PN là gì? PN là viết tắt của Pressure Nominal, tức áp suất danh nghĩa: một con số quy ước, tính bằng bar, dùng để phân cấp van, mặt bích, phụ kiện và ống theo khả năng chịu áp ở nhiệt độ tham chiếu 20 °C. Khái niệm này được định nghĩa trong EN 1333. Ký hiệu PN16 nghĩa là chi tiết thuộc cấp 16 bar ở 20 °C, không có nghĩa là nó chịu được 16 bar ở mọi điều kiện.
Thân van, bích hay ống đều có con số này, thường đúc nổi hoặc in thẳng lên sản phẩm. Hiểu sai nó dẫn tới hai lỗi hay gặp ở công trình: chọn cấp quá thấp cho đường hơi nóng, hoặc chọn cấp quá cao rồi trả giá cho phần thép dày không dùng đến. Bài này giải thích ý nghĩa ký hiệu PN, cách tra áp suất cho phép theo nhiệt độ, đối chiếu với Class ANSI và JIS K, rồi cách chọn cấp PN cho một hệ thống cụ thể.
PN là gì: định nghĩa theo EN 1333 và ISO 7268
Theo EN 1333 (tương ứng ISO 7268), PN là ký hiệu chữ và số dùng để tham chiếu, gắn với đặc tính cơ học và kích thước của chi tiết đường ống. Con số đi sau chữ PN là số tròn, không dùng để tính toán trực tiếp. Nó cho biết chi tiết thuộc cấp áp nào, để các chi tiết cùng cấp lắp lẫn được với nhau.
Về đơn vị, con số sau PN được hiểu là áp suất dư tính theo đơn vị bar. PN16 tương ứng 16 bar, bằng 1,6 MPa. Nếu đổi chính xác sang hệ kỹ thuật cũ thì 16 bar là 16,32 kgf/cm², vì 1 kgf/cm² bằng 0,980 665 bar. Sai lệch 2% này không ảnh hưởng việc chọn cấp, nhưng cho thấy PN là cấp quy ước chứ không phải phép đo.
PN không phải áp suất làm việc tối đa ở mọi nhiệt độ
Đây là hiểu lầm phổ biến nhất khi đọc catalogue. PN16 chỉ bảo đảm 16 bar ở 20 °C. Khi lưu chất nóng lên, thép giảm giới hạn chảy nên áp suất làm việc cho phép phải hạ xuống. Phần tiếp theo có bảng minh họa.
PN khác áp suất thử thế nào
Áp suất thử là áp suất nhà máy dùng để kiểm tra độ kín và độ bền thân van, không phải áp suất vận hành. Theo EN 12266-1, thử bền thân bằng chất lỏng ở 1,5 lần và thử kín đế ở 1,1 lần áp suất cho phép ở 20 °C; với đa số van, giá trị này bằng PN (tham khảo, tùy vật liệu và hãng). Van PN16 vì vậy thử thân ở khoảng 24 bar. Không được lấy con số này làm áp suất làm việc.
Khi so báo giá hai van cùng DN nhưng khác cấp, cần nhớ: PN cho biết thiết bị được đúc dày bao nhiêu và thử bao nhiêu bar, nên cấp cao hơn thì đắt hơn, nặng hơn và chỉ cần khi hệ thống thật sự có áp hoặc nhiệt độ tương ứng.
Vì sao dãy PN là các số tròn
Dãy PN theo cấp số gần nhân (6, 10, 16, 25, 40, 63, 100) để hạn chế số kích thước bích phải chế tạo. Mỗi cấp cao hơn khoảng 1,6 lần cấp trước. Nhờ vậy nhà máy chỉ cần vài bộ khuôn, và người dùng chọn cấp gần nhất cao hơn nhu cầu.
PN và áp suất làm việc cho phép theo nhiệt độ
Áp suất làm việc cho phép của một chi tiết PN phụ thuộc vật liệu và nhiệt độ. Bảng dưới chỉ minh họa xu hướng hạ định mức của cấp PN16, số đã làm tròn; khi thiết kế phải tra EN 1092-1 (thép, inox) hoặc EN 1092-2 (gang) cho đúng nhóm vật liệu, và catalogue của hãng.
| Vật liệu thân (PN16, minh họa) | 20 °C | 100 °C | 200 °C | 300 °C |
|---|---|---|---|---|
| Gang xám EN-GJL-250 | 16 bar | 16 bar | 12,8 bar | 9,6 bar |
| Thép carbon (tham khảo) | 16 bar | 14,5 bar | 13 bar | 11 bar |
| Inox 304 (tham khảo) | 16 bar | 13 bar | 11 bar | 9,5 bar |
Xu hướng rút ra từ bảng: cùng ghi PN16, áp dùng được ở 300 °C chỉ còn khoảng 9,5 – 11 bar. Nguyên nhân nằm ở vật liệu. Khi nhiệt độ tăng, giới hạn chảy và độ bền kéo của kim loại giảm, nên ứng suất cho phép trong thành van giảm theo. Gang xám giữ định mức đến khoảng 120 °C rồi giảm đều, và bị giới hạn nhiệt độ tối đa vì giòn; inox austenit có giới hạn chảy thấp hơn thép carbon nên hạ định mức nhanh hơn dù chịu ăn mòn tốt.
