Tại sao van nổi DN50 lớp 300 bị rò rỉ ở áp suất 0,2 MPa

01 | Bài kiểm tra che giấu vấn đề

Một van bi nổi DN50 lớp 300 van vượt qua bài kiểm tra thân van và bài kiểm tra ghế van ở bội số quy định của áp suất danh định, sau đó được đóng gói, vận chuyển, lắp đặt và cuối cùng rò rỉ trên đường ống truyền tải đang vận hành ở áp suất 0,2 MPa. Van không bị lỗi. Nó đã được kiểm tra ở áp suất mà trong thực tế vận hành nó sẽ không bao giờ gặp phải, và cơ chế dùng để đảm bảo kín khít không hoạt động ở áp suất mà van thực sự phải chịu.

Bài kiểm tra thủy lực nén mạnh lên ghế van mềm và van niêm phong dễ dàng. Ở áp suất 0,2 MPa, cùng một ghế ngồi gần như không nhận được lực hỗ trợ nào từ áp suất, và toàn bộ hiệu quả phụ thuộc vào lực nén ban đầu được thiết lập khi lắp ráp. Không có bước kiểm tra nào trong quy trình thử nghiệm thông thường đánh giá điều kiện này, trừ khi người mua yêu cầu cụ thể.

Hình 1. Bóng nổi DN50 (2 inch), cấp 300 van thân làm bằng thép WCB, với kích thước, cấp và vật liệu được ghi rõ trên thân đúc. Quả bóng chỉ được giữ bởi hai vòng ghế ngồi. Shanghai Xiazhao Van .

02 | Số ứng suất tiếp xúc

Rò rỉ tại ghế ngồi là vấn đề về ứng suất tiếp xúc, chứ không phải vấn đề về áp suất. Lực dọc trục bằng chênh lệch áp suất nhân với diện tích tiết diện lòng ống. Diện tích tiếp xúc bằng chu vi ghế ngồi nhân với chiều rộng dải tiếp xúc. Chia đại lượng thứ nhất cho đại lượng thứ hai thì đường kính lòng ống sẽ triệt tiêu, còn lại một mối quan hệ duy nhất.

σ ≈ dP × D / (4 × w); D = đường kính lòng ống ghế ngồi (mm), w = chiều rộng dải tiếp xúc (mm), dP tính bằng MPa, σ tính bằng MPa

Với dải tiếp xúc điển hình 3 mm, một van DN50 van tại 0,2 MPa tạo ra khoảng 0,8 MPa ứng suất tiếp xúc tại đệm kín. Tại 5,1 MPa — mức áp suất danh định Class 300 — cùng đệm kín đó chịu khoảng 21 MPa. Một van DN25 tại 0,2 MPa có ứng suất tiếp xúc khoảng 0,4 MPa. So với đệm kín RPTFE có giới hạn bền nén ở mức vài chục megapascal, trường hợp áp suất thấp chỉ tải ở mức vài phần trăm khả năng chịu tải của vật liệu. Thành phần do áp suất gây ra thực tế đã biến mất và việc kín chủ yếu dựa hoàn toàn vào lực ép ban đầu.

Bảng 1. Ứng suất tiếp xúc tại đệm kín mang tính định hướng, dải tiếp xúc 3 mm

Bảng này cũng giải thích một xu hướng khiến người mua bất ngờ: kích thước càng nhỏ thì van , hành vi ở áp suất thấp càng kém. Một van DN25 có ứng suất tiếp xúc thấp hơn một nửa so với van DN50 ở cùng chênh lệch áp suất, bởi vì lực đẩy giảm theo bình phương của đường kính trong khi chu vi tiếp xúc chỉ giảm theo hàm bậc nhất.

Và bảng này cũng giải thích vì sao cấp áp suất không ảnh hưởng đến sự cố này. Việc nâng cấp van DN50 từ Class 300 lên Class 600 chỉ thay đổi mức áp suất danh định, chứ không làm thay đổi ứng suất tiếp xúc tại 0,2 MPa. Nếu hệ thống vận hành ở 0,2 MPa, thì van là 0,2 MPa van bất cứ điều gì được đóng dấu lên thân van.

