Hoạt động của van an toàn dựa trên một phép cân bằng lực: lực áp suất đẩy đĩa lên (F = P × A) so với lực lò xo ép đĩa xuống bệ. Khi áp suất đầu vào tăng đến áp suất đặt, hai lực bằng nhau và đĩa bắt đầu nâng. Van xả lưu chất, áp suất hạ xuống, lò xo đẩy đĩa về bệ và van đóng lại.
Bài này giải thích hoạt động của van an toàn theo từng pha của một chu trình xả, từ lúc rò mồi (simmer) đến lúc đóng kín, và vì sao lưu chất nén được (hơi, khí) và chất lỏng có kiểu mở khác nhau. Định nghĩa chung về van an toàn đã có ở bài trụ cột, nên ở đây chỉ nói về cơ chế vận hành.
Cân bằng lực trong hoạt động của van an toàn
Với van lò xo, đĩa chịu ba lực chính: lực áp suất đầu vào đẩy lên, lực lò xo ép xuống, và (nếu có) lực do áp suất ngược. Van đóng kín khi lực lò xo lớn hơn lực áp suất. Van mở khi lực áp suất thắng lực lò xo.
Ví dụ số: bệ van có đường kính làm kín 20 mm, diện tích A = π × 2² / 4 ≈ 3,14 cm². Áp suất đặt 10 barg tương đương 100 N/cm². Lực lò xo cần giữ tại bệ khoảng 3,14 × 100 = 314 N (khoảng 32 kgf), gần đúng, chưa tính phần đĩa nhô ra ngoài bệ. Tăng vít điều chỉnh làm lò xo nén thêm, lực lớn hơn và áp suất đặt cao hơn.
Lực lò xo tăng theo hành trình đĩa (F = k × x). Vì vậy khi đĩa nâng càng cao, áp suất phải tăng thêm mới giữ được đĩa ở vị trí đó. Đây là nền tảng của mọi pha trong hoạt động của van an toàn. Phần tăng thêm này chính là quá áp, và nó có giới hạn trong các tiêu chuẩn như ASME Section VIII hay EN ISO 4126-1.
Chu trình hoạt động của van an toàn qua 7 pha
Bảng dưới đây nêu 7 pha liên tiếp trong hoạt động của van an toàn. Phần trăm áp suất là giá trị điển hình cho van lò xo xả hơi hoặc khí và thay đổi theo hãng, nên chỉ để tham khảo.
| Pha | Áp suất đầu vào | Điều gì xảy ra |
|---|---|---|
| 1. Đóng kín | Dưới khoảng 90% áp suất đặt | Lò xo ép đĩa lên bệ, van kín. |
| 2. Rò mồi (simmer) | Khoảng 90–95% áp suất đặt | Lực áp suất gần bằng lực lò xo, lưu chất rỉ qua bệ và phát tiếng xì nhỏ. |
| 3. Mở bật (pop) | Tại áp suất đặt | Đĩa nâng nhanh, lưu chất vào buồng huddling, diện tích chịu áp tăng, đĩa bật lên gần hết hành trình. |
| 4. Nâng hết (full lift) | Áp suất đặt cộng quá áp | Hành trình đạt tối đa, van xả công suất định mức. |
| 5. Xả ổn định | Gần áp suất xả tối đa | Dòng xả qua van, áp suất hệ thống ngừng tăng rồi giảm. |
| 6. Hạ áp (blowdown) | Giảm từ áp suất đặt xuống áp suất đặt lại | Đĩa vẫn mở, lực lò xo thắng dần. |
| 7. Đóng lại | Tại áp suất đặt lại | Đĩa chạm bệ, van đóng. Áp suất làm việc phải thấp hơn điểm này. |
Cả 7 pha trong hoạt động của van an toàn diễn ra không cần nguồn điện hay khí điều khiển. Đây là lý do van an toàn trực tiếp được dùng làm lớp bảo vệ cuối cùng.
