Van an toàn – Giới thiệu về van an toàn

Bất kỳ hệ thống điều áp nào cũng cần có các thiết bị an toàn để bảo vệ con người, quy trình và tài sản. Hướng dẫn này trình bày chi tiết các tình huống khi quá áp có thể xảy ra, các loại thiết bị đa dạng và thường gây nhầm lẫn được cung cấp, cách các thiết bị đó hoạt động và nhiều mã, tiêu chuẩn và cơ quan phê duyệt cần lưu ý.

Sơ bộ về van an toàn

Ngay sau khi nhân loại có thể đun sôi nước để tạo ra hơi nước, sự cần thiết của thiết bị an toàn đã trở nên rõ ràng. Khoảng 2000 năm trước, người Trung Quốc đã sử dụng vạc có nắp bản lề để cho phép (tương đối) sản xuất hơi nước an toàn hơn. Vào đầu thế kỷ 14, các nhà hóa học đã sử dụng phích cắm hình nón và sau đó là lò xo nén để hoạt động như thiết bị an toàn trên bình điều áp.

Đầu thế kỷ 19, các vụ nổ nồi hơi trên tàu và đầu máy thường do các thiết bị an toàn bị lỗi, điều này dẫn đến sự phát triển của van xả an toàn đầu tiên.

Năm 1848, Charles Retchie phát minh ra buồng tích tụ, làm tăng bề mặt nén bên trong van an toàn cho phép nó mở nhanh trong một biên độ quá áp hẹp.

Ngày nay, hầu hết những người sử dụng hơi nước đều phải tuân theo các quy định về sức khỏe và an toàn của địa phương để đảm bảo rằng nhà máy và quy trình của họ kết hợp các thiết bị an toàn và các biện pháp phòng ngừa, đảm bảo rằng các điều kiện nguy hiểm được ngăn chặn.

Do đó, chức năng chính của van an toàn là bảo vệ tính mạng và tài sản.

Loại nguyên tắc của thiết bị được sử dụng để ngăn ngừa quá áp trong nhà máy là van an toàn hoặc van xả an toàn. Van an toàn hoạt động bằng cách giải phóng một thể tích chất lỏng từ bên trong nhà máy khi đạt đến áp suất tối đa xác định trước, do đó giảm áp suất dư một cách an toàn. Vì van an toàn có thể là thiết bị duy nhất còn lại để ngăn ngừa sự cố nghiêm trọng trong điều kiện quá áp suất, điều quan trọng là bất kỳ thiết bị nào như vậy phải có khả năng hoạt động mọi lúc và trong mọi điều kiện có thể.

Các van an toàn phải được lắp đặt ở bất cứ nơi nào có khả năng vượt quá áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP) của hệ thống hoặc bình chứa áp suất. Trong hệ thống hơi nước, van an toàn thường được sử dụng để bảo vệ quá áp cho lò hơi và các ứng dụng khác như hạ nguồn của bộ điều khiển giảm áp suất. Mặc dù vai trò chính của chúng là đảm bảo an toàn, van an toàn cũng được sử dụng trong các hoạt động của quy trình để ngăn ngừa hư hỏng sản phẩm do áp suất quá mức. Quá áp suất có thể được tạo ra trong một số trường hợp khác nhau, bao gồm:

• Sự mất cân bằng của lưu lượng chất lỏng do vô tình đóng hoặc mở van cách ly trên bình xử lý.
• Hỏng hệ thống làm mát, cho phép hơi hoặc chất lỏng nở ra.
• Không khí nén hoặc mất điện để điều khiển thiết bị đo đạc.
• Tăng áp suất nhất thời.
• Tiếp xúc với đám cháy thực vật.
• Hỏng ống trao đổi nhiệt.
• Phản ứng tỏa nhiệt không thể kiểm soát trong nhà máy hóa chất.
• Nhiệt độ môi trường thay đổi.

Thuật ngữ ‘van an toàn’ và ‘van giảm áp an toàn’ là những thuật ngữ chung để mô tả nhiều loại thiết bị giảm áp được thiết kế để ngăn chặn sự tích tụ áp suất chất lỏng bên trong quá mức. Nhiều loại van khác nhau có sẵn cho nhiều ứng dụng và tiêu chí hiệu suất khác nhau.

