Vật liệu van điện từ quyết định lưu chất nào van chịu được và van bền bao lâu. Mỗi bộ phận dùng một vật liệu riêng: thân van bằng đồng thau, inox hoặc nhựa; ống dẫn lõi bằng inox không từ tính, lõi từ bằng inox từ tính; gioăng và màng bằng NBR, EPDM, FKM hoặc PTFE. Chọn sai một bộ phận, dù các bộ phận còn lại đúng, van vẫn rò hoặc kẹt sau vài tuần.
Bài này giải thích cơ chế kháng hóa chất của từng loại vật liệu, đưa bảng tương thích theo lưu chất, nêu các sai lầm hay gặp và cách đọc mã vật liệu trên nhãn. Phần cấu tạo chung của van điện từ nằm ở bài tổng quan; ở đây chỉ tập trung vào vật liệu. Nhiệt độ và giới hạn trong bài là giá trị tham khảo, cần đối chiếu catalogue của hãng.
Vật liệu van điện từ gồm những bộ phận nào
Vật liệu van điện từ chia thành bốn nhóm, mỗi nhóm chịu một loại tác động khác nhau. Phần tiếp xúc lưu chất cần kháng hóa học; phần nằm trong từ trường cần tính từ phù hợp; phần chuyển động cần độ bền mỏi.
- Thân van và nắp: chịu áp suất, nhiệt độ và tiếp xúc trực tiếp với lưu chất. Vật liệu thường là đồng thau, inox 304/316 hoặc nhựa.
- Ống dẫn lõi, lõi từ cố định và lõi từ di động (plunger): nằm trong từ trường của cuộn dây, cần dẫn từ tốt hoặc không cản từ trường.
- Lò xo: đưa lõi từ về vị trí ban đầu khi ngắt điện, làm việc trong lưu chất và chịu tải chu kỳ.
- Gioăng và màng: làm kín mặt đế van và các mối ghép. Đây là bộ phận mòn nhanh nhất, quyết định phần lớn giới hạn nhiệt độ và hóa chất của van.
Cuộn dây nằm ngoài lưu chất nên không thuộc phạm vi bài về vật liệu van điện từ. Nội dung về cuộn dây AC và DC có trong bài riêng của chuyên mục.
Vật liệu van điện từ cho thân van: đồng thau, inox và nhựa
Thân van chiếm phần lớn giá thành và là bộ phận khó thay nhất, nên cần chọn đúng ngay từ đầu. Ba nhóm vật liệu van điện từ cho thân khác nhau về cơ chế chịu ăn mòn chứ không chỉ về giá.
Đồng thau: kinh tế, hợp nước sạch và khí
Trong các vật liệu van điện từ, đồng thau là hợp kim đồng và kẽm. Loại này dễ gia công, chịu áp tốt và có giá thấp, nên chiếm phần lớn van điện từ dân dụng và công nghiệp nhẹ cho nước sạch, khí nén, dầu nhẹ và gas. Về đặc tính, đồng thau có độ dẫn nhiệt cao và ít bị bám cặn sinh học.
Điểm yếu của vật liệu van điện từ này nằm ở kẽm. Trong nước mềm, nước hơi axit hoặc nước chứa nhiều clorua, kẽm bị hòa tan chọn lọc, để lại khung đồng xốp, giòn. Hiện tượng này gọi là khử kẽm (dezincification).
Ngoài ra, amoniac cùng ứng suất dư sau gia công gây nứt ăn mòn ứng suất theo ranh giới hạt; thân van có thể nứt mà không có dấu hiệu gỉ rõ ràng. Vì vậy đồng thau không dùng cho amoniac, nước biển, nước có clo cao hoặc axit.
Inox 304 và 316: bền hơn nhờ lớp thụ động
Là vật liệu van điện từ cho môi trường ăn mòn, inox chứa tối thiểu khoảng 10,5 % crom. Crom phản ứng với oxy tạo màng oxit Cr2O3 mỏng, trong suốt, bám chặt bề mặt. Khi bị trầy xước, màng này tự tái tạo nếu còn oxy, nên inox không gỉ lan như thép carbon. Khi so sánh inox 304 và inox 316, khác biệt chính là molypden.