Khi chọn thiết bị phải đối chiếu với nhiệt độ làm việc thực tế của lưu chất, không phải nhiệt độ môi trường. Hơi bão hòa 10 bar g có nhiệt độ khoảng 184 °C, nghĩa là van PN16 gang trên đường hơi này đã làm việc ở vùng hạ định mức rõ rệt.
Gioăng và đệm kín giới hạn nhiệt trước thân van
Thân van thép chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều so với vật liệu làm kín. EPDM dùng tốt cho nước đến khoảng 100 – 120 °C, PTFE đến khoảng 200 °C, NBR thấp hơn (tham khảo theo hãng). Vì vậy một van bướm PN16 gioăng EPDM không dùng được cho đường hơi dù thân gang vẫn còn dư bền.
Áp suất dư, không phải áp suất tuyệt đối
PN là áp suất dư so với khí quyển. Áp suất tuyệt đối bằng áp suất dư cộng khoảng 1,013 bar. Điều này quan trọng khi bạn đọc thông số của hệ chân không hoặc hệ có áp suất khí quyển thay đổi theo độ cao.
Các cấp PN thông dụng và ứng dụng tiêu biểu
Dãy PN chuẩn theo EN 1092 gồm PN2,5, PN6, PN10, PN16, PN25, PN40, PN63 và PN100, cao hơn nữa dùng cho thiết bị đặc biệt. Trong thực tế bán hàng ở Việt Nam, bạn gặp chủ yếu PN10, PN16 và PN25.
| Cấp PN | Áp suất danh nghĩa | Ứng dụng tiêu biểu |
|---|---|---|
| PN6 | 6 bar | Cấp thoát nước áp thấp, thông gió, ống nhựa |
| PN10 | 10 bar | Cấp nước sinh hoạt, tòa nhà, nước làm mát |
| PN16 | 16 bar | Trạm bơm, cấp nước công nghiệp, PCCC, nước nóng |
| PN25 | 25 bar | Hơi áp trung bình, dầu nhiệt, bơm cao áp |
| PN40 | 40 bar | Hơi, dầu, hóa chất, đường ống áp cao |
| PN63 – PN100 | 63 – 100 bar | Nhiệt điện, dầu khí, thủy lực áp rất cao |
PN10 phổ biến vì phần lớn mạng cấp nước tòa nhà làm việc dưới 8 bar. PN16 là cấp mặc định của nhiều trạm bơm và hệ PCCC vì có dư bền cho áp đóng bơm và búa nước. PN25 và PN40 xuất hiện ở đường hơi, nơi nhiệt độ làm hệ số hạ định mức lớn.
Cấp PN cao hơn nghĩa là thành thân và bích dày hơn, nhiều vật liệu hơn, nặng hơn, nên giá cao hơn. Chọn PN25 cho đường nước 6 bar chỉ làm tăng chi phí mà không tăng độ an toàn thực chất. Do đó khi tư vấn, kỹ sư thường hỏi áp và nhiệt độ trước, rồi mới báo cấp.
PN so với Class ANSI và JIS K: đối chiếu gần đúng
Ký hiệu PN thuộc hệ EN/ISO. Mỹ dùng Class (ASME B16.5 cho bích, B16.34 cho van), Nhật dùng K (JIS B 2220), châu Âu dùng PN. Các hệ này định nghĩa theo cách khác nhau: Class gắn với áp suất tại nhiều nhiệt độ theo nhóm vật liệu, còn PN là một con số ở 20 °C. Vì vậy bảng dưới chỉ là đối chiếu danh nghĩa.
| PN tương đương (EN 1759-1) | Class ASME | JIS K | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| PN10 | – | JIS 10K (danh nghĩa 10 kgf/cm²) | Gần danh nghĩa, bích khác nhau |
| PN20 | Class 150 | – | Class 150 thép carbon nhóm 1.1: khoảng 19,6 bar ở 38 °C (tham khảo) |
| PN50 | Class 300 | – | Khoảng 51 bar ở 38 °C (tham khảo) |
| PN110 | Class 600 | – | Khoảng 102 bar ở 38 °C (tham khảo) |
Khi bản vẽ ghi Class mà kho chỉ có hàng PN, đây là bài toán tương thích: phải so cả kích thước bích lẫn áp suất theo nhiệt độ, chứ không dừng ở số danh nghĩa.