Pha mở van trong hoạt động của van an toàn: simmer và pop
Rò mồi là dấu hiệu đầu tiên của chu trình. Trước khi đến áp suất đặt, một số van đã rỉ nhẹ. Rò mồi xảy ra vì lực do áp suất dưới đĩa đã gần bằng lực lò xo, lực ép lên bệ không còn đủ để kín hoàn toàn. Giữ áp suất làm việc thấp hơn áp suất đặt ít nhất 10% giúp bệ chịu ít mài mòn hơn.
Khi áp suất đạt áp suất đặt, đĩa nhích lên. Lưu chất đi vào buồng huddling, một khoảng nhỏ bao quanh đĩa. Dòng bị đổi hướng, tạo lực phản lực đẩy đĩa lên cao. Ngoài ra, diện tích đĩa chịu áp tăng lên vì áp suất giờ tác dụng cả lên phần đĩa bên ngoài bệ. Hai hiệu ứng này làm đĩa nâng đột ngột (pop) dù áp suất chưa tăng thêm nhiều.
Nâng thấp và nâng hoàn toàn trong hoạt động của van an toàn
Hành trình nâng (lift) quyết định diện tích dòng xả, tức quyết định công suất xả. Diện tích rèm (curtain area) quanh đĩa bằng π × d × h, với d là đường kính họng và h là hành trình. Khi h = d/4, diện tích rèm bằng diện tích họng π × d² / 4. Từ điểm đó, họng là chỗ hẹp nhất của dòng chảy.
- Nâng hoàn toàn (full lift): h ≥ d/4. Công suất xả do diện tích họng quyết định. Công thức tính chọn dùng diện tích họng.
- Nâng thấp (low lift): hành trình nhỏ, thường không quá khoảng d/24 (tham khảo theo BS 6759 và tài liệu hãng). Công suất do diện tích rèm quyết định, nên phụ thuộc vào hành trình thực tế.
- Nâng cao (high lift): khoảng d/12, nằm giữa hai mức trên. Công suất xác định theo chứng nhận thử của từng van.
Nâng hoàn toàn kèm mở bật thường gặp ở van cho hơi và khí. Van chất lỏng kiểu cũ mở theo tỷ lệ với quá áp, còn van có đĩa dành riêng cho chất lỏng (liquid trim) nâng hết trong khoảng 10% quá áp. Điểm khác này được so sánh ở bài van xả áp và van an toàn.
Hoạt động của van an toàn với hơi, khí và chất lỏng
Hoạt động của van an toàn khác nhau giữa lưu chất nén được (hơi, khí) và lưu chất không nén được (nước, dầu), dù cùng cấu tạo lò xo.
| Tiêu chí | Hơi, khí (nén được) | Chất lỏng (không nén được) |
|---|---|---|
| Kiểu mở | Mở bật (pop), nâng gần hết hành trình cùng lúc. | Mở theo tỷ lệ, hành trình tăng dần cùng quá áp. |
| Vai trò buồng huddling | Quan trọng: dòng giãn nở và đổi hướng tạo lực đẩy thêm. | Nhỏ hơn nhiều; van chất lỏng dùng hình dạng đĩa riêng để tận dụng phản lực dòng. |
| Quá áp điển hình | 3–10% tùy tiêu chuẩn. | 10% với van chất lỏng chứng nhận theo ASME VIII; 25% chỉ gặp ở cách tính cũ cho van chưa chứng nhận (tham khảo API 520). |
| Hệ số xả sơ bộ (API 520) | 0,975. | 0,65. |
| Blowdown | Khoảng 4–10% (tham khảo). | Không cố định, thường lớn hơn. |
| Rủi ro riêng | Tiếng ồn, nhiệt, lực phản lực ống xả. | Búa nước khi van đóng nhanh. |
Với hơi và khí, thể tích tăng nhanh khi giãn nở nên dòng xả chiếm hết không gian buồng huddling và giữ lực đẩy lên đĩa. Chất lỏng không giãn nở nên lực chỉ đến từ áp suất tĩnh trên diện tích đĩa. Muốn nhiều lưu lượng hơn thì phải tăng hành trình, nghĩa là tăng áp suất. Đó là lý do chất lỏng mở theo tỷ lệ.