Inox 304 phù hợp nước, hơi, thực phẩm và hóa chất nhẹ. Inox 316 chứa khoảng 2–3 % Mo. Ion clorua (Cl⁻) tấn công cục bộ vào màng thụ động, tạo ăn mòn rỗ; molypden làm màng khó bị phá hơn và giúp vết rỗ khó phát triển. Do đó 316 dùng cho nước có muối, hóa chất chứa clorua và môi trường biển nhẹ.
Với nước biển ngập liên tục hoặc clorua nóng, 316 vẫn có thể rỗ, nên cần xem xét nhựa hoặc hợp kim đặc biệt theo hãng.
Nhựa PVC, PP, PVDF: cho hóa chất ăn mòn
Nhựa không bị ăn mòn điện hóa vì không dẫn điện và không có lớp oxit cần bảo vệ. Khi dùng nhựa làm vật liệu van điện từ, chúng chỉ hỏng khi phân tử polymer bị hòa tan, trương nở hoặc cắt mạch bởi hóa chất. PVC dùng cho nước, axit và kiềm loãng ở nhiệt độ thường. PP kháng axit, kiềm khá rộng. PVDF chứa liên kết C–F nên kháng axit mạnh, dung môi clo và chịu nhiệt cao hơn hai loại trên (tham khảo theo hãng).
Đổi lại, nhựa có giới hạn áp suất và nhiệt độ thấp hơn kim loại, thường chỉ vài bar đến hơn chục bar tùy loại và cỡ van. Nhựa cũng giòn hơn khi va đập và bị lão hóa dưới tia UV nếu lắp ngoài trời không che.
Ống dẫn lõi, lõi từ và lò xo: vật liệu van điện từ trong vùng từ trường
Vật liệu van điện từ ở bộ phận trong cuộn dây phải thỏa mãn hai yêu cầu trái ngược: kháng ăn mòn như thân van nhưng vẫn dẫn từ. Giải pháp là dùng hai loại inox khác nhau trong cùng cụm.
- Ống dẫn lõi (sleeve): dùng inox không từ tính, thường là dòng 300 như 304 hoặc 316. Ống không cản từ trường nên lực từ đi xuyên qua thành ống đến lõi di động, đồng thời giữ kín lưu chất.
- Lõi từ cố định và lõi di động: dùng inox từ tính dòng 400 dễ gia công như 430F (tham khảo; mã cụ thể theo hãng). Inox ferrit này kháng ăn mòn trung bình, đủ cho nước và khí, nhưng kém 316 trong môi trường clorua.
- Lò xo: thường bằng inox 302/304 hoặc 316 để không gỉ trong lưu chất. Lò xo gỉ hoặc gãy làm van đóng không hết hoặc kẹt ở vị trí mở.
Chi tiết về vật liệu van điện từ này giải thích vì sao van thân nhựa kháng axit vẫn có thể hỏng sớm: lõi từ và lò xo bên trong là kim loại. Khi lưu chất là axit ăn mòn kim loại, cần chọn van có màng cách ly (isolating diaphragm) ngăn lưu chất tiếp xúc lõi từ, hoặc loại có bộ phận trong bọc PTFE theo catalogue.
Với vật liệu van điện từ dẫn từ, cặn sắt, mạt từ trong nước là nguyên nhân phổ biến làm lõi di động kẹt, vì bị hút vào khe hở giữa lõi và ống dẫn. Vì vậy lọc Y đặt trước van vẫn cần thiết dù vật liệu van tốt, như trình bày trong hướng dẫn bảo trì ở phần sau.
