Cấu tạo, nguyên lý làm việc, quy trình bảo dưỡng máy bơm khoan YHБ – 600 trong khoan dầu khí - Nghiên cứu sự mòn hỏng cụm xilanh – Piston

xả, xy lanh bị mòn nhiều nhất. Hình 4.3. Sự mòn của xilanh Bảng 4.3. Các chi tiết trong hình 4.3 STT Tên chi tiết STT Tên chi tiết a Xilanh khi chưa bị mòn 1 Mặt trong của xi lanh khi chưa mòn b Xilanh đã bị mòn 2 Mặt trong của xilanh khi bị mòn Bề mặt ngoài của xilanh cũng thường xuyên xuất hiện các lớp oxít, các vết rỗ nông, nên bề mặt ngoài của xilanh cũng bị mòn. 2. Đối với piston Hình 4.4. Sự mòn vòng cao su của piston Trên bề mặt piston tiếp xúc với bề mặt trong của xilanh thì chủ yếu xuất hiện các vết xước không đều nhau dọc theo chiều dài, đồng thời quá trình chuyển động của piston trong xilanh sẽ làm mòn mép biên của piston. Mặt piston trực tiếp nén chất lỏng cũng thấy xuất hiện chủ yếu các vết rỗ dày, độ rộng và sâu khá lớn. Đai ốc siết hai đầu piston bị giảm kích thước. Lỗ piston cũng có biểu hiện của sự mòn, sự mòn này biểu hiện ở sự giảm độ khít giữa lỗ piston và cần piston. Lỗ piston có các lớp oxít, phía mép ngoài của nó bị mòn nhiều hơn. Vòng cao su làm kín bị rỗ, xước và mòn, ở một số piston có thời gian làm việc lâu dài, vòng cao su còn bị rách. 3. Nguyên nhân sự mòn hỏng cụm xilanh – piston Sự mài mòn cụm xilanh – piston thường gây lên hư hỏng khi độ mòn vượt quá giới hạn cho phép. Sự mòn hỏng của chúng chủ yếu do các nguyên nhân sau: Do sự xuất hiện của các hạt mài, các hạt mài là các kim loại hoặc phi kim có độ bền, độ cứng lớn hơn độ bền, độ cứng của lớp kim loại bề mặt xilanh – piston. Chúng xuất hiện do hai nguyên nhân cơ bản sau: Các hạt mài có sẵn trên bề mặt chi tiết: do lỗi của quá trình gia công chi tiết lần cuối, như dùng phương pháp mài tinh lần cuối, sau khi gia công còn có hạt mài cứng găm trên bề mặt làm việc của xilanh. Các hạt mài có trong dung dịch khoan: trong bơm khoan YHБ – 600, không dùng dầu bôi trơn để bôi trơn cụm xilanh – piston, mà người ta dùng luôn dung dịch khoan để bôi trơn, làm mát. Khi bơm làm việc, dung dịch khoan vừa là chất lỏng làm việc, vừa đóng vai trò bôi trơn, làm mát bộ truyền xilanh – piston. Nhưng trong dung dịch khoan có các chất rắn như các hạt nặng BaSO4, Fe2O3, ... các hạt rắn từ dưới đáy giếng khoan đi lên do quá trình làm sạch dung dịch còn sót lại như thạch anh, đá, cát, ... Trong quá trình làm việc, các hạt mài này bị piston đẩy chuyển động theo, và giống như một dao cắt, nó cắt đi một lớp kim loại trên bề mặt làm việc của cụm xilanh – piston gây lên xước và làm cụm xilanh – piston bị mòn nhanh. Các chất hoá học có khả năng ăn mòn chứa trong dung dịch khoan tạo ra các lớp oxít trên bề mặt kim loai của chúng. Các vết xước trên bề mặt kim loại là chỗ rất thuận tiện để các chất hoá học đọng lại và hình thành nên các lớp oxít. Khi piston chuyển động, nó sẽ cuốn đi các lớp oxít này và để lại trên bề mặt xilanh các vết rỗ. Các vết này ngày càng phát triển nhanh hơn do sự chuyển động liên tục của piston trong xilanh để tạo ra lưu lượng và áp suất yêu cầu, đồng thời dưới sự tác động của nhiệt độ và áp suất làm việc sẽ làm cho cụm xilanh – piston mòn rất nhanh. Do lực ma sát giữa xilanh và piston: Fms = N.f (4.1) Hình 4.5. Ảnh hưởng của thành phần lực N đến độ mòn của xilanh Thành phần lực N này gây ra chèn ép hạt mài, làm tốc độ mài mòn bộ truyền xilanh – piston tăng nhanh. Trong bơm YHБ – 600, hai xilanh đặt nằm ngang nên khi piston chuyển động, thành phần lực N có thể được coi là trọng lượng bản thân piston, nó sẽ tạo ra áp lực lên thành xilanh, đặc biệt là phía dưới của xilanh. Do đó, phía dưới của xilanh bị mòn nhiều hơn, nên xilanh bị ôvan. Riêng ở phần trên của chết trên và phần dưới của điển chết dưới, do không có sự tác dụng của lực ma sát giữa xilanh và piston nên chúng bị mòn rất ít. Ngoài ra, sự tác động tức thời giữa các phần tử của bề mặt tiếp xúc với thành phần xilanh – piston sẽ làm xuất hiện các lực nén cục bộ, sinh ra ma sát sẽ làm cặp xilanh – piston bị mỏi nên sẽ gây ra mòn. Tại chỗ lắp van có độ mòn lớn nhất là do sự tác động của dòng chảy dao động có chứa các hạt rắn, đồng thời đây cũng là chỗ chịu tác động của dòng chảy có nhiệt độ và áp suất lớn nhất. Do sự tác động của áp lực dòng chảy lên bề mặt cụm xilanh – piston, đồng thời dung dịch lại luôn luôn thay đổi ra vào liên tục cũng sẽ làm quá trình mài mòn bộ truyền này diễn ra nhanh hơn. Do sự hỏng của đệm làm kín ngoài xilanh – piston hoặc các đệm làm kín này được xiết chưa chặt, nên dung dịch khoan có thể chảy qua và đọng lại trên bề mặt ngoài của xilanh – piston. Từ đó, chúng sẽ hình thành các lớp gỉ (lớp oxi hoá) làm mòn dần bề mặt ngoài của xilanh. 4.1.3.2. Hỏng do va đập Sự hỏng của cụm xilanh – piston chủ yếu là do sự mòn chi tiết. Nhưng bên cạnh đó, trong quá trình bơm làm việc, vì một lý do nào đó, nó cũng sẽ gây ra một số va đập tương đối mạnh và cũng sẽ dẫn đến làm hỏng cụm này. Thông thường, có hai dạng va đập thường gặp đối với cụm xilanh – piston khi bơm làm việc là: va đập thuỷ lực và va đập cơ khí. 1. Va đập thuỷ lực Va đập thuỷ lực là hiện tượng biến đổi áp suất đột ngột khi có sự thay đổi đột ngột của vận tốc dòng chảy. Khi xảy ra hiện tượng va đập thuỷ lực, bề mặt piston và xilanh sẽ xuất hiện các vết rỗ rộng và sâu. Các vết này phát triển nhanh, làm cho bề mặt của xilanh – piston bị mòn rất mạnh, dẫn đến khe hở lắp ghép thay đổi và trong khoang thuỷ lực sẽ xuất hiện tiếng kêu. Hiện này xảy ra thường do các nguyên nhân sau: Hiện tượng xâm thực Đây là hiện tượng rất hay xảy ra với các máy thuỷ lực nói chung và máy thuỷ lực thể tích nói riêng. Nó là hiện tượng xuất hiện các bọt khí trong dòng chất lỏng do nguyên nhân giảm áp suất động tới một giá trị tới hạn nào đó, thường giá trị tới hạn này là áp suất hơi bão hoà. Trong máy bơm piston thì hiện tượng này xảy ra là do: Tốc độ dòng chảy ở cửa vào quá cao, làm áp suất chất lỏng giảm mạnh, khi áp suất đó nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của chất lỏng thì xảy ra hiện tượng xâm thực. Lựa chọn, tính toán đường kính và chiều