Van bi là gì? Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của van bi (ball valve)

a/ Van bi là gì?

Van bi, có tên gọi tiếng anh là Ball Valve, là loại van được sử dụng nhiều trong các hệ thống đường ống công nghệ, có chức năng chính là đóng, mở, điều tiết dòng chảy môi chất, được làm từ nhiều vật liệu khác nhau như đồng, thép carbon, thép không gỉ stainless steel, thép hợp kim,…

b/ Cấu tạo & nguyên lý hoạt động của van bi

 Van bi, cũng như các loại van khác (van cầu, van cổng, van bướm), có cấu tạo từ nhiều bộ phận khác nhau như body, bonnet, seat, spring, stem,… tuy nhiên điểm khác nhau cơ bản giữa chúng là cơ chế đóng mở cũng như mục đích sử dụng.

Cơ chế hoạt động của van bi là sử dụng viên bi dạng rỗng phía bên trong thân van để đóng, mở, điều tiết dòng chảy thông qua phần tay điều khiển (có thể là dạng tay gạt, dạng tay quay,…).

Khi van ở trạng thái mở, phần lỗ khoét của viên bi nằm theo hướng trùng với hướng dòng chảy, khi đó môi chất dễ dàng lưu thông qua. Ngược lại, khi phần lỗ khoét của viên bi nằm theo hướng vuông góc với hướng dòng chảy, van bi ở trạng thái đóng hoàn toàn. Để sử dụng với mục đích điều tiết dòng chảy, người dùng điều chỉnh sao cho lỗ khoét của viên bi xoay theo góc nhỏ hơn một góc 90° thông qua phần tay điều khiển.

Van bi được sử dụng nhiều trong mục đích đóng/mở và ít được sử dụng trong mục đích điều tiết dòng chảy hơn bởi khi van ở vị trí mở một phần, phần ghế van (seat valve) có thể bị xói mòn nhanh chóng do áp lực dòng chảy của môi chất. Ngoài ra, các tạp chất lẫn trong lưu chất như các hạt rắn có thể mắc kẹt trong khoang thân van, gây ra tình trạng các gioăng làm kín (soft seal) có thể bị hư hại.

Một số bộ phận chính của van bi:

     * Thân van (Body): Thân van thường làm bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như đồng, gang, thép, thép không gỉ,… có chức năng liên kết các bộ phận bên ngoài và tạo thành một khối thống nhất, chịu tác động bên ngoài của môi trường, va đâp và bảo vệ các bộ phận bên trong và cho phép môi chất di chuyển bên trong, mà không rò rỉ ra bên ngoài. Tùy vào thiết kế, mà thân van có thể được đúc thành một khối, hai khối hoặc ba khối.

     * Trục van (Stem): Trục van là bộ phận truyền động, truyền momen xoắn từ tay điều khiển (đối với van điều khiển cơ bằng tay quay, tay vặn). Một đầu trục van được liên kết với tay van, đầu còn cái liên kết cơ khí với phần viên bi tạo thành một khối chắc chắn, đảm bảo phần viên bi đi chuyển theo đúng hành trình mong muốn thông qua tay điều khiển. Tùy vào điều kiện hoạt động, mà nhà sản xuất hoặc người dùng lựa chọn vật liệu của trục van cho phù hợp.

     * Viên bi (Ball): Là bộ phận đặc trưng của van, liên quan đến cơ chế hoạt động của van so với các loại van khác. Bi của van nằm bên trong, chính giữa của van, được khoét rỗng hai đầu đồng tâm, có tác dụng cho phép hoặc ngăn chặn, điều tiết dòng chảy lưu thông.

     * Vòng đệm (Seal & Seat): Vòng đệm nằm bên trong có hai loại:

          - Seal: Được thiết kế với mục đích làm kín thân với trục van. Seal đảm bảo độ kín giữa thân van & trục van, giúp môi chất không bị rò rỉ ra ngoài.

          - Seat: Được thiết kế để làm kín viên bi. Seat có chức năng vô cùng quan trọng trong cơ chế hoạt động của van bi, giúp đảm bảo độ kín khít giữa viên bi và thân van, không cho môi chất rò rỉ khi viên bi cố định hay chuyển động.

Tùy vào đặc tính của môi chất, áp suất & nhiệt độ làm việc mà nhà sản xuất hay người dùng lựa chọn vật liệu của vòng đệm, giúp van hoạt động ổn định & kéo dài tuổi thọ của van.

     * Bạc lót trục van (Packing): Là bộ phận cố định trục van & thân van, cho phép trục thực hiện chuyển động xoay tròn bên trong bạc lót. Tuy nhiên cũng có những nhà sản xuất thiết kế không sử dụng bạc lót cho van.

