Van cầu (Globe valve) là gì? Cấu tạo, nguyên lý, phân loại và ứng dụng

Van cầu (globe valve) là loại van chặn và điều tiết, trong đó đĩa van nâng lên hạ xuống theo phương vuông góc với bệ van nhờ ty ren. Khác với van cổng (đĩa trượt ngang qua dòng chảy) hay van bi (viên bi xoay 90°), van cầu đóng kín bằng cách ép đĩa xuống mặt bệ, nên chặn dòng tốt và chỉnh lưu lượng được ở từng mức mở, đổi lại dòng chảy bị đổi hướng và mất áp nhiều hơn.

Van cầu là gì: tên gọi, hình dạng và ký hiệu trên bản vẽ

Van cầu là van có đĩa chuyển động tịnh tiến để đóng, mở hoặc tiết lưu dòng chảy trong đường ống. Tên gọi xuất phát từ các thiết kế đầu tiên, khi thân van có dạng khối cầu với hai khoang ngăn cách bởi vách có lỗ bệ ở giữa. Ngày nay thân van có nhiều dạng khác (chữ Z, chữ Y, góc) nhưng tên cũ vẫn được giữ. Các dòng sản phẩm van cầu của Viva gồm van cầu gang, inox và đồng.

Trên bản vẽ P&ID, van cầu được vẽ bằng hai tam giác đối đỉnh (giống ký hiệu van cổng) cộng thêm một chấm tròn đặc ở giữa, chỗ hai tam giác chạm nhau. Chấm tròn đặc là điểm phân biệt với van cổng. Bảng tổng hợp ký hiệu các loại van giúp đọc nhanh các ký hiệu còn lại trên cùng bản vẽ.

Cấu tạo van cầu gồm những bộ phận nào

Một van cầu tay quay tiêu chuẩn gồm các bộ phận sau, từ phần chịu áp đến phần truyền lực.

Chỗ kín nhất của van nằm ở mặt tiếp xúc đĩa với bệ, còn chỗ dễ rò nhất lại là hộp chèn quanh ty, vì ty vừa quay vừa tịnh tiến. Kiểu đĩa, bệ rời thay được, các kiểu nắp capo và bệ phụ (back seat) được trình bày trong bài đặc điểm thiết kế van cầu.

Nguyên lý hoạt động của van cầu

Khi xoay tay quay, ty van quay theo. Ty ăn khớp với ren trong thân van (hoặc trong nắp capo, hoặc trong ống ren gắn với tay quay), nên chuyển động quay biến thành chuyển động tịnh tiến dọc trục. Đĩa gắn ở đầu ty chỉ nâng lên hoặc hạ xuống vuông góc với bệ, không xoay trên mặt bệ khi tiếp xúc. Quay theo chiều kim đồng hồ thì đĩa hạ xuống ép vào bệ, van đóng; quay ngược lại thì đĩa nâng lên, van mở.

Hành trình của đĩa ngắn. Dòng chảy qua khe hở hình trụ giữa đĩa và bệ có diện tích khoảng π × d × h (d là đường kính lỗ bệ, h là độ nâng). Diện tích này bằng diện tích lỗ bệ π × d²/4 khi h bằng d/4, nên chỉ cần nâng đĩa khoảng 1/4 đường kính lỗ bệ là van mở hoàn toàn. Van cổng thì phải nâng đĩa gần bằng DN, vì vậy van cầu mở nhanh hơn và gọn hơn theo phương đứng.

Van cầu điều tiết tốt vì bước ren của ty nhỏ, mỗi vòng quay chỉ nâng đĩa một đoạn ngắn, nên lưu lượng được chỉnh mịn; đĩa côn hoặc đĩa nút còn làm diện tích khe thay đổi đều theo độ nâng. Cũng vì khe hẹp nên không nên để van chạy lâu ở độ mở dưới khoảng 10–15% hành trình. Vận tốc qua khe lớn gây xói mòn mặt đĩa và bệ (hiện tượng wire drawing), rung và ồn, với nước nóng còn có thể gây xâm thực.