Vật liệu van điện từ cho gioăng và màng: NBR, EPDM, FKM, PTFE
Trong vật liệu van điện từ, gioăng quyết định giới hạn nhiệt độ và hóa chất thực tế. Cùng một thân inox, van gioăng NBR dùng được cho khí nén có dầu, nhưng gioăng EPDM mới dùng được cho hơi. Khoảng nhiệt độ của từng vật liệu van điện từ dưới đây là tham khảo.
| Vật liệu | Nhiệt độ (tham khảo) | Kháng tốt | Kém hoặc không dùng |
|---|---|---|---|
| NBR | khoảng −10 đến +80 °C | Dầu khoáng, nhiên liệu, khí nén có dầu, LPG | Ozone, hơi nóng, nước nóng, axit oxy hóa |
| EPDM | khoảng −20 đến +130 °C (hơi bão hòa đến khoảng 140 °C theo hãng) | Nước nóng, hơi, ozone, kiềm, axit loãng | Dầu, mỡ khoáng, xăng, dung môi hydrocarbon |
| FKM (Viton) | khoảng −10 đến +180 °C | Dầu nóng, nhiên liệu, nhiều axit, dung môi thơm | Hơi nước nóng, nước nóng lâu ngày, xeton, amin |
| PTFE | khoảng −20 đến +180/200 °C | Gần như mọi hóa chất | Ít đàn hồi, cần lưu chất sạch, dễ biến dạng nguội |
NBR: bền dầu nhờ nhóm nitrile phân cực
NBR là cao su copolymer của butadiene và acrylonitrile. Nhóm nitrile (–C≡N) phân cực mạnh. Theo nguyên tắc «chất giống nhau hòa tan nhau», dầu khoáng và nhiên liệu không phân cực khó thấm vào mạng cao su phân cực, nên NBR trương nở ít trong dầu. Đây là lý do NBR là gioăng chuẩn cho khí nén có dầu bôi trơn và đường dầu.
Mạch chính NBR còn nối đôi C=C từ butadiene. Ozone và nhiệt tấn công các nối đôi này, làm cao su chai cứng, nứt bề mặt. Trong hơi nóng, nhiệt độ vượt giới hạn làm NBR lão hóa nhanh, nên không dùng NBR cho hơi và nước nóng.
EPDM: mạch bão hòa nên bền nhiệt ẩm
EPDM là terpolymer của ethylene, propylene và một lượng nhỏ diene. Nối đôi chỉ nằm ở nhánh bên dùng để lưu hóa, còn mạch chính bão hòa. Ozone, oxy và nhiệt không còn nhiều điểm để tấn công, vì vậy EPDM bền hơi, nước nóng, ozone và kiềm hơn NBR.
Ngược lại, EPDM là vật liệu van điện từ không phân cực. Dầu khoáng, mỡ và xăng cũng không phân cực nên thấm vào mạng cao su, làm trương nở, mềm và mất kín. Do đó EPDM tuyệt đối không dùng cho đường dầu, kể cả khí nén có sương dầu từ máy nén.
FKM (Viton): liên kết C–F bền với dầu nóng và axit
FKM là cao su fluoro. Liên kết C–F có năng lượng liên kết cao (khoảng 485 kJ/mol, so với khoảng 413 kJ/mol của C–H; số liệu tham khảo), và nguyên tử fluor che chắn mạch carbon. Nhờ vậy FKM bền với dầu nóng, nhiên liệu, nhiều axit và dung môi thơm. Bạn có thể tra thêm thông tin chung về FKM trên trang FKM trên Wikipedia.
Điểm yếu của vật liệu van điện từ FKM là tác nhân bazơ. Amin và kiềm đậm đặc nóng tách HF khỏi mạch, tạo nối đôi và làm cao su cứng giòn. Xeton phân tử nhỏ như axeton thấm vào làm cao su trương nở. Hơi nước nóng kéo dài cũng làm FKM xuống cấp, nên van hơi thường chọn EPDM hoặc PTFE.
PTFE: trơ hóa học nhờ vỏ fluor
Trong PTFE (Teflon), mọi nguyên tử carbon đều gắn fluor. Lớp fluor bao kín mạch C–C như một vỏ bọc, còn liên kết C–F rất bền. Hầu như không hóa chất thông thường nào phá được cấu trúc này; chỉ kim loại kiềm nóng chảy và fluor đơn chất mới tấn công. PTFE vì thế dùng cho axit mạnh, dung môi và hơi.
Khi chọn PTFE làm vật liệu van điện từ, nhược điểm là ít đàn hồi và biến dạng nguội (cold flow) dưới tải. Gioăng PTFE khó tạo kín bằng độ nén như cao su, nên thường đi cùng thiết kế piston hoặc lò xo đẩy, và cần lưu chất sạch để tránh trầy mặt đế.
