Những cân nhắc về thiết kế van công nghiệp: 10 yếu tố kỹ thuật để lựa chọn và tùy chỉnh van đáng tin cậy

Thiết kế van công nghiệp không chỉ đơn giản là quá trình chọn hình dạng thân van và ấn định loại áp suất. Van phải chuyển đổi các điều kiện của quy trình thành ranh giới áp suất, đường dẫn dòng chảy, hệ thống bịt kín, cơ chế vận hành và kế hoạch kiểm tra có thể hoạt động cùng nhau trong các điều kiện sử dụng thực tế.

Điều này trở nên đặc biệt quan trọng khi một dự án liên quan đến áp suất cao, nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn, chất rắn mài mòn, chu trình thường xuyên, ngắt điện chặt chẽ, tự động hóa, kiểm soát phát thải tức thời, kích thước bất thường hoặc tài liệu dành riêng cho dự án. Trong các dịch vụ này, mô tả danh mục chẳng hạn như “van bi thép carbon 4 inch, Loại 300” là không đủ để phê duyệt thiết kế.

Hướng dẫn này giải thích nội dung chính cân nhắc thiết kế van công nghiệp mà các kỹ sư, nhà thầu EPC, nhà phân phối và nhóm mua sắm nên xem xét trước khi phê duyệt van tiêu chuẩn, van danh mục được sửa đổi hoặc cấu hình dành riêng cho dự án. Mục tiêu không phải là quy định một thiết kế phổ quát mà là để chỉ ra cách kết nối dữ liệu dịch vụ, vật liệu, độ kín, mức áp suất-nhiệt độ, hoạt động, giao diện và xác minh.

Thiết kế van công nghiệp thực sự bao gồm những gì?

Đối với việc mua sắm dự án, “thiết kế van” có thể có nhiều nghĩa khác nhau. Nó có thể đề cập đến việc lựa chọn một van tiêu chuẩn đã được chứng minh, sửa đổi cấu hình tiêu chuẩn hoặc phát triển một cấu trúc đặc biệt cho một dịch vụ mà dòng sản phẩm hiện có không thể đáp ứng được.

Một dự án không tự động cần một van hoàn toàn mới chỉ vì nó có yêu cầu đặc biệt. Trong nhiều trường hợp, giải pháp an toàn và tiết kiệm nhất là bệ van đã được chứng minh bằng vật liệu, trang trí, mặt tựa, dẫn động và thử nghiệm được kiểm soát cẩn thận. Một thiết kế mới hoặc được sửa đổi nhiều phải được chứng minh bằng yêu cầu dịch vụ thay vì bằng từ “tùy chỉnh”.

1. Xác định nhiệm vụ của quy trình trước khi chọn van

Cổng thiết kế đầu tiên là điều kiện phục vụ. Nếu không có dữ liệu quy trình đáng tin cậy, các lựa chọn thiết kế tiếp theo sẽ trở thành giả định. Nhà cung cấp van không chỉ phải hiểu áp suất và nhiệt độ danh nghĩa mà còn cả các điều kiện kiểm soát tải cơ học, độ kín và độ mòn.

2. Chọn Loại Van và Cấu trúc Bên trong

Loại van phải tuân theo chức năng yêu cầu. Việc cách ly, điều tiết, ngăn dòng chảy ngược, giảm áp suất và tắt khẩn cấp đặt ra các yêu cầu khác nhau đối với bộ phận đóng, chỗ ngồi, thân, đường dẫn dòng chảy và người vận hành.

Cấu trúc bên trong cũng quan trọng như tên van chung. Ví dụ, van bi có thể được lắp nổi hoặc gắn trục, mặt tựa mềm hoặc mặt tựa bằng kim loại, lỗ khoan đầy đủ hoặc lỗ giảm, lối vào trên hoặc lối vào bên và có thể sử dụng cơ chế giảm áp suất mặt tựa khác nhau. Van cổng có thể sử dụng kết cấu dạng nêm, thanh trượt song song hoặc dạng tấm. Van điều khiển có thể sử dụng bộ phận cắt cân bằng hoặc không cân bằng, dẫn hướng lồng, giảm áp suất nhiều tầng hoặc bộ phận cắt cứng cho dịch vụ khắc nghiệt.