Thân van chia hai khoang nên có hai cách cho dòng đi vào. Dòng vào dưới đĩa (đẩy đĩa lên) là cách phổ biến với van tay quay: mở nhẹ hơn, và khi van đóng thì tết chèn ít chịu áp. Dòng vào trên đĩa (ép đĩa xuống) giúp bệ kín hơn, dùng cho cỡ lớn, áp cao, hơi nóng nhiệt độ cao hoặc van điều khiển cần đóng khi mất tín hiệu, nhưng cần lực mở lớn hơn. Cách xác định đúng hướng và hệ quả khi lắp ngược nằm trong bài hướng dòng chảy của van cầu; luôn lắp theo mũi tên đúc trên thân van.

Về ty, hầu hết van cầu dùng ty nổi (rising stem): ty nhô lên khỏi nắp khi mở và thụt xuống khi đóng, nhìn vào độ nhô là biết trạng thái van. Ở van cỡ nhỏ, ren ty nằm trong nắp hoặc thân và tay quay đi lên cùng ty (ren trong). Kiểu ty không nâng (ty chỉ quay tại chỗ) rất hiếm ở van cầu; khi gặp thì không nhìn ra trạng thái từ bên ngoài, phải dựa vào chỉ báo vị trí. Chi tiết xem bài cách biết van cầu đang mở hay đóng.

Phân loại van cầu theo thân, vật liệu, kiểu nối và điều khiển

Theo kiểu thân van

• Thân chữ Z (thân thẳng): kiểu phổ biến nhất. Dòng đổi hướng hai lần qua vách ngăn nên hệ số trở lực lớn nhất (K khoảng 4–10 khi mở hết, tham khảo). Giá thấp, dùng cho nước, dầu, hơi áp thấp–trung bình.
• Thân chữ Y: ty nghiêng khoảng 45–60° so với trục ống, dòng ít bị bẻ góc hơn nên K thấp hơn (khoảng 2–3). Hợp áp cao, hơi nóng, đóng mở thường xuyên.
• Thân góc 90°: cửa vào và ra vuông góc, một van thay được một cút cộng một van. Tiết kiệm chỗ lắp, K khoảng 2–5; hay đặt ở điểm đổi hướng của đường ống hoặc cuối đường xả.
• Thân ba ngã: ít gặp, dùng để chia hoặc trộn dòng.

Theo vật liệu thân van

Vật liệu quyết định môi chất, nhiệt độ và áp suất van chịu được. Các mốc dưới đây chỉ để tham khảo, cần đối chiếu catalogue hãng và đường cong áp suất–nhiệt độ, vì áp định mức của van giảm khi nhiệt độ tăng.

• Gang: van cầu gang giá thấp, dùng cho nước, nước nóng, hơi áp thấp, dầu. Gang xám (FC) chịu tới khoảng 180–200 °C và giòn, thường không dùng cho hơi áp cao. Gang dẻo (FCD) có graphit dạng cầu nên chịu va đập và giãn nở nhiệt tốt hơn, dùng được tới khoảng 350 °C. Cấp áp thường gặp PN10/PN16.
• Thép (WCB, thép rèn): dùng cho hơi quá nhiệt, dầu nóng, áp cao; thép carbon WCB làm việc khoảng -29 đến 425 °C. Cấp áp thường từ PN16 đến PN40 trở lên. Không hợp môi chất ăn mòn mạnh vì thép carbon không có lớp màng bảo vệ.
• Inox: van cầu inox (CF8/CF8M, tương đương 304/316) có lớp màng thụ động Cr₂O₃ tự tái tạo nên chống ăn mòn. Loại 316 có thêm khoảng 2–3% Mo nên chịu ion clorua (nước biển, nước muối) tốt hơn 304. Dải nhiệt rộng, từ -196 đến khoảng 400–550 °C tùy mác và cấp áp. Dùng trong thực phẩm, hóa chất, dược.
• Đồng (đồng thau, đồng đỏ): van cầu đồng chủ yếu là cỡ nhỏ nối ren, cấp áp thường PN16–PN20, nhiệt độ tới khoảng 180–200 °C; van hơi bằng đồng thường chỉ dùng tới khoảng 10 bar. Hợp nước sạch, nước nóng, khí nén, hơi áp thấp trong tòa nhà và nhà máy nhỏ.
• Nhựa (uPVC, PP, PVDF): trơ với axit, kiềm, muối, nhẹ và rẻ, nhưng chịu nhiệt và áp thấp (uPVC thường chỉ vài chục °C, PN10 trở xuống). Dùng cho xử lý nước, mạ, hóa chất loãng.

