Van quay hoạt động như thế nào và loại nào phù hợp với ứng dụng của bạn?

Van quay là gì và tại sao chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

Van quay - còn được gọi là van quay - là một loại thiết bị kiểm soát dòng chảy rộng rãi, trong đó cơ chế chính để điều chỉnh, định hướng hoặc tắt dòng chảy của chất lỏng, khí hoặc vật liệu rắn khối là chuyển động quay của một bộ phận bên trong quanh một trục cố định. Không giống như các van chuyển động tuyến tính như van cổng hoặc van cầu, trong đó thân và đĩa di chuyển theo đường thẳng để mở hoặc đóng đường dẫn dòng chảy, van quay đạt được chức năng của chúng thông qua chuyển động quay một phần tư hoặc nhiều vòng. Sự khác biệt về thiết kế cơ bản này mang lại cho van quay một số lợi thế thực tế: chúng nhỏ gọn, vận hành nhanh, yêu cầu mô-men xoắn truyền động thấp hơn trong nhiều cấu hình và đạt được khả năng ngắt chặt chẽ với độ mài mòn tối thiểu khi được chỉ định đúng cách.

Van quay được tìm thấy trên hầu hết mọi lĩnh vực sản xuất và chế biến công nghiệp — từ đường ống dẫn dầu khí và lò phản ứng hóa học đến dây chuyền chế biến thực phẩm, sản xuất dược phẩm, hệ thống HVAC và lắp đặt băng tải khí nén. Tính linh hoạt của chúng bắt nguồn từ nhiều thiết kế phần tử quay bên trong, mỗi thiết kế được thiết kế để giải quyết các đặc tính dòng chảy, điều kiện áp suất và nhiệt độ cụ thể, yêu cầu chống mài mòn và tiêu chuẩn vệ sinh. Hiểu cách hoạt động của van xoay ở cấp độ cơ học và điều gì phân biệt loại này với loại khác là điều cần thiết đối với các kỹ sư, chuyên gia mua sắm và đội bảo trì đưa ra quyết định lựa chọn và thay thế van.

Van quay hoạt động như thế nào: Nguyên tắc hoạt động cốt lõi

Nguyên lý hoạt động của tất cả các van quay đều dựa trên cùng một khái niệm cơ bản: một bộ phận quay được đặt trong thân van điều khiển dòng chảy qua bằng cách căn chỉnh hoặc căn chỉnh sai một lỗ trong bộ phận quay với các cổng vào và ra của thân. Khi lỗ mở trong phần tử quay thẳng hàng với cả hai cổng, dòng chảy sẽ tự do đi qua. Khi phần tử được xoay sao cho phần rắn của nó chặn các cổng, luồng sẽ bị tắt. Xoay một phần giữa hai thái cực này mang lại sự điều tiết - giảm tốc độ dòng chảy có kiểm soát.

Bộ phận quay được nối với một trục bên ngoài đi qua thân van thông qua một thân van được bố trí kín. Trục này được quay bằng tay thông qua tay quay hoặc đòn bẩy hoặc tự động thông qua bộ truyền động điện, khí nén hoặc thủy lực. Van quay một phần tư - có khả năng mở hoàn toàn đến đóng hoàn toàn ở góc quay 90 độ - là cấu hình phổ biến nhất vì chúng vận hành nhanh, thiết kế bộ truyền động đơn giản và chỉ báo trực quan rõ ràng về vị trí van từ hướng tay cầm bên ngoài. Van quay nhiều vòng, chẳng hạn như một số thiết kế van cắm nhất định, hoàn thành chu trình vận hành của chúng qua nhiều vòng quay đầy đủ nhưng cung cấp khả năng kiểm soát dòng chảy tốt hơn trong một số ứng dụng.