Cơ chế kháng hóa chất: tóm gọn từ cấu trúc vật liệu
Nắm cơ chế của vật liệu van điện từ giúp bạn suy luận được những lưu chất không có trong bảng. Mọi nguyên tắc chọn vật liệu van điện từ theo độ bền hóa học của vật liệu đều quy về vài ý sau.
- Lớp thụ động: inox sống nhờ màng Cr2O3. Môi trường khử mạnh, thiếu oxy hoặc có Cl⁻ cao làm màng không tái tạo kịp, dẫn đến ăn mòn rỗ.
- Tính phân cực: cao su phân cực (NBR) chịu dầu không phân cực; cao su không phân cực (EPDM) chịu nước, kiềm phân cực nhưng không chịu dầu.
- Mạch chính bão hòa: không có nối đôi thì ozone, hơi và nhiệt khó phá mạch (EPDM, FKM, PTFE).
- Liên kết C–F: càng nhiều fluor bao quanh mạch carbon, vật liệu càng trơ (PVDF, FKM, PTFE).
- Ăn mòn điện hóa và hòa tan chọn lọc: xảy ra ở hợp kim nhiều pha như đồng thau (khử kẽm).
Khi đánh giá vật liệu van điện từ, hóa chất tương thích chưa chắc đã đủ. Nhiệt độ cao làm tốc độ phản ứng tăng mạnh, nên một vật liệu chịu được axit ở 20 °C có thể hỏng nhanh ở 80 °C. Luôn đọc bảng tương thích tại đúng nhiệt độ và nồng độ làm việc.
Bảng tương thích lưu chất và vật liệu van điện từ
Bảng dưới đây tóm tắt vật liệu van điện từ thông dụng, chỉ mang tính tham khảo. Hãy kiểm tra bảng tương thích của hãng cho đúng mã van, nồng độ và nhiệt độ trước khi đặt hàng. Với nhiệt độ cao hơn 80 °C trong hơi nóng, xem thêm nhóm van điện từ hơi nóng.
| Lưu chất | Thân van thường dùng | Gioăng nên dùng | Tránh |
|---|---|---|---|
| Nước sạch, nước sinh hoạt | Đồng thau, inox 304, nhựa | NBR, EPDM | Không có hạn chế đặc biệt |
| Nước nóng đến khoảng 90 °C | Đồng thau, inox 304 | EPDM, PTFE | NBR |
| Hơi bão hòa | Đồng thau hoặc inox, coil Class H | PTFE, EPDM chịu hơi | NBR, FKM dùng lâu |
| Khí nén có dầu | Đồng thau, nhôm, inox | NBR, FKM | EPDM |
| Dầu khoáng, dầu thủy lực | Đồng thau, inox | NBR, FKM | EPDM |
| Gas LPG | Đồng thau (không có amoniac), inox | NBR, FKM theo hãng | EPDM; van không có chứng nhận cho gas |
| Axit loãng | Inox 316, PVDF, PP | EPDM, FKM, PTFE theo axit | Đồng thau, inox 304 với axit chứa Cl⁻ |
| Kiềm (NaOH loãng) | Inox 304/316, PP, PVC | EPDM, PTFE | FKM với kiềm đậm đặc nóng; đồng thau với amoniac |
| Nước biển, nước clo | PVDF, PP, PVC; 316 hạn chế | EPDM, FKM, PTFE | Đồng thau, inox 304 |
Vài ghi chú để đọc đúng bảng. Nước có clo khử trùng ở nồng độ thấp vẫn dùng được thân đồng thau trong thời gian ngắn, nhưng nồng độ cao hoặc ngâm lâu gây khử kẽm. Gas LPG có thể chứa tạp chất lưu huỳnh làm ăn mòn đồng; van cho đường gas cần đáp ứng tiêu chuẩn và chứng nhận của hãng.
Hơi nóng và nhiệt độ cao
Với vật liệu van điện từ cho hơi, cần lưu ý hơi bão hòa ở áp thấp có nhiệt độ vào khoảng 120–140 °C, vượt giới hạn của NBR. Van cho hơi thường là van piston hoặc van màng thân đồng thau hoặc inox, gioăng PTFE hoặc EPDM chịu hơi, cuộn dây Class H (180 °C). Cấp cách điện của coil là nhiệt độ tối đa của lớp cách điện, không phải nhiệt độ lưu chất cho phép.