03 | Vì sao lực nén ban đầu giảm dần theo thời gian

Lực nén ban đầu là lực đàn hồi được tích trữ, phát sinh từ hình học của đệm, độ nén của vật liệu đàn hồi hoặc một lò xo cụ thể. Có ba cơ chế làm tiêu hao lực này, và cả ba đều không thể quan sát được tại nhà máy.

Hiện tượng biến dạng dẻo do nén. Một đệm mềm sẽ bị biến dạng vĩnh viễn dưới tải, và lực gây ra biến dạng đó sẽ suy giảm. Một van van đã đóng kín ở chênh lệch áp suất tối đa trong suốt một năm sẽ đến nhiệm vụ đầu tiên ở áp suất thấp với lực nén ban đầu thấp hơn so với giá trị đo được trên bàn thử nghiệm.

Chu kỳ nhiệt. Mỗi chu kỳ thay đổi nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường lên nhiệt độ đường ống và ngược lại sẽ làm suy giảm một phần lực nén ban đầu, và mức suy giảm này cộng dồn. Một van van lắp trên đường ống thường xuyên nóng lên và nguội đi mỗi ngày sẽ có đặc tính khác biệt so với van cùng loại sau hai trăm chu kỳ.

Đóng van lâu dài. Một đệm giữ nguyên trạng thái ép chặt vào bi cố định sẽ xảy ra hiện tượng chảy dẻo. Việc phá vỡ kín và tái thiết lập tiếp xúc sẽ khôi phục một phần độ tiếp xúc, vì vậy người vận hành thực hiện thao tác mở – đóng một van rò rỉ van hai lần thường báo cáo rằng hiện tượng rò rỉ đã ngừng, ít nhất là trong một thời gian ngắn.

Dịch vụ khí làm cho tất cả những vấn đề này trở nên nghiêm trọng hơn. Một loại khí không có hiệu ứng tự sinh năng lượng hữu ích nào cho đến khi áp suất được tạo ra, và nó cũng thấm qua đệm kín và giải nén qua đệm trong quá trình di chuyển xuống. Một van nổi có đệm mềm trong môi trường khí áp suất thấp là một trong những trường hợp khó nhất trong bất kỳ danh mục sản phẩm nào, thế nhưng người ta thường chọn loại van này như thể nó dùng cho nước.

04 | Ba giải pháp hiệu quả

Tăng lực nén ban đầu là giải pháp rẻ nhất. Một đệm kín kèm vòng đệm lò xo hoặc lò xo đệm mạnh hơn sẽ duy trì ứng suất tiếp xúc trên ngưỡng kín ở chênh lệch áp suất thấp. Tuy nhiên, chi phí phát sinh ở đầu kia của dải làm việc: lực nén ban đầu lớn hơn đồng nghĩa với ma sát lớn hơn và mô-men xoắn lớn hơn ở chênh lệch áp suất cao; đối với van DN50 điều khiển bằng cần gạt, điều này có thể quyết định sự khác biệt giữa việc dùng cần gạt hay bộ truyền động bánh răng.

Việc thay đổi nguyên lý hoạt động của gioăng là giải pháp khắc phục bền bỉ hơn. Một gioăng kiểu piston hỗ trợ áp lực với piston riêng biệt tạo kín trên diện tích hiệu dụng nhỏ, do đó cùng một áp suất đường ống sẽ tạo ra ứng suất tiếp xúc cao hơn nhiều. Đổi lại, tính định hướng là yếu tố cần lưu ý: gioăng kiểu piston thường chỉ kín theo một chiều và phải được xác định rõ hướng lắp đặt; phiên bản kín hai chiều thường có giá cao hơn. Đối với đường ống áp suất thấp yêu cầu giữ kín cả hai chiều, đây vẫn thường là lựa chọn đúng đắn.

Việc thay đổi thiết kế là giải pháp trung thực khi điều kiện làm việc thực sự khắt khe. Ở kích thước DN50, thân van kiểu trunnion hoặc kiểu lắp từ phía trên kết hợp gioăng lò xo mang lại hành vi ổn định ở áp suất thấp, với chi phí vượt xa khả năng đáp ứng của loại van nổi tiêu chuẩn. van giải pháp này xứng đáng áp dụng trên đường ống mà rò rỉ gây hậu quả nghiêm trọng, nhưng lại lãng phí nếu áp dụng trên đường ống không bị ảnh hưởng bởi rò rỉ.