dài ống hút không hợp lý, làm tăng tổn thất trên đường ống hút. Nhiệt độ của chất lỏng bơm thay đổi khi nhiệt độ của chất lỏng tăng, dẫn đến giảm áp và gây ra hiện tượng xâm thực. Khí lọt vào trong xilanh qua hệ thống làm kín hoặc khí lẫn trong dung dịch quá lớn, chưa được lọc một cách triệt để. Khi trong bơn xuất hiện các bọt khí thì chúng sẽ tập trung lại và chiếm chỗ dòng chảy, dẫn đến xuất hiện các khoảng trống cục bộ và làm diện tích dòng chảy giảm, nên các chất lỏng xung quanh xô đến với vận tốc cực lớn, làm cho áp suất tại đó tăng đột ngột, hình thành lên một áp lực lớn tác động vào bề mặt xilanh. Ban đầu sẽ tạo ra các vết nứt nhỏ trên bề mặt, sau đó phát triển lên thành các lỗ hổng (các vết rỗ) trong xilanh. Khi các lỗ hổng được hình thành, phần chất lỏng ít nhiều cũng sẽ bị trộn lẫn của hơi, xâm nhập vào các lỗ hổng này và gây ra hiện tượng va đập trong các vết rỗ, làm cho các vết này phát triển rất nhanh và làm thủng xilanh. Nếu bề mặt chi tiết không phẳng, nó sẽ hấp thụ phần lớn năng lượng nên sẽ bị phá hỏng nhanh do hiện tượng xâm thực nhanh hơn so với bề mặt xilanh phẳng. Đường đặc tính xâm thực cho thấy khả năng làm việc bình thường của máy bơm ứng với số vòng quay không đổi và nhiệt độ làm việc nhất định phụ thuộc độ chân không của máy bơm. Hình 4.6. Đường đặc tính xâm thực của máy bơm K1, K2 là điểm giới hạn phạm vi làm việc an toàn của bơm ứng với trị số áp suất chân không giới hạn. nếu độ chân không vượt quá các trị số giới hạn thì bơm sẽ làm việc trong tình trạng bị xâm thực. Sự tác động của lực quán tính Như đã nói ở trên, dòng dung dịch trong bơm piston là dòng không ổn định, vận tốc chuyển động của dòng chảy chất lỏng trong bơm phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của piston, nó là hàm thay đổi theo thời gian: v = f(t), với 0. Nếu dung dịch khoan có khối lượng m chuyển động trong bơm sẽ chịu tác dụng của lực quán tính: Rqt m. (dấu (-) của Rqt biểu thị lực quán tính ngược chiều với gia tốc). Nếu vận tốc v tăng thì lực quán tính Rqt tác dụng ngược chiều dòng chảy, ngược lại, nếu vận tốc v giảm thì lực quán tính Rqt tác dụng cùng chiều dòng chảy. Lực quán tính này sẽ tác dụng lên dòng chảy, gây ảnh hưởng không tốt đến hệ thống bơm, cụm xilanh – piston, đường ống và các hệ thống khác. Đồng thời, do vận tốc v của piston thay đổi một cách có chu kỳ, nên gia tốc cũng thay đổi một cách có chu kỳ cả về chiều và độ lớn. Vì vậy, lực quán tính sinh ra trong bơm là một tải trọng động có chu kỳ, tác động vào các bộ phận của bơm và hệ thống. Tải trọng động này đôi khi rất lớn, nhất là đối với những bơm có hệ số không đồng đều về lưu lượng. Do có sự tồn tại của lực quán tính này, nên trong phương trình chuyển động của dòng chảy không ổn định có thành phần của lực quán tính. Đó là phương trình Becnuli cho dòng chảy không ổn định: (4.2) Thành phần hqt =, với s là diện tích của mặt cắt ống dẫn, liên quan đến lực quán tính, được gọi là cột áp quán tính. Cột áp quán tính có thể gây ra xâm thực cho máy bơm và dẫn tới làm mòn hỏng cụm xilanh – piston. 2. Va đập cơ khí Dạng hỏng này chủ yếu là do khâu lắp ráp bơm như: Lắp ráp các xilanh có khuyết tật: han, gỉ, rỗ, ... Mối ghép giữa ty piston và piston bị hỏng. Các bộ phận đệm làm kín lắp chưa đúng hoặc lắp chưa chặt. Do đó, khi bơm làm việc có thể xảy ra các hiện tượng: Chất khí từ ngoài lọt vào khoang thuỷ lực. Chất lỏng bơm chảy qua đệm làm kín và đọng lại ở bề mặt ngoài của xilanh, lỗ piston. Áp suất buồng làm việc giảm. Khi xảy ra các hiện tượng đó làm cho cụm xilanh – piston bị hỏng rất nhanh, bơm làm việc có tiếng kêu lớn, sau đó dẫn đến sự phá huỷ các chi tiết trong khoang thuỷ lực, cụ thể là cụm xilanh – piston, rồi đến các bộ phận của bơm. 4.1.3.3. Hỏng do khuyết tật chế tạo Các khuyết tật chế tạo có thể xảy ra là: Kết cấu chi tiết không hợp lý, không phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Bề mặt xilanh có các vết rỗ, nứt. Việc áp dụng phương pháp gia công lần cuối bề mặt xilanh không đảm bảo, trên bề mặt xilanh còn găm các hạt mài. Lớp cao su của piston không đảm bảo điều kiện độ bền, độ cứng, khả năng chịu nhiệt, chịu áp suất cao và chịu dầu. Lỗ piston bị rỗ, độ côn của lỗ không đảm bảo. Khi máy bơm làm việc thì piston chuyển động tịnh tiến trong xilanh, làm xuất hiện lực mat sát giữa hai bề mặt tiếp xúc, tạo ra áp lực riêng trên bề mặt tiếp xúc giữa xilanh và piston rất lớn, cộng với sự tác động của các hạt mài, chất oxi hoá làm cho các nhấp nhô (vết xước, vết rỗ) trên bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết nhanh chóng bị cuốn đi cùng với các lớp oxít, dẫn đến bộ truyền xilanh – piston bị mòn rất nhanh. Do đó, khe hở lắp ghép giữa chúng tăng, sinh ra lực động học lớn, dẫn đến sự cố làm mòn cụm này cũng như các bộ phận khác và làm ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống bơm. 4.2. Một số biện pháp nâng cao tuổi thọ của cụm xilanh – piston Như đã phân tích ở trên, bộ truyền xilanh – piston là một trong các chi tiết hay hỏng nhất của máy bơm dung dịch khoan YHБ – 600. Nguyên nhân chính dẫn đến sự hỏng của bộ truyền xilanh – piston là do lực ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc, do sự tác dụng của các pha rắn và các chất ăn mòn hoá học có trong dung dịch khoan, do hiện tượng xâm thực. Ngoài ra còn có các nguyên nhân khác như do chế tạo, lắp đặt kiểm tra, … Do vậy, vấn đề đặt ra là phải có các biện pháp để hạn chế sự ảnh hưởng của các nguyên nhân trên đến tuổi thọ của cụm xilanh – piston cũng như của toàn hệ thống. 