Hơi ngưng tụ còn gây thủy phân và xói mòn mặt đế nếu đường ống không xả nước ngưng. Nội dung chọn van hơi theo áp và cỡ ống có trong hướng dẫn lựa chọn van điện từ.
Nước, khí nén và áp suất cao
Với đường nước, vật liệu van điện từ phổ biến là thân đồng thau hoặc inox kèm gioăng NBR hoặc EPDM; xem thêm nhóm van điện từ nước. Nước nóng hoặc nước giặt, nước rửa chứa hóa chất nên chuyển sang EPDM. Khí nén có sương dầu nên dùng NBR để tránh trương nở.
Vật liệu van điện từ cho áp suất cao và nhiệt độ cao đòi hỏi thân kim loại dày hơn, gioăng PTFE hoặc FKM và lõi từ chịu lực lớn. Nhựa không phù hợp vùng này. Với van tác động gián tiếp, vật liệu màng còn phải chịu dao động chênh áp liên tục qua lỗ cân bằng, nên màng chai cứng là nguyên nhân thường gặp khiến van đóng không kín.
Sai lầm hay gặp khi chọn vật liệu van điện từ
Phần lớn sự cố vật liệu van điện từ lặp đi lặp lại theo vài mẫu. Bài về lỗi rò rỉ do gioăng phân tích thêm dấu hiệu nhận biết ngoài hiện trường.
- EPDM trên đường dầu hoặc khí nén có dầu: gioăng trương nở, mềm, lõi từ bị kẹt hoặc van rò. Chuyển sang NBR hoặc FKM.
- NBR trên đường hơi hoặc nước nóng trên 80 °C: cao su chai cứng và nứt trong vài tuần, van rò. Dùng EPDM hoặc PTFE.
- FKM với hơi nước hoặc amin: cao su xuống cấp dù bền dầu. Chọn EPDM, PTFE.
- Đồng thau cho nước biển, amoniac hoặc axit: khử kẽm hoặc nứt ứng suất, thân có thể rò đột ngột.
- Inox 304 trong dung dịch muối nóng: ăn mòn rỗ thành lỗ nhỏ xuyên thân. Dùng 316 hoặc nhựa PVDF.
- Chỉ nhìn thân van, bỏ qua gioăng và lõi từ: thân nhựa chịu axit nhưng lõi từ và lò xo bằng inox bị ăn mòn từ bên trong.
- Coi nhiệt độ làm việc là nhiệt độ môi trường: nhiệt độ lưu chất mới quyết định gioăng.
Mọi lỗi vật liệu van điện từ ở trên có chung nguyên nhân: chọn theo giá hoặc theo thói quen thay vì theo lưu chất. Khi lưu chất thay đổi, ví dụ đường nước chuyển sang nước rửa có hóa chất, cần kiểm tra lại cả thân lẫn gioăng.
Cách đọc mã vật liệu van điện từ trên nhãn
Nhãn van hoặc catalogue thường ghi vật liệu van điện từ bằng ký hiệu viết tắt. Cách ghi phụ thuộc hãng, nên bảng sau chỉ là gợi ý thường gặp (tham khảo).
| Ký hiệu trên nhãn | Ý nghĩa |
|---|---|
| Body: Brass hoặc CW617N | Thân đồng thau (CW617N là mã đồng thau theo tiêu chuẩn châu Âu) |
| SS304, SUS304, AISI 304 | Inox 304 (cán hoặc rèn) |
| SS316, SUS316, AISI 316 | Inox 316 |
| CF8, CF8M | Inox đúc, tương đương 304 và 316 |
| PVC, PP, PVDF | Thân nhựa tương ứng |
| Seal: NBR hoặc Buna-N | Gioăng nitrile |
| Seal: EPDM | Gioăng EPDM |
| Seal: FKM hoặc Viton | Gioăng cao su fluoro |
| Seal: PTFE hoặc Teflon | Gioăng PTFE |
| Temp: −10…+80 °C | Khoảng nhiệt độ lưu chất của van, thường phụ thuộc gioăng |
Một số hãng dùng chữ cái riêng cho gioăng trong mã đặt hàng (ví dụ một chữ cái phía cuối mã). Đừng đoán; hãy đối chiếu bảng giải mã mã sản phẩm trong catalogue. Nếu nhãn bị mờ, đo bằng tay không đủ để xác định gioăng; cần tháo van hoặc hỏi nhà cung cấp theo số seri.