Theo kiểu nối với đường ống

• Nối bích: phổ biến nhất ở cỡ từ khoảng DN15 đến DN300; cỡ lớn hơn ít gặp vì tay quay nặng và tổn thất áp lớn. Tháo lắp không cần cắt ống, chịu rung tốt.
• Nối ren: thường từ DN8 đến DN50, chủ yếu van đồng, gang, inox nhỏ. Lắp nhanh nhưng ren dễ rò khi đường ống chịu rung hoặc nhiệt thay đổi liên tục.
• Nối hàn: hàn lồng (socket weld) cho thép rèn cỡ nhỏ, thường tới DN50; hàn giáp mối (butt weld) cho cỡ lớn, áp cao. Không có gioăng nên loại bỏ điểm rò ở mối ghép, nhưng muốn thay van phải cắt ống.

Theo kiểu điều khiển

Van tay quay dùng cho vị trí đóng mở ít và có người vận hành. Khi cần đóng mở từ xa hoặc tự động theo tín hiệu, van cầu được lắp bộ truyền động. Van điều khiển điện dùng động cơ và hộp số, mô-men lớn, giữ vị trí tại bất kỳ độ mở nào, hợp điều tiết liên tục nhưng tốc độ chậm. Van điều khiển khí nén dùng xi lanh hoặc màng khí nén, đóng mở nhanh, có thể chọn kiểu lò xo đóng hoặc mở khi mất khí cấp, dùng được ở khu vực cần chống cháy nổ khi solenoid, positioner và công tắc hành trình có chứng nhận phòng nổ (Ex) phù hợp; cần có nguồn khí nén sạch, khô.

Ưu điểm và nhược điểm của van cầu

Phần so sánh đầy đủ nằm trong bài ưu điểm và nhược điểm của van cầu.

• Đóng kín tốt vì đĩa ép vuông góc lên bệ, mặt tiếp xúc chỉ trượt rất ít khi đóng nên ít mòn.
• Điều tiết lưu lượng được, hành trình ngắn nên đóng mở nhanh hơn van cổng cùng cỡ.
• Bảo trì thuận tiện: với đa số kiểu, đĩa và bệ được mài hoặc thay ngay trên đường ống sau khi tháo nắp capo.
• Tổn thất áp suất lớn vì dòng đổi hướng trong thân; van chữ Z có hệ số K lớn gấp hàng chục lần van cổng mở hết.
• Cần lực đóng mở lớn hơn van bi, van bướm, nhất là cỡ lớn hoặc áp cao, nên cỡ lớn thường phải có hộp số hoặc bộ truyền động.
• Không hợp lưu chất có hạt rắn, bùn đặc hoặc độ nhớt rất cao, vì cặn kẹt ở bệ làm hở van và làm kẹt đĩa.

Mức mất áp cụ thể phụ thuộc kích thước van và lưu lượng; với nước, ΔP (bar) = (Q/Kv)², trong đó Q tính bằng m³/h và Kv là lưu lượng nước qua van ở ΔP = 1 bar. Cách tra Kv, quy đổi Kv–Cv và ví dụ tính được trình bày trong bài cách tính tổn thất áp suất qua van cầu.

Van cầu khác van cổng, van bi thế nào

Van cổng và van bi gần như không cản dòng khi mở hết, nên hợp với vai trò đóng hoặc mở hoàn toàn trên đường ống chính. Van cầu hợp những vị trí cần chỉnh lưu lượng hoặc đóng mở thường xuyên. Khi cần so từng tiêu chí chi tiết, xem bài so sánh van cầu với các loại van khác và bài giới thiệu van cổng.

Ứng dụng của van cầu

Van cầu được dùng ở những vị trí cần đóng kín chắc chắn hoặc cần chỉnh lưu lượng:

• Đường hơi nước và nước ngưng trong lò hơi, nhà máy giấy, dệt, thực phẩm, nhờ bệ kín tốt với hơi.
• Nước nóng và dầu nóng tải nhiệt, nơi cần chỉnh lưu lượng gia nhiệt.
• Dầu nhiên liệu (FO, DO) cấp cho lò đốt, máy phát điện, tàu thủy.
• Nước làm mát cho máy nén, khuôn, tháp giải nhiệt, chỉnh lưu lượng từng nhánh.
• Đường by-pass quanh van điều khiển, bộ lọc, đồng hồ lưu lượng, để bảo dưỡng mà không dừng hệ thống.
• Van xả đáy, xả cặn và xả khí ở nồi hơi, bồn chứa, nhờ khả năng đóng kín và mở từ từ.

