BỘ PHẬN ĐÓNG MỞ VAN BẰNG KHÍ NÉN AT

1. Giới thiệu về bộ phận đóng mở van bằng khí nén AT 

Trong hệ thống công nghiệp hiện đại, việc điều khiển và tự động hóa quá trình vận hành van đóng mở đóng vai trò then chốt đối với hiệu quả sản xuất và an toàn vận hành. Bộ phận đóng mở van bằng khí nén AT (Air Torque) đã trở thành giải pháp tối ưu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp từ hóa chất, dầu khí, thực phẩm, dược phẩm đến xử lý nước và năng lượng.

Bộ phận này không chỉ giúp tự động hóa quá trình đóng mở van mà còn đảm bảo độ chính xác cao, tốc độ phản hồi nhanh và khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Với sự phát triển của công nghệ Industry 4.0, bộ đóng mở van khí nén AT ngày càng được tích hợp thêm nhiều tính năng thông minh, cho phép giám sát, điều khiển từ xa và tích hợp vào hệ thống điều khiển tập trung.

Trong bài viết toàn diện này, chúng ta sẽ khám phá chi tiết bộ phận đóng mở van bằng khí nén AT từ khái niệm cơ bản đến nguyên lý hoạt động, các loại phổ biến, chức năng và ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

2. Khái niệm và định nghĩa 

2.1. Định nghĩa bộ phận đóng mở van bằng khí nén AT

Bộ phận đóng mở van bằng khí nén AT (hay còn gọi là bộ truyền động khí nén, actuator khí nén) là thiết bị cơ khí - khí nén chuyển đổi năng lượng của khí nén thành chuyển động cơ học để điều khiển đóng/mở van. Thiết bị này sử dụng áp suất khí nén từ hệ thống cấp khí để tạo ra lực hoặc mô-men xoắn (torque) cần thiết để xoay trục van hoặc di chuyển thân van.

Chữ "AT" trong tên gọi thường là viết tắt của "Air Torque" (mô-men xoắn khí nén) hoặc có thể chỉ loại actuator cụ thể theo phân loại của nhà sản xuất. Trong một số trường hợp, AT có thể đại diện cho một dòng sản phẩm cụ thể với các đặc tính kỹ thuật riêng biệt.

2.2. Vị trí trong hệ thống điều khiển van

Bộ đóng mở van khí nén AT thường được lắp đặt trực tiếp trên thân van thông qua khớp nối và hệ thống bánh răng truyền động. Nó nhận tín hiệu điều khiển từ hệ thống điều khiển trung tâm (PLC, DCS) hoặc từ công tắc điều khiển tại chỗ, sau đó thực hiện chuyển động đóng/mở van theo yêu cầu.

Thiết bị này thường hoạt động cùng với các phụ kiện đi kèm như:

• Bộ lọc - điều áp - bôi trơn (FRL)

• Van điện từ (solenoid valve)

• Công tắc giới hạn (limit switch)

• Bộ định vị (positioner)

• Bộ chuyển đổi tín hiệu

2.3. Phân biệt với các loại actuator khác

Bộ đóng mở van bằng khí nén AT khác biệt so với các loại actuator khác ở nguồn năng lượng sử dụng và phương thức hoạt động:

• Actuator điện: Sử dụng động cơ điện, phù hợp với ứng dụng không có sẵn khí nén

• Actuator thủy lực: Sử dụng chất lỏng thủy lực, tạo lực lớn hơn nhưng phức tạp hơn

• Actuator khí nén (AT): Sử dụng khí nén, có tốc độ đáp ứng nhanh, an toàn trong môi trường dễ cháy nổ

3. Cấu tạo và thành phần 

3.1. Các thành phần chính

Một bộ phận đóng mở van bằng khí nén AT hoàn chỉnh bao gồm các thành phần chính sau:

3.1.1. Bộ truyền động chính (Actuator Body)

• Xi-lanh khí nén: Là bộ phận chứa piston hoặc màng ngăn, nơi áp suất khí nén tạo ra lực đẩy

• Piston hoặc màng ngăn: Chuyển đổi áp suất khí nén thành chuyển động thẳng

• Trục truyền động: Truyền chuyển động từ piston đến cơ cấu chuyển đổi

• Vỏ bảo vệ: Thường bằng nhôm đúc, thép không gỉ hoặc hợp kim chống ăn mòn

3.1.2. Hệ thống truyền động

• Bánh răng chuyển đổi: Chuyển đổi chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay (đối với van quay) hoặc khuếch đại lực

• Trục đầu ra: Kết nối trực tiếp với trục van

• Khớp nối: Đảm bảo kết nối chắc chắn giữa actuator và van

3.1.3. Hệ thống điều khiển

• Van điện từ (Solenoid valve): Điều khiển hướng cấp khí vào xi-lanh

• Bộ định vị (Positioner): Điều chỉnh chính xác vị trí của van theo tín hiệu điều khiển

• Công tắc giới hạn (Limit switch): Xác định vị trí đóng/mở hoàn toàn của van

• Bộ lọc - điều áp - bôi trơn (FRL): Lọc sạch khí nén, điều chỉnh áp suất và bôi trơn

3.1.4. Phụ kiện an toàn và bổ sung

• Bộ giảm chấn: Giảm xung động khi van đóng/mở

• Bộ phanh khí nén: Giữ van tại vị trí khi mất áp suất

• Công tắc áp suất: Giám sát áp suất khí nén

• Bộ điều tốc: Điều chỉnh tốc độ đóng/mở van

3.2. Vật liệu chế tạo

Vật liệu chế tạo bộ đóng mở van khí nén AT được lựa chọn dựa trên môi trường làm việc:

• Vỏ actuator: Nhôm đúc, thép carbon, thép không gỉ 304/316, nhựa tổng hợp

• Xi-lanh và piston: Thép mạ crom, thép không gỉ, nhôm hợp kim

• Gioăng, phớt: EPDM, Viton, PTFE, NBR tùy theo nhiệt độ và môi trường làm việc

• Bánh răng: Thép hợp kim, thép không gỉ, đồng thau

3.3. Kích thước và thông số kỹ thuật

Kích thước và thông số kỹ thuật của bộ đóng mở van khí nén AT phụ thuộc vào:

• Mô-men xoắn yêu cầu: Từ vài Nm đến hàng nghìn Nm

• Góc quay: Thường 90° hoặc 180° đối với van quay, tuyến tính đối với van trượt

• Áp suất khí nén làm việc: Thường từ 4-8 bar (40-80 psi)

• Nhiệt độ làm việc: Thường từ -20°C đến 80°C, có loại đặc biệt cho nhiệt độ cao hơn

• Tốc độ đóng/mở: Từ vài giây đến vài chục giây tùy kích thước

4. Nguyên lý hoạt động chi tiết 

4.1. Nguyên lý cơ bản

Bộ đóng mở van bằng khí nén AT hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học thông qua sự giãn nở của khí nén trong xi-lanh. Quá trình này có thể được mô tả qua các bước sau:

1. Nhận tín hiệu điều khiển: Hệ thống điều khiển gửi tín hiệu điện đến van điện từ

2. Phân phối khí nén: Van điện từ mở đường cấp khí nén vào một phía của xi-lanh

3. Tạo chuyển động: Áp suất khí nén đẩy piston di chuyển trong xi-lanh

4. Chuyển đổi chuyển động: Hệ thống bánh răng chuyển chuyển động thẳng thành chuyển động quay

5. Truyền động đến van: Trục đầu ra truyền mô-men xoắn đến trục van

6. Phản hồi vị trí: Công tắc giới hạn hoặc bộ định vị gửi tín hiệu phản hồi về hệ thống điều khiển

4.2. Hoạt động đóng/mở van

4.2.1. Chế độ tác động đơn (Single Acting)

• Sử dụng lò xo hồi vị: Khí nén đẩy piston chống lại lực lò xo để mở/đóng van, khi ngừng cấp khí, lò xo đưa van về vị trí an toàn

