Khi nào nên sử dụng van an toàn: 7 kịch bản quá áp cần bảo vệ

Phải sử dụng van an toàn hoặc thiết bị xả áp tương đương khi thiết bị có thể bị áp suất vượt mức thiết kế mà không có biện pháp khác giữ áp trong giới hạn. Các trường hợp điển hình là nồi hơi, bình chứa khí nén, đường ống sau van giảm áp, hệ bơm thể tích, đường ống chứa chất lỏng bị chặn hai đầu và thiết bị có nguy cơ bị cháy bên ngoài.

Bài này đi qua từng kịch bản quá áp cụ thể, giải thích vì sao mỗi kịch bản cần van và van phải xả được bao nhiêu. Phần cuối nêu các trường hợp nên chọn van xả áp hoặc đĩa nổ thay thế. Nếu cần khái niệm cơ bản, xem trước bài van an toàn là gì.

Nguyên tắc quyết định khi nào cần sử dụng van an toàn

Để quyết định sử dụng van an toàn, dùng một câu hỏi: nguồn áp suất lớn nhất có thể đưa áp trong thiết bị vượt áp suất làm việc cho phép tối đa (MAWP) hay không? Nếu có, thiết bị phải có thiết bị xả áp. Bộ điều khiển, đồng hồ và còi báo thông thường không thay được van, vì chúng cũng có thể hỏng. Chỉ HIPPS (hệ thống bảo vệ độ tin cậy cao) được thiết kế và đánh giá riêng mới có thể được xét thay thế một phần.

Các tiêu chuẩn thiết kế như ASME Boiler and Pressure Vessel Code (Section I cho nồi hơi, Section VIII cho bình chịu áp lực) và API 521 đều yêu cầu bảo vệ quá áp, trong đa số trường hợp bằng thiết bị xả cơ khí như van an toàn hoặc đĩa nổ. Trong nước, thiết bị chịu áp lực thuộc diện kiểm định theo quy định hiện hành, và van an toàn là một hạng mục kiểm tra bắt buộc.

Các kịch bản quá áp cần sử dụng van an toàn

Để biết cần sử dụng van an toàn cho kịch bản nào, API 521 liệt kê các nguyên nhân quá áp mà người thiết kế phải xét. Bảng dưới gom các kịch bản phổ biến nhất. Kịch bản cho lưu lượng xả lớn nhất là kịch bản quyết định kích thước van (governing case).

Sử dụng van an toàn cho nồi hơi

Nồi hơi sinh hơi liên tục. Khi hơi không được dùng hết (van đầu ra đóng, tải giảm đột ngột), áp suất tăng theo mức nhiệt đốt. Việc sử dụng van an toàn ở đây phải xả được toàn bộ công suất hơi tối đa của nồi, với áp tích lũy không quá khoảng 6% MAWP (tham khảo ASME Section I).

Quy tắc thiết kế yêu cầu nồi hơi có ít nhất một van, và hai van trở lên khi diện tích bề mặt gia nhiệt hoặc công suất vượt ngưỡng nhất định (tham khảo ASME Section I, cần đối chiếu với tiêu chuẩn áp dụng). Khi quy định yêu cầu hai van, công suất xả của cả hai cộng lại mới đủ công suất sinh hơi. Không được vận hành nồi hơi khi thiếu bất kỳ van an toàn nào theo thiết kế.

Sử dụng van an toàn cho bình khí nén và máy nén

Máy nén bắt buộc phải có van an toàn vì nó là nguồn áp suất không tự dừng. Nếu rơ-le áp suất hoặc van tải hỏng, máy tiếp tục nén cho tới khi động cơ quá tải hoặc bình bị phá hủy. Với máy nén thể tích (piston, trục vít), áp suất tăng gần như không giới hạn vì thể tích buồng nén bị chặn.

Van an toàn đặt trên bình chứa, và trên đường đẩy giữa máy nén với van chặn đầu tiên nếu có van chặn. Cỡ van tính cho toàn bộ lưu lượng của máy nén ở áp xả. Chi tiết sử dụng van an toàn theo từng loại máy nằm trong bài về van an toàn máy nén khí.

