Van điều khiển đóng vai trò quan trọng trong ngành hóa dầu và hóa chất. Để lựa chọn chính xác cần phải có hiểu biết sâu rộng về cách xác định kích thước, thiết kế bộ phận điều tiết (trim), vật liệu cấu tạo và hệ thống điều khiển đi kèm.

Ảnh: Valmet

Mặc dù hầu hết các quy trình sử dụng van điều khiển tiêu chuẩn, vẫn có một tỷ lệ lớn van phải hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, đòi hỏi phải lựa chọn kỹ lưỡng hơn. Những van này thường đối mặt với các thách thức ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, vì vậy hiểu rõ các yếu tố đó và đưa ra giải pháp phù hợp là chìa khóa để đảm bảo van vận hành ổn định, từ đó nâng cao hiệu quả nhà máy, giảm chi phí bảo trì vòng đời và tăng độ tin cậy quy trình. Thông thường, van điều khiển được phân thành ba loại chính: van điều khiển tuyến tính, van điều khiển quay và van điều khiển dòng chảy hướng trục. Lựa chọn van phù hợp không nên dựa trên nguyên tắc “một loại cho tất cả”, mà cần cân nhắc theo từng trường hợp của từng ứng dụng, kết hợp với lời khuyên dựa trên kinh nghiệm thực tế của các nhà cung cấp.

Hiện tượng xâm thực và bay hơi: thách thức trong kiểm soát dòng chảy chất lỏng

Xâm thực là một hiện tượng điển hình trong các ứng dụng van, thường xảy ra trong điều kiện vận hành khắc nghiệt. Đây là quá trình hai pha xuất hiện dưới những điều kiện dòng chảy nhất định. Khi chất lỏng đi qua van điều khiển dòng chảy, áp suất giảm mạnh. Nếu áp suất này giảm xuống dưới ngưỡng áp suất hơi, chất lỏng sẽ chuyển thành dạng khí, hình thành các bong bóng hơi trong dòng chảy. Nói cách khác, chất lỏng bắt đầu “sôi”, nhưng không phải do tăng nhiệt độ mà do áp suất giảm đột ngột tại van tiết lưu.

Điều khiến hiện tượng xâm thực trở nên nguy hại là những điều diễn ra sau van. Tại điểm “vena contracta” – nơi dòng chảy có đường kính nhỏ nhất – áp suất sẽ bắt đầu phục hồi trở lại. Khi áp suất vượt qua ngưỡng áp suất hơi, các bong bóng hơi nhanh chóng xẹp lại. Sự việc diễn ra mạnh mẽ và đột ngột, tạo ra các cú sốc áp suất trong chất lỏng. Những cú sốc này có thể gây ra tiếng ồn lớn, nhưng trong trường hợp nghiêm trọng, điều này có thể dẫn đến hư hỏng cơ học cho van và các thiết bị trong hệ thống đường ống phía sau.

Mặt khác, khi xảy ra hiện tượng bay hơi, áp suất không bao giờ phục hồi vượt quá áp suất hơi, khiến các bong bóng hơi không xẹp lại. Khi áp suất phục hồi, các bong bóng khí vẫn tiếp tục nở ra, làm tăng tốc lưu lượng chảy, từ đó gia tăng nguy cơ hư hỏng, tương tự hiện tượng xói mòn.

Chìa khóa để tránh những hư hỏng do xâm thực hoặc hiện tượng bay hơi là lựa chọn van một cách kỹ lưỡng và chuyên nghiệp. Dành thêm thời gian để lựa chọn đúng van điều khiển có thể giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị lên gấp đôi. Ngược lại, trong điều kiện chênh lệch áp suất cao, nếu dòng chảy có tính ăn mòn hoặc gây xói mòn, hiện tượng xâm thực có thể nhanh chóng phá hủy van chỉ trong vài ngày hoặc vài tuần, thay vì vài năm, khi việc lựa chọn van được thực hiện qua loa hoặc dữ liệu quy trình không chính xác, không đầy đủ. Mỗi loại van, thiết kế hay cấu tạo đều có khả năng trong việc xử lý xâm thực và bay hơi. Các công nghệ ngăn ngừa xâm thực thường dựa trên việc giảm áp suất theo từng giai đoạn, thực hiện nhờ các bộ phận chống xâm thực chuyên dụng. Khi lựa chọn đúng loại van, hiện tượng xâm thực không chỉ được kiểm soát mà hoàn toàn tránh được, ngăn ngừa mọi hư hỏng phát sinh.