4.2.1. Biện pháp thiết kế Khi sử dụng biện pháp thiết kế thì cần tính đến những chi phí, không những để chế tạo máy mà còn để thực hiện công tác bảo dưỡng và sửa chữa được dễ dàng, thuận tiện. Công việc đầu tiên là ta phải chọn và kết hợp các vật liệu chế tạo đúng đắn, hợp lý nhất, đáp ứng được điều kiện làm việc như đã thiết kế, nhằm nâng cao khả năng sử dụng, kéo dài tuổi thọ và năng suất làm việc của toàn hệ thống. Khi thiết kế cụm xilanh – piston ta phải chọn vật liệu có độ bền cao, độ cứng tốt, tính chống mòn cao. Vì vậy, xilanh thường được chế tạo từ thép cácbon với nồng độ C = (2,7 ÷ 2,9)%. Riêng đối với piston thì trong quá trình làm việc, nó luôn phải tỳ sát vào thành xilanh, do đó bề mặt ngoài của piston (làm từ kim loại cứng) phải lắp một gioăng cao su tổng hợp để đảm bảo sự ổn định trong quá trình làm việc của bơm. Ngoài ra, trong quá trình làm việc, do sự làm việc liên tục của xilanh – piston nhằm tạo ra áp lực và lưu lượng yêu cầu nên làm nhiệt độ tại các chi tiết trong nó sẽ tăng lên, gây biến dạng nhiệt không đều theo chiều dài và chiều dày. Nhưng biến dạng nhiệt này sẽ làm thay đổi hình dạng, tính chất cơ lý của chúng, dẫn đến giảm tuổi thọ và độ tin cậy của nó, cũng như của toàn hệ thống. Vì vậy, trong quá trình thiết kế ta phải có các biện pháp để giảm biến dạng nhiệt này như : loại trừ sự nung nóng bơm bằng các tia mặt trời trực tiếp, đưa ra ngoài bơm hoặc làm mất các nguồn sinh nhiệt, sử dụng không khí để làm nguội động cơ dẫn động bơm, ... 4.2.2. Biện pháp công nghệ Sử dụng biện pháp công nghệ gia công nhằm tăng độ cứng bề mặt, độ chống gỉ, độ bền mỏi, độ bền mòn, độ bền va đập và đặc biệt nâng cao tuổi thọ của chúng. 4.2.2.1. Gia công nhiệt hoá bề mặt làm việc của xilanh Đây là phương pháp bão hoà lớp bề mặt của xilanh nhằm tăng cơ lý của lớp kim loại bề mặt so với lõi, tức là làm tăng khả năng làm việc và nâng cao tuổi thọ của nó. Có nhiều phương pháp gia công nhiệt hoá bề mặt làm việc của bộ truyền như thấm cácbon, thấm nitơ, thấm crôm, thấm silíc, oxy hoá, phốtphát hoá, sulphua hoá, ... Mỗi phương pháp đều đem lại sự thay đổi tính cơ lý khác nhau cho lớp kim loại bề mặt, nhưng đối với xilanh trong cụm thuỷ lực của máy bơm YHБ – 600 thì phương pháp thấm crôm được sử dụng nhiều và hiệu quả nhất, bởi bề mặt của nó sau khi thấm crôm sẽ có độ bền va đập, độ bền mỏi cao và độ bền mòn sẽ rất lớn. Quá trình thấm crôm là quá trình bão hoà lớp bề mặt xilanh bằng cách khuếch tán crôm vào thép ở nhiệt độ cao. Xilanh của bộ truyền sẽ được đặt trong hộp kím chứa bột crôm kim loại và bột trơ, bột trơ này được cho thêm vào để tránh bám dính bề mặt và thiêu kết hợp kin với xilanh. Sau đó, nung nóng từ (1000 ÷ 1150) oC, lớp phủ crôm được tạo thành bằng cách xông khí HCl qua lớp hỗn hợp dạng bột nói trên. HCl sẽ tác dụng theo phản ứng: 2 HCl + Cr = H2 + CrCl2 Do ở nhiệt độ cao nên CrCl2 ở dạng hơi sẽ tác dụng với sắt trên bề mặt chi tiết theo phản ứng: 3 CrCl2 + 2Fe = 2 FeCl3 + 3 Cr Crôm thoát ra trong phản ứng trên sẽ khuếch tán vào thép để tạo thành hợp kim Fe – Cr (Fero – Crom), với nhiệt độ nung (1000 ÷ 1150) oC và nung trong 20 giờ thì chiều dày lớp khuếch tán crôm từ (0,02 ÷ 0,05) mm.với chiều dày lớp hợp kim như vậy sẽ đảm bảo độ tin cậy làm việc của xilanh tỏng bơm. 4.2.2.2. Mạ điện bề mặt làm việc của xilanh Quá trình mạ điện bề mặt làm việc của xilanh sẽ phủ một lớp kim loại mỏng dựa trên nguyên lý sự điện phân, mà không làm thay đổi tính chất kim loại của xilanh nhưng sẽ làm tăng thêm độ cứng, độ mài mòn và độ bóng cho nó. Xilanh được làm sạch bề mặt làm việc rồi đặt vào trong bể mạ chứa dung dịch mối của kim loại cần mạ. Nó được nối với catốt (cực -) của nguồn điện một chiều bên ngoài, cực anốt (cực +) của bể mạ có thể là tấm kim loại tương ứng với kim loại mạ, gọi là anốt hoà tan, hoặc có thể là tấm chì hay bạch kim, gọi là anốt không hoà tan. Khi dùng anốt không hoà tan thì nồng độ ion kim loại mạ trong dung dịch giảm dần nên phải định kỳ bổ sung thành phần dung dịch mạ, còn khi dùng anốt hoà tan thì nồng độ ion này hầu như không thay đổi trong quá trình mạ. Khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện ly (dung dịch muối) thì trên catốt (xilanh cần mạ) xảy ra quá trình khử ion kim loại thành kim loại bám trên bề mặt của xilanh theo phản ứng: Mnn+.mH2O + ne = Me + mH2O Đồng thời trên anốt hoà tan có quá trình oxy hoá, kim loại điện cực trở thành ion tan vào trong dung dịch: Me + mH2O = Men+.mH2O +ne Nếu anốt không hoà tan thì trên anốt xảy ra quá trình phóng điện tử của ion hydroxin: 4OH- = O2 + 2H2O + 4e Phương trình mạ này có các ưu điểm sau: Dễ điều chỉnh quá trình: dễ điều chỉnh chiều dày mạ và tính chất lớp mạ bằng cách thay đổi điện thế, mật độ dòng điện, nồng độ và nhiệt độ dung dịch mạ. Độ tinh khiết của lớp mạ rất cao và lớp phủ đều đặn. Bám rất chắc trên bề mặt bảo vệ. Không có nguyên công nung nóng nên không làm thay đổi cấu trúc kim loại mạ, chi tiết mạ không cong vênh. Độ bền lớp mạ crôm chịu tải trọng tiếp xúc tuần hoàn sẽ làm tăng theo độ bền của nền thép và chiều dày lớp mạ. 4.2.2.3. Làm nhẵn bề mặt làm việc của xilanh bằng kim cương Đây là một trong các phương pháp công nghệ để nâng cao tuổi thọ của xilanh cũng như hệ thống bơm, biện pháp này chỉ được sử dụng cho xilanh sau khi nó đã được phủ crôm lớp bề mặt. Sự làm nhẵn bằng kim cương được tiến hành trên máy vạn năng hoặc máy chuyên dùng có lượng chạy dao S = (0,02 ÷ 0,08) mm/vòng và vận tốc trượt v ≤ 50 m/phút. Sự làm nhẵn bóng bề mặt bằng kim cương sẽ đảm bảo bề mặt làm việc của xilanh trong cụm thuỷ lực có độ nhám nhỏ Ra = (0,02 ÷ 0,16) μm, đồng thời biện pháp này cũng làm tăng độ cứng và độ bền mỏi lên gấp nhiều lần so với các phương pháp gia công tinh khác như mài tinh hoặc mài siêu tinh. 4.2.2.4. Gia công bề mặt làm việc của xilanh bằng tia lade Đây là phương pháp tôi đặc biệt nhằm nâng cao độ bền mỏi, độ cứng, khả năng chịu tải của xilanh trong cụm thuỷ lực. Khi tia lade đi qua bề mặt kim loại bị nung rất nhanh ở nhiệt độ cao, do sự truyền nhiệt ở bên trong nên bề mặt này sẽ nguội ngay khi tia lade dịch đi chỗ khác. 4.2.3. Biện pháp sử dụng 4.2.3.1. Biện pháp vận hành, bảo dưỡng và chăm sóc máy Nếu như ta đạt được sự hoàn thiện về kết cấu, công nghệ chế tạo và lắp đặt máy thì cũng chưa hẳn đã đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ của xilanh cũng như của toàn hệ thống máy bơm, mà một điều kiện cần thiết nữa là phải có biện pháp sử dụng hiệu quả, tức là phải có quá trình vận hành kỹ thuật thành thạo và một hệ thống bảo dưỡng, sửa chữa hợp lý. Như vậy tuổi thọ của chúng mới được nâng cao. Nhiệm vụ của vận hành kỹ thuật máy bơm là đảm bảo tình trạng kỹ thuật tốt, sự làm việc không hỏng và đạt hiệu quả kinh tế cao. Để bơm làm việc ổn định với hiệu suất cao trong quá trình làm việc thì ta cần phải chấp hành nghiêm chỉnh quy trình vận hành, bảo dưỡng như đã được trình bày trong chương 4. 