Sử dụng van an toàn sau van giảm áp

Van an toàn sau van giảm áp bảo vệ đường hạ lưu khi van giảm áp hỏng. Van giảm áp hạ áp cao xuống áp thấp, nhưng khi bị kẹt mở nó cho áp thượng lưu tràn vào hạ lưu. Nếu đường ống hạ lưu chỉ thiết kế cho áp thấp, nó bị quá áp. Vì vậy phía sau van giảm áp phải có van an toàn có áp đặt không vượt MAWP của đường hạ lưu.

Cỡ van tính theo lưu lượng qua van giảm áp khi mở hết hành trình, lấy theo áp thượng lưu lớn nhất. Cách bố trí cụm van giảm áp và van an toàn đi kèm được mô tả trong bài về cụm van giảm áp.

Sử dụng van an toàn cho bơm thể tích

Bơm thể tích luôn cần van xả trên đường đẩy. Bơm piston, bơm bánh răng, bơm trục vít, bơm màng cấp một thể tích cố định cho mỗi vòng quay, bất kể áp phía đầu ra. Nếu van đầu ra đóng, áp tăng đến khi động cơ dừng hoặc đường ống vỡ. Do đó đường đẩy của bơm thể tích luôn cần van an toàn xả về bể hút hoặc bình chứa.

Bơm ly tâm khác ở chỗ áp đầu ra bị giới hạn bởi cột áp đóng (shut-off head) cộng áp suất hút lớn nhất. Vì vậy chỉ cần van an toàn khi tổng này có thể vượt áp thiết kế của đường ống phía sau.

Sử dụng van an toàn khi chất lỏng bị chặn và giãn nở nhiệt

Đoạn ống chất lỏng có thể bị chặn hai đầu cần van xả giãn nở nhiệt. Chất lỏng gần như không nén được, nên khi bị giam trong đoạn ống kín giữa hai van và nóng lên, áp suất tăng rất nhanh. Ước tính từ hệ số giãn nở và độ nén của nước, áp suất có thể tăng khoảng 4–10 bar cho mỗi độ C nếu ống coi như không giãn (tham khảo, nước nóng tăng nhanh hơn nước lạnh). Chỉ vài độ đến vài chục độ chênh nhiệt đã có thể vượt cấp áp của mặt bích hoặc thiết bị đo.

Tình huống thường gặp là đường nước nóng bị chặn, bình nước nóng chạy gia nhiệt hoặc ống ngoài trời bị nắng. Van cỡ nhỏ thường đủ vì thể tích giãn nở nhỏ. Với hệ nước nóng, xem van an toàn nước theo áp suất và nhiệt độ thiết kế.

Sử dụng van an toàn khi có cháy bên ngoài

Van an toàn là biện pháp chính khi bình hoặc bồn nằm trong vùng lửa. Chất lỏng bên trong sôi và sinh hơi nhanh hơn rất nhiều so với vận hành bình thường. Đây thường là kịch bản quyết định cỡ van cho bình chứa chất lỏng. Khi sử dụng van an toàn trong trường hợp này, lưu lượng xả được tính theo nhiệt lửa cấp vào. Theo ASME Section VIII, khi cháy ngoài, áp suất được phép lên tới 121% MAWP (tích áp 21%), so với 110% khi có một van và 116% khi có nhiều van ở các kịch bản khác (tham khảo).

Lưu lượng xả phụ thuộc diện tích bề mặt thấm ướt của bình. Cách tính nằm trong bài về công suất xả của van an toàn.

Sử dụng van an toàn khi hỏng điều khiển

Hỏng điều khiển và thao tác nhầm là nhóm nguyên nhân quá áp rất hay gặp: van điều khiển kẹt đóng, người vận hành đóng nhầm van đầu ra, mất nước làm lạnh, hỏng quạt tháp giải nhiệt. Mọi lớp bảo vệ điều khiển đều có thể hỏng cùng nguyên nhân gây sự cố, nên cấp độ bảo vệ cuối cùng phải là thiết bị cơ khí.