Quy trình chọn vật liệu van điện từ theo 5 bước
Quy trình chọn vật liệu van điện từ sau đây áp dụng cho phần lớn van công nghiệp. Nó bổ sung cho các tiêu chí lưu lượng và điện áp trong bài lựa chọn van điện từ. Về phân loại tổng thể, xem phân loại van điện từ.
- Xác định lưu chất đầy đủ: tên, nồng độ, tạp chất (cặn, clorua, dầu, lưu huỳnh), pH.
- Xác định nhiệt độ lưu chất cao nhất và nhiệt độ môi trường, không chỉ nhiệt độ danh định.
- Chọn vật liệu van điện từ cho thân theo ăn mòn và áp suất: đồng thau cho nước sạch và khí; inox 304 hoặc 316 cho hơi, thực phẩm, clorua; nhựa cho hóa chất ăn mòn ở áp thấp.
- Chọn vật liệu van điện từ cho gioăng theo lưu chất và nhiệt độ bằng bảng ở trên; ưu tiên đối chiếu với bảng của hãng.
- Kiểm tra bộ phận trong (lõi từ, lò xo) và lên kế hoạch thay gioăng định kỳ; chu kỳ tham khảo 3–6 tháng với nước sạch, 1–3 tháng với hơi hoặc nước có cặn, theo hướng dẫn bảo trì van điện từ.
Trường hợp khó xác định, hãy gửi thông tin lưu chất, nhiệt độ, áp suất và cỡ ống cho kỹ sư của Viva để được đối chiếu mã van và vật liệu phù hợp. Danh mục van điện từ của hãng cho thấy các cấu hình vật liệu thực tế.
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
Vật liệu van điện từ thân đồng thau có dùng được cho nước nóng không?
Dùng được khi gioăng là EPDM hoặc PTFE và nhiệt độ nằm trong giới hạn của hãng, thường đến khoảng 90 °C với nước nóng (tham khảo). Không dùng gioăng NBR vì giới hạn khoảng 80 °C. Nếu nước có nhiều clorua hoặc hơi axit, nên chuyển sang thân inox.
Gioăng NBR và EPDM khác nhau thế nào trong vật liệu van điện từ?
NBR bền dầu, nhiên liệu và khí nén có dầu nhưng kém hơi nóng và ozone. EPDM bền nước nóng, hơi, kiềm nhưng trương nở khi gặp dầu. Hai loại không thay thế cho nhau, nên cần xác định lưu chất trước khi chọn.
Khi nào cần chọn van điện từ inox 316 thay vì 304?
Chọn 316 khi lưu chất có ion clorua như nước muối, nước biển pha loãng, nước rửa chứa clo hoặc hóa chất có Cl⁻. Nhờ 2–3 % molypden, 316 chống ăn mòn rỗ tốt hơn 304. Với nước biển ngập liên tục, nên xem thêm nhựa PVDF.
Van điện từ cho hơi nóng dùng gioăng gì?
Thường dùng PTFE hoặc EPDM chịu hơi, thân đồng thau hoặc inox và coil Class H. Hơi bão hòa ở áp thấp khoảng 120–140 °C, vượt giới hạn của NBR. Chu kỳ kiểm tra nên ngắn, khoảng 1–3 tháng (tham khảo).
Làm sao biết vật liệu van điện từ đang dùng là loại nào?
Đọc nhãn thân van hoặc mã sản phẩm, đối chiếu với bảng giải mã mã đặt hàng trong catalogue của hãng. Thân van thường có dấu đúc ghi vật liệu, còn gioăng chỉ biết chắc qua mã hoặc khi tháo van. Nếu không còn nhãn, hãy hỏi nhà cung cấp theo số seri.