Để có ví dụ sâu hơn về cách các quyết định về kiểu dáng thân xe, kiểu dáng thân xe và bộ truyền động tương tác với nhau, hãy xem phần Hướng dẫn lựa chọn van điều khiển.

3. Xác nhận xếp hạng áp suất-nhiệt độ và thiết kế ranh giới áp suất

Thân van là một phần của ranh giới áp suất đường ống. Do đó, vật liệu thân, loại van, kết nối cuối, độ dày thành, bu lông và nhiệt độ được chọn phải phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế hiện hành và thông số kỹ thuật của dự án.

ASME B16.34 được sử dụng rộng rãi cho các loại van có mặt bích, ren và đầu hàn cũng như các lĩnh vực địa chỉ bao gồm xếp hạng áp suất-nhiệt độ, vật liệu, kích thước, thử nghiệm và đánh dấu cho các kết cấu van có mái che. Tuy nhiên, chỉ cấp áp suất không đảm bảo rằng mọi bộ phận bên trong đều phù hợp với cùng nhiệt độ.

Ghế, vòng chữ O, vòng đệm, miếng đệm, lò xo, lớp phủ và bộ truyền động có thể áp đặt giới hạn nhiệt độ thực tế thấp hơn thân chứa áp suất. Do đó, người mua nên xem lại toàn bộ phong bì áp suất-nhiệt độ thay vì chỉ đọc bảng tên thân máy.

Để biết quy trình mua sắm chi tiết, hãy sử dụng Hướng dẫn đánh giá áp suất-nhiệt độ của van.

4. Thiết kế đường dẫn dòng chảy cho chế độ thủy lực thực tế

Đường dẫn dòng chảy bên trong kiểm soát tổn thất áp suất, phân bổ vận tốc và các lực tác động lên bộ phận đóng. Điều này đặc biệt quan trọng trong dịch vụ dòng chảy cao, giảm áp suất cao, bùn, nhấp nháy, tạo bọt hoặc đạp xe nhanh.

Các câu hỏi thiết kế thủy lực quan trọng bao gồm:

• Có cần phải khoan đầy đủ để di chuyển, giảm áp suất thấp hoặc chuyển chất rắn không?
• Liệu lỗ khoan giảm có tạo ra vận tốc hoặc tổn thất áp suất không thể chấp nhận được không?
• Van có hướng dòng chảy ưa thích không?
• Phần trang trí có thể gặp hiện tượng tạo bọt, nhấp nháy, nghẹt thở hoặc vận tốc ăn mòn không?
• Van một chiều có thể đóng đủ nhanh để kiểm soát tốc độ dòng chảy ngược mà không bị sập quá mức không?
• Chất rắn sẽ tích tụ trong khoang cơ thể hay phía sau ghế ngồi?
• Van có yêu cầu điều tiết trơn tru hay chỉ vận hành mở hoàn toàn/đóng hoàn toàn?

Đối với các vấn đề về dòng chảy phức tạp, tổ chức thiết kế chịu trách nhiệm có thể sử dụng các công cụ kỹ thuật như Động lực học chất lỏng tính toán để điều tra vận tốc cục bộ, phục hồi áp suất, tuần hoàn hoặc tải trọng cắt. CFD là một công cụ hỗ trợ thiết kế, không thay thế cho bảng dữ liệu quy trình chính xác, các quy tắc thiết kế hiện hành hoặc thử nghiệm vật lý khi cần phải có trình độ chuyên môn.

5. Chọn vật liệu thân, nắp ca-pô và trang trí làm hệ thống hoàn chỉnh

Lựa chọn vật liệu phải dựa trên độ bền cơ học, nhiệt độ, cơ chế ăn mòn, xói mòn, rủi ro ăn mòn, yêu cầu chế tạo và hạn chế của dự án. Chỉ chọn loại thân xe là chưa đủ vì các bộ phận trang trí thường phải đối mặt với vận tốc cao hơn, tiếp xúc trượt hoặc ăn mòn tập trung.