• Thường có hai loại: "Fail-close" (mất khí nén thì van đóng) hoặc "Fail-open" (mất khí nén thì van mở)

• Ưu điểm: An toàn, có vị trí mặc định khi mất khí nén

• Nhược điểm: Mô-men xoắn không đối xứng giữa hai chiều

4.2.2. Chế độ tác động kép (Double Acting)

• Sử dụng khí nén cho cả hai chiều: Khí nén được cấp luân phiên vào hai phía của xi-lanh để đóng và mở van

• Không có lò xo hồi vị, cần bộ phanh hoặc van trợ lực để giữ vị trí khi mất khí

• Ưu điểm: Mô-men xoắn đối xứng, kích thước nhỏ hơn so với loại single acting cùng mô-men

• Nhược điểm: Không có vị trí an toàn mặc định khi mất khí nén

4.3. Các chế độ điều khiển

4.3.1. Điều khiển ON/OFF

• Van chỉ có hai vị trí: Đóng hoàn toàn hoặc mở hoàn toàn

• Đơn giản, chi phí thấp

• Phù hợp với ứng dụng đóng ngắt đơn giản

4.3.2. Điều khiển tuyến tính (Modulating)

• Van có thể định vị ở bất kỳ vị trí nào giữa đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn

• Cần bộ định vị (positioner) để điều chỉnh chính xác

• Phù hợp với ứng dụng điều khiển lưu lượng, áp suất, nhiệt độ

4.3.3. Điều khiển thông minh

• Tích hợp bộ điều khiển vi xử lý

• Có khả năng giám sát, chẩn đoán lỗi, điều chỉnh thông số

• Kết nối với hệ thống điều khiển tập trung qua các giao thức truyền thông

4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

• Chất lượng khí nén: Độ ẩm, dầu, tạp chất ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ tin cậy

• Áp suất khí nén: Áp suất không ổn định ảnh hưởng đến mô-men xoắn và tốc độ

• Nhiệt độ môi trường: Ảnh hưởng đến độ nhớt dầu bôi trơn và tính chất vật liệu

• Tải trọng và ma sát: Ma sát trong van và hệ thống truyền động ảnh hưởng đến mô-men yêu cầu

• Tần suất đóng mở: Ảnh hưởng đến tuổi thọ cơ khí và độ mòn của phớt, gioăng

5. Các loại bộ phận đóng mở van khí nén AT phổ biến 

5.1. Phân loại theo cấu tạo

5.1.1. Actuator piston

• Sử dụng piston trong xi-lanh

• Tạo lực lớn, mô-men xoắn cao

• Phù hợp với van lớn, áp suất cao

• Kích thước lớn hơn so với loại màng

5.1.2. Actuator màng (Diaphragm)

• Sử dụng màng ngăn thay cho piston

• Tạo lực vừa và nhỏ

• Cấu trúc đơn giản, giá thành thấp

• Phù hợp với van nhỏ và trung bình

5.1.3. Actuator rô-to vòng (Vane-type)

• Sử dụng cánh quạt (vane) quay trong buồng kín

• Góc quay lớn (>90°)