4.2.3.2. Biện pháp cải thiện điều kiện làm việc 1. Xử lý pha rắn trong dung dịch Do máy bơm khoan làm việc trong môi trường chất lỏng gồm hai pha rắn – lỏng, trong đó pha rắn là nguyên nhân chính dẫn đến sự mòn hỏng của bộ cụm xilanh – piston. Để hạn chế sự mòn hỏng này, đảm bảo dung dịch thực hiện tốt chức năng của mình thì cần phải tiến hành làm sạch dung dịch. Các thiết bị làm sạch thường sử dụng gồm: sàng rung, bộ lọc cát và mùm, máng lắng, máy tách khí. Chúng thường được bố trí theo sơ đồ nguyên lý của hệ thống tuần hoàn dung dịch như sau: Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tuần hoàn dung dịch Bảng 4.4. Các chi tiết trong sơ đồ của hệ thống tuần hoàn dung dịch STT Tên chi tiết STT Tên chi tiết 1,2 Máy bơm dung dịch 13 Máng tách khí 3,4 Bể chứ dung dịch 14 Manifold hút 5 Manifold cao áp 15 Đầu xanhích 6 Van một chiều 16 Cần chủ động 7 Vòi cao áp 17 Cần khoan 8 Máng xả 18 Cần nặng 9 Sàng rung 19 Thành giếng 10 Bể chứa chất thải 20 Choòng khoan 11 Bể chứa dung dịch sạch 21 Khoảng không vành xuyến giữa ống chống và cột cần khoan 12 Máng lọc bùn Sàng rung Sàng rung là thiết bị tách mùn khoan chính, nó tách mùn theo phương pháp cơ học vơi nguyên tắc làm việc là dung dịch chảy qua lưới kim loại có kích thước cho trước, những hạt lớn hơn mắt sàng sẽ bị giữ lại trên sàng rung và theo chiều nghiêng của sàng thải ra ngoài, còn dung dịch lọt qua sàng thì được sử dụng tiếp. Sàng rung được lắp trực tiếp ở đầu máng dẫn dung dịch từ giếng khoan trở về. Sàng rung bao gồm một lưới thép không gỉ lắp trong một khung, khung này lắp trên các lò xo và khung rung động nhờ một trục lệch tâm. Trục này chuyển động nhờ động cơ điện. Khung lưới đặt nghiêng một góc nhất định về phía máng chứa mùn. Do lưới thép rung động nên dung dịch chảy qua sẽ bị phá vỡ cấu trúc, dung dịch lọt qua mắt lưới xuống máng dẫn, mùn khoan có kích thước lớn sẽ nằm lại trên sàng rung và theo chiều dài của lưới thép ra ngoài. Hình 4.8. Sơ đồ cấu tạo sàng dung Bảng 4.5. Các chi tiết trong sơ đồ cấu tạo sàng dung STT 1 2 3 Tên chi tiết Khung Lò xo Bộ phận rung Lưới sàng rung có nhiều loại khác nhau, thường được xác định bằng số mắt lưới trên một đơn vị chiều dài. Mắt lưới càng dày thì việc lọc mùn khoan càng tốt, tuy nhiên, lại không đảm bảo được lưu lượng. Để đảm bảo hai điều kiện này, người ta thường đưa vào sử dụng sàng rung kép nghĩa là đặt hai lưới thép song song, một lưới ở trên thưa hơn và lưới ở dưới dày hơn. Hoặc ta đặt sàng rung song song. Máng lắng Đây là thiết bị dùng để tách bớt phần chất rắn trong dung dịch đã lọt qua sàng rung. Dung dịch chảy qua máng lắng với tốc độ chậm tạo điều kiện cho mùn khoan dễ lắng đọng xuống đáy máng. Máng lắng có chiều rộng từ (600 ÷ 700) mm, chiều sâu (400 ÷ 600) mm, và chiều dài (400 ÷500) mm. Để phá huỷ cấu trúc dung dịch, tạo điều kiện cho mùn khoan dễ lắng, ta làm các vách ngăn đặt trong máng cách nhau từ (40 ÷ 60) mm. Các vách ngăn đặt cách đáy hoặc nhô cao trên thành máng từ (200 ÷ 300) mm hoặc đặt sát đáy và thấp dưới thành máng (200 ÷ 300) mm, đặt xen kẽ nhau. Trên đường máng đặt xen kẽ các hố lắng sâu, đặt xen kẽ nhau. Trên đường máng đặt xen kẽ các hố lắng sâu. Hình 4.9. Sơ đồ cấu tạo máng lắng Bảng 4.6. Các chi tiết sơ đồ cấu tạo máng lắng STT Tên chi tiết STT Tên chi tiết 1 Máy bơm 3 Hồ lắng 2 Máng lắng 4 Bể chứa Dung dịch bẩn đi qua máng lắng theo các đường gấp khúc làm tốc độ bị chậm lại, các hạt mùn có trọng lượng lớn bị lắng xuống. Khi tới tấm chắn, do tiết diện của máng bị hẹp lại, tốc độ chảy của dung dịch bị tăng lên, đập mạnh vào tấm chắn làm cho cấu trúc của dung dịch bị yếu đi, mùn khoan tách ra và sẽ lắng xuống đáy máng. Bộ lọc cát, mùn Tất cả các loại mùn khoan qua lưới sàng rung có kích thước lớn hơn 74μm, được gọi là mùn. Nếu để cát và mùn lẫn vào dung dịch sẽ làm giảm tính chất của dung dịch, làm giảm tiến độ khoan, đồng thời làm hao mòn và giảm tuổi thọ của cụm xilanh – piston cũng như của máy bơm. Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải tách cát và mùn nhằm hạn chế các tác hại của chúng. Thiết bị dùng để làm sạch dung dịch có hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay là máy xoáy lốc thuỷ lực, có cấu tạo như sau : Hình 4.10. Sơ đồ cấu tạo bộ lọc cát, mùn Bảng 4.7. Các chi tiết sơ đồ cấu tạo bộ lọc cát, mùn STT Tên chi tiết STT Tên chi tiết 1 Đường vào của dung dịch bẩn 4 Đường xa của dung dịch sạch 2 Thành máy xoáy thuỷ lực 5 Lỗ làm hẹp 3 Đường ra của cặn Nguyên lý hoạt động như sau: Dung dịch từ lỗ khoan chảy lên được bơm vào ống 1 tiếp tuyến với thành máy xoáy lốc thuỷ lực 2. Ở phần cuối của ống, người ta lắp thêm tấn kim loại 5 làm tiết diện ống kim loại 1 hẹp lại và tốc độ dòng chảy tắng lên, dẫn đến dung dịch khi đi vào thành máy xoáy lốc thuỷ lực sẽ chuyển động xoáy ốc. Do tác dụng của lực ly tâm, các phần tử nhẹ hơn sẽ văng ra xa tâm, tiếp giáp với thành nón của máy và chuyển dịch xuống dưới, chảy ra ngoài qua lỗ thoát van 3. Dung dịch sạch xoáy ngược lên theo ống dẫn 4 và đến bể chứa. Máy xoáy lốc thuỷ lực làm việc bình thường cần có áp suất (0,2 ÷ 0,5) MN/m2 tương đương (2 ÷ 5) kg/cm2. Và nó có thể lọc được những hạt mùn có kích thước nhỏ hơn 0,1 mm. Máy tách khí Dùng để xử lý dung dịch khi bị lẫn khí, tránh nguy cơ phun trào, hoả hoạn, đồng thời giảm lượng khí có lẫn trong dung dịch đi vào máy bơm gây nên hiện tượng xâm thực làm hỏng hóc các bộ phận của bơm, đặc biệt là hệ thống thuỷ lực, làm giảm hiệu suất làm việc của bơm. Máy tách khí có nhiều loại khác nhau nhưng đều làm việc theo nguyên lý: Phá vỡ cấu trúc dung dịch bằng cách trải mỏng dung dịch lên các tấm ngăn trong thùng kín, phía trên tạo chân không để cho khí tách ra khỏi dung dịch. Hình 4.11. Sơ đồ cấu tạo máy tách khí Khắc phục