Việc bịt kín giữa bộ phận quay và thân van là một thách thức kỹ thuật quan trọng trong thiết kế van quay. Tùy thuộc vào ứng dụng, các vòng đệm có thể đạt được thông qua tiếp xúc giữa kim loại với kim loại với các bề mặt giao tiếp được gia công chính xác, các vòng đệm bằng chất đàn hồi hoặc PTFE mà phần tử quay ép vào hoặc trong các ứng dụng chất rắn số lượng lớn, đóng các khe hở xuyên tâm giữa rôto và vỏ để giảm thiểu rò rỉ không khí hoặc sản phẩm giữa các vùng áp suất cao và áp suất thấp.

Các loại van quay chính và đặc điểm phân biệt của chúng

Họ van quay bao gồm một số loại van riêng biệt, mỗi loại có hình dạng phần tử quay và cách bố trí đệm kín khác nhau. Việc chọn đúng loại yêu cầu phải phù hợp với đặc điểm thiết kế của van với nhu cầu cụ thể của ứng dụng - loại chất lỏng, cấp áp suất, phạm vi nhiệt độ, đặc tính dòng chảy yêu cầu và khả năng tiếp cận bảo trì.

Van bi

Van bi là loại van quay phổ biến nhất trong hệ thống chất lỏng công nghiệp. Phần tử quay của nó là một hình cầu - quả bóng - có một lỗ hình trụ xuyên qua tâm của nó. Khi lỗ khoan thẳng hàng với đường ống, dòng chảy đi qua với sự hạn chế tối thiểu. Một vòng quay một phần tư sẽ đưa mặt rắn của quả bóng chạm vào ghế, chặn hoàn toàn dòng chảy. Van bi lỗ khoan hoàn toàn có đường kính lỗ khoan bằng đường kính trong của ống, tạo ra mức giảm áp suất gần như bằng 0 khi mở hoàn toàn - một lợi thế đáng kể trong các hệ thống yêu cầu bảo toàn áp suất. Thiết kế lỗ khoan giảm sử dụng lỗ khoan nhỏ hơn để tiết kiệm chi phí và có thể chấp nhận được khi có thể chấp nhận được sự giảm áp suất. Van bi có khả năng ngắt hai chiều tuyệt vời, vận hành nhanh, yêu cầu mô-men xoắn thấp và có sẵn ở nhiều loại vật liệu và loại áp suất, khiến chúng trở thành lựa chọn mặc định cho nhiệm vụ cách ly trong hầu hết các dịch vụ lỏng và khí.

Van bướm

Van bướm sử dụng một đĩa - "bướm" - được gắn trên trục trung tâm chạy xuyên suốt lỗ khoan. Khi đĩa quay song song với hướng dòng chảy, van mở hoàn toàn. Một phần tư vòng đưa đĩa vuông góc với dòng chảy, đóng van. Bởi vì đĩa luôn nằm trong đường dẫn dòng chảy ngay cả khi mở, van bướm vốn tạo ra khả năng chống dòng chảy cao hơn van bi có lỗ khoan hoàn toàn, nhưng thiết kế nhỏ gọn, nhẹ và chi phí thấp so với kích thước thân van khiến chúng đặc biệt phổ biến đối với các đường ống có đường kính lớn - đặc biệt là trong các hệ thống xử lý nước, HVAC và quy trình áp suất thấp. Van bướm hiệu suất cao với hình học đĩa lệch tâm (thiết kế bù đôi và bù ba) đạt được khả năng ngắt kim loại chặt chẽ phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khắt khe ở áp suất và nhiệt độ cao.