Hơi nước nóng có thêm vấn đề ngưng tụ và nhiệt độ cao làm lò xo yếu đi. Các điểm này được trình bày riêng ở bài van an toàn cho hơi nóng.
Khi xả chất lỏng, van đóng nhanh có thể gây sóng áp suất trong đường ống. Cần kiểm tra chiều dài và cách bố trí ống đầu vào, đầu ra khi chất lỏng có khối lượng riêng lớn.
Pha đóng lại trong hoạt động của van an toàn: blowdown và áp suất đặt lại
Khi áp suất hệ thống giảm xuống bằng áp suất đặt, van chưa đóng. Lưu chất vẫn đẩy trên phần diện tích đĩa lớn hơn do buồng huddling. Áp suất phải giảm tiếp đến áp suất đặt lại thì lực lò xo mới thắng.
Blowdown = (áp suất đặt − áp suất đặt lại) / áp suất đặt × 100%. Ví dụ đặt 10 barg, đóng lại ở 9,3 barg thì blowdown là 7%. Với nồi hơi theo ASME Section I, blowdown thường nằm trong khoảng 2–4% (tham khảo, cần đối chiếu ấn bản hiện hành).
Blowdown quá lớn làm van xả quá nhiều lưu chất, áp suất hệ thống tụt sâu. Blowdown quá nhỏ làm van đóng sớm khi áp suất còn cao, dễ đóng mở liên tục. Vành điều chỉnh (một vành đế, nozzle ring, hoặc thêm vành dẫn hướng, guide ring, ở van nồi hơi) dùng để cân lại blowdown. Hướng xoay và số răng khác nhau tùy hãng, nên chỉ chỉnh theo tài liệu kèm van. Hướng dẫn chi tiết ở bài chỉnh vành điều chỉnh blowdown.
Yếu tố làm thay đổi hoạt động của van an toàn
Áp suất ngược trong hoạt động của van an toàn
Áp suất ngược tác dụng lên mặt sau đĩa. Trong hoạt động của van an toàn lò xo thông thường, nó cộng vào lực lò xo. Nếu ống xả chung có áp suất ngược có sẵn không đổi 2 barg và van phải mở ở 10 barg, bàn thử phải chỉnh 8 barg (CDTP). Nếu áp suất ngược này biến thiên, cách trừ không còn đúng và phải dùng van cân bằng hoặc pilot. Khi van xả, áp suất ngược phát sinh tăng và có thể làm đĩa nâng ít hơn.
Van cân bằng ống xếp xử lý vấn đề này. Ống xếp cách ly mặt sau đĩa khỏi cửa ra, diện tích hiệu dụng ống xếp xấp xỉ diện tích bệ, nên áp suất ngược không đẩy xuống đĩa. Hãng thường cho phép áp suất ngược 30–50% áp suất đặt (tham khảo).
Tổn thất đầu vào và cỡ van
Hoạt động của van an toàn mất ổn định khi tổn thất áp suất trên ống đầu vào vượt 3% áp suất đặt (API 520, tham khảo) và tiến gần giá trị blowdown, vì đĩa đóng sớm. Khi đĩa vừa nâng, dòng chảy làm áp suất ở cửa vào sụt xuống dưới áp suất đặt lại, đĩa đóng, rồi áp suất hồi phục và đĩa mở tiếp. Chu kỳ lặp lại nhiều lần mỗi giây là hiện tượng van đập liên tục. Van chọn quá lớn so với lưu lượng cần xả cũng gây hiện tượng tương tự.