     * Bu lông & đai ốc (Bolt & nuts): Là bộ phận dùng để liên kết các mảnh của thân van (trong những thiết kế van hai mảnh & ba mảnh), liên kết các bộ phận khác của van thành một khối đồng nhất. Bu long & đai ốc thường được làm bằng thép không gỉ, hoặc thép carbon.

     * Nắp van (Bonnet): Là bộ phận nằm ở giữa tay điều khiển và thân van, bên ngoài của trục van, có tác dụng bảo vệ trục van và làm kín.

     * Bộ phận truyền động (Operating): Tùy vào thiết kế của van bi, có hai loại truyền động chính:

          - Điều khiển thủ công: Được sử dụng nhiều đối với các dòng van nhỏ, hoặc vận hành thủ công thông qua dạng tay gạt (Lever Operating) hoặc tay quay (Handwheel Operating).

          - Điều khiển thông qua thiết bị truyền động (actuator): Có hai loại chính là thiết bị truyền động điện (electric actuator) và thiết bị truyền động khí nén (pneumatic actuator). Các thiết bị truyền động này cho phép chúng ta điều khiển để tạo ra góc quay mong muốn nằm trong thân van, qua đó đóng/mở hoặc điều tiết dòng chảy.

c/ Phân loại van bi

Van bi có rất nhiều loại, có thể nói nhiều loại nhất trong tất cả các loại van. Tùy theo tiêu chí phân loại mà người dùng đưa ra, để phân loại van bi. Bài viết dưới đây, chúng tôi xin phân loại theo một số tiêu chí cơ bản nhất.

Dựa vào kết nối của van bi:

     * Kết nối ren: Van bi kết nối ren có tên tiếng anh là Thread Ball Valve, là loại van có phần kết nối dưới dạng ren, thường được sử dụng cho những van có kích thước nhỏ (dưới 2 inch). Tiêu chuẩn ren kết nối của van bi có nhiều loại như ren G, ren NPT, ren BSP,…

    * Kết nối bích: Van bi kết nối bích có tên tiếng anh Flanged Ball Valve, là loại van có phần kết nối dạng mặt bích (có nhiều tiêu chuẩn như ANSI, JIS, BS, DIN,…), dùng để kết nối với đường ống thông qua mặt bích, làm kín bằng gasket. Van bi kết nối bích thường sử dụng cho những kích thước lớn, tuy nhiên cũng có một số ít ứng dụng người dùng yêu cầu kết nối bích cho những van có kích thước nhỏ, vì một vài lý do cụ thể nào đó.

     * Kết nối hàn: Van bi kết nối hàn có nhiều loại, gọi chung là Welded Ball Valve. Tùy vào kiểu mối hàn mà phân ra thành Socket Weld Ball Valve, Butt Weld Ball Valve hay PUP Ball Valve,… Đây là những loại van được thiết kế để hàn trực tiếp vào đường ống, tại những vị trí ít khi cần tháo lắp & hạn chế tối đa nguy cơ rò rỉ.

* Kết nối nhanh: Van bi kết nối nhanh có tên tiếng anh là Quick Connect Ball Valve, là loại van được sử dụng chủ yếu trong những đường ống khí nén, ống tubing & instrument,… Đa số chúng đều là những đường ống nhỏ (dưới 1 inch). Cơ chế làm kín của chúng thường dựa vào gioăng làm kín phía trong & đai ốc siết chặt phía ngoài, hoặc dựa vào áp suất làm việc tác động trực tiếp,…

Dựa vào số lượng mảnh thân van:

     * Van bi một mảnh: Có tên tiếng anh là One-Piece Ball Valve, là dòng van có cấu tạo đơn giản & có giá thành rẻ nhất. Dòng van này không thể mở để bảo trì, làm sạch hoặc sửa chữa, khi hỏng van chỉ có thể thay mới. Thường thì dòng van bi một mảnh này chỉ thấy ở các size nhỏ.

     * Van bi hai mảnh: Có tên tiếng anh là Two-Piece Ball Valve, có cấu tạo phần thân van gồm hai mảnh kết nối lại với nhau bằng bu long hoặc ren. Van bi hai mảnh có thể tháo rời để kiểm da, bảo dưỡng hoặc sửa chữa, tuy nhiên cần tháo rời van hoàn toàn khỏi đường ống.

   * Van bi ba mảnh: Có tên tiếng anh là Three-Piece Ball Valve, có cấu tạo phần thân van gồm ba mảnh kết nối lại với nhau bằng bu lông. Đây là loại van có giá thành cao nhất trong ba loại van này. Van bi ba mảnh có ưu điểm là có thể tháo rời thân van để kiểm tra, bảo dưỡng hoặc sửa chữa và không cần tháo rời van hoàn toàn khỏi đường ống.

Dựa vào phương thức điều khiển/vận hành:

     * Van bi tay gạt: Có tên tiếng anh là Lever Operating Ball Valve, được sử dụng cho các ứng dụng có kích thước nhỏ, áp suất đường ống không quá lớn, momen xoắn cần thiết để đóng mở van là nhỏ. Trục van được kết nối trực tiếp vào tay gạt, khi đóng/mở van chỉ cần xoay tay gạt theo một góc 90°.

     * Van bi tay quay (dạng Trunnion): Có tên tiếng anh là Hanwheel Operating Ball Valve, thường được sử dụng cho các dòng van kích thước, áp suất lớn. Khi đó, áp lực tác động lên viên bi phía trong là rất lớn, việc dùng tay gạt điều khiển đóng/mở khó khăn hoặc sẽ nguy hiểm, dễ hư hại van,… Van bi tay quay có trục van được gắn với hộp số có vô lăng, khi vô lăng quay sẽ làm xoay hệ thống bánh răng, từ đó truyền đến trục van, điều khiển viên bi giúp van đóng/mở.

 * Van bi điều khiển điện: Có tên tiếng anh là Electric Actuator Ball Valve, được sử dụng nhằm mục đích giảm chi phí về nhân công vận hành, hoặc lắp đặt ở những vị trí khó điều khiển bằng tay hoặc trong môi trường nguy hiểm. Van được lắp kèm bộ truyền động điều khiển bằng điện cho phép chúng ta điều khiển để tạo ra góc quay mong muốn nằm trong thân van, qua đó đóng/mở hoặc điều tiết dòng chảy.

   * Van bi điều khiển khí nén: Có tên tiếng anh là Pneumatic Actuator Ball Valve. Cũng giống như van bi điều khiển điện, chỉ khác là bộ truyền động (actuator) vận hành bằng khí nén thay vì bằng điện, sử dụng nhằm mục đích giảm chi phí về nhân công vận hành, hoặc lắp đặt ở những vị trí khó điều khiển bằng tay hoặc trong môi trường nguy hiểm. Van được lắp kèm bộ truyền động điều khiển bằng khí nén cho phép chúng ta điều khiển để tạo ra góc quay mong muốn nằm trong thân van, qua đó đóng/mở hoặc điều tiết dòng chảy.

Dựa vào thiết kế cổng của van (port):

     * Van bi Full bore: Đối với van bi dạng này, thiết kế lỗ của viên bi có đường kính bằng với đường kính của ống, dẫn đến lực ma sát giữa lưu chất & van nhỏ nhất, không bị tụt áp đường ống, không ảnh hưởng đến dòng chảy. Van full bore có giá thành tương đối cao, và thường hay được sử dụng cho những đường ống lớn, khi cần lưu lượng dòng chảy tối đa.

  * Van bi reduce bore: Đối với dòng van này, đường kính lỗ của van bi có kích thước nhỏ hơn đường kính ống. Lưu lượng lưu thông qua van bi reduce bore sẽ bị giảm, đồng thời vận tốc dòng chảy tăng lên, vì vậy kích thước của van cũng bị giảm đi đáng kể, do đó chúng có giá thành thấp hơn van bi full bore. Loại van này thường được dùng trong các ứng dụng có hệ số lưu lượng ca

   * Van bi V port: Loại van này thường ít khi được sử dụng hơn, chúng có phần viên bi được khoét theo hình chữ V – điều này giúp van đóng/mở một cách có kiểm soát hơn và phù hợp hơn với đặc trưng ứng dụng dòng chảy tuyến tính. Khi van ở vị trí mở, phần dưới của chữ V sẽ mở trước. Vật liệu của viên bi đối với loại van này thường được làm từ các vật liệu chống ăn mòn tốt vì chất lỏng qua van di chuyển với vận tốc cao.

Dựa vào thiết kế bóng van:

     * Floating Ball Valve: Là loại van được sử dụng phổ biến, rộng rãi đối với các yêu cầu phổ thông, thường được thấy trong những ứng dụng kích thước đường ống nhỏ (thường là dưới 10 inch) & áp suất đường ống trung bình & thấp. Phần viên bi của van bi dạng Floating được giữ ở vị trí cân bằng thông qua lực nén của hai ghế van (seat valve) & trục cố định phía trên đầu viên bi.

     * Trunion Mounted Ball Valve: Là loại van được sử dụng chủ yếu với những ứng dụng mà kích thước đường ống lớn hoặc áp suất cao. Phần viên bi đóng/mở của van được cố định bởi cả trục phía trên & phía dưới nhằm mục đích cố định phần viên bi một cách tốt hơn, giúp hạn chế tính trạng mỏi do kích thước viên bi lớn, giúp giảm ma sát và loại bỏ mô-men xoắn quá mức, việc này giúp van chịu lực tốt hơn, kéo dài tuổi thọ của viên bi.