Van cắm

Van cắm sử dụng phích cắm hình trụ hoặc côn làm bộ phận quay, có cổng xuyên thẳng hàng với đường dẫn dòng chảy khi mở. Phích cắm quay trong thân van - theo truyền thống được bôi trơn bằng mỡ được bơm dưới áp suất để giảm ma sát và duy trì độ kín giữa phích cắm và lỗ thân. Van cắm hiện đại thường sử dụng thiết kế thân bằng tay PTFE hoặc được lót bằng chất đàn hồi để loại bỏ nhu cầu bôi trơn và mang lại khả năng bịt kín đáng tin cậy mà không cần nhu cầu bảo trì như van cắm bôi trơn truyền thống. Van cắm vượt trội trong dịch vụ chất lỏng bùn và bẩn vì chuyển động quay của phích cắm có xu hướng quét sạch các bề mặt tiếp xúc trong mỗi lần vận hành. Cấu hình van cắm nhiều cổng - với ba hoặc bốn cổng lưu lượng - cho phép một van duy nhất điều hướng dòng chảy giữa nhiều nhánh đường ống, thay thế những gì sẽ cần một số van và phụ kiện riêng biệt.

Van khóa khí quay (Bộ cấp liệu quay)

Van khóa khí quay - còn được gọi là bộ nạp quay hoặc khóa khí bánh xe di động - là một loại van xoay chuyên dụng được thiết kế đặc biệt để xử lý các vật liệu rắn số lượng lớn như bột, hạt, viên và vật liệu dạng sợi trong hệ thống vận chuyển khí nén, thu gom bụi và lưu trữ/xả. Không giống như van điều khiển chất lỏng, khóa khí quay không trực tiếp điều khiển dòng khí hoặc chất lỏng. Thay vào đó, họ đo khối lượng chất rắn từ vùng áp suất cao hơn (chẳng hạn như phễu lưu trữ hoặc máy tách lốc xoáy) vào đường vận chuyển có áp suất thấp hơn trong khi vẫn duy trì lớp đệm khí hiệu quả giữa hai môi trường áp suất. Phần tử quay là một rôto nhiều cánh - thường có 6 đến 12 cánh - quay chậm trong vỏ có dung sai gần. Khi mỗi ô (túi giữa các cánh gạt liền kề) đi qua phía dưới cửa vào, nó sẽ lấp đầy vật liệu từ phễu phía trên. Khi rôto tiếp tục quay, ô chứa đầy sẽ di chuyển đến cổng đầu ra, nơi vật liệu xả vào đường truyền bên dưới. Khoảng hở gần giữa các đầu cánh rôto và thân vỏ giúp giảm thiểu rò rỉ không khí giữa các vùng.

Van chuyển hướng

Van chuyển hướng quay được sử dụng để chuyển hướng dòng chảy từ một đầu vào đến một trong hai hoặc nhiều đầu ra - hoặc kết hợp các dòng chảy từ nhiều cửa vào vào một đầu ra duy nhất. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống vận chuyển bằng khí nén, chế biến thực phẩm và dược phẩm cũng như các hoạt động pha trộn. Bộ phận quay thường là một nắp chuyển hướng hoặc một ống quay chuyển động giữa các vị trí đầu ra. Trong các ứng dụng vệ sinh, van chuyển hướng quay được thiết kế để có khả năng làm sạch hoàn toàn - với bề mặt bên trong nhẵn, vùng chết tối thiểu và tháo rời dễ dàng - tuân thủ các tiêu chuẩn GMP về an toàn thực phẩm và dược phẩm.

So sánh các loại van quay theo tính phù hợp của ứng dụng

Việc chọn loại van quay thích hợp nhất đòi hỏi phải đánh giá đồng thời nhiều thông số ứng dụng. Bảng dưới đây cung cấp sự so sánh có cấu trúc để hỗ trợ các quyết định lựa chọn ban đầu:

Các thành phần chính của van quay và chức năng của chúng

Bất kể loại cụ thể nào, hầu hết các van quay đều có chung một bộ thành phần cấu trúc. Hiểu rõ chức năng của từng bộ phận sẽ giúp nhóm bảo trì xác định các điểm lỗi và đưa ra quyết định sáng suốt về việc sửa chữa hay thay thế.