Nhiệt độ và vật liệu lò xo
Hoạt động của van an toàn ở nhiệt độ cao lệch khỏi giá trị chỉnh nguội, vì nhiệt độ cao làm lò xo giảm lực nén. Do đó áp suất đặt thật ở nhiệt độ làm việc thấp hơn áp suất chỉnh ở bàn thử. Hãng cho hệ số bù nhiệt để chỉnh cao hơn lúc thử nguội.
Loại van theo cách vận hành
Van lò xo tác động trực tiếp như trên là kiểu phổ biến nhất. Trong hoạt động của van an toàn, van cân bằng ống xếp và van điều khiển bằng pilot khác ở khâu giữ đĩa, ưu nhược điểm so sánh ở bài các loại van an toàn thông thường, cân bằng và pilot.
- Van thông thường: lực lò xo giữ đĩa. Chịu ảnh hưởng của áp suất ngược.
- Van cân bằng: ống xếp hoặc piston triệt tiêu áp suất ngược trên mặt sau đĩa.
- Van pilot: khác ở chỗ áp suất đầu vào giữ piston chính kín qua buồng điều khiển. Khi pilot xả buồng này, piston mở. Cho phép áp suất làm việc gần áp suất đặt hơn, thường đến khoảng 95% hoặc cao hơn tùy hãng (tham khảo).
Thông số cần nhớ khi đọc datasheet
Các thông số ở trên xuất hiện trong datasheet với tên tiếng Anh: set pressure, overpressure, blowdown, lift. Định nghĩa từng mục nằm trong bài các thuật ngữ áp suất.
- Áp suất đặt: điểm bắt đầu nâng đĩa.
- Quá áp: phần áp suất vượt áp suất đặt khi xả, thường 10% với bình chịu áp.
- Blowdown: phần áp suất phải hạ xuống để van đóng lại.
- Áp suất làm việc: nên thấp hơn áp suất đặt ít nhất 10%.
Mô tả trên áp dụng cho van lò xo trong bình chịu áp lực và nồi hơi. Nguồn tham khảo thêm: relief valve trên Wikipedia.
Nếu hoạt động của van an toàn thực tế lệch khỏi chu trình trên (rò mồi sớm, đập, không đóng kín) hoặc cần chọn van đúng áp suất đặt, lưu chất và công suất xả, xem các mẫu van an toàn và gửi thông số hệ thống để được tư vấn. Địa chỉ: Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Hoạt động của van an toàn bắt đầu xả ở áp suất nào?
Van bắt đầu nâng đĩa tại áp suất đặt. Một số van rỉ nhẹ (simmer) từ khoảng 90–95% áp suất đặt, rồi mở bật khi đạt áp suất đặt.
Blowdown của van an toàn là gì?
Blowdown là phần áp suất giảm từ áp suất đặt đến áp suất đặt lại, tính theo phần trăm áp suất đặt. Đặt 10 barg và đóng lại ở 9,3 barg thì blowdown là 7%.
Vì sao hoạt động của van an toàn cho khí là mở bật còn chất lỏng thì không?
Khí giãn nở và đổi hướng trong buồng huddling nên tạo lực đẩy thêm lên đĩa, đĩa bật lên. Chất lỏng không giãn nở, lực chỉ do áp suất tĩnh, nên đĩa nâng dần theo quá áp.
Áp suất ngược ảnh hưởng thế nào đến hoạt động của van an toàn?
Với van thông thường, áp suất ngược cộng vào lực lò xo, làm áp suất mở tăng và hành trình giảm. Van cân bằng ống xếp loại bỏ ảnh hưởng này, còn van pilot chịu được áp suất ngược cao hơn tùy hãng.
Vì sao hoạt động của van an toàn bị đập liên tục?
Nguyên nhân thường gặp là tổn thất áp suất ống đầu vào vượt 3% áp suất đặt hoặc van chọn quá lớn so với lưu lượng xả. Đĩa đóng mở nhiều lần mỗi giây và làm hỏng bệ.
Hoạt động của van an toàn