Kích thước, Kiểm tra và Bảo trì Van Giảm Áp trong Nhà máy Quá trình

Anderson Greenwood, API 520, API 526, ASME, Calibration, DCS, Emerson, HART, Industrial Automation, ISFET, Overpressure Protection, pH Electrode, pH Measurement, Pressure Relief Valve, Process Instrumentation, Process Safety, PRV, Water Treatment, Yokogawa
Tháng 6 04, 2026

Pressure Relief Valve Sizing, Testing, and Maintenance in Process Plants

Kiến thức cơ bản về kỹ thuật và thực hành hiện trường cho việc lựa chọn van xả áp, kích thước theo API 520/526, điều chỉnh áp suất cài đặt và quy trình kiểm tra bật van tại chỗ

Vai trò và các loại van xả áp

Van xả áp (PRV) là thiết bị có lò xo tự động mở khi áp suất phía trước vượt quá điểm cài đặt định trước. Nó xả chất lỏng để giảm áp suất quá mức, sau đó đóng lại khi áp suất giảm xuống áp suất đóng van. PRV bảo vệ các bình áp lực, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống ống và bơm khỏi việc vượt quá giới hạn áp suất thiết kế.

Có ba loại van chiếm ưu thế trong các nhà máy công nghiệp. Thứ nhất, van xả áp lò xo truyền thống là loại phổ biến nhất. Lực lò xo giữ đĩa van áp vào ghế van. Khi áp suất đầu vào vượt quá áp suất cài đặt, đĩa van nâng lên và dòng chảy được xả vào đường ống xả. Loại này nhạy cảm với áp suất ngược trong đường ống xả — áp suất ngược tăng làm giảm áp suất cài đặt hiệu quả và có thể gây ra hiện tượng rung van.

Thứ hai, van xả áp cân bằng bằng bellow cách ly buồng lò xo khỏi phía xả bằng một phần tử bellow linh hoạt. Thiết kế này chịu được áp suất ngược biến đổi hoặc chồng lên đến 50% áp suất cài đặt mà không ảnh hưởng đến hiệu suất mở van. Đây là lựa chọn ưu tiên cho các dịch vụ ăn mòn và các tình huống có áp suất ngược tích tụ đáng kể.

Thứ ba, van xả áp điều khiển bằng pilot (PORV) sử dụng áp suất hệ thống để giữ piston chính đóng. Một van pilot nhỏ cảm nhận áp suất đầu vào và giải phóng piston chính khi đạt áp suất cài đặt. PORV có thể được cài đặt gần áp suất vận hành hơn nhiều (trong vòng 5%) mà không bị mở sai hoặc rung van. Chúng được sử dụng rộng rãi trong dịch vụ khí áp suất cao và công suất lớn, nơi van lò xo truyền thống sẽ quá cồng kềnh.

Nguyên tắc kích thước theo API 520 và mã ASME

Van xả áp có kích thước nhỏ không thể xả áp quá mức thiết kế đủ nhanh. Van quá lớn sẽ rung van — mở và đóng nhanh liên tục — gây hư hại ghế van và đĩa van, dẫn đến rò rỉ sớm. Do đó, kích thước chính xác rất quan trọng cho cả an toàn và độ tin cậy.

Tiêu chuẩn kích thước chính cho các nhà máy quy trình là API Tiêu chuẩn 520 (Kích thước, Lựa chọn và Lắp đặt thiết bị xả áp). Tiêu chuẩn kèm theo, API 526, quy định cấp bích, ký hiệu lỗ xả và kích thước đầu vào/ra tiêu chuẩn.

Công thức cơ bản tính kích thước dòng chảy chất lỏng xác định diện tích xả hiệu quả cần thiết A:

Đối với dịch vụ chất lỏng: A = Q / (38 × Kd × Kw × Kc × √(ΔP / G))

Trong đó Q là lưu lượng thể tích (gal Mỹ/phút), Kd là hệ số hiệu quả xả (thường là 0,65 cho dịch vụ chất lỏng), Kw là hệ số hiệu chỉnh áp suất ngược, Kc là hệ số hiệu chỉnh kết hợp cho lắp đặt đĩa nổ, ΔP là chênh áp tại điều kiện cài đặt (psi), và G là trọng lượng riêng so với nước.