Điều không hiệu quả là quy định sử dụng van có kích thước nhỏ hơn van , cấp độ kín cao hơn hoặc thương hiệu đắt tiền hơn. Không một trong các phương án này làm thay đổi ứng suất tiếp xúc tại 0,2 MPa. Giá trị này được xác định bởi đường kính danh nghĩa, chiều rộng dải gioăng và lực nén ban đầu.

05 | Những điều cần đưa vào đặc tả

Đặc tả nên mô tả áp suất thấp nhất mà van phải kín, chứ không chỉ là áp suất cao nhất mà nó phải chịu được. Bảng 2 chuyển đổi các khiếu nại thông thường từ thực địa thành dòng thông tin cần có trong bảng dữ liệu.

Bảng 2. Triệu chứng thực địa, nguyên nhân và dòng đặc tả ngăn ngừa vấn đề

Tiêu chí chấp nhận quan trọng ngang với áp suất thử nghiệm. Không rò rỉ không phải là một thông số kỹ thuật; các lớp rò rỉ mới là. Tỷ lệ A theo ISO 5208 nghĩa là không có rò rỉ nào có thể quan sát được bằng mắt thường, điều này thường là ý định thực tế của người mua khi nói đến 'không rò rỉ'. Các tỷ lệ B, C và D cho phép mức rò rỉ tăng dần, được quy đổi theo DN, và loại van có ghế ngồi bằng kim loại van thường được chấp nhận theo một tỷ lệ cao hơn so với loại van có ghế ngồi mềm. Việc ghi rõ tỷ lệ, môi chất và áp suất sẽ loại bỏ tranh cãi trong giai đoạn vận hành đầu tiên.

Năm dòng, theo thứ tự:

• Chênh lệch áp suất làm việc tối thiểu mà van phải đảm bảo kín, được nêu dưới dạng giá trị .
• Thử nghiệm kín ghế tại áp suất đó, bên cạnh thử nghiệm kín ghế tiêu chuẩn ở áp suất cao.
• Mức độ chấp nhận rò rỉ theo từng lớp, từ Tỷ lệ A đến D theo ISO 5208, kèm tên môi chất dùng trong thử nghiệm.
• Vật liệu ghế ngồi và cơ sở lực nén ban đầu, cần yêu cầu nhà sản xuất cung cấp thay vì giả định.
• Số chu kỳ dự kiến và thời gian đóng van liên tục, nhằm xác định xem hiện tượng biến dạng dẻo (compression set) có phải là vấn đề thiết kế hay không.

Phụ lục A | Tài nguyên hình ảnh

Hình 1 được nhúng vào phần 01 với độ phân giải đã cung cấp. Tệp đã cung cấp có kích thước 1440 x 960 px, phù hợp cho hình ảnh web rộng 15 cm nhưng cần xuất lại từ ảnh gốc để sử dụng in ấn.

Phụ lục B | Các tiêu chuẩn được tham chiếu và ghi chú dữ liệu

API 598. Van Kiểm tra và thử nghiệm. Quy định các yêu cầu thử nghiệm thân van và đệm van; áp suất thử đệm van là bội số của áp suất danh định, do đó giá trị này không phản ánh điều kiện vận hành áp suất thấp.

ISO 5208. Công nghiệp van - Thử nghiệm áp lực đối với van kim loại. Các mức rò rỉ A đến D được biểu thị dưới dạng lượng rò rỉ cho phép trên mỗi DN và trong mỗi đơn vị thời gian, đây là cách đúng để nêu tiêu chí chấp nhận.

API 608. Bóng kim loại Van - Đầu mặt bích, ren và hàn. Bao gồm dải mặt bích cỡ nhỏ, nơi thiết kế nổi (floating) là tiêu chuẩn.

ASME B16.34. Van - Đầu mặt bích, ren và hàn. Cấp áp suất thép carbon 300 ở 38 °C là 51,0 bar, được sử dụng ở đây chỉ với mục đích tham khảo áp suất.