Hiện nay, lựa chọn và tính toán kích cỡ van được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng, tự động nhận diện khu vực lưu lượng mà tại đó hiện tượng xâm thực hoặc bay hơi có thể xảy ra. Tuy nhiên, không phải mọi dạng xâm thực đều cần loại bỏ. Thông thường, xâm thực một phần hoặc ở mức độ nhẹ không gây hại, với một số loại van, thậm chí dòng chảy nén được cũng không nguy hiểm nếu chênh lệch áp suất đủ thấp. Các phần mềm tính toán và lựa chọn van, như Neles Nelprof™ của Valmet, có thể tự động đánh giá nguy cơ hư hỏng, từ đó hướng dẫn người dùng chọn loại van điều khiển phù hợp nhất với điều kiện vận hành thực tế.

Caption 1: Hiện tượng xâm thực được kiểm soát bằng cách điều chỉnh áp suất theo từng giai đoạn với Neles Q-trims™ với tính năng tự xả, phù hợp cả trong môi trường dòng chảy bẩn.

Khi hiện tượng bay hơi xảy ra, lựa chọn van cũng không thể loại bỏ nó. Nếu áp suất đầu ra thấp hơn áp suất hơi, hiện tượng bay hơi sẽ xuất hiện. Giải pháp lý tưởng tiếp theo là chọn các loại van có cấu trúc được tối ưu hóa để chịu đựng bay hơi, đồng thời thiết kế sao cho dòng chảy được dẫn thoát mượt mà vào giữa đường ống sau van. Van xoay lệch tâm và van góc là những lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng có hiện tượng bay hơi. Ngoài ra, việc lắp đặt một bộ mở rộngs sau van cũng thường được ưu tiên, tạo thêm không gian cho dòng chảy hai pha, từ đó giảm thiểu rủi ro và kéo dài tuổi thọ hệ thống.

Caption 2: Van xoay lệch tâm Neles Finetrol là giải pháp van quay đa năng cho các ứng dụng yêu cầu khắt khe và chuyên dụng cho hiện tượng bay hơi.

Dòng chảy xói mòn: tối đa hóa tuổi thọ van điều khiển

Những ví dụ điển hình khác về ứng dụng van yêu cầu khắt khe là điều khiển trong môi trường dòng chảy có tính xói mòn rõ rệt, thường là bùn lỏng hoặc hỗn hợp khí chứa các hạt rắn. Hư hỏng do hiện tượng mài mòn, ăn mòn và xói mòn có thể xảy ra, bất kể đó là dòng chảy lỏng hay khí, miễn là môi trường có các hạt rắn. Đây có thể là điểm tất yếu của quy trình – ví dụ như khi vận chuyển bùn đặc hoặc kiểm soát dòng xúc tác cứng trong thiết bị nghiền. Nhưng có không ít trường hợp, tình trạng này xuất hiện ngoài dự kiến, như khi cát xuất hiện trong dòng dầu thô hoặc khí tự nhiên. Dù là tình huống đã biết trước hay ngoài dự đoán, đây vẫn là vấn đề cần được xử lý. Giống như hư hỏng do hiện tượng xâm thực, hư hỏng do xói mòn có thể xảy ra nhanh chóng, và việc sửa chữa mặt bên trong van hay đường ống thường rất tốn kém, thậm chí không khả thi, gây tổn thất lớn về thời gian và chi phí.

Một lần nữa, để ngăn ngừa hư hỏng do xói mòn, bước quan trọng nằm ở việc lựa chọn đúng loại van. Thiết kế lỗ lớn, điều hướng dòng chảy mượt mà và giới hạn tốc độ dòng chảy hợp lý có thể giảm đáng kể tác động của xói mòn ngay từ đầu. Tuy nhiên, để tăng tuổi thọ van, yếu tố chính là lựa chọn vật liệu phù hợp. Các giải pháp thông thường gồm có: nâng cấp vật liệu thân van sang hợp kim bền hơn, lớp phủ cứng ít nhất trên các bộ phận bên trong van điều khiển. Trong nhiều trường hợp phải cần có những giải pháp sáng tạo hơn để duy trì quá trình vận hành liên tục, tránh các đợt bảo trì ngoài kế hoạch. Gốm sứ là chất liệu lót chống xói mòn khá phổ biến bên trong van, nhờ khả năng chống mài mòn vượt trội. Tuy nhiên, gốm sứ có hạn chế về khả năng chịu sốc nhiệt và độ dẫn điện – điều rất quan trọng trong các quy trình công nghiệp yêu cầu khắt khe. Van lưỡng kim Neles WearBlock™ (xem Hình 2), sử dụng vật liệu composite nền kim loại (metal matrix composite), mang lại giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng cần khả năng chống xói mòn tương đương gốm sứ, đồng thời vẫn đảm bảo các yêu cầu như độ dẫn điện.

Caption 3: Vật liệu kim loại tổng hợp độc đáo được cấu tạo cho Neles WearBlock đã được chứng minh hoạt động trong những điều kiện vận hành khắc nghiệt nhất, tối đa hóa khả năng chống xói mòn của van.

Tiếng ồn khí động học

Kiểm soát dòng chảy trong môi trường lưu chất dạng khí thường tạo ra tiếng ồn. Do đó, giảm thiểu tiếng ồn khí động học trong quy trình là một tiêu chuẩn nhằm đảm bảo sức khỏe, an toàn lao động và các quy định môi trường. Tiếng ồn không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của nhân viên vận hành mà còn có thể gây khó chịu hoặc vi phạm quy chuẩn tiếng ồn từ nhà máy. Trong trường hợp nghiêm trọng, tiếng ồn khí có thể gây hư hại cơ học cho thiết bị. Hiện nay, giới hạn tiếng ồn phổ biến tại nơi làm việc trên toàn cầu là 85 dBA, tuy nhiên, nhiều khu vực và ngành công nghiệp đã áp dụng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn.

Để giảm tiếng ồn khí động học trong van điều khiển, có hai phương pháp chính. Phương pháp thứ nhất là xử lý tại nguồn, tức là thiết kế các bộ phận bên trong van, thành phần điều tiết và đường dẫn dòng chảy hạn chế tối đa phát sinh tiếng ồn. Phương pháp thứ hai là xử lý theo đường dẫn, tức là giảm tiếng ồn sau khi đã phát sinh, cách âm đường ống hoặc lắp đặt thiết bị giảm thanh chuyên dụng.

Xử lý tại nguồn giúp ngăn chặn tiếng ồn quá mức từ quy trình, đồng thời giảm hoặc loại bỏ các rung động cơ học có thể gây hư hại cho thiết bị nhạy cảm.  Ví dụ, trong van điều khiển, các kỹ thuật xử lý tại nguồn gồm chia tách dòng chảy, giảm áp theo nhiều giai đoạn, kiểm soát sóng xung kích và thiết kế đường dẫn dòng chảy có ma sát (xem Hình 1). Hiện nay, các bộ phận điều tiết được thiết kế chuyên biệt để giảm tiếng ồn khí đã phổ biến cho cả van cầu tuyến tính và van điều khiển quay.

Lựa chọn cấu trúc van và bộ phận giảm tiếng ồn là một nhiệm vụ đòi hỏi kiến thức chuyên môn sâu. May mắn là các phương pháp tính toán tiếng ồn theo tiêu chuẩn IEC – được công nhận rộng rãi trên toàn cầu – đã tồn tại trong nhiều thập kỷ. Ngày nay, với sự hỗ trợ của các phần mềm mô phỏng hiện đại, việc dự đoán và so sánh hiệu quả giữa các giải pháp chỉ còn là vài cú nhấp chuột. Chọn đúng van điều khiển khí với kích thước tối ưu và bộ phận giảm tiếng ồn phù hợp không chỉ giúp duy trì hiệu suất ổn định trong giới hạn tiếng ồn cho phép, mà còn tối ưu hóa hiệu quả tổng thể của giải pháp bằng cách loại bỏ các thiết bị điện trở tĩnh như bộ khuếch tán hay tấm điện trở cố định.

Caption 4: Bộ phận chống ồn Neles™ Omega giảm tiếng ồn hiệu quả hàng đầu nhờ thiết kế chia tách dòng chảy và điều chỉnh áp theo nhiều giai đoạn.

Kết luận

Đầu tư thời gian và kinh nghiệm trong lựa chọn van điều khiển có thể tạo ra sự thay đổi lớn. Nhờ vào công nghệ tiên tiến và chuyên môn kỹ thuật sẵn có, lựa chọn và định cỡ chính xác van cho các ứng dụng quan trọng và điều kiện quy trình khắt khe không chỉ giúp đảm bảo môi trường làm việc an toàn cho nhân viên và nhà máy, mà còn nâng cao hiệu suất vận hành, đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy lâu dài của hệ thống.