Các họ vật liệu thân điển hình bao gồm thép cacbon, thép cacbon nhiệt độ thấp, thép không gỉ, thép hợp kim, các loại song công, hợp kim niken, sắt dẻo và các kết cấu lót. Loại chính xác phải được chọn từ hóa chất dịch vụ và tiêu chuẩn dự án hiện hành.

Để lựa chọn thành phần bên trong, hãy xem Hướng dẫn lựa chọn vật liệu trang trí van.

6. Kỹ sư hệ thống chỗ ngồi và niêm phong

Một van có thể có giới hạn áp suất thích hợp nhưng vẫn không thực hiện được chức năng chính nếu hệ thống bịt kín mặt ngồi hoặc thân van bị sai. Thiết kế chỗ ngồi ảnh hưởng đến việc tắt máy, lực vận hành, khả năng nhiệt độ, khả năng chịu ô nhiễm, độ mài mòn và bảo trì.

Ghế mềm

Ghế polymer hoặc chất đàn hồi có thể cung cấp khả năng ngắt chặt chẽ trong dịch vụ tương thích. Việc sử dụng chúng phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, hóa học môi trường, chất rắn, chênh lệch áp suất và chu trình. PTFE, PTFE đã được sửa đổi, PEEK, PCTFE, EPDM, NBR, FKM và các vật liệu khác đều có giới hạn ứng dụng khác nhau.

Ghế kim loại

Ghế kim loại được chọn ở nơi nhiệt độ, mài mòn, xói mòn hoặc dịch vụ khắc nghiệt khiến ghế mềm không phù hợp. Bề mặt cứng hoặc lớp phủ có thể cải thiện khả năng chống mài mòn, nhưng chỉ riêng vật liệu bề mặt không đảm bảo khả năng đóng chặt. Hình dạng chỗ ngồi, ứng suất tiếp xúc, gia công, mài, lực truyền động và các điều kiện kiểm tra vẫn kiểm soát hiệu suất rò rỉ.

Đóng gói thân và khớp cơ thể

Việc đóng gói thân hoặc trục phải chứa chất lỏng xử lý trong khi cho phép chuyển động. Ma sát đóng gói cũng ảnh hưởng đến kích thước thiết bị truyền động. Các miếng đệm nắp ca-pô, vòng đệm thân xe và vòng chữ O phải duy trì khả năng tương thích với nhiệt độ, áp suất và tiếp xúc với hóa chất.

Trong trường hợp việc kiểm soát khí thải nhất thời là một phần của dự án, người mua nên chỉ định tiêu chuẩn chấp nhận sản xuất hoặc tiêu chuẩn chất lượng cần thiết. Ví dụ, ISO 15848-1 đề cập đến việc kiểm tra kiểu rò rỉ bên ngoài từ thân van hoặc vòng đệm trục và các khớp nối thân cho các van công nghiệp có mái che.

Để biết thêm chi tiết, hãy đọc Hướng dẫn thực hiện việc bịt kín van.

7. Tính toán các yêu cầu về mô-men xoắn, lực đẩy và bộ truyền động

Một van không thể mở, đóng hoàn toàn hoặc đạt đến vị trí hỏng theo yêu cầu không phải là một thiết kế có thể chấp nhận được. Người vận hành bằng tay, hộp số và bộ truyền động phải được chọn từ tải vận hành thực tế thay vì chỉ chọn kích thước van danh nghĩa.

Tùy thuộc vào loại van, lực vận hành có thể bị ảnh hưởng bởi:

• Áp suất chênh lệch tối đa
• Tải trước chỗ ngồi và ma sát
• Ma sát đóng gói
• Ma sát thân, trục và ổ trục
• mô men thủy động lực
• Áp lực đường tác động lên phần cắt không cân bằng
• Nhiệt độ và sự giãn nở nhiệt
• Cặn, chất rắn hoặc sản phẩm ăn mòn
• Thời gian đóng hoặc mở bắt buộc
• Hệ số an toàn theo yêu cầu của dự án hoặc thực hành định cỡ thiết bị truyền động

Van tự động cũng yêu cầu xác nhận hành vi không mở, không đóng hoặc không đúng chỗ; cung cấp khí nén; năng lượng điện; tín hiệu điều khiển; phân loại khu vực nguy hiểm; công tắc giới hạn; van điện từ; định vị; giao diện ghi đè và gắn kết cục bộ.

8. Xác nhận kích thước, kết nối cuối và giao diện cài đặt

Ngay cả một van có năng lực về mặt kỹ thuật cũng có thể phải làm lại địa điểm nếu giao diện cơ học của nó bị sai. Việc xem xét thiết kế phải xác minh xem van có phù hợp với hệ thống đường ống, khả năng tiếp cận bộ truyền động và phạm vi bảo trì như thế nào.

Các mục giao diện chính bao gồm:

• Kích thước danh nghĩa và lỗ khoan
• Các đầu mặt bích, wafer, vấu, có ren, hàn ổ cắm hoặc hàn đối đầu
• Mặt bích và lớp áp lực
• Kích thước trực diện hoặc từ đầu đến cuối
• Chuẩn bị đầu mối hàn và lịch trình đường ống nếu có
• Hướng dòng chảy
• Hướng lắp đặt
• Vị trí và khoảng trống của người vận hành
• Phần mở rộng gốc hoặc phần mở rộng dịch vụ chôn cất
• Hướng lắp thiết bị truyền động
• Kết nối cống, lỗ thông hơi hoặc khoang thân
• Quyền truy cập bảo trì để tháo ghế, bao bì, trang trí hoặc bộ truyền động

ASME B16.10 là một tiêu chuẩn kích thước được sử dụng phổ biến cho kích thước mặt đối mặt và đầu cuối của nhiều van thẳng và kích thước từ tâm đến mặt / tâm đến đầu của van góc. Bản vẽ dự án phải xác nhận chuỗi kích thước thực tế áp dụng cho loại van đã chọn.

9. Áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế, thử nghiệm và dịch vụ chính xác

Không có tiêu chuẩn nào bao trùm mọi thiết kế van công nghiệp. Dự án có thể cần các tiêu chuẩn riêng về kết cấu van, kích thước, mặt bích, kiểm tra áp suất, chứng nhận an toàn cháy nổ, khí thải thoáng qua, dịch vụ chua hoặc một loại van cụ thể.

Đơn đặt hàng phải xác định chính xác tiêu chuẩn và phiên bản áp dụng mà dự án yêu cầu. Nhà sản xuất van không nên đưa ra yêu cầu về trình độ chuyên môn sau khi bắt đầu sản xuất.

Để biết phạm vi và thuật ngữ thử nghiệm, hãy xem lại Kiểm tra áp suất van: Phương pháp, tiêu chuẩn và yêu cầu kiểm tra.

10. Xác định các biện pháp kiểm soát việc xác minh, lập tài liệu và sản xuất

Việc phê duyệt thiết kế chưa hoàn tất cho đến khi người mua có thể xác minh rằng van được sản xuất phù hợp với cấu hình đã được phê duyệt. Các tài liệu cần thiết phụ thuộc vào mức độ quan trọng của dự án, nhưng chúng phải được xác định trong giai đoạn RFQ hoặc làm rõ kỹ thuật.

Để biết trình tự sản xuất tiếp theo, xem Sản xuất van công nghiệp: Từ đúc đến thử nghiệm cuối cùng.

Khi nào một dự án cần thiết kế van được sửa đổi hoặc tùy chỉnh?

Kỹ thuật tùy chỉnh sẽ giải quyết một vấn đề kỹ thuật được xác định. Điều này thường hợp lý khi dịch vụ được yêu cầu nằm ngoài cấu hình thông thường của một sản phẩm đã được chứng minh hoặc khi hệ thống đường ống áp dụng giao diện không chuẩn.

Các tác nhân kích hoạt điển hình bao gồm:

• Kích thước mặt đối mặt hoặc thay thế đặc biệt
• Yêu cầu về lỗ khoan hoặc đường dẫn dòng chảy bất thường
• Nhiệt độ cao hoặc thấp vượt quá sự sắp xếp niêm phong tiêu chuẩn
• Áp suất chênh lệch rất cao
• Ăn mòn hoặc xói mòn nghiêm trọng đòi hỏi vật liệu ướt đặc biệt
• Yêu cầu về chỗ ngồi bằng kim loại hoặc trang trí cứng
• Hành vi giảm áp lực khoang đặc biệt
• Thân mở rộng hoặc cài đặt chôn
• Yêu cầu lắp thiết bị truyền động bất thường hoặc yêu cầu không an toàn
• Mối lo ngại về tốc độ đạp xe hoặc hao mòn nhanh
• Các yêu cầu đặc biệt về an toàn cháy nổ, phát thải thấp, đông lạnh, dịch vụ chua hoặc kiểm tra
• Thay thế các thiết bị lỗi thời khi đường ống hiện có không thể sửa đổi được

Đối với những sửa đổi phức tạp, tổ chức kỹ thuật chịu trách nhiệm có thể sử dụng mô hình CAD, tính toán cấu trúc, Phân tích phần tử hữu hạn, Động lực học chất lỏng tính toán, thử nghiệm nguyên mẫu, thử nghiệm chu trình hoặc các phương pháp xác nhận khác tùy thuộc vào thay đổi thiết kế và yêu cầu của dự án. Những phương pháp này nên được áp dụng khi chúng trả lời được một câu hỏi thiết kế thực tế; chúng không nên được coi là hộp kiểm tiếp thị.

Quy trình đánh giá thiết kế van công nghiệp thực tế

Danh sách kiểm tra RFQ thiết kế van công nghiệp

RFQ mạnh giúp nhà cung cấp lựa chọn một thiết kế đã được chứng minh hoặc xác định liệu có cần sửa đổi hay không. Đối với các van dự án, hãy cung cấp càng nhiều thông tin sau càng tốt:

Những lỗi đánh giá thiết kế van thường gặp

Chỉ chọn theo quy mô và loại

Hai van có cùng kích thước danh nghĩa và cấp áp suất có thể yêu cầu chỗ ngồi, trang trí, người vận hành và vật liệu hoàn toàn khác nhau vì nhiệm vụ bảo trì là khác nhau.

Chỉ chỉ định vật liệu cơ thể

Các chi tiết trang trí bên trong, thân, ghế, lò xo, vòng đệm và miếng đệm có thể bị hỏng trước thân xe nếu vật liệu của chúng không tương thích với quy trình.

Sử dụng “Không rò rỉ” mà không có cơ sở kiểm tra

Các yêu cầu ngừng hoạt động phải được kết nối với một phương pháp thử nghiệm, áp suất, phương tiện, hướng và tiêu chí chấp nhận đã xác định thay vì một cụm từ bán hàng chung chung.

Bỏ qua áp suất chênh lệch trong kích thước thiết bị truyền động

Áp suất chênh lệch tối đa có thể chi phối mô-men xoắn hoặc lực đẩy ngay cả khi áp suất đường bình thường xuất hiện ở mức vừa phải.

Thêm chứng chỉ đặc biệt sau khi đặt hàng

Chứng nhận an toàn cháy nổ, chứng nhận phát thải thoáng qua, hạn chế vật liệu dịch vụ chua, thử nghiệm đông lạnh và kiểm tra của bên thứ ba có thể ảnh hưởng đến thiết kế, vật liệu và kế hoạch sản xuất. Chỉ định chúng trước khi sản xuất.

Giả sử tùy chỉnh luôn có nghĩa là tốt hơn

Một van được sửa đổi nhiều giới thiệu các cân nhắc bổ sung về kỹ thuật, trình độ chuyên môn, phụ tùng thay thế và lịch trình. Sử dụng nền tảng tiêu chuẩn đã được chứng minh bất cứ khi nào nó có thể đáp ứng dịch vụ một cách an toàn và đáng tin cậy.

Câu hỏi thường gặp: Cân nhắc về thiết kế van công nghiệp