Chọn van cầu theo những tiêu chí nào

Bảy thông số cần xác định trước khi hỏi giá, chi tiết xem bài cách lựa chọn van cầu:

• Môi chất: nước, hơi, dầu, hóa chất hay khí; có hạt rắn hay không. Môi chất quyết định vật liệu thân, trim và tết chèn.
• Vật liệu thân và trim: thân gang, thép, đồng hoặc inox; trim (đĩa, bệ, ty) cần cứng hơn lưu chất và hạt cặn, chọn theo môi chất và nhiệt độ.
• Nhiệt độ và áp suất làm việc: chọn cấp áp PN theo áp suất ở nhiệt độ vận hành, không theo áp suất ở nhiệt độ thường.
• Kích thước DN và kiểu nối: không mặc định bằng DN ống, chọn theo Kv yêu cầu ở lưu lượng thực tế.
• Kiểu thân: chữ Z cho nhu cầu thông thường, chữ Y cho hơi, áp cao, góc khi cần đổi hướng.
• Chế độ làm việc: đóng mở hay điều tiết; thủ công hay điện, khí nén; chọn độ nâng, đặc tính đĩa phù hợp.
• Tiêu chuẩn và chứng từ: thiết kế theo EN, DIN, ASME, BS hoặc JIS; yêu cầu CO/CQ, chứng chỉ vật liệu khi hệ thống có đăng ký kiểm định.

Lắp đặt, vận hành và bảo trì van cầu

Van cầu cần bảo quản đúng cách từ khi nhập kho: giữ nắp bảo vệ hai đầu, để đĩa ở vị trí hơi hở và xếp nơi khô ráo, các lưu ý có trong bài vận chuyển và lưu trữ van cầu. Khi lắp đặt van cầu, cần xả sạch cặn hàn khỏi đường ống, lắp đúng chiều mũi tên và chừa khoảng trống để nhấc ty, tháo nắp capo.

Về vận hành, quy trình mở từ từ, không dùng đòn bẩy tăng lực và không để van chạy lâu ở độ mở rất nhỏ được tóm trong bài vận hành van cầu an toàn. Khi van rò qua bệ, rò ở ty hoặc kẹt tay quay, nguyên nhân và cách xử lý nằm trong bài các lỗi thường gặp của van cầu. Chu kỳ siết lại tết chèn, mài bệ, thay đĩa được hướng dẫn trong bài bảo trì van cầu.

Thương hiệu van cầu thường gặp

Các hãng dưới đây phổ biến ở thị trường Việt Nam; dòng sản phẩm, vật liệu và cấp áp cụ thể cần xem catalogue từng hãng.

• KITZ (Nhật Bản): dải vật liệu rộng gồm đồng, gang, thép, inox, nhiều cỡ van nối ren và nối bích cho nước, hơi, dầu.
• Toyo (Nhật Bản): chủ yếu van đồng và van gang kích thước nhỏ–trung bình cho hệ thống nước, hơi áp thấp và công trình.
• Joeun (Hàn Quốc): van cầu thép, gang, inox dùng cho hơi nóng, nước nóng, dầu nóng.
• Yoshitake (Nhật Bản): hãng chuyên thiết bị hơi như van giảm áp, bẫy hơi; có van cầu cho đường hơi.
• KSB (Đức): hãng sản xuất bơm và van công nghiệp, van cầu cho nhà máy điện, hóa chất và hệ thống tiện ích.

Mua van cầu tại Viva

Viva cung cấp van cầu nhập khẩu và phân phối, có CO/CQ theo lô hàng khi khách yêu cầu. Gửi môi chất, nhiệt độ, áp suất, DN và kiểu nối, kỹ thuật viên sẽ đề xuất vật liệu, cấp áp và hãng phù hợp, có thể kiểm tra van tại kho trước khi đặt. Văn phòng Hà Nội: Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, Ph. Khương Đình, TP. Hà Nội. Đơn giá theo vật liệu và cỡ van xem ở bảng giá van cầu.

Câu hỏi thường gặp về van cầu