Cấp áp suất

Giới thiệu về cấp áp suất

Trong thiết kế và lựa chọn van công nghiệp, cấp áp suất là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất, quyết định trực tiếp đến khả năng làm việc an toàn và ổn định của van trong hệ thống. Mỗi van đều được thiết kế để chịu được một dải áp suất bên trong nhất định cho đến một giới hạn xác định, giới hạn này được gọi là cấp áp suất danh định của van.

Cấp áp suất càng cao thì yêu cầu về độ bền cơ học của van càng lớn. Điều này thể hiện rõ ở chiều dày thành thân van, chất lượng vật liệu chế tạo cũng như phương pháp gia công và kiểm tra. Nếu thành van không đủ dày hoặc vật liệu không đáp ứng yêu cầu, cụm thân van có thể bị biến dạng, nứt vỡ hoặc phá hủy khi làm việc dưới áp suất cao.

Ngoài áp suất, nhiệt độ làm việc của môi chất cũng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu áp của van. Khi nhiệt độ quá trình tăng lên, giới hạn chịu áp của vật liệu sẽ giảm xuống do sự suy giảm các đặc tính cơ học. Mối quan hệ này được thể hiện rõ trong các biểu đồ áp suất – nhiệt độ, minh họa ở Hình 1.

Tiêu chuẩn ANSI B16.34 là cơ sở kỹ thuật quan trọng để xác định mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ cho van. Tiêu chuẩn này đồng thời quy định chiều dày thành thân, yêu cầu vật liệu, cũng như các dạng kết nối đầu van phù hợp với từng cấp áp suất.

Việc nắm vững khái niệm về cấp áp suất và cách phân loại là nền tảng quan trọng giúp kỹ sư, đơn vị thiết kế và người vận hành lựa chọn đúng loại van cho từng điều kiện làm việc cụ thể. Trên thực tế, cấp áp suất của van có thể được chỉ định dưới dạng cấp tiêu chuẩn, cấp đặc biệt hoặc cấp trung gian.

Vai trò của cấp áp suất trong lựa chọn van

Trong một hệ thống đường ống, van không chỉ có nhiệm vụ đóng mở hoặc điều tiết dòng chảy mà còn phải đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống. Nếu van được lựa chọn với cấp áp suất thấp hơn áp suất làm việc thực tế, nguy cơ rò rỉ, hư hỏng hoặc tai nạn kỹ thuật là rất cao.

Ngược lại, việc lựa chọn van có cấp áp suất quá cao so với yêu cầu cũng không phải lúc nào cũng là phương án tối ưu. Van có cấp áp suất cao thường có kích thước lớn hơn, trọng lượng nặng hơn và chi phí cao hơn, gây lãng phí đầu tư và khó khăn trong lắp đặt, bảo trì.

Do đó, việc xác định chính xác áp suất làm việc, nhiệt độ môi chất và lựa chọn cấp áp suất phù hợp là bước không thể thiếu trong quá trình thiết kế hệ thống van công nghiệp.

Phân loại tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn cấp áp suất phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là ANSI B16.34. Theo tiêu chuẩn này, van được phân loại thành sáu cấp áp suất tiêu chuẩn gồm: Class 150, 300, 600, 900, 1500 và 2500.

Mỗi cấp áp suất tương ứng với một giới hạn áp suất làm việc tối đa, phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và nhiệt độ môi chất. Các giá trị áp suất danh nghĩa thường được thể hiện chi tiết trong các bảng tra cứu kỹ thuật.

Các cấp áp suất tiêu chuẩn này được áp dụng cho nhiều dạng kết nối đầu van khác nhau, bao gồm kết nối ren NPT, kết nối mặt bích, hàn socket và hàn đối đầu. Nhờ tính phổ biến và tiêu chuẩn hóa cao, van theo cấp ANSI tiêu chuẩn dễ dàng thay thế, lắp đặt và tích hợp trong các hệ thống hiện hữu.