• Thân van: Lớp vỏ chịu áp lực bên ngoài kết nối với đường ống thông qua mặt bích, đầu ren hoặc kẹp kiểu wafer. Thân máy chứa tất cả các bộ phận bên trong và phải được đánh giá về áp suất và nhiệt độ vận hành tối đa của hệ thống. Vật liệu thân bao gồm từ gang và thép cacbon cho các ứng dụng tiêu chuẩn đến thép không gỉ, hợp kim hai mặt và các vật liệu ngoại lai cho các dịch vụ ăn mòn hoặc có độ tinh khiết cao.
• Phần tử quay: Quả bóng, đĩa, phích cắm hoặc rôto điều khiển dòng chảy một cách vật lý bằng cách quay trong cơ thể. Hình dạng, độ hoàn thiện bề mặt và vật liệu của nó quyết định trực tiếp đến đặc tính dòng chảy của van, hiệu suất bịt kín và khả năng chống mài mòn và ăn mòn từ chất lỏng xử lý hoặc vật liệu khối.
• Ghế và con dấu: Các bề mặt tựa và vòng đệm tạo thành ranh giới áp suất giữa bộ phận quay và thân van. Trong các van có đế mềm, các mặt tựa thường là các vòng PTFE hoặc chất đàn hồi giúp đóng kín bong bóng. Van có mặt tựa bằng kim loại sử dụng bề mặt hợp kim cứng được gia công chính xác cho dịch vụ chịu nhiệt độ cao hoặc mài mòn trong đó mặt tựa mềm sẽ bị hỏng sớm.
• Thân và đóng gói: Trục truyền chuyển động quay từ bộ truyền động hoặc tay quay đến bộ phận quay. Thân van đi qua thân van thông qua một hộp nhồi được đóng gói bằng các vòng đệm PTFE, than chì hoặc đàn hồi để ngăn chất lỏng trong quá trình rò rỉ ra khí quyển dọc theo thân van. Việc bố trí đóng gói bằng hoạt động sử dụng lò xo để duy trì lực nén liên tục của đóng gói khi đệm bị mòn, kéo dài khoảng thời gian bảo trì.
• Thiết bị truyền động: Thiết bị điều khiển chuyển động quay của thân cây. Bộ truyền động bằng tay bao gồm đòn bẩy (đối với van quay một phần tư) và hộp số (đối với van mô-men xoắn lớn hơn hoặc cao hơn). Thiết bị truyền động tự động - loại scotch-ách hoặc thanh răng bằng khí nén, bộ điều khiển động cơ điện hoặc thiết bị truyền động thủy lực - cho phép vận hành từ xa, định vị không an toàn và tích hợp với hệ thống điều khiển phân tán (DCS) hoặc hệ thống thiết bị an toàn (SIS).

Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn van quay

Việc lựa chọn van quay chính xác đòi hỏi phải đánh giá một cách có hệ thống các điều kiện vận hành và yêu cầu chức năng cho từng ứng dụng cụ thể. Việc gấp rút quá trình này hoặc chỉ dựa vào tiền lệ trước đây sẽ dẫn đến hỏng van sớm, ngừng bảo trì ngoài kế hoạch và gây ra sự cố an toàn trong các dịch vụ quan trọng. Các yếu tố sau đây cần được giải quyết trong mọi bài tập lựa chọn van:

• Xử lý chất lỏng hoặc vật liệu: Xác định xem van sẽ xử lý chất lỏng sạch, khí, bùn hay chất rắn số lượng lớn. Đánh giá độ ăn mòn, độ mài mòn, độ nhớt, kích thước và nồng độ hạt cũng như mọi yêu cầu về vệ sinh hoặc kiểm soát ô nhiễm. Những đặc điểm này xác định vật liệu thân xe, vật liệu ghế ngồi và thiết kế rôto hoặc đĩa.
• Xếp hạng áp suất và nhiệt độ: Thiết lập áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP) và toàn bộ phạm vi nhiệt độ vận hành, bao gồm cả giới hạn khởi động và tắt máy. Xác minh rằng đường cong định mức áp suất-nhiệt độ của van đã chọn - như được xác định bởi các tiêu chuẩn như ASME B16.34 - bao phủ toàn bộ phạm vi vận hành với giới hạn an toàn thích hợp.
• Chức năng bắt buộc - Cô lập, Kiểm soát hoặc Chuyển hướng: Xác định xem van chỉ cần cung cấp cách ly bật-tắt, kiểm soát lưu lượng theo tỷ lệ (điều tiết) hay định tuyến luồng giữa nhiều điểm đến. Van bi có cổng tiêu chuẩn được tối ưu hóa khả năng cách ly; Van bi cổng chữ V và van bướm phù hợp hơn với điều khiển điều biến; van cắm và van chuyển hướng xử lý nhiệm vụ định tuyến.
• Phương pháp kích hoạt và vị trí không an toàn: Xác định xem van sẽ được vận hành bằng tay hay tự động. Đối với các van tự động, hãy xác định vị trí an toàn khi xảy ra sự cố bắt buộc — không mở được, không đóng được hoặc không đúng chỗ — dựa trên các yêu cầu an toàn của quy trình. Điều này xác định loại thiết bị truyền động và cấu hình hồi xuân.
• Khả năng tiếp cận bảo trì và sẵn có phụ tùng thay thế: Đánh giá tần suất van sẽ cần bảo trì trong các điều kiện vận hành dự kiến và xác nhận rằng các mặt tựa, vòng đệm và bao bì thay thế luôn có sẵn từ nhà sản xuất hoặc nhà phân phối địa phương. Đối với các dịch vụ quan trọng, hãy cân nhắc việc chỉ định thiết kế van cho phép thay thế mặt ngồi và vòng đệm trong dòng mà không cần tháo thân van ra khỏi đường ống.

Thực hành bảo trì giúp kéo dài tuổi thọ của van quay

Van quay thường được coi là có mức bảo trì thấp hơn so với van chuyển động tuyến tính vì hoạt động quay một phần tư của chúng tạo ra ít mài mòn trên bề mặt tựa trong mỗi chu kỳ hơn so với tiếp điểm trượt của van cổng hoặc van cầu. Tuy nhiên, bỏ qua việc bảo trì phòng ngừa sẽ làm tăng tốc độ mài mòn của yên xe, tăng rò rỉ thân van và cuối cùng dẫn đến hỏng van vào thời điểm tồi tệ nhất có thể. Thiết lập một chương trình bảo trì có cấu trúc dựa trên tần suất chu kỳ vận hành thực tế và các điều kiện quy trình là cách hiệu quả nhất để tối đa hóa tuổi thọ và độ tin cậy của van quay.

Đối với van bi và van bướm dịch vụ chất lỏng, nhiệm vụ bảo trì định kỳ bao gồm kiểm tra và điều chỉnh độ nén của cụm thân để ngăn chặn rò rỉ bên ngoài, xác minh hoạt động của bộ truyền động và hiệu chỉnh công tắc giới hạn, đồng thời kiểm tra bất kỳ dấu hiệu rò rỉ chỗ ngồi nào qua van đóng trong quá trình tắt máy theo kế hoạch. Đối với van khóa khí quay trong dịch vụ chất rắn số lượng lớn, nhiệm vụ bảo trì quan trọng nhất là giám sát độ hở giữa rôto và vỏ (tăng khi các cánh rôto và vỏ bị mòn do tiếp xúc với vật liệu mài mòn), kiểm tra các vòng đệm tấm cuối và bôi trơn vòng bi trục rôto theo lịch trình của nhà sản xuất. Khi khe hở từ rô-to đến vỏ vượt quá mức tối đa do nhà sản xuất chỉ định, rò rỉ không khí giữa các vùng áp suất sẽ tăng đáng kể, làm giảm hiệu quả vận chuyển và có khả năng gây ra dòng chảy ngược vật liệu - tại thời điểm đó, cần phải thay thế rô-to hoặc khoan lại vỏ để khôi phục hiệu suất.