Hệ JIS có các cấp 5K, 10K, 16K và 20K, con số K tính theo kgf/cm². JIS 10K xấp xỉ 9,8 bar nên hay bị coi là tương đương PN10, và đây là nguồn nhầm lẫn thường gặp khi mua van nhập từ Nhật hoặc Đài Loan.
Không được lắp lẫn bích khác hệ chỉ vì áp suất danh nghĩa gần nhau. Đường kính vòng tròn bu lông, số lỗ, đường kính lỗ và độ dày bích khác nhau. Ví dụ bích DN50 PN16 có vòng tròn tâm lỗ 125 mm, trong khi bích JIS 10K 50A là 120 mm (tham khảo). Siết cưỡng bức sẽ làm lệch mặt gioăng và rò rỉ. Khi cần kích thước bích Class 150 hoặc Class 300, tra bảng tra mặt bích ANSI theo NPS.
Cách đọc ký hiệu PN trên van, mặt bích và ống
Trên sản phẩm, ký hiệu PN thường nằm cùng một cụm với DN, vật liệu và số hiệu tiêu chuẩn. Biết cách đọc cụm này giúp xác nhận hàng khi nghiệm thu mà không cần mở catalogue.
Đọc tem DN50 PN16 trên thân van
Tem DN50 PN16 cho biết van có kích thước danh nghĩa 50 và thuộc cấp 16 bar ở 20 °C. Để ghép với ống, bạn cần biết đường kính ngoài thực của ống; cách tra nằm trong bài quy đổi DN sang phi. Ngoài DN và PN, thân van còn có mác vật liệu (ví dụ GGG40, WCB, CF8M), logo hãng và mũi tên chiều dòng.
Thông số đúc trên bích: PN và các trường đi kèm
Trên mép bích thường có DN, PN, mác vật liệu và đôi khi số lô nấu. Cách giải mã từng trường được trình bày ở bài về thông số in trên mặt bích. Lưu ý bích nhiều cấp có thể ghi PN10/16 cùng lúc vì khoan lỗ tương thích cả hai cấp: số lỗ và vòng tròn tâm lỗ giống nhau, chỉ khác độ dày.
PN của ống nhựa HDPE và PPR
Với ống nhựa, PN gắn với tỷ lệ SDR (đường kính ngoài chia độ dày thành) và vẫn ở 20 °C, tuổi thọ thiết kế 50 năm. Công thức PN = 20·MRS / (C·(SDR − 1)), trong đó MRS của PE100 là 10 MPa, hệ số an toàn C là 1,25. Với SDR11 cho ra 16 bar, SDR17 cho ra 10 bar. Đây là lý do HDPE PE100 SDR11 được gọi là ống PN16.
Nhựa nhạy nhiệt hơn kim loại. Ống PPR PN20 ở 20 °C chịu 20 bar, nhưng ở 60 – 70 °C áp cho phép giảm còn khoảng một nửa hoặc thấp hơn (tham khảo theo hãng). Vì thế đường nước nóng phải xem đường cong áp-nhiệt của nhà sản xuất, chứ không dừng ở con số PN in trên ống.
Chọn cấp PN theo áp suất hệ thống
Để chọn cấp, tính áp suất lớn nhất mà thiết bị thực sự gặp, không phải áp suất bình thường. Áp suất này gồm áp làm việc cao nhất, đỉnh áp quá độ và hạ định mức theo nhiệt độ. Áp cho phép của cấp được chọn, sau khi hạ theo nhiệt độ làm việc, phải lớn hơn tổng đó.
- Xác định áp làm việc lớn nhất, kể cả áp đóng của bơm (cột áp khi van đầu ra đóng).
- Cộng đỉnh áp quá độ do búa nước, mở đóng nhanh.
- Tra bảng P-T của vật liệu ở nhiệt độ làm việc, lấy áp cho phép của cấp PN dự kiến.
- Chọn cấp có áp cho phép không nhỏ hơn tổng của bước 1 và 2.
Để biết áp thực tế, nên ghi lại bằng cảm biến áp suất có tần số lấy mẫu đủ nhanh để bắt được đỉnh áp, vì đồng hồ cơ thường không phản ánh xung kéo dài vài chục mili giây.
Đỉnh áp do búa nước
Khi dòng chảy bị cắt đột ngột, độ tăng áp theo công thức Joukowsky: Δp = ρ·a·Δv. Với nước, tốc độ sóng a trong ống thép khoảng 1 000 m/s (tham khảo). Cắt dòng 1 m/s tạo xung khoảng 10 bar cộng thêm áp tĩnh. Đây là lý do hiện tượng búa nước vượt cấp PN của van và phá hỏng gioăng, bích hay đầu nối.