Hơn nữa, các thiết kế khác nhau được yêu cầu để đáp ứng nhiều tiêu chuẩn quốc gia chi phối việc sử dụng van an toàn.

Danh sách các tiêu chuẩn quốc gia liên quan có thể được tìm thấy ở cuối mô-đun này.

Trong hầu hết các tiêu chuẩn quốc gia, các định nghĩa cụ thể được đưa ra cho các thuật ngữ liên quan đến an toàn và van xả an toàn. Có một số khác biệt đáng chú ý giữa thuật ngữ được sử dụng ở Hoa Kỳ và Châu Âu. Một trong những điểm khác biệt quan trọng nhất là van được gọi là ‘van an toàn’ ở Châu Âu được gọi là ‘van giảm áp an toàn’ hoặc ‘van giảm áp’ ở Hoa Kỳ. Ngoài ra, thuật ngữ ‘van an toàn’ ở Hoa Kỳ thường đề cập cụ thể đến loại van an toàn nâng toàn phần được sử dụng ở Châu Âu.

Tiêu chuẩn ASME / ANSI PTC25.3 áp dụng cho Hoa Kỳ xác định các thuật ngữ chung sau:

• Van giảm áp – Một van giảm áp có lò xo được thiết kế để mở ra để giảm áp suất dư thừa và đóng lại và ngăn chặn dòng chảy tiếp tục của chất lỏng sau khi các điều kiện bình thường đã được khôi phục. Nó được đặc trưng bởi hành động ‘bật’ mở nhanh hoặc bằng cách mở theo cách thường tỷ lệ với sự gia tăng áp suất so với áp suất mở. Nó có thể được sử dụng cho chất lỏng nén được hoặc không nén được, tùy thuộc vào thiết kế, điều chỉnh hoặc ứng dụng.

Đây là một thuật ngữ chung, bao gồm van an toàn, van xả và van xả an toàn.

• Van an toàn – Van giảm áp hoạt động bằng áp suất tĩnh đầu vào và có đặc điểm là mở hoặc bật nhanh.

Van an toàn chủ yếu được sử dụng với khí nén và đặc biệt cho các dịch vụ hơi và không khí. Tuy nhiên, chúng cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng kiểu quy trình, nơi chúng có thể cần thiết để bảo vệ nhà máy hoặc để ngăn chặn sự hư hỏng của sản phẩm đang được chế biến.

• Van giảm áp – Một thiết bị giảm áp được kích hoạt bằng áp suất tĩnh đầu vào có lực nâng dần dần tỷ lệ thuận với sự gia tăng áp suất so với áp suất mở.

Van giảm áp thường được sử dụng trong các hệ thống chất lỏng, đặc biệt đối với công suất thấp hơn và nhiệm vụ giãn nở nhiệt. Chúng cũng có thể được sử dụng trên các hệ thống bơm làm thiết bị chống tràn áp suất.

• Van giảm áp an toàn – Van giảm áp được đặc trưng bởi hoạt động mở hoặc bật nhanh, hoặc bằng cách mở tương ứng với sự gia tăng áp suất so với áp suất mở, tùy thuộc vào ứng dụng và có thể được sử dụng cho chất lỏng hoặc chất lỏng nén.

Nói chung, van xả an toàn sẽ hoạt động như một van an toàn khi được sử dụng trong hệ thống khí nén, nhưng nó sẽ mở tương ứng với áp suất quá cao khi được sử dụng trong hệ thống chất lỏng, cũng như van giảm áp.

Tiêu chuẩn Châu Âu EN ISO 4126-1 đưa ra định nghĩa sau:

• Van an toàn – Một van tự động, không có sự hỗ trợ của bất kỳ năng lượng nào khác ngoài năng lượng của chất lỏng liên quan, xả một lượng chất lỏng để ngăn chặn việc vượt quá áp suất an toàn định trước và được thiết kế để đóng lại và ngăn chặn thêm dòng chảy của chất lỏng sau khi điều kiện phục vụ áp suất bình thường đã được khôi phục.