Xét từng sự cố độc lập và lấy sự cố cho lưu lượng xả lớn nhất làm cơ sở tính cỡ van. Không cộng gộp mọi sự cố vì xác suất xảy ra đồng thời rất thấp, trừ các sự cố có cùng nguyên nhân (ví dụ mất điện toàn nhà máy làm dừng đồng thời nhiều thiết bị).

Vị trí lắp khi sử dụng van an toàn

Vị trí quyết định hiệu quả khi sử dụng van an toàn. Lắp van thẳng đứng, sát thiết bị cần bảo vệ, ở phần không gian hơi hoặc khí. Ống nối vào van ngắn, đường kính không nhỏ hơn cổng vào của van để tổn thất áp ở đường vào không vượt 3% áp đặt. Vượt mức này, van dễ đập và hư mặt đệm. Chi tiết xem bài hướng dẫn vị trí lắp van an toàn.

Không đặt van chặn giữa thiết bị và van an toàn. Với nồi hơi, quy định thiết kế cấm hoàn toàn. Với bình chịu áp, nếu quy trình bắt buộc phải có, dùng van khóa ở trạng thái mở (car-seal open), có thủ tục kiểm soát đóng mở. Ống xả phải dẫn đến nơi an toàn, tránh gây bỏng hoặc ngạt.

Khi nào dùng van xả áp hoặc đĩa nổ thay cho van an toàn

Không phải chỗ nào cũng sử dụng van an toàn kiểu bật mở. Có hai phương án thay thế, tùy lưu chất và yêu cầu vận hành.

• Van xả áp (relief valve): mở dần theo áp suất, thích hợp cho chất lỏng như nước, dầu. Van an toàn mở bật chuyên dùng cho hơi và khí. Bài so sánh van giảm áp, van an toàn và van xả áp nêu rõ khác biệt, và có thêm tổng quan trên trang Relief valve (Wikipedia).
• Đĩa nổ (bursting disc): màng kim loại vỡ ở áp xác định, kín tuyệt đối khi chưa vỡ. Phù hợp lưu chất ăn mòn, nhớt, dễ đóng cặn, hoặc cần xả tức thời. Nhược điểm là vỡ một lần và không tự đóng lại.
• Đĩa nổ lắp trước van an toàn: bảo vệ van khỏi ăn mòn và rò rỉ. Khoảng giữa hai thiết bị cần đồng hồ áp để phát hiện đĩa bị rò.

Van giảm áp không thay thế được van an toàn, vì nó là thiết bị điều khiển có thể hỏng. Khi chọn giữa các kiểu van, đối chiếu ưu nhược điểm của từng loại về độ kín, chịu áp suất ngược và bảo trì.

Kiểm định và bảo trì khi sử dụng van an toàn

Van an toàn chỉ bảo vệ được khi được bảo trì định kỳ. Van nằm lâu trong môi trường nóng, ẩm, có cặn có thể kẹt mà không có dấu hiệu bên ngoài, nên van phải được thử áp đặt, hiệu chuẩn và niêm chì định kỳ theo quy định hiện hành về kiểm định thiết bị chịu áp lực.

• Ghi áp đặt, ngày thử, đơn vị thử và số niêm chì vào hồ sơ thiết bị.
• Kiểm tra, đại tu và thử lại van sau lần xả lớn hoặc khi thấy rò rỉ liên tục; thay mới khi bệ, đĩa hoặc lò xo không phục hồi được.
• Không tự vặn lò xo để chỉnh áp đặt tại hiện trường khi chưa có bàn thử và chữ ký người có thẩm quyền.
• Giữ nguyên áp đặt, vật liệu và cỡ van khi thay thế, trừ khi đã tính lại.

Chọn van trước khi đưa vào sử dụng

Sau khi xác định kịch bản, các thông số cần chốt gồm áp đặt, nhiệt độ, lưu chất, lưu lượng xả và áp suất ngược. Quy trình đầy đủ nằm trong hướng dẫn lựa chọn van an toàn. Các dòng van theo vật liệu và kích thước có trong danh mục van an toàn.

Địa chỉ: Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.