Ví dụ: bơm áp đóng 10 bar dùng PN16
Một bơm nước có áp đóng 10 bar, nước ở nhiệt độ thường. PN10 không còn biên cho bất kỳ xung áp nào. Nếu van đóng nhanh, xung búa nước có thể thêm khoảng 10 bar, đỉnh chạm 20 bar và vượt cả PN16. Vì vậy PN16 chỉ hợp lý khi đi kèm van đóng chậm hoặc thiết bị chống búa nước, giữ đỉnh áp dưới 16 bar. Nếu không khống chế được xung, hoặc đường ống có nước nóng, cần xét PN25.
Chọn cấp sát áp làm việc để tiết kiệm thì phải có thiết bị bảo vệ quá áp. Van an toàn được chỉnh theo áp suất thiết kế (MAWP) của hệ, không theo con số PN: áp đặt không vượt áp suất thiết kế. Áp suất thiết kế lại không được lớn hơn áp cho phép của chi tiết yếu nhất ở nhiệt độ làm việc. Khi van xả hết công suất, áp còn tăng thêm phần tích lũy theo quy chuẩn áp dụng, nên cần chừa biên cho phần này.
Nếu cần đối chiếu định nghĩa quốc tế, có thể xem trang Nominal Pressure trên Wikipedia làm tài liệu tham khảo ngoài.
Sai sót thường gặp khi đọc cấp PN
Có ba sai sót lặp lại ở công trình. Một là coi PN như áp làm việc ở mọi nhiệt độ. Hai là lắp bích PN16 với bích Class 150 vì cùng khoảng 16 – 20 bar. Ba là bỏ qua gioăng, trong khi vật liệu làm kín thường giới hạn nhiệt độ trước thân van. Kiểm tra ba điểm này giúp tránh phần lớn rò rỉ ở mối nối bích.
Viva hỗ trợ chọn van và phụ kiện theo thông số thực tế gồm DN, PN hoặc Class, vật liệu thân, vật liệu gioăng và nhiệt độ lưu chất. Bạn có thể gửi thông số hệ thống hoặc ảnh tem van đang dùng để được đối chiếu cấp PN và gợi ý model phù hợp, hoặc đến trực tiếp văn phòng tại 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
Câu hỏi thường gặp về PN
PN là gì và PN16 chịu được bao nhiêu bar?
PN là áp suất danh nghĩa, cấp quy ước tính bằng bar ở 20 °C. PN16 nghĩa là chi tiết thuộc cấp 16 bar ở nhiệt độ đó. Khi lưu chất nóng hơn, áp suất làm việc cho phép thấp hơn 16 bar vì vật liệu giảm giới hạn chảy, nên phải tra bảng P-T của đúng vật liệu và hãng.
PN có bằng áp suất thử của van không?
Không. Theo EN 12266-1, van được thử bền thân ở 1,5 lần và thử kín đế ở 1,1 lần áp suất cho phép ở 20 °C, với đa số van giá trị này bằng PN. Đó là điều kiện kiểm tra ngắn hạn tại nhà máy. Áp suất vận hành lâu dài phải nằm dưới mức PN đã hạ theo nhiệt độ.
Class 150 và JIS 10K có tương đương PN16 không?
Không tương đương. Class 150 gần PN20, JIS 10K gần PN10 về danh nghĩa, còn PN16 nằm giữa. Kích thước bích của ba hệ khác nhau nên không lắp lẫn. Muốn đổi sang hệ khác phải chọn cặp bích cùng tiêu chuẩn và kiểm tra lại áp suất theo nhiệt độ.
Van ghi PN10/16 nghĩa là gì?
Ký hiệu PN10/16 nghĩa là bích khoan lỗ tương thích cả hai cấp, thường gặp ở van bướm kẹp hoặc van một chiều wafer. Khi áp dụng phải lấy cấp thấp hơn nếu không có xác nhận của hãng. Với van cụ thể, kiểm tra áp suất làm việc tối đa ghi trên tem hoặc catalogue.
Hệ thống bơm áp đóng 10 bar nên chọn cấp PN nào?
Thường chọn PN16 cho nước ở nhiệt độ thường, với điều kiện có van đóng chậm hoặc thiết bị chống búa nước giữ đỉnh áp dưới 16 bar. PN10 không còn biên cho xung áp. Nếu không khống chế được búa nước hoặc có nước nóng, xét PN25; áp đặt van an toàn lấy theo áp suất thiết kế của hệ.