Các ví dụ điển hình về van an toàn được sử dụng trên hệ thống hơi nước được thể hiện trong Hình 9.1.1.

Thiết kế van an toàn

Van an toàn lò xo nạp cơ bản, được gọi là ‘tiêu chuẩn’ hoặc ‘thông thường’ là một thiết bị tự hoạt động đơn giản, đáng tin cậy cung cấp khả năng bảo vệ quá áp.

Các yếu tố cơ bản của thiết kế bao gồm một thân van dạng góc vuông với kết nối đầu vào van, hoặc vòi phun, được gắn trên hệ thống chứa áp suất. Kết nối đầu ra có thể được vặn hoặc lắp bích để kết nối với hệ thống xả đường ống. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, chẳng hạn như hệ thống khí nén, van an toàn sẽ không có kết nối đầu ra và chất lỏng được xả trực tiếp ra khí quyển.

Thiết kế đầu vào của van (hoặc kênh tiếp cận) có thể là loại toàn vòi hoặc bán vòi. Thiết kế đầy đủ vòi phun có toàn bộ đường vào ‘được làm ướt’ được hình thành từ một mảnh. Kênh tiếp cận là phần duy nhất của van an toàn tiếp xúc với chất lỏng quá trình trong quá trình hoạt động bình thường, không phải là đĩa, trừ khi van đang xả.

Vòi phun đầy đủ thường được kết hợp trong van an toàn được thiết kế cho các ứng dụng quy trình và áp suất cao, đặc biệt khi chất lỏng có tính ăn mòn.

Ngược lại, thiết kế bán vòi bao gồm một vòng đệm được lắp vào thân, phần trên của nó tạo thành chỗ ngồi của van. Ưu điểm của cách sắp xếp này là ghế có thể dễ dàng thay thế, không cần thay thế toàn bộ cửa hút gió.

Đĩa được giữ dựa vào bệ vòi phun (trong điều kiện hoạt động bình thường) bằng lò xo, được đặt trong một cơ cấu vỏ lò xo mở hoặc đóng (hoặc nắp ca-pô) gắn trên đầu thân máy. Các đĩa được sử dụng trong van an toàn mở nhanh (kiểu bật) được bao quanh bởi một tấm che, giá đỡ đĩa hoặc buồng đệm giúp tạo ra đặc tính mở nhanh.

Lực đóng trên đĩa được cung cấp bởi một lò xo, thường được làm từ thép cacbon. Lượng nén lên lò xo thường có thể điều chỉnh, sử dụng bộ điều chỉnh lò xo, để thay đổi áp suất mà đĩa được nâng ra khỏi chỗ ngồi của nó.
Các tiêu chuẩn chi phối thiết kế và sử dụng van an toàn thường chỉ xác định ba kích thước liên quan đến khả năng xả của van an toàn, đó là vùng dòng chảy (hoặc lỗ khoan), vùng màn và vùng xả (hoặc lỗ) (xem Hình 9.1.4).

1. Vùng dòng chảy – Diện tích mặt cắt ngang tối thiểu giữa cửa vào và chỗ ngồi, tại điểm hẹp nhất của nó. Đường kính của vùng dòng chảy được biểu diễn bằng kích thước ‘d’ trong Hình 9.1.4.

2. Vùng rèm – Diện tích của hình trụ hoặc hình nón mở ra giữa các bề mặt ghế ngồi được tạo ra bởi lực nâng của đĩa phía trên mặt ghế. Đường kính của vùng rèm được biểu thị bằng kích thước ‘d1’ trong Hình 9.1.4.

3. Khu vực xả – Đây là khu vực nhỏ hơn của bức màn và dòng chảy, xác định dòng chảy qua van.

Hoạt động cơ bản của van an toàn

Nâng

Khi áp suất tĩnh đầu vào tăng cao hơn áp suất cài đặt của van an toàn, đĩa sẽ bắt đầu nhấc ra khỏi chỗ ngồi của nó. Tuy nhiên, ngay sau khi lò xo bắt đầu nén, lực đàn hồi của lò xo sẽ ​​tăng lên; điều này có nghĩa là áp suất sẽ phải tiếp tục tăng lên trước khi có thể xảy ra bất kỳ lực nâng nào nữa và để có bất kỳ dòng chảy đáng kể nào qua van.

