chủ yếu để chống ăn mòn, không phải để chịu nhiệt.

Nhiệt độ ở lò xo thường thấp hơn nhiệt độ môi chất nhờ nắp hở hoặc ống làm mát.

Đệm mềm giúp van kín hơn bệ kim loại, nhưng mỗi loại chỉ hợp một nhóm môi chất:

Môi chất, nhiệt độ và tạp chất ảnh hưởng hiệu suất van an toàn

Nhiệt độ ảnh hưởng ba chỗ: làm lò xo mềm đi, làm chai hoặc chảy đệm mềm, và làm giòn một số vật liệu ở nhiệt độ thấp. Khi van làm việc nóng, áp đặt thử ở nhiệt độ thường phải được hiệu chỉnh (áp đặt khi thử nguội, CDTP) theo số liệu của hãng.

Tạp chất như cặn, vảy gỉ, hạt hàn bám vào bệ đĩa làm van không đóng kín, bám vào trục dẫn hướng làm van kẹt hoặc mở trễ. Cần lọc đường ống trước khi chạy và thử tay giật định kỳ.

Lắp đặt sai làm giảm hiệu suất van an toàn

Nhiều van đúng thông số nhưng hiệu suất van an toàn vẫn kém vì lắp sai: nghiêng hoặc ngược chiều, ống vào nhỏ hơn cửa vào van, đặt gần co hay van điều khiển gây nhiễu dòng, có van chặn không đúng quy định, ống xả nhỏ hoặc dài làm tăng áp suất ngược. Quy tắc cụ thể nằm trong bài lắp đặt đúng van an toàn. Các điểm sau giữ hiệu suất van an toàn khi lắp:

• Lắp thẳng đứng, đúng chiều cửa vào và cửa ra.
• Nồi hơi: cấm van chặn trước hoặc sau van an toàn. Bình chịu áp: chỉ đặt khi quy định cho phép, van được khóa hoặc niêm ở vị trí mở.
• Ống xả không nhỏ hơn cửa ra và được đỡ riêng để phản lực không dồn lên thân van.

Cách duy trì hiệu suất van an toàn trong vận hành

Hiệu suất van an toàn không giữ nguyên theo thời gian do lò xo mỏi, bệ mòn và cặn bám làm số liệu lệch dần. Cần thử và ghi lại áp mở, áp đóng, độ kín theo chu kỳ định sẵn rồi so với lần trước. Quy trình đầy đủ nằm trong bài bảo trì van an toàn.

Khi thay van mới, hãy bắt đầu từ môi chất, áp đặt, nhiệt độ và công suất xả yêu cầu, rồi mới chọn vật liệu. Hiệu suất van an toàn của van mới phụ thuộc vào việc chọn đúng ngay từ đầu, giữa các dòng van an toàn hiện có.

Cần tư vấn chọn vật liệu và áp suất đặt cho hệ thống của bạn, liên hệ tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.