• Kích thước nhỏ gọn

• Phù hợp với ứng dụng cần góc quay lớn

5.2. Phân loại theo chuyển động đầu ra

5.2.1. Actuator tuyến tính (Linear)

• Đầu ra chuyển động thẳng

• Phù hợp với van cổng, van dao, van màng

• Thường sử dụng piston trực tiếp

• Hành trình từ vài mm đến hàng trăm mm

5.2.2. Actuator quay (Rotary)

• Đầu ra chuyển động quay

• Phù hợp với van bi, van bướm, van cầu

• Góc quay thường 90° hoặc 180°

• Sử dụng cơ cấu bánh răng hoặc đòn bẩy để chuyển đổi chuyển động

5.3. Phân loại theo chức năng đặc biệt

5.3.1. Actuator chống cháy nổ

• Thiết kế đặc biệt cho môi trường có khí dễ cháy nổ

• Vỏ bảo vệ chống tia lửa điện

• Chứng nhận ATEX, IECEx

• Phổ biến trong ngành dầu khí, hóa chất

5.3.2. Actuator vệ sinh (Sanitary)

• Thiết kế dễ vệ sinh, không có góc chết

• Vật liệu phù hợp tiêu chuẩn thực phẩm, dược phẩm

• Bề mặt nhẵn bóng, chống bám dính

• Phổ biến trong ngành thực phẩm, đồ uống, dược phẩm

5.3.3. Actuator chống ăn mòn

• Vật liệu chống ăn mòn cao: thép không gỉ 316, Hastelloy, Titan

• Lớp phủ bảo vệ đặc biệt

• Phù hợp với môi trường biển, hóa chất ăn mòn

5.3.4. Actuator không dầu (Oil-free)

• Không cần dầu bôi trơn trong khí nén

• Phù hợp với ngành thực phẩm, dược phẩm, điện tử

• Giảm nguy cơ nhiễm bẩn sản phẩm

5.4. Phân loại theo thương hiệu và tiêu chuẩn

Các bộ đóng mở van khí nén AT thường tuân theo các tiêu chuẩn quốc tế:

• ISO 5211: Tiêu chuẩn về mặt bích kết nối giữa actuator và van

• NAMUR: Tiêu chuẩn về giao diện lắp đặt phụ kiện

• ATEX/IECEx: Tiêu chuẩn chống cháy nổ

• IP rating: Tiêu chuẩn chống bụi, chống nước

6. Chức năng và nhiệm vụ chính 

6.1. Chức năng cơ bản

6.1.1. Tự động hóa quá trình đóng/mở van

• Thay thế hoàn toàn thao tác thủ công bằng tay hoặc bằng vô lăng

• Cho phép vận hành van từ xa, tại các vị trí khó tiếp cận

• Đồng bộ hóa hoạt động của nhiều van trong quy trình phức tạp

6.1.2. Điều khiển chính xác vị trí van

• Đảm bảo van đóng/mở đến đúng vị trí yêu cầu

• Điều chỉnh lưu lượng chính xác với van điều khiển tuyến tính

• Duy trì vị trí ổn định dưới tác động của rung động, xung áp

6.1.3. Đảm bảo an toàn quy trình

• Thực hiện đóng/mở nhanh trong tình huống khẩn cấp

• Tự động đưa van về vị trí an toàn khi mất nguồn điều khiển

• Ngăn ngừa sự cố quá áp, quá nhiệt, rò rỉ

6.2. Chức năng nâng cao

6.2.1. Giám sát và chẩn đoán

• Giám sát vị trí van, mô-men xoắn, số lần đóng mở

• Phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng: ma sát tăng, rò rỉ khí nén

• Cảnh báo khi van không đạt vị trí đặt trong thời gian quy định

6.2.2. Tích hợp với hệ thống điều khiển

• Giao tiếp với PLC, DCS thông qua các giao thức: 4-20mA, HART, Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus

• Nhận lệnh và gửi dữ liệu trạng thái về hệ thống điều khiển trung tâm

• Tham gia vào các chiến lược điều khiển phức tạp: cascade, ratio, feedforward

6.2.3. Tối ưu hóa quy trình

• Điều chỉnh tốc độ đóng/mở phù hợp với đặc tính quy trình

• Giảm xung áp, water hammer khi đóng/mở van

• Phối hợp hoạt động với các thiết bị khác trong hệ thống

6.3. Ứng dụng trong các tình huống đặc biệt

6.3.1. Van cô lập (Isolation valve)

• Đóng ngắt hoàn toàn dòng chảy để bảo trì, sửa chữa

• Ngăn ngừa sự lan truyền của sự cố trong hệ thống đường ống

• Thường sử dụng chế độ ON/OFF

6.3.2. Van điều khiển (Control valve)

• Điều chỉnh liên tục lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, mức chất lỏng