Đối với dịch vụ khí và hơi, hệ số nén Z và tỷ lệ nhiệt k được đưa vào công thức, và phải xác định chế độ dòng chảy tới hạn hay không tới hạn trước khi áp dụng công thức kích thước.

Mã ASME Phần VIII cho phép bảo vệ bình áp lực ở 110% áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP) với một van xả áp đơn, hoặc 116% cho trường hợp cháy với hai van xả áp. Áp suất cài đặt van xả áp không được vượt quá MAWP được đóng dấu trên bảng tên bình.

Các trường hợp quá áp cần xem xét khi tính kích thước bao gồm: tắc nghẽn đầu ra, hỏng hồi lưu, cháy bên ngoài, vỡ ống trong bộ trao đổi nhiệt, giãn nở nhiệt của chất lỏng bị chặn, và các kịch bản hỏng thiết bị tiện ích. Diện tích xả lớn nhất cần thiết từ tất cả các trường hợp có thể xảy ra sẽ quyết định lựa chọn van cuối cùng.

Dòng sản phẩm Anderson Greenwood và Crosby của Emerson bao phủ toàn bộ các loại van xả áp truyền thống, van bellow cân bằng và van điều khiển bằng pilot cho dịch vụ quy trình API. Công cụ tính kích thước trực tuyến của họ áp dụng công thức API 520 và tạo ra các gói tài liệu tuân thủ ASME cho đăng ký bình áp lực.

Điều chỉnh và xác minh áp suất cài đặt

Áp suất cài đặt là áp suất đồng hồ đầu vào mà van xả áp được thiết kế để mở. Mã ASME yêu cầu áp suất thử chênh lệch lạnh thực tế (CDTP) phải nằm trong ±3% so với áp suất cài đặt trên bảng tên đối với áp suất cài đặt trên 70 psig, và trong ±2 psi đối với áp suất cài đặt bằng hoặc dưới 70 psig.

Việc điều chỉnh áp suất cài đặt yêu cầu tháo van ra khỏi hệ thống. Van được thử nghiệm trên bàn thử được chứng nhận với nguồn áp suất hiệu chuẩn.

Bước 1: Hiệu chỉnh chênh lệch lạnh — Nếu nhiệt độ vận hành quy trình khác biệt đáng kể so với nhiệt độ thử trên bàn, áp dụng hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ để tính đến sự thay đổi lực lò xo theo nhiệt độ. CDTP sẽ khác với áp suất cài đặt vận hành theo mức hiệu chỉnh này.

Bước 2: Điều chỉnh lò xo — Áp suất cài đặt được điều chỉnh bằng cách siết chặt hoặc nới lỏng vít điều chỉnh trên nắp lò xo. Siết chặt vít làm tăng lực lò xo và nâng áp suất cài đặt. Mỗi vòng quay 1/4 của vít điều chỉnh thay đổi áp suất cài đặt theo mức do nhà sản xuất quy định — thường từ 2–15 psi tùy theo dải lò xo.

Bước 3: Thử bật van — Tăng áp đầu vào từ từ bằng nitơ hoặc nước. Ghi lại áp suất tại đó đĩa van nâng lên và áp suất đóng van khi đĩa van hạ xuống. Xác nhận cả hai giá trị nằm trong dung sai của ASME. Đối với van lò xo, áp suất đóng van thường thấp hơn áp suất cài đặt 7–10%.

Bước 4: Thử rò rỉ ghế van — Sau khi van đóng lại, áp dụng 90% áp suất cài đặt và xác nhận không có rò rỉ nhìn thấy tại ghế van trong ít nhất một phút. Rò rỉ cho thấy ghế van bị hư hại hoặc bị nhiễm bẩn. Mài lại hoặc thay thế ghế van và đĩa van khi cần thiết.

Bước 5: Niêm phong chống can thiệp và lưu hồ sơ — Dán niêm phong chống can thiệp qua nắp vít điều chỉnh sau khi vượt qua thử nghiệm trên bàn. Cấp chứng chỉ hiệu chuẩn ghi lại áp suất cài đặt, ngày thử, kỹ thuật viên, số sê-ri thiết bị thử và ngày kiểm tra tiếp theo.