hiện tượng xâm thực Giảm lượng khí có trong dung dịch sau khi thanh lọc vào bơm sao cho ít nhất là một yếu tố rất quan trọng, nó quyết định lớn đến hiệu suất làm việc của bơm. Nếu lượng khí này còn lớn, nó sẽ tăng dần khi đi vào trong buồng làm việc, tạo ra các bọt khí và gây ra hiện tượng xâm thực. Để nhận biết hiện tượng xâm thực của máy bơm, ta có thể dựa vào các dấu hiệu sau: Dòng chảy tỏng máy bị gián đoạn. Gây lên tiếng động lớn và máy bị rung nhiều. Lưu lượng, cột áp và hiệu suất của máy bị giảm đột ngột. Các biện pháp khắc phục hiện tượng xâm thực: Giảm tổn thất trên đường ống hút. Chọn ống hút ngắn nhất. Giảm chiều dài ống đẩy. Tăng diện tích mặt piston, bán kính quay và số vòng quay làm việc. Giảm vận tốc của piston. Nghĩa là để khắc phục hiện tượng xâm thực thì ta phải hạn chế áp suất làm việc của chất lỏng không được nhỏ hơn hoặc bằng áp suất hơi bão hoà bằng cách thực hiện các biện pháp như: giảm lượng khí trong dung dịch, giảm sự không ổn định của dòng chất lỏng trong quá trình làm việc và giảm va đập thuỷ lực do lực quán tính gây ra. Để giảm lượng khí trên ta phải làm các công việc sau: Sử dụng thiết bị tách lọc khí sao cho lượng khí lẫn trong dung dịch còn lại trước khi vào bơm là ít nhất. Thường xuyên kiểm tra hiện tượng rò rỉ chất lỏng qua đường ống hút, đệm làm kín. Đảm bảo áp suất và nhiệt độ trong quá trình bơm không vượt quá giới hạn cho phép. Nhiệt độ hay áp suất của chất lỏng (dung dịch khoan) có ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng xâm thực vì khi nhiệt độ tăng làm cho áp suất giảm tới giá trị nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà sẽ gây ra hiện tượng xâm thực. Đặc biệt, như tôi đã trình bày ở trên, trong bơm piston luôn có sự dao động áp suất, lưu lượng của dòng chất lỏng. Để khắc phục hiện tượng dao động này nhằm hạn chế sự xuất hiện của hiện tượng xâm thực, ta có thể dùng các biện pháp sau : Dùng bình điều hoà Dùng bơm tác dụng hai chiều. Dùng bơm ghép: dùng bơm có từ 3 xylanh trở lên hoặc dùng các bơm piston có chuyển động quay: bơm rôto hướng trục, bơm rôto hướng kính. Để hạn chế nguyên nhân gây ra hiện tượng xâm thực do lực quán tính của dòng chất lỏng bằng cách lắp đặt bơm sao cho có chiều cao ống hút, ống đẩy hợp lý: Giảm chiều dài ống đẩy (giảm các đoạn nằm ngang của ống đảy), tăng diện tích mặt cắt ống đẩy, giảm diện tích mặt piston, tăng số vòng quay. Quá trình hút: qua tính toán người ta quy định: Đường kính ống hút tối thiểu là 200 mm. Chiều cao ống hút là 1,5m đối với xylanh có đường kính trong 200 mm, là 2,2 m đối với xylanh có đường kính trong 130 mm. 4.3. Một số biện pháp phục hồi khả năng làm việc của cụm xilanh – piston Cụm xilanh – piston trong máy bơm dung dịch khoan là cụm chi tiết có tính lắp lẫn rất cao, được sản xuất theo từng bộ ứng với các yêu cầu về lưu lượng, áp suất khác nhau trong quá trình khoan. Trong xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro thường thì khi xilanh – piston bị hỏng người ta sẽ thay mới. Tuy nhiên đối với trường hợp nhằm đảm bảo tiến độ sản xuất hoặc độ mòn của chi tiết chưa vượt quá giới hạn cho phép, việc phục hồi lại khả năng làm việc của các chi tiết này vẫn được áp dụng. 4.3.1. Xác định hiện tượng, tình trạng, mức độ hư hỏng của chi tiết Sau khi tháo cụm xilanh – piston ra và quan sát thấy: Bề mặt của xilanh bị xước, rỗ, đường kính trong và ngoài của xilanh bị thay đổi, lỗ xilanh bị ôvan. Hai mặt đầu piston bị rỗ, thủng. Bề mặt tiếp xúc với xilanh bị xước, kích thước giảm, rách vòng cao su làm kín của piston, khe hở lắp ghép giữa piston và ty piston tăng. Nguyên nhân chính là do các hạt rắn và các chất ăn mòn hoá học có chứa trong dung dịch khoan, đồng thời cũng do hiện tượng xâm thực và do va đập, quá trình lắp ráp, bảo dưỡng, … Dựa vào kích thước chế tạo của chi tiết và kích thước hiện tại của chi tiết, ta có thể đánh giá được mức độ và khả năng làm việc còn lại của chi tiết, để có biện pháp xử lý (còn dùng được, phải sửa hay loại bỏ). Chi tiết còn dùng được là chi tiết chưa mòn hoặc độ mòn rất nhỏ nằm trong giới hạn cho phép, không ảnh hưởng đến yêu cầu kỹ thuật của mối ghép và tình trạng làm việc của máy. Chi tiết không dùng được là những chi tiết đã mòn quá giới hạn cho phép, không đảm bảo yêu cầu của mối ghép, không có khả năng sửa chữa phục hồi, hoặc những chi tiết có thể phục hồi được nhưng giá thành sửa chữa lớn hơn giá mua mới. Chi tiết mòn còn sửa chữa được để phục hồi khả năng làm việc của nó là chi tiết có độ mòn đạt đến giới hạn, có thể sửa chữa để dùng lại, giá thành sửa chữa không cao. Đối với bộ truyền xilanh – piston, người ta chủ yếu đi vào sửa chữa, phục hồi khả năng làm việc xilanh, còn với piston thì thường được thay bằng chi tiết mới. 4.3.2. Lựa chọn phương pháp phục hồi Quá trình sửa chữa phục hồi xilanh là việc đắp kim loại vào chỗ xilanh bị mòn và gia công lại bề mặt của nó đến khi đạt được kích thước tiêu chuẩn hoặc tiện đi để đạt cấp đường kính lớn hơn. Để phục hồi xilanh bị mòn thì ta sử dụng hai phương pháp sau: Bổ xung kim loại vào vị trí mòn nhờ vật bổ sung (bằng phương pháp hàn, phun kim loại, mạ kim loại, đắp vật liệu polyme, gia công hoá học) hoặc nhờ vật liệu chi tiết (biến dạng dẻo). Loại trừ hệ thống mòn cũ và sử dụng kích thước sửa chữa. Nhưng sử dụng phương pháp nào thì nó cũng phải thoả mãn các yêu cầu sau: Phục hồi khả năng làm việc của xilanh, không gây hư hỏng gì thêm. Đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu kỹ thuật của xilanh. Phù hợp với trang thiết bị gia công của cơ sở hiện có. Đáp ứng kịp thời yêu cầu thời gian của sản xuất. Đạt được thời gian phục hồi lâu nhất. Đảm bảo hiệu quả kinh tế cao (giá thành sửa chữa nhỏ hơn giá thành mua chi tiết mới). Để sửa chữa phục hồi lại khả năng làm việc của xilanh thì ta phải áp dụng các biện pháp sau: Với bề mặt trong của xilanh: để phục hồi lại khả năng làm việc của bề mặt này thì hiệu quả nhất là áp dụng phương pháp mạ Crôm vào vị trí ăn mòn để chống ăn mòn, tăng độ cứng, độ chịu mài mòn. Sau đó, gia công lại bằng phương pháp tiện tinh. Với bề mặt ngoài của xilanh: đây là bề mặt ít bị mòn hỏng nhất của xilanh. Để sửa chữa phục hồi lại khả năng làm việc của bề mặt này thì ta có thể sử dụng một trong ba phương pháp là mạ, hàn đắp, phun kim loại. 4.3.3. Xác định chiều dày lớp đắp Để đảm bảo quá trình sửa chữa đúng kỹ thuật, mang lại hiệu quả cao, trước khi tiến hành các biện pháp sửa chữa thì cần phải xác đinh chiều dày của lớp đắp thêm là bao nhiêu để tránh bị thiếu hụt kích thước cũng như tránh bị lãng phí về thời gian và vật tư. Trước hết, cần loại trừ sai số hình dáng của xilanh, gia công cắt gọt xilanh bằng các máy cắt kim loại, đảm bảo đúng hình dáng ban đầu của xilanh. Đây là điều kiện bắt buộc phải làm vì các lý do sau: Đảm bảo chiều dày lớp kim loại đắp sau khi gia công là đều, tránh tình trạng chỗ mỏng, chỗ dày, tạo độ bền không đều trên bề mặt chi tiết hoặc phân bố kim loại không đồng đều. Đảm bảo tính chất cơ lý trên bề mặt đồng đều. Chiều dày lớp đắp được tính bằng chiều dày lớp kim loại thiếu hụt do cắt bỏ phần mòn, cộng với chiều dày lượng dư gia công. Trên cơ sở chiều dày lớp đắp đã xác định được, ta tính lượng vật tư cần thiết và thời gian để đắp đủ kích thước yêu cầu. Giả sử trục piston và lỗ xilanh có kích thước danh nghĩa là d và D. sau khi bị mòn nó được cắt bỏ phần mòn đến kích thước dm, Dm. Chiều dày lớp kim loại đắp trên trục piston được xác định: ε (4.3) Chiều dày lớp kim loại đắp trên lỗ xilanh được xác định: ε (4.4) Trong đó: ε là lượng dư gia công, mm. 4.3.4. Các biện pháp sửa chữa 4.3.4.1. Mạ kim loại vào bề mặt của xilanh Phương pháp mạ nhằm phục hồi lại kích thước hình học ban đầu của các chi tiết trong cụm xilanh – piston, để đảm bảo các tính năng kỹ thuật của nó trong quá trình làm việc. Ta sử dụng phương pháp mạ Crôm vào bề mặt trong và ngoài của xilanh. 1. Chuẩn bị bề mặt mạ: Làm sạch chi tiết khỏi dầu, gỉ, vết bẩn. Gia công cơ để đưa hình dạng, bề mặt chi tiết về hình dạng đúng. Kiểm tra các kích thước, xác định thời gian mạ cần thiết. Cách điện bề mặt không cần mạ (nếu có) bằng vải cách điện hoặc sơn cách điện. Xâm thực bề mặt mạ bằng các phương pháp: Phương pháp hoá học: Dùng dung dịch có thành phần: Na3O4 (40 ÷ 50) g + NaOH (10 ÷ 12) g + Na2SiO3 (25 ÷ 35) g, cho 1 lít dung dịch. Thả chi tiết vào và đun nóng đến nhiệt độ (60 ÷ 70) oC trong vòng từ (3 ÷ 5) phút. Phương pháp điện hoá học: Dùng dung dịch có thành phần: NaOH (30 ÷ 35) g + Na2CO3 (50÷70) g + Na2SiO3 (2 ÷ 3) g, cho 1 lít dung dịch. Chi tiết đóng vai trò là anốt, dùng dòng điện một chiều có mật độ dòng DK = (6 ÷ 10) KA/m2, to = ( 60 ÷ 70) oC đun nóng trong thời gian (5 ÷ 6) phút, sau đó đảo cực và giữ trong (1 ÷ 2) phút. Xâm thực ngay trong bể điện phân: Dùng dòng điện một chiều có mật độ dòng DK = (0,8 ÷ 1,2) KA/m2, nhiệt độ dung dịch = (60 ÷ 70) oC trong thời gian (1 ÷ 2) phút. Đây là phương pháp duy nhất cho bề mặt dung dịch sạch hoàn toàn. Lưu ý: Bề mặt mạ cần được làm sạch, bề mặt không cần mạ được bọc kín cách điện. Công việc này có tính chất quyết định khả năng bám của kim loại mạ vào bề mặt chi tiết. Đối với dung dịch mạ thì ta thường sử dụng hỗn hợp: H2SO4 + CrO3 + H2O (với tỉ lệ: H2SO4/ CrO3 = 1/100). Sự thay đổi của nồng độ dung dịch mạ sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính chất của lớp mạ. Ta có thể thấy được điều này qua bảng sau: CrO3 (g/lít) H2SO4 (g/lít) Tính chất lớp mạ 150 1,5 Cứng, chống ăn mòn 200 ÷ 250 2 ÷ 2,5 Trang trí, chống ăn mòn 300 ÷ 400 1,5 Trang trí Lưu ý: Nồng độ thấp, tốc độ bám chậm, năng suất thấp nhưng khả năng bám chắc. Ngược lại, nồng độ cao, tốc độ bám tăng, năng suất cao song khả năng bám kém. Vì vậy, ta có thể căn cứ vào bảng này để chọn nồng độ dung dịch mạ cho thích hợp với từng bề mặt chi tiết. 2. Nguyên lý quá trình mạ Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý quá trình mạ Bảng 4.8. Các chi tiết sơ đồ nguyên lý quá trình mạ STT Tên chi tiết STT Tên chi tiết 1 Chi tiết (catốt) 4 trong của bể mạ 2 Điện cực không tan (anốt) 5 Nươc (dầu) đun nóng 3 Dung dịch điện phân 6 Vỏ ngoài bằng thép Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường gây ra bởi các bản cực 1 (anốt) và 2 (catốt), các ion dương trong dung dịch điện phân sẽ đến bám vào bề mặt catốt (cực âm) và các ion âm sẽ đến bám vào bề mặt anốt (cực dương). Trên catốt, các ion dương nhận thêm điện tử để trở thành các nguyên tử trung hoà về điện, giải phóng hydro ra khỏ dung dịch. Các nguyên tử kim loại này sẽ bị giữ lại trên bề mặt catốt tạo nên một lớp kim loại, phủ lên bề mặt chi tiết. Theo lý thuyết, lượng kim loại bám trên chi tiết tỉ lệ với cường độ dòng điện và thời gian điện phân: m = C.I.t (4.5) Trong đó: m: khối lượng kim loại bám trên bề mặt chi tiết, g. i: cường độ dòng điện, A t: thời gian điên phân, h C: đương lượng điện hoá, g/A.h. Với Crôm: C=0,33235 (g/A.h). Nhưng trong quá trình mạ, ta thường sử dụng điện cực không tan (anốt làm bằng hợp kim chì – Ăngtimoan để không bị tan vào dung dịch mạ, ảnh hưởng đến nồng độ của dung dịch), nên sẽ có hiện tượng hoà tan trở lại kim loại mạ vào dung dịch, làm cho giảm lượng kim loại bám trên bề mặt chi tiết. Do vậy, chiều dày lớp kim loại bám trên bê mặt chi tiết trên thực tế ít hơn và được tính theo công thức : , mm (4.6) Trong đó: h: chiều dày lớp đắp, mm. DK: Mật độ dòng điện, , A/dm2. S: Diện tích catốt, m2. s: Khối lượng riêng kim loại mạ, g/cm3. α: Lượng hoà tan kim loại trở lại dung dịch, với Crôm: α = (10 ÷ 13) %. 3. Lựa chọn các thông số cần thiết Mật độ dòng điện mạ DK = (15 ÷ 100) A/dm2. Để cho lớp mạ chịu mài mòn, cứng thì chọn DK = (50 ÷ 70) A/dm2. Điện áp mạ: Um = (6 ÷ 9) V. Nhiệt độ dung dịch điện phân trong khoảng: to = (35 ÷ 70) oC, hay dùng nhất là to = (57oC 1) oC. Thời gian mạ: ,h (4.7) Trong đó: h: chiều dày lớp đắp, mm. ρ: Khối lượng riêng của Crôm, ρ = 6,92 g/cm3. h: Chiều dày lớp kim loại bám trên bề mặt chi tiết, mm. C: Đương lượng điện hoá, C = 0,3235 g/A.h. α: Lượng hoà tan kim loại từ catốt vào dung dịch, α = (13 ÷ 15) %. Vị trí đặt chi tiết trong bể mạ: Chi tiết phải được ngập hoàn toàn trong bể mạ, phía trên cách mặt thoáng (50 ÷ 100) mm, phía dưới cách mặt đáy (50 ÷ 100) mm. Chiều sâu nhúng anốt và catốt trong dung dịch phải đều nhau để nhận được lớp kim loại mạ đều. Khoảng cách từ anốt đến catốt: Khoảng cách này là (100 ÷ 200) mm, nếu khoảng cách gần quá thì lớp mạ sẽ bị xốp, nên khoảng cách thích hợp nhất là 150 mm. Tỷ số giữa diện tích bề mặt anốt SA và diện tích bề mặt catốt SK: (4.8) Ngoài ra, ta lưu ý rằng khi có sự thay đổi về nhiệt độ dung dịch và mật độ dòng điện sẽ làm cho kim loại mạ có tính chất khác nhau, điều này được thể hiện qua bảng: Dk, (A/dm2) t, (oC) Tính chất lớp mạ 50 ÷ 70 45 ÷ 50 Độ cứng cao, dòn, lớp mạ màu xám. 50 50 ÷ 55 Độ cứng cao, dòn, có tính chống mòn, lớp mạ màu sáng chói. 20 ÷ 30 60 ÷ 70 Dẻo, thích hợp điều kiện làm việc với tải trọng đổi dấu, lớp mạ màu sữa. 4. Gia công sau khi mạ Sau khi mạ, chi tiết được rửa trong bể khử dầu và trung hoà axít với nồng độ: NaOH (20 ÷ 30) g/l + Na2SiO3 (10 ÷ 20) g/l + Na2CO3 (25 ÷ 30) g/l, ở nhiệt độ (60 ÷ 70) oC, trong khoảng thời gian (3 ÷ 4) phút. Sau đó đưa đi gia công cơ khí, ta sử dụng nguyên công tiện tinh. Đối với bề mặt ngoài của xylanh có thể sử dụng nguyên công mài tinh, nhưng bề mặt lỗ A không được sử dụng phương pháp mài tinh vì nó có thể để lại các hạt mài sót lại trên chi tiết sau khi gia công xong. 4.3.4.2. Hàn đắp bề mặt ngoài của xilanh bằng phương pháp hàn đắp dao động Hàn là một trong những phương pháp sửa chữa chi tiết phổ biến nhất, nó gồm ba dạng sau: Hàn nối: áp dụng đối với các chi tiết gãy, vỡ hoặc sửa chữa thay thế các thanh trong hệ thống khung, giá, dầm, giàn, bệ máy. Hàn đắp: bổ xung thêm một lượng kim loại cần thiết cho các chỗ mòn, sứt, nứt của chi tiết, hoặc đắp thêm kim loại khi cân bằng chi tiết chuyển động quay. Hàn lấp: lấp kín các lỗ, các khe rãnh của chi tiết, để tăng thêm tiết diện chịu lực khi phải gia công các lỗ hoặc rãnh trên vị trí khác nhau của chi tiết. Như vậy, đối với sự mòn của bề mặt ngoài xilanh thì ta có thể sử dụng phương pháp hàn đắp dao động để phục hồi khả năng làm việc của nó. Đây là phương pháp hàn đắp được thực hiện trên máy và có luồng chất lỏng bảo vệ, làm mát vùng hàn, nên sẽ tránh được tác dụng của Oxi và Nitơ. Phương pháp hàn có thể đắp thêm một lớp kim loại dày từ (0,8 ÷ 2,5) mm vào chỗ mòn của bề mặt ngoài của xilanh mà không làm xilanh bị cong vênh. Đặc biệt do chiều sâu lớp bề mặt bị lung nóng ít, chỉ đạt (0,1 ÷ 2) mm, nhiệt độ xilanh trong quá trình hàn từ (40 ÷ 80) oC, nên tính chất lý hoá và thành phần hoá học của vật liệu xilanh tương đối ổn định. Ngoài ra, lượng kim loại hao phí của phương pháp hàn này thấp, chất lượng lớp kim loại hàn cao khi dùng nguồn điện ngược chiều và đấu ngược. Lưu ý: Trước khi tiến hành hàn đắp kim loại vào bề mặt ngoài của xilanh thì ta phải làm sạch bề mặt này khỏi bụi bẩn, các tạp chất hoá học bám lên nó và loại bỏ hết lớp chiều sau gỉ đến tận cùng lớp kim loại cơ sở của xilanh. 1. Sơ đồ nguyên lý của quá trình hàn đắp dao động Hình 4.13. Sơ đồ nguyên lý của quá trình hàn đắp dao động Bảng 4.9. Các chi tiết trong sơ đồ nguyên lý quá trình hàn đắp dao động STT Tên chi tiết STT Tên chi tiết 1 Chi tiết 5 Bộ dẫn động dây hàn 2 Dây hàn 6 Vòi tưới làm mát 3 Bộ dao động 7 Bơm nước 4 Nam châm điên 8 Thùng nước Chi tiết phục hồi sửa chữa (1) được lắp trên mâm cặp của máy tiện và được dẫn động quay. Bộ dao động (3) gắn trên bàn xe dao và chuyển động dọc theo trục của chi tiết, dây hàn (2) được nối với cực dương của dòng điện không đổi có điện áp từ (14 ÷ 24) V. Dưới tác dụng lực hút của nam châm điện (4), bộ dao động (3) và sợi dây hàn (2) sẽ dao động với biên độ từ (1 ÷ 3) mm, tần số (50 ÷ 100) lần dao động/giây. Khi sợi dây hàn (2) chạm vào chi tiết (1) rồi tách ra, nó phóng điện tạo hồ quang, dây hàn (2) bị nóng chảy và phủ một lớp kim loại lỏng trên bề mặt chi tiết. Tốc độ quay của chi tiết n = (0,5 ÷ 20) vòng/phút, bàn xe dao (đầu hàn) di chuyển từ (1 ÷ 3) mm/vòng. Độ bóng và chất lượng của lớp đắp sẽ giảm khi hàn đắp nhiều lớp. Vì vậy, sau khi hàn đắp lớp thứ (2) hoặc thứ (3), ta lên gia công (tiện) đạt độ bóng cần thiết, sau đó lại tiếp tục hàn đắp. Để nâng cao năng suất hàn, ta có thể sử dụng hai que hàn, dao động của hai que hàn này lệch nhau một góc 180o. Lưu ý: khi đắp đủ chiều dày kích thước ban đầu của xilanh thì ta cần phải đắp thêm một lượng dư gia công. Lượng dư gia công lấy từ (0,6 ÷ 1,2) mm. 2. Lựa chọn các thông số cần thiết Dây hàn và chế độ hàn Nếu ta chọn vật liệu dây hàn có hàm lương cácbon nhiều thì lớp kim loại đắp sẽ có độ cứng cao, tuy nhiên nó cũng dễ nứt và độ bền mỏi giảm. Vì vậy, ta chọn dây hàn có ký hiệu Y7 hoặc Y8 có độ cứng (25 ÷ 65) HRC, hàm lượng cácbon < 0,4%. Đường kính dây hàn Đường kính dây hàn được lựa chọn tuỳ thuộc vào chiều dày lớp đắp và công suất máy hàn. Giả sử, chiều dày lớp đắp là h, đường kính dây hàn là dd thì: Nếu h < 1 mm, thì chọn dd = (1 ÷ 1,6) mm. Nếu h = (1 ÷ 2) mm, thì chọn dd = (1,5 ÷ 2,5) mm. Nếu h > 2 mm, thì chọn dd = (2 ÷ 2,5) mm. Với quá trình hàn đắp này thì ta chọn chiều dày lớp đắp h = (1 ÷ 2) mm và đường kính dây hàn dd = 1,5 mm. Lưu ý: Trong quá trình hàn, sợi dây hàn luôn được đưa xống để chạm vào xilanh tạo hồ quang. Đây là một việc hết sức quan trọng, nếu tốc độ dây đi xuống lớn, đầu que hàn bị đốt cháy nhanh, tạo thành cục kim loại lớn, chưa kịp nóng chảy hoàn toàn đã bị rơi vào vùng hàn, làm chất lượng lớp đắp kém. Nếu tốc độ dây đi xuống nhỏ, lớp đắp không kịp điền đầy, có khả năng tạo thành lỗ rỗng trong lớp đắp, cũng giảm chất lượng lớp đắp. Vì vậy, khi dd = (1,5 ÷ 2,5) mm, nếu điện áp hàn U ≤ 15 V thì chọn vận tốc dẫn sợi dây Vd = (35 ÷ 40) m/h, nếu U > 15 V thì chọn Vd = (45 ÷ 100) m/h. Vận tốc đắp được tính: (4.9) Trong đó: dd: đường kính dây hàn, mm. Vd: vận tốc sợi dẫn dây, m/h. h: chiều cao lớp kim loại đắp, mm. S: bước đắp, mm/vòng. a: hệ số kể đến sự sai lệch que hàn trong kim loại đắp, η = (0,8 ÷ 0,9) Dung dịch làm mát Thành phần dung dịch làm mát gồm: (50 ÷ 60) g/lít Ca(OH)2, (10 ÷ 15) g/lít dầu công nghiệp 30 hoặc dầu công nghiệp 45 tính cho một lít nước. Lưu ý: Dung dịch làm mát không nên tưới trực tiếp vào vị trí hàn đắp (vị trí ngọn lửa hồ quang), vì nó dễ làm ngọn lửa hồ quang kém ổn định và gây biến dạng, nứt lớp kim loại đắp. Khoảng cách từ vòi tưới đến ngọn lửa hồ quang chọn từ (15 ÷ 35) mm và cần tạo nhiều tia nhỏ xung quanh vùng hàn để tránh phá vỡ sự ổn định của quá trình. 3. Gia công sau khi hàn Sau khi hàn đắp, ta có thể dùng phương pháp tiện hoặc mài để đạt kích thước tiêu chuẩn và độ bóng yêu cầu. 4.3.4.3. Phục hồi bề mặt ngoài của xilanh bằng phương pháp phun kim loại 1. Đặc điểm và nguyên lý của phương pháp phun kim loại Đặc điểm: Phun kim loại là quá trình phân chia kim loại nóng chảy thành những hạt nhỏ bởi luồng khí nén và phủ lên lớp bề mặt đã chuẩn bị sạch của xilanh cần phun. Các hạt kim loại do khí nén tách ra có kích thước rất nhỏ, có thể trong khoảng (3 ÷ 300) μm. Lớp kim loại có chiều dày từ (0,3 ÷ 10) mm hoặc cao hơn nữa. Sự liên kết giữa kim loại phun và kim loại chế tạo xilanh là do lực cơ học, các hạt kim loại bám vào bề mặt xilanh nhờ sức căng bề mặt của giọt kim loại lỏng và do sự có ngót của kim loại khi nguội. Lớp kim loại phun có cấu trúc hạt không đồng nhất về kích thước, hình dáng và thành phần, nó phụ thuộc vào điều kiện tách nhỏ hạt và tính chất lý hoá của kim loại phun. Bề mặt ngoài của xilanh sau khi được sửa chữa mòn bằng phương pháp phun kim loại sẽ có độ cứng và độ chống mòn cao, làm tăng khả năng làm việc của nó. Sơ đồ nguyên lý phun kim loại bằng hồ quang điện Hình 4.14. Sơ đồ nguyên lý phun kim loại Hai sợi dây kim loại được gắn bó với hai cực của nguồn điện và được cơ cấu dẫn động đẩy qua đầu phun tới miệng phun tạo hồ quang điện, làm sợi dây kim loại bị đốt nóng chảy. Luồng khí có áp suất lớn (0,5 ÷ 0,6) MN/m2, thổi qua ống dẫn tới vùng kim loại nóng chảy, sẽ tách chúng ra thành các hạt nhỏ, có kích thước hạt từ (100 ÷ 300) μm và chuyển động với vận tốc (100 ÷ 200) m/s, tới đập vào bề mặt chi tiết để tạo thành lớp kim loại phủ. Khi phun đắp bề mặt ngoài của xilanh thì cả đầu phun và xilanh cùng chuyển động, đầu phun chuyển động tịnh tiến, xilanh chuyển động quay tròn (chi tiết được gá trên máy tiện ren vít). 2. Chuẩn bị bề mặt phun Làm sạch dầu, gỉ bám trên bề mặt ngoài của chi tiết. Gia công tạo nhám bề mặt ngoài của xilanh để tăng liên kết giữa kim loại phun và kim loại xilanh. Các phương pháp tạo nhám hay được sử dụng : Cắt ren với bước ren S = (0,8 ÷ 1,2) mm. Lăn vân với chiều sâu rãnh (0,4 ÷ 0,6) mm, góc ở đỉnh 30o. Phun bi với bi có đường kính (0,8 ÷ 1,2) mm, áp lực khí nén khi phun là (0,4 ÷ 0,6) MN/m2, góc phun nghiêng 30o so với phương ngang. Cách ly phần xilanh không cần phun. Lưu ý: Ta phải làm sạch và tạo nhám tốt bề mặt ngoài của xilanh cần phun thì sẽ tăng được độ bền bám của lớp kim loại phủ lên rất nhiều. 3. Thiết bị dùng cho công nghệ phun Đầu phun: là thiết bị nấu nóng chảy sợi dây kim loại và dùng luồng khí nén tách kim loại nóng chảy thành các hạt nhỏ. Tuỳ theo năng lượng đốt chảy kim loại mà ta có các phương pháp phun: điện, khí, cao tần, plasma. Nhưng người ta thường sử dụng phương pháp phun kim loại bằng điện vì đây là phương pháp rẻ, thiết bị đơn giản, điều khiển thuận tiện, năng suất cao, tạo được độ cứng kim loại phủ lớn và đặc biệt nó phù hợp với điều kiện kỹ thuật ở nước ta. Máy hạ thế: dùng để hạ điện áp, nhằm nâng cao độ an toàn khi vận hành. Máy tiển ren vít: dùng để phun phủ bề mặt tròn trong hoặc tròn ngoài, chi tiết quay với tốc độ n = 60 vòng/phút, còn đầu phun di chuyển tịnh tiến với tốc độ v = 7 mm/vòng. Ngoài ra, máy này còn được dùng để gia công tạo nhám bề mặt. Máy phun bi hoặc phun cát: để làm sạch bề mặt chi tiết trước khi phun. Máy nén khí: tạo ra khí nén thổi kim loại nóng chảy trong quá trình phun và cũng có thể dùng để phun cát, phun bi làm sạch bề mặt chi tiết. Lưu lượng khí nén tối thiểu là 1,7 m3/phút. 4. Lựa chọn các thông số cần thiết Sợi dây: Vật liệu của dây phụ thuộc vào lớp kim loại phủ, có thể là thép, đồng, đồng thau, nhôm. Ở đây ta chọn thép có đường kính d = 1,5 mm. Để sợi dây nhẵn bóng, dẻo thì cần nung tới (800 ÷ 850) oC, sau đó làm nguội chậm cùng với lò. Tốc độ dẫn sợi dây: Tốc độ đẩy dây dẫn tạo hồ quang càng lớn thì thời gian đoản mạch càng tăng và tạo ra các phân tử kim loại có kích thước hạt càng lớn. Vì vậy, ở đây ta chọn tốc độ dẫn sợi dây Vd =1 m/phút, kích thước hạt loại (10 ÷ 300) μm, tốc độ chuyển động của hạt kim loại 200 m/s. Cường độ dòng điện: , A (4.10) Trong đó: I: cường độ dòng điên, A. d: đường kính sợi dây, cm/phút. C và n: hệ số phun, phụ thuộc vào vật liệu phun. Với thép: C = 1 và n = 3,5. Thường khi dùng dòng điện xoay chiều thì chọn I = (110 ÷ 250) A, khi dòng điện một chiều thì chọn I = (55 ÷ 160) A. Điện áp phun: U = 30 V. Áp lực khí nén: Áp lực khí nén càng lớn càng làm tăng khả năng cháy hồ quang và có tác dụng xé nhỏ các hạt kim loại nóng chảy. Trị số áp lực tối ưu của khí nén là (0,5 ÷ 0,6) MN/m2. Khoảng cách từ đầu phun tới bề mặt ngoài của xilanh: Nếu khoảng cách này lớn quá sẽ làm giảm nhiệt độ và tính dẻo của các phần tử kim loại, làm tăng sự oxi hoá của chúng. Vì vậy, ta thường chọn khoảng cách từ đầu phun tới bề mặt ngoài của xilanh là 100 mm. Tốc độ di chuyển đầu phun: n = 5 mm/vòng. Tốc độ quay của chi tiết: từ (10 ÷ 15) vòng/phút. Thời gian cơ bản để phun, được tính theo công thức sau: (4.11) Trong đó: l: chiều dài lớp phun, mm. h: chiều cao lớp phun, mm. D: đường kính chi tiết, mm. γ: khối lượng riêng của kim loại phun, g/cm3. q: năng suất máy phun, kg/h. K: hệ số bám, K = (0,5 ÷ 0,8). 5. Gia công chi tiết sau khi phun Sau khi phun, bề mặt ngoài của xilanh cần được gia công lại nhằn đạt kích thước và độ bóng yêu cầu trên bề mặt lớp phun của xilanh. Trước hết, để cho kim loại đông cứng, sau đó, nung chi tiết trong bể dầu nóng (100 ÷ 150) oC trong (1,5 ÷ 2) giờ, để khử ứng suất dư. Nên dùng phương pháp gia công cơ khí là tiện để tận dụng máy tiện ren vít có sẵn, dao tiện có thể chọn loại có gắn hợp kim cứng như T15k6, BK3, BK6, ... Lưu ý, cần loại bỏ các mép bