Van được sử dụng ở đâu: Mọi nơi!

08 tháng 11 năm 2017 Viết bởi Greg Johnson

Ngày nay, chúng ta có thể tìm thấy van ở bất cứ đâu: trong nhà, dưới đường phố, trong các tòa nhà thương mại và hàng nghìn nơi trong các nhà máy điện và nước, nhà máy giấy, nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa chất và các cơ sở công nghiệp và cơ sở hạ tầng khác.
Ngành công nghiệp van thực sự rất đa dạng, với các phân khúc trải dài từ phân phối nước, điện hạt nhân đến dầu khí thượng nguồn và hạ nguồn. Mỗi ngành công nghiệp người dùng cuối này đều sử dụng một số loại van cơ bản; tuy nhiên, chi tiết về cấu tạo và vật liệu thường rất khác nhau. Dưới đây là một số ví dụ:

CÔNG TRÌNH NƯỚC
Trong lĩnh vực phân phối nước, áp suất hầu như luôn tương đối thấp và nhiệt độ môi trường xung quanh. Hai yếu tố ứng dụng này cho phép một số yếu tố thiết kế van không thể tìm thấy trên các thiết bị phức tạp hơn như van hơi nước nhiệt độ cao. Nhiệt độ môi trường xung quanh của dịch vụ nước cho phép sử dụng vật liệu đàn hồi và gioăng cao su không phù hợp ở nơi khác. Những vật liệu mềm này cho phép lắp đặt van nước để bịt kín các giọt nước.

Một yếu tố cần cân nhắc khác khi lựa chọn van cấp nước là vật liệu chế tạo. Gang và gang dẻo được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống cấp nước, đặc biệt là các đường ống có đường kính ngoài lớn. Các đường ống rất nhỏ có thể được xử lý khá tốt bằng vật liệu van đồng.

Áp suất mà hầu hết các van cấp nước chịu được thường thấp hơn nhiều so với 200 psi. Điều này có nghĩa là không cần thiết kế van áp suất cao với thành dày hơn. Tuy nhiên, có những trường hợp van nước được chế tạo để chịu được áp suất cao hơn, lên đến khoảng 300 psi. Những ứng dụng này thường được lắp đặt trên các đường ống dẫn nước dài gần nguồn áp suất. Đôi khi, van nước áp suất cao cũng được lắp đặt tại các điểm có áp suất cao nhất trong một đập cao.

Hiệp hội Công trình cấp nước Hoa Kỳ (AWWA) đã ban hành các thông số kỹ thuật bao gồm nhiều loại van và bộ truyền động khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng công trình cấp nước.

NƯỚC THẢI
Mặt trái của việc cung cấp nước sạch cho một cơ sở hoặc công trình là nước thải hoặc nước cống. Các đường ống này thu gom tất cả chất thải lỏng và chất rắn và dẫn chúng đến nhà máy xử lý nước thải. Các nhà máy xử lý này có rất nhiều đường ống và van áp suất thấp để thực hiện "công việc bẩn". Trong nhiều trường hợp, yêu cầu đối với van nước thải dễ dàng hơn nhiều so với yêu cầu đối với dịch vụ nước sạch. Van cổng sắt và van một chiều là những lựa chọn phổ biến nhất cho loại hình dịch vụ này. Van tiêu chuẩn trong dịch vụ này được chế tạo theo thông số kỹ thuật của AWWA.

NGÀNH CÔNG NGHIỆP ĐIỆN LỰC
Phần lớn điện năng được sản xuất tại Hoa Kỳ được tạo ra từ các nhà máy hơi nước sử dụng nhiên liệu hóa thạch và tua-bin tốc độ cao. Khám phá sâu hơn về một nhà máy điện hiện đại, chúng ta sẽ thấy hệ thống đường ống áp suất cao, nhiệt độ cao. Những đường ống chính này là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình sản xuất điện bằng hơi nước.

Van cửa vẫn là lựa chọn chính cho các ứng dụng đóng/mở nhà máy điện, mặc dù van cầu chữ Y chuyên dụng cũng được tìm thấy. Van bi hiệu suất cao, phục vụ quan trọng đang ngày càng phổ biến với một số nhà thiết kế nhà máy điện và đang thâm nhập vào thế giới vốn trước đây do van tuyến tính thống trị.

Luyện kim đóng vai trò quan trọng đối với van trong các ứng dụng điện, đặc biệt là những ứng dụng hoạt động trong dải áp suất và nhiệt độ siêu tới hạn hoặc siêu tới hạn. F91, F92, C12A, cùng với một số hợp kim Inconel và thép không gỉ thường được sử dụng trong các nhà máy điện hiện nay. Các cấp áp suất bao gồm 1500, 2500 và trong một số trường hợp là 4500. Bản chất điều biến của các nhà máy điện đỉnh (chỉ hoạt động khi cần thiết) cũng gây áp lực rất lớn lên van và đường ống, đòi hỏi thiết kế chắc chắn để xử lý sự kết hợp cực đoan của chu kỳ, nhiệt độ và áp suất.
Ngoài van hơi chính, các nhà máy điện còn được trang bị nhiều đường ống phụ trợ, bao gồm vô số van cổng, van cầu, van một chiều, van bướm và van bi.

Nhà máy điện hạt nhân vận hành theo cùng nguyên lý hơi nước/tua bin tốc độ cao. Điểm khác biệt chính là ở nhà máy điện hạt nhân, hơi nước được tạo ra từ nhiệt của quá trình phân hạch. Van của nhà máy điện hạt nhân tương tự như các loại van sử dụng nhiên liệu hóa thạch, ngoại trừ nguồn gốc và yêu cầu bổ sung về độ tin cậy tuyệt đối. Van hạt nhân được sản xuất theo tiêu chuẩn cực kỳ cao, với tài liệu kiểm định và đánh giá chất lượng dày hàng trăm trang.

SẢN XUẤT DẦU KHÍ
Các giếng dầu khí và cơ sở sản xuất sử dụng rất nhiều van, bao gồm nhiều loại van chịu tải trọng nặng. Mặc dù hiện tượng phun dầu cao hàng trăm feet lên không trung khó có thể xảy ra, nhưng hình ảnh này minh họa áp suất tiềm tàng của dầu khí dưới lòng đất. Đây là lý do tại sao đầu giếng hoặc cây thông Noel được đặt ở đầu ống dài của giếng. Những cụm van này, với sự kết hợp của van và phụ kiện đặc biệt, được thiết kế để chịu được áp suất lên tới 10.000 psi. Mặc dù hiếm khi thấy ở các giếng đào trên đất liền ngày nay, nhưng áp suất cực cao thường thấy ở các giếng sâu ngoài khơi.

Thiết kế thiết bị đầu giếng được quy định bởi các thông số kỹ thuật API như 6A, Thông số kỹ thuật cho Thiết bị đầu giếng và Cây thông Noel. Các van được quy định trong 6A được thiết kế cho áp suất cực cao nhưng nhiệt độ vừa phải. Hầu hết các cây thông Noel đều có van cửa và van cầu đặc biệt gọi là van tiết lưu. Van tiết lưu được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng từ giếng.

Ngoài các đầu giếng, nhiều cơ sở phụ trợ cũng có mặt trong một mỏ dầu hoặc khí. Thiết bị xử lý sơ bộ dầu hoặc khí đòi hỏi một số van. Các van này thường được làm bằng thép cacbon, được xếp hạng cho các cấp độ thấp hơn.

Đôi khi, một chất lỏng có tính ăn mòn cao—hydrogen sulfide—có trong dòng dầu thô. Chất này, còn được gọi là khí chua, có thể gây chết người. Để vượt qua những thách thức của khí chua, cần phải tuân thủ các vật liệu đặc biệt hoặc kỹ thuật xử lý vật liệu theo tiêu chuẩn quốc tế NACE MR0175.

NGÀNH CÔNG NGHIỆP NGOẠI KHƠI
Hệ thống đường ống cho các giàn khoan dầu ngoài khơi và cơ sở sản xuất chứa rất nhiều van được chế tạo theo nhiều thông số kỹ thuật khác nhau để xử lý nhiều thách thức kiểm soát lưu lượng khác nhau. Các cơ sở này cũng chứa nhiều vòng lặp hệ thống điều khiển và thiết bị giảm áp.

Đối với các cơ sở sản xuất dầu, "tim động mạch" chính là hệ thống đường ống thu hồi dầu hoặc khí. Mặc dù không phải lúc nào cũng nằm trên giàn khoan, nhiều hệ thống sản xuất sử dụng cây thông Noel và hệ thống đường ống hoạt động ở độ sâu khắc nghiệt từ 10.000 feet trở lên. Thiết bị sản xuất này được chế tạo theo nhiều tiêu chuẩn khắt khe của Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API) và được tham chiếu trong một số Thực hành Khuyến nghị của API (RP).

Trên hầu hết các giàn khoan dầu lớn, các quy trình bổ sung được áp dụng cho dòng chất lỏng thô từ đầu giếng. Các quy trình này bao gồm tách nước khỏi hydrocarbon và tách khí và khí tự nhiên lỏng khỏi dòng chất lỏng. Các hệ thống đường ống hậu Giáng sinh này thường được chế tạo theo tiêu chuẩn đường ống B31.3 của Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ với các van được thiết kế theo thông số kỹ thuật van của API như API 594, API 600, API 602, API 608 và API 609.

Một số hệ thống này cũng có thể chứa van cổng, van bi và van một chiều API 6D. Vì bất kỳ đường ống nào trên giàn khoan hoặc tàu khoan đều nằm bên trong cơ sở, nên các yêu cầu nghiêm ngặt về việc sử dụng van API 6D cho đường ống không được áp dụng. Mặc dù nhiều loại van được sử dụng trong các hệ thống đường ống này, loại van được lựa chọn là van bi.

ĐƯỜNG ỐNG
Mặc dù hầu hết các đường ống đều được che khuất tầm nhìn, sự hiện diện của chúng thường rất dễ nhận thấy. Những biển báo nhỏ ghi "đường ống dẫn dầu" là một dấu hiệu rõ ràng cho thấy sự hiện diện của đường ống vận chuyển ngầm. Những đường ống này được trang bị nhiều van quan trọng dọc theo chiều dài. Van khóa đường ống khẩn cấp được lắp đặt theo khoảng cách quy định bởi các tiêu chuẩn, quy phạm và luật định. Các van này đóng vai trò quan trọng trong việc cô lập một đoạn đường ống trong trường hợp rò rỉ hoặc khi cần bảo trì.

Dọc theo tuyến đường ống cũng có các cơ sở nơi đường ống nhô lên khỏi mặt đất và có thể tiếp cận đường ống. Các trạm này là nơi đặt thiết bị phóng "lợn", bao gồm các thiết bị được lắp vào đường ống để kiểm tra hoặc làm sạch đường ống. Các trạm phóng "lợn" này thường chứa nhiều van, loại van cổng hoặc van bi. Tất cả các van trên hệ thống đường ống phải ở chế độ mở hoàn toàn (full-port) để cho phép "lợn" đi qua.

Đường ống cũng cần năng lượng để chống lại ma sát và duy trì áp suất cũng như lưu lượng của đường ống. Các trạm nén hoặc bơm trông giống như phiên bản thu nhỏ của một nhà máy xử lý mà không có các tháp cao. Các trạm này là nơi chứa hàng chục van cửa, van bi và van một chiều.
Bản thân các đường ống được thiết kế theo nhiều tiêu chuẩn và quy định khác nhau, trong khi van đường ống tuân theo Van đường ống API 6D.
Ngoài ra còn có các đường ống nhỏ hơn dẫn vào nhà ở và các công trình thương mại. Những đường ống này cung cấp nước và khí đốt và được bảo vệ bằng van khóa.
Các thành phố lớn, đặc biệt là ở miền Bắc Hoa Kỳ, cung cấp hơi nước cho nhu cầu sưởi ấm của khách hàng thương mại. Các đường ống cung cấp hơi nước này được trang bị nhiều loại van để kiểm soát và điều tiết nguồn cung cấp hơi nước. Mặc dù chất lỏng là hơi nước, áp suất và nhiệt độ thấp hơn so với hơi nước trong nhà máy điện. Dịch vụ này sử dụng nhiều loại van khác nhau, mặc dù van nút cổ điển vẫn là lựa chọn phổ biến.

NHÀ MÁY LỌC DẦU VÀ HÓA DẦU
Van lọc dầu chiếm tỷ lệ sử dụng van công nghiệp cao hơn bất kỳ loại van nào khác. Nhà máy lọc dầu là nơi chứa cả chất lỏng ăn mòn và trong một số trường hợp, nhiệt độ cao.
Các yếu tố này quyết định cách chế tạo van theo các thông số kỹ thuật thiết kế van API như API 600 (van cổng), API 608 (van bi) và API 594 (van một chiều). Do nhiều loại van này phải chịu tác động khắc nghiệt, nên thường cần thêm dung sai ăn mòn. Dung sai này được thể hiện qua độ dày thành van lớn hơn được quy định trong tài liệu thiết kế API.

Hầu như mọi loại van chính đều có thể được tìm thấy rất nhiều trong một nhà máy lọc dầu lớn điển hình. Van cổng phổ biến vẫn là loại van được sử dụng rộng rãi nhất, nhưng van 1/4 vòng đang chiếm thị phần ngày càng lớn. Các sản phẩm 1/4 vòng đang thâm nhập thành công vào ngành công nghiệp này (trước đây cũng bị thống trị bởi các sản phẩm tuyến tính) bao gồm van bướm lệch ba hiệu suất cao và van bi đế kim loại.

Van cổng, van cầu và van một chiều tiêu chuẩn vẫn được sử dụng rộng rãi và sẽ không sớm biến mất do thiết kế chắc chắn và tính kinh tế trong sản xuất.
Xếp hạng áp suất cho van lọc dầu trải dài từ Cấp 150 đến Cấp 1500, trong đó Cấp 300 là phổ biến nhất.
Thép cacbon trơn, chẳng hạn như thép WCB (đúc) và A-105 (rèn) là những vật liệu phổ biến nhất được chỉ định và sử dụng trong van cho dịch vụ lọc dầu. Nhiều ứng dụng quy trình tinh luyện đẩy giới hạn nhiệt độ trên của thép cacbon trơn lên cao, và các hợp kim chịu nhiệt độ cao hơn được chỉ định cho các ứng dụng này. Phổ biến nhất trong số này là thép crom/moly như 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr và 9% Cr. Thép không gỉ và hợp kim niken cao cũng được sử dụng trong một số quy trình tinh luyện đặc biệt khắc nghiệt.

HÓA CHẤT
Ngành công nghiệp hóa chất là ngành sử dụng rất nhiều van các loại và vật liệu khác nhau. Từ các nhà máy sản xuất mẻ nhỏ đến các khu phức hợp hóa dầu khổng lồ ở Bờ Vịnh, van là một phần quan trọng trong hệ thống đường ống quy trình hóa học.

Hầu hết các ứng dụng trong quy trình hóa học đều có áp suất thấp hơn so với nhiều quy trình lọc dầu và phát điện. Cấp áp suất phổ biến nhất cho van và đường ống của nhà máy hóa chất là Cấp 150 và 300. Các nhà máy hóa chất cũng là động lực lớn nhất cho sự chiếm lĩnh thị phần mà van bi đã giành được từ van tuyến tính trong 40 năm qua. Van bi đế đàn hồi, với chức năng đóng mở không rò rỉ, hoàn toàn phù hợp với nhiều ứng dụng của nhà máy hóa chất. Kích thước nhỏ gọn của van bi cũng là một tính năng phổ biến.
Vẫn còn một số nhà máy hóa chất và quy trình sản xuất ưa chuộng van tuyến tính. Trong những trường hợp này, van được thiết kế theo tiêu chuẩn API 603 phổ biến, với thành mỏng hơn và trọng lượng nhẹ hơn, thường là lựa chọn van cổng hoặc van cầu. Việc kiểm soát một số hóa chất cũng được thực hiện hiệu quả bằng van màng hoặc van kẹp.
Do tính chất ăn mòn của nhiều loại hóa chất và quy trình sản xuất hóa chất, việc lựa chọn vật liệu là rất quan trọng. Vật liệu được sử dụng phổ biến nhất là thép không gỉ austenit 316/316L. Vật liệu này có khả năng chống ăn mòn tốt từ nhiều loại chất lỏng, đôi khi độc hại.

Đối với một số ứng dụng ăn mòn khắc nghiệt hơn, cần có lớp bảo vệ cao hơn. Các loại thép không gỉ austenit hiệu suất cao khác, chẳng hạn như 317, 347 và 321, thường được lựa chọn trong những trường hợp này. Các hợp kim khác đôi khi được sử dụng để kiểm soát chất lỏng hóa học bao gồm Monel, Hợp kim 20, Inconel và 17-4 PH.

TÁCH KHÍ VÀ LNG
Cả khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) và các quy trình tách khí đều phụ thuộc vào hệ thống đường ống rộng lớn. Những ứng dụng này đòi hỏi các van có thể hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Ngành công nghiệp LNG, vốn đang phát triển nhanh chóng tại Hoa Kỳ, đang không ngừng tìm cách nâng cấp và cải tiến quy trình hóa lỏng khí. Vì mục đích này, đường ống và van đã trở nên lớn hơn nhiều và yêu cầu về áp suất cũng được nâng cao.

Tình hình này đòi hỏi các nhà sản xuất van phải phát triển thiết kế để đáp ứng các thông số khắt khe hơn. Van bi và van bướm dạng 1/4 vòng rất phổ biến trong ngành LNG, với thép không gỉ 316SS là vật liệu phổ biến nhất. ANSI Class 600 là ngưỡng áp suất thông thường cho hầu hết các ứng dụng LNG. Mặc dù van dạng 1/4 vòng là loại van phổ biến nhất, van cổng, van cầu và van một chiều cũng có thể được tìm thấy trong các nhà máy.

Dịch vụ tách khí bao gồm việc phân tách khí thành các thành phần cơ bản riêng lẻ. Ví dụ, phương pháp tách khí tạo ra nitơ, oxy, heli và các khí vết khác. Bản chất nhiệt độ rất thấp của quy trình này đồng nghĩa với việc cần nhiều van đông lạnh.

Cả nhà máy tách khí và LNG đều có van nhiệt độ thấp, phải hoạt động được trong điều kiện nhiệt độ cực thấp này. Điều này có nghĩa là hệ thống đóng gói van phải được nâng lên khỏi chất lỏng nhiệt độ thấp thông qua việc sử dụng cột khí hoặc cột ngưng tụ. Cột khí này ngăn chất lỏng hình thành cục băng xung quanh khu vực đóng gói, khiến trục van không thể xoay hoặc nâng lên.

TÒA NHÀ THƯƠNG MẠI
Các tòa nhà thương mại bao quanh chúng ta nhưng nếu không chú ý kỹ khi chúng được xây dựng, chúng ta sẽ không biết được vô số các động mạch lưu thông ẩn bên trong những bức tường xây bằng đá, kính và kim loại.

Điểm chung của hầu hết mọi tòa nhà là nước. Tất cả các công trình này đều chứa nhiều hệ thống đường ống dẫn hỗn hợp hydro/oxy dưới dạng chất lỏng uống, nước thải, nước nóng, nước thải xám và phòng cháy chữa cháy.

Xét về mặt an toàn cho tòa nhà, hệ thống chữa cháy là yếu tố quan trọng nhất. Hệ thống phòng cháy chữa cháy trong các tòa nhà hầu như luôn được cung cấp và đổ đầy nước sạch. Để hệ thống nước chữa cháy hoạt động hiệu quả, chúng phải đáng tin cậy, có đủ áp lực và được bố trí thuận tiện trong toàn bộ công trình. Các hệ thống này được thiết kế để tự động kích hoạt khi có hỏa hoạn.
Các tòa nhà cao tầng yêu cầu áp lực nước ở tầng trên cùng và tầng dưới cùng tương đương nhau, vì vậy phải sử dụng bơm cao áp và đường ống để đưa nước lên cao. Hệ thống đường ống thường là loại 300 hoặc 600, tùy thuộc vào chiều cao tòa nhà. Tất cả các loại van đều được sử dụng trong các ứng dụng này; tuy nhiên, thiết kế van phải được Underwriters Laboratories hoặc Factory Mutual phê duyệt để phục vụ hệ thống đường ống chữa cháy chính.

Các loại và lớp van được sử dụng cho van cứu hỏa cũng được dùng cho hệ thống phân phối nước uống, mặc dù quy trình phê duyệt không nghiêm ngặt như vậy.
Hệ thống điều hòa không khí thương mại được sử dụng trong các tòa nhà văn phòng, khách sạn và bệnh viện lớn thường là hệ thống tập trung. Chúng có một dàn lạnh hoặc nồi hơi lớn để làm mát hoặc làm nóng chất lỏng dùng để truyền tải nhiệt độ lạnh hoặc cao. Các hệ thống này thường phải xử lý các chất làm lạnh như R-134a, hydro-fluorocarbon, hoặc trong trường hợp của các hệ thống sưởi ấm lớn, là hơi nước. Do kích thước nhỏ gọn của van bướm và van bi, các loại van này đã trở nên phổ biến trong các hệ thống làm lạnh HVAC.

Về phía hơi nước, một số van một phần tư vòng đã được sử dụng rộng rãi, nhưng nhiều kỹ sư hệ thống ống nước vẫn dựa vào van cổng tuyến tính và van cầu, đặc biệt nếu đường ống yêu cầu đầu hàn đối đầu. Đối với các ứng dụng hơi nước vừa phải này, thép đã thay thế gang nhờ khả năng hàn của thép.

Một số hệ thống sưởi ấm sử dụng nước nóng thay vì hơi nước làm chất lỏng truyền dẫn. Các hệ thống này được hỗ trợ tốt bởi van đồng hoặc van sắt. Van bi và van bướm đàn hồi một phần tư vòng rất phổ biến, mặc dù một số thiết kế tuyến tính vẫn được sử dụng.

PHẦN KẾT LUẬN
Mặc dù bằng chứng về ứng dụng của van được đề cập trong bài viết này có thể không được nhìn thấy khi bạn đang đi đến Starbucks hay đến nhà bà, nhưng một số van rất quan trọng luôn hiện hữu gần đó. Thậm chí còn có những van trong động cơ ô tô được sử dụng để đi đến những nơi đó, chẳng hạn như van trong bộ chế hòa khí để điều khiển dòng nhiên liệu vào động cơ và van trong động cơ để điều khiển dòng xăng vào piston và ra. Và nếu những van này chưa đủ gần gũi với cuộc sống hàng ngày của chúng ta, hãy nghĩ đến thực tế là tim chúng ta đập đều đặn thông qua bốn thiết bị kiểm soát dòng chảy quan trọng.

Đây chỉ là một ví dụ khác về thực tế rằng: van thực sự có ở khắp mọi nơi. VM
Phần II của bài viết này đề cập đến các ngành công nghiệp khác sử dụng van. Truy cập www.valvemagazine.com để tìm hiểu về bột giấy và giấy, ứng dụng hàng hải, đập và thủy điện, năng lượng mặt trời, sắt thép, hàng không vũ trụ, địa nhiệt, và sản xuất bia thủ công và chưng cất.

GREG JOHNSON là chủ tịch của United Valve (www.unitedvalve.com) tại Houston. Ông là biên tập viên cộng tác của Tạp chí VALVE, cựu chủ tịch Hội đồng Sửa chữa Van và hiện là thành viên hội đồng quản trị VRC. Ông cũng là thành viên Ủy ban Giáo dục & Đào tạo của VMA, phó chủ tịch Ủy ban Truyền thông của VMA và cựu chủ tịch Hiệp hội Tiêu chuẩn hóa Nhà sản xuất.