Chương trình kiểm tra và bảo trì khi van đang hoạt động

Thực hành khuyến nghị API 576 (Kiểm tra thiết bị xả áp) cung cấp khung thời gian kiểm tra và tiêu chí chấp nhận. Phương pháp kiểm tra dựa trên rủi ro (RBI) từ API 580 cho phép nhà máy kéo dài hoặc rút ngắn khoảng thời gian kiểm tra dựa trên tốc độ ăn mòn, mức độ nghiêm trọng dịch vụ và hiệu suất van trong quá khứ.

Khoảng thời gian kiểm tra thông thường cho van xả áp trong dịch vụ hydrocarbon chung là 5 năm. Dịch vụ ăn mòn hoặc bám bẩn yêu cầu khoảng thời gian 2–3 năm. Van trong dịch vụ tiện ích sạch như hơi nước hoặc nitơ sạch có thể đủ điều kiện kiểm tra 10 năm theo chương trình RBI với lý do kỹ thuật được ghi chép.

Các lỗi thường gặp trong quá trình kiểm tra:

Rò rỉ ghế van — lỗi phổ biến nhất khi van đang hoạt động. Ăn mòn, xói mòn hoặc cặn quy trình làm hỏng bề mặt ghế van đã mài. Hư hại nhẹ có thể sửa bằng mài tay. Hư hại nặng cần thay ghế van và đĩa van mới.
Ăn mòn và nứt lò xo — nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) trong dịch vụ H2S hoặc ăn mòn có thể gây hỏng lò xo nghiêm trọng. Lò xo phải được kiểm tra bằng mắt để phát hiện vết rỗ, ăn mòn và nứt. Thay lò xo nếu có bất kỳ hư hại nào nhìn thấy được.
Tắc nghẽn đầu vào — các chất polymer hóa, cặn bám hoặc cặn coke làm tắc một phần đầu vào, giảm công suất xả thực tế so với thiết kế. Van trong dịch vụ bám bẩn cần khoảng thời gian kiểm tra ngắn hơn và có thể cần kết nối đầu vào có sưởi hoặc duy trì thổi khí.
Van bị kẹt mở — do cặn quy trình giữ đĩa van không đóng lại sau sự kiện xả áp. Van xả áp mở một phần rò rỉ liên tục, gây lãng phí sản phẩm và không bảo vệ đầy đủ cho sự kiện quá áp tiếp theo. Luôn kiểm tra và thử trên bàn sau bất kỳ sự kiện xả áp nào đã biết.

Van xả áp của GE Oil and Gas (nay là Baker Hughes) sử dụng trong các ứng dụng ngoài khơi và khí áp suất cao bao gồm các bộ phận thép không gỉ duplex được thiết kế đặc biệt cho dịch vụ khí chứa hydrogen sulfide (H2S) tuân thủ NACE MR0175. Khi chọn van xả áp cho dịch vụ khí có chứa H2S, hãy xác nhận tất cả các bộ phận kim loại tiếp xúc đều đáp ứng yêu cầu độ cứng và vật liệu của NACE để ngăn ngừa nứt do ứng suất sulfide.

Kết luận và lời khuyên hành động

Van xả áp bảo vệ cả con người và tài sản nhà máy, nhưng chỉ khi được kích thước đúng, cài đặt chính xác và bảo trì thường xuyên. Áp dụng nguyên tắc kích thước API 520 cho tất cả các kịch bản quá áp — không chỉ kích thước cho một trường hợp duy nhất và giả định sự thận trọng sẽ bao phủ các trường hợp khác. Thiết lập chương trình kiểm tra có tài liệu theo API 576 với lý do RBI cho khoảng thời gian kéo dài. Thử trên bàn mọi van theo lịch hoặc sau bất kỳ sự kiện xả áp nào đã biết. Ghi lại hiệu chỉnh áp suất thử chênh lệch lạnh cho mọi lắp đặt nhiệt độ cao. Không bao giờ đưa van trở lại sử dụng khi có rò rỉ ghế van — ngay cả rò rỉ nhỏ liên tục cũng làm hư hại ghế van nhanh hơn và cuối cùng ngăn van đóng lại sau sự kiện quá áp tiếp theo. Một chương trình PRV được bảo trì tốt chỉ tốn một phần nhỏ chi phí so với một sự cố vỡ bình áp lực hoặc ngừng hoạt động quy trình không kế hoạch.