Trong thực tế, các cấp như Class 150 và Class 300 thường được sử dụng cho các hệ thống áp suất thấp đến trung bình, ví dụ như hệ thống nước, hơi áp suất thấp hoặc các đường ống công nghiệp thông thường. Các cấp cao hơn như Class 900, 1500 hoặc 2500 thường xuất hiện trong các hệ thống áp suất cao, nhiệt độ cao hoặc môi trường làm việc khắc nghiệt.

Phân loại đặc biệt

Bên cạnh các cấp tiêu chuẩn, tiêu chuẩn ANSI B16.34 còn cho phép áp dụng các cấp áp suất đặc biệt trong những điều kiện nhất định. Các cấp này thường được sử dụng cho van có kết nối hàn đối đầu và phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kiểm tra không phá hủy.

Kiểm tra không phá hủy là yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng mối hàn, cấu trúc vật liệu và độ bền tổng thể của van. Khi đáp ứng các yêu cầu này, van hàn đối đầu có thể được nâng cấp lên các cấp áp suất đặc biệt như Class 150, 300, 600, 900, 1500, 2500 và thậm chí là 4500.

Các cấp đặc biệt này cho phép van làm việc ở áp suất cao hơn so với các cấp tiêu chuẩn tương ứng, trong khi vẫn duy trì mức độ an toàn cần thiết. Tuy nhiên, việc áp dụng cấp đặc biệt thường đi kèm với yêu cầu khắt khe hơn về thiết kế, chế tạo và kiểm tra, dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn.

Trong nhiều ngành công nghiệp như dầu khí, hóa chất hoặc năng lượng, việc sử dụng van cấp đặc biệt là điều bắt buộc nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt và giảm thiểu rủi ro vận hành.

Phân loại trung gian

Ngoài cấp tiêu chuẩn và cấp đặc biệt, tiêu chuẩn ANSI cũng cho phép sử dụng các cấp áp suất trung gian đối với van có kết nối hàn đối đầu. Một ví dụ điển hình là ANSI Intermediate Class 3300.

Cấp trung gian được xem là giải pháp linh hoạt cho các ứng dụng đặc biệt, nơi mà cấp tiêu chuẩn là không đủ, nhưng việc sử dụng cấp đặc biệt lại dẫn đến kích thước và chi phí quá lớn. Việc lựa chọn cấp trung gian đòi hỏi thêm thời gian và công sức trong khâu tính toán, thiết kế kỹ thuật.

Tuy nhiên, lợi ích mang lại là khả năng giảm đáng kể kích thước, trọng lượng và chi phí của van. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các hệ thống áp suất cao nhưng có không gian lắp đặt hạn chế hoặc yêu cầu tối ưu hóa chi phí đầu tư.

Ví dụ, một van thép carbon được yêu cầu làm việc ở điều kiện 300°F (150°C) với áp suất 6500 psi (450 bar). Nếu áp dụng các cấp áp suất tiêu chuẩn hoặc đặc biệt thông thường, van sẽ phải đạt ANSI Special Class 4500, dẫn đến kích thước lớn, trọng lượng nặng và chi phí cao.

Trong trường hợp này, việc lựa chọn ANSI Intermediate Class 3300 cho phép sử dụng một van nhỏ gọn hơn mà vẫn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nếu nhà sản xuất chưa có sẵn thiết kế cho cấp trung gian này, việc áp dụng sẽ yêu cầu thiết kế riêng và khuôn đúc mới.

Chi phí phát sinh từ thiết kế và chế tạo mới cần được cân nhắc kỹ lưỡng và so sánh với chi phí của việc sử dụng một van lớn hơn theo thiết kế tiêu chuẩn đã có sẵn.

Ngoài ra, phân loại trung gian ANSI còn có thể được sử dụng để chỉ định các cấp áp suất lớn hơn ANSI Special Class 4500. Tuy nhiên, không nên nhầm lẫn giữa cấp ANSI Intermediate Class 6600 và áp suất danh nghĩa 6600 psi, bởi cấp trung gian này có áp suất làm việc tối đa lên tới 13.200 psi (910 bar).