Sự gia tăng áp suất bổ sung cần thiết trước khi van an toàn sẽ xả ở công suất định mức của nó được gọi là quá áp. Áp suất cho phép phụ thuộc vào các tiêu chuẩn đang được tuân thủ và ứng dụng cụ thể. Đối với chất lỏng có thể nén, mức này thường là từ 3% đến 10% và đối với chất lỏng là từ 10% đến 25%.

Để đạt được độ mở hoàn toàn do áp suất quá nhỏ này, việc bố trí đĩa phải được thiết kế đặc biệt để tạo ra khả năng mở nhanh. Điều này thường được thực hiện bằng cách đặt một tấm vải liệm, váy hoặc mũ trùm quanh đĩa. Khối lượng chứa trong tấm vải liệm này được gọi là buồng điều khiển hoặc buồng thu gom.

Khi lực nâng bắt đầu (Hình 9.1.6b) và chất lỏng đi vào khoang, một vùng lớn hơn của tấm vải liệm tiếp xúc với áp suất chất lỏng. Vì độ lớn của lực nâng (F) tỷ lệ với tích của áp suất (P) và diện tích tiếp xúc với chất lỏng (A); (F = P x A), lực mở được tăng lên.

Sự gia tăng lực mở này bù đắp cho sự gia tăng lực lò xo, gây ra hiện tượng mở nhanh. Đồng thời, tấm vải liệm đảo ngược hướng của dòng chảy, tạo ra phản lực, nâng cao hơn nữa lực nâng.

Những tác động kết hợp này cho phép van đạt được lực nâng được thiết kế trong phạm vi áp suất phần trăm tương đối nhỏ. Đối với chất lỏng có thể nén, một yếu tố góp phần bổ sung là sự giãn nở nhanh chóng khi thể tích chất lỏng tăng từ vùng có áp suất cao hơn đến vùng có áp suất thấp hơn. Điều này đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng van mở hoàn toàn trong giới hạn quá áp suất nhỏ. Đối với chất lỏng, hiệu ứng này tỷ lệ thuận hơn và do đó, áp suất thường lớn hơn; 25% là phổ biến.

Reseating

Khi các điều kiện hoạt động bình thường đã được khôi phục, van bắt buộc phải đóng lại, nhưng vì diện tích đĩa lớn hơn vẫn tiếp xúc với chất lỏng, van sẽ không đóng cho đến khi áp suất giảm xuống dưới áp suất cài đặt ban đầu. Sự khác biệt giữa áp suất đặt và áp suất nối lại này được gọi là ‘xả đáy’, và nó thường được quy định dưới dạng phần trăm của áp suất đặt. Đối với chất lỏng có thể nén, lưu lượng xả đáy thường nhỏ hơn 10%, đối với chất lỏng có thể lên đến 20%.

Thiết kế của tấm che phải sao cho vừa mở nhanh và xả đáy tương đối nhỏ, để ngay khi gặp tình huống nguy hiểm tiềm ẩn, mọi áp suất quá cao đều được giải tỏa, nhưng lượng chất lỏng quá lớn sẽ không được xả ra ngoài. Đồng thời phải đảm bảo áp suất hệ thống giảm đủ để tránh trường hợp mở lại ngay.

Các vòng xả đáy được tìm thấy trên hầu hết các van an toàn kiểu ASME được sử dụng để điều chỉnh tốt các giá trị quá áp và xả đáy của van (xem Hình 9.1.8). Vòng xả đáy (vòi phun) thấp hơn là một tính năng phổ biến trên nhiều van nơi các yêu cầu về áp suất và xả đáy chặt chẽ hơn đòi hỏi một giải pháp được thiết kế phức tạp hơn. Vòng xả đáy trên thường được thiết lập tại nhà máy và về cơ bản loại bỏ các dung sai sản xuất ảnh hưởng đến hình dạng của buồng tạo đám.

Vòng xả đáy dưới cũng được thiết lập tại nhà máy để đạt được các yêu cầu hiệu suất mã thích hợp nhưng trong một số trường hợp nhất định có thể được thay đổi. Khi vòng xả đáy dưới được điều chỉnh về vị trí cao nhất của nó, thể tích buồng tụ lại sao cho van sẽ bật ra nhanh chóng,

giảm thiểu giá trị áp suất nhưng tương ứng yêu cầu xả đáy lớn hơn trước khi van đóng lại chỗ ngồi. Khi vòng xả đáy dưới được điều chỉnh về vị trí thấp hơn của nó, sẽ có hạn chế tối thiểu trong buồng tạo gió và áp suất quá áp lớn hơn sẽ được yêu cầu trước khi van mở hoàn toàn nhưng giá trị xả đáy sẽ giảm.

Cơ quan phê duyệt

Đối với hầu hết các quốc gia, có các cơ quan độc lập sẽ kiểm tra thiết kế và hiệu suất của một loạt sản phẩm để xác nhận sự phù hợp với quy chuẩn hoặc tiêu chuẩn liên quan. Hệ thống chấp thuận của bên thứ ba này rất phổ biến đối với bất kỳ sản phẩm nào liên quan đến an toàn và thường là yêu cầu của khách hàng trước khi mua hoặc yêu cầu của công ty bảo hiểm của họ.

Các yêu cầu thực tế để được phê duyệt sẽ khác nhau tùy thuộc vào mã hoặc tiêu chuẩn cụ thể. Trong một số trường hợp, việc phê duyệt lại là cần thiết vài năm một lần, trong những trường hợp khác, phê duyệt là vô thời hạn miễn là không có thay đổi thiết kế quan trọng nào được thực hiện, trong trường hợp đó, cơ quan phê duyệt phải được thông báo và yêu cầu phê duyệt lại. Tại Hoa Kỳ, Ủy ban Kiểm tra Lò hơi và Bình áp lực Quốc gia đại diện cho các cơ quan chính phủ Hoa Kỳ và Canada được trao quyền để đảm bảo tuân thủ quy tắc xây dựng và sửa chữa nồi hơi và bình chịu áp lực.

Một số cơ quan thường gặp hơn được liệt kê trong Bảng 9.1.1.

Bảng 9.1.1 Cơ quan phê duyệt

Mã và tiêu chuẩn

Các tiêu chuẩn liên quan đến van an toàn khác nhau khá nhiều về định dạng trên khắp thế giới, và nhiều phần là các phần trong mã liên quan đến Nồi hơi hoặc Bình chứa áp suất. Một số sẽ chỉ phác thảo các yêu cầu về hiệu suất, dung sai và các chi tiết cấu tạo cần thiết, nhưng không đưa ra hướng dẫn về kích thước, kích thước lỗ thoát nước, v.v. Các yêu cầu khác sẽ liên quan đến việc lắp đặt và ứng dụng.

Việc sử dụng một số kết hợp với nhau là điều khá phổ biến ở nhiều thị trường.

Bảng 9.1.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến van an toàn

Đối với các ứng dụng lò hơi, có các yêu cầu rất cụ thể về hiệu suất của van an toàn, được yêu cầu bởi các tiêu chuẩn quốc gia và thường là các công ty bảo hiểm. Thường cần sự chấp thuận của một cơ quan độc lập, chẳng hạn như British Engine, TÜV hoặc Lloyd’s Register.

Các van an toàn được sử dụng ở Châu Âu cũng phải tuân theo các tiêu chuẩn liên quan đến Chỉ thị về thiết bị áp suất (PED). Được phân loại là “Phụ kiện an toàn”, van an toàn được coi là thiết bị “Loại 4”, đòi hỏi mức độ đánh giá khắt khe nhất trong chế độ PED. Điều này thường có thể được đáp ứng bởi nhà sản xuất có hệ thống chất lượng ISO 9000 và thiết kế và hiệu suất van an toàn được chứng nhận bởi cơ quan phê duyệt được công nhận chính thức gọi là ‘Cơ quan được thông báo’.