• Đòi hỏi độ chính xác cao, độ phân giải tốt, độ trễ thấp

• Thường sử dụng bộ định vị và điều khiển tuyến tính

6.3.3. Van an toàn (Safety valve)

• Tự động đóng/mở trong tình huống khẩn cấp

• Phản ứng nhanh, độ tin cậy cao

• Thường có thiết kế "fail-safe" (về vị trí an toàn khi mất điện/khí nén)

6.3.4. Van đóng ngắt nhanh (Quick closing valve)

• Đóng van trong thời gian rất ngắn để ngăn chặn sự cố

• Yêu cầu tốc độ cao, mô-men khởi động lớn

• Thường có bộ tích năng lượng dự phòng

7. Ưu điểm và nhược điểm

7.1. Ưu điểm của bộ đóng mở van bằng khí nén AT

7.1.1. Về hiệu suất và độ tin cậy

• Tốc độ đáp ứng nhanh: Khí nén có tính nén được, cho phép actuator phản ứng nhanh hơn so với actuator điện

• Mô-men xoắn cao: Có thể tạo ra mô-men xoắn lớn với kích thước nhỏ gọn

• Độ bền cao: Cấu trúc cơ khí đơn giản, ít phần tử điện tử, hoạt động ổn định trong thời gian dài

• Chịu quá tải tốt: Khi bị kẹt hoặc quá tải, actuator khí nén thường dừng lại mà không bị hư hỏng, trong khi actuator điện có thể cháy động cơ

7.1.2. Về an toàn

• An toàn trong môi trường dễ cháy nổ: Không phát sinh tia lửa điện trong quá trình hoạt động

• Có chế độ "fail-safe": Dễ dàng thiết kế để van về vị trí an toàn khi mất khí nén

• Không nguy hiểm khi quá nhiệt: Không như actuator điện có thể quá nhiệt khi hoạt động liên tục

7.1.3. Về kinh tế và vận hành

• Chi phí vận hành thấp: Khí nén thường có sẵn trong nhà máy, chi phí năng lượng thấp

• Bảo trì đơn giản: Cấu trúc đơn giản, dễ tháo lắp, sửa chữa

• Linh hoạt trong lắp đặt: Không cần dây điện phức tạp, chỉ cần đường ống khí nén

• Khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng: Bằng van tiết lưu trên đường khí

7.1.4. Về môi trường làm việc

• Hoạt động trong dải nhiệt độ rộng: Từ âm sâu đến nhiệt độ cao

• Chống rung, sốc tốt: Cấu trúc cơ khí chắc chắn

• Không nhạy cảm với môi trường ẩm ướt: Không như thiết bị điện

7.2. Nhược điểm và hạn chế

7.2.1. Về hiệu suất năng lượng

• Hiệu suất năng lượng thấp: Hệ thống khí nén có tổn thất năng lượng lớn từ máy nén khí đến điểm sử dụng

• Phụ thuộc vào chất lượng khí nén: Cần hệ thống xử lý khí nén (lọc, sấy) để đảm bảo tuổi thọ

• Rò rỉ khí nén: Các điểm kết nối, phớt có thể bị rò rỉ theo thời gian

7.2.2. Về độ chính xác

• Độ chính xác thấp hơn actuator điện: Do tính nén được của khí, khó đạt độ chính xác tuyệt đối

• Độ phân giải hạn chế: Đặc biệt với điều khiển vị trí tỉ lệ

• Ảnh hưởng bởi áp suất khí nén: Áp suất khí nén dao động ảnh hưởng đến mô-men và tốc độ

7.2.3. Về lắp đặt và vận hành

• Cần hệ thống khí nén: Đầu tư ban đầu cho hệ thống khí nén có thể cao

• Ồn ào khi hoạt động: Tiếng xì khí và tiếng động cơ khí nén

• Nguy cơ đọng nước: Trong đường ống khí nén nếu không được sấy đủ khô

7.2.4. Về kiểm soát vị trí

• Khó giữ vị trí chính xác: Do tính nén của khí, vị trí có thể thay đổi nhẹ dưới tác động của tải

• Cần bộ định vị cho điều khiển tỉ lệ: Làm tăng chi phí và độ phức tạp

• Độ trễ trong hệ thống dài: Đường ống khí nén dài gây độ trễ trong đáp ứng

7.3. So sánh tổng quan với các công nghệ khác

8. Ứng dụng trong công nghiệp 

8.1. Ngành hóa chất và dầu khí

8.1.1. Ứng dụng điển hình

• Điều khiển van trên đường ống vận chuyển hóa chất, dầu, khí

• Van an toàn trên bồn chứa, lò phản ứng

• Van cô lập cho hệ thống xử lý khí thải

• Van điều khiển lưu lượng trong quá trình phản ứng hóa học

8.1.2. Yêu cầu đặc biệt

• Vật liệu chống ăn mòn: thép không gỉ 316, Hastelloy

• Chứng nhận chống cháy nổ: ATEX, IECEx zone 1, zone 2

• Khả năng làm việc với nhiệt độ cao (đến 200°C) và áp suất cao

• Thiết kế kín tuyệt đối, chống rò rỉ

8.2. Ngành xử lý nước và nước thải

8.2.1. Ứng dụng điển hình

• Điều khiển van trên đường ống cấp nước, thoát nước

• Van điều khiển mức bể chứa

• Van xả bùn, van khử trùng

• Van phân phối nước trong hệ thống lọc

8.2.2. Yêu cầu đặc biệt

• Vật liệu chống ăn mòn: epoxy coating, thép không gỉ

• Khả năng làm việc ngoài trời, chống UV, chống ăn mòn do thời tiết

• Thiết kế dễ bảo trì, chống bám cặn

• Chống ngập nước (IP67, IP68)

8.3. Ngành thực phẩm và đồ uống

8.3.1. Ứng dụng điển hình

• Điều khiển van trong dây chuyền sản xuất thực phẩm

• Van CIP (Clean-in-Place) trong hệ thống vệ sinh

• Van phân phối nguyên liệu, thành phẩm

• Van kiểm soát nhiệt độ trong hệ thống thanh trùng

8.3.2. Yêu cầu đặc biệt

• Vật liệu đạt tiêu chuẩn thực phẩm: 316L stainless steel, EPDM/FKM food-grade

• Thiết kế vệ sinh, không góc chết, dễ tháo lắp vệ sinh

• Actuator không dầu (oil-free) để tránh nhiễm bẩn

• Chống rò rỉ, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm

8.4. Ngành dược phẩm và công nghệ sinh học

8.3.1. Ứng dụng điển hình

• Điều khiển van trong hệ thống đường ống vô trùng

• Van trong hệ thống lên men, tinh chế

• Van điều khiển trong hệ thống CIP/SIP (Sterilize-in-Place)

• Van phân phối môi trường nuôi cấy

8.3.2. Yêu cầu đặc biệt

• Vật liệu đáp ứng tiêu chuẩn USP Class VI, FDA

• Bề mặt đánh bóng Ra ≤ 0.8µm

• Thiết kế kín tuyệt đối, không rò rỉ

• Khả năng chịu nhiệt độ cao cho quá trình khử trùng

8.5. Ngành năng lượng và điện lực

8.5.1. Ứng dụng điển hình

• Van điều khiển trong nhà máy nhiệt điện

• Van trong hệ thống làm mát tuabin

• Van điều áp trong hệ thống hơi nước

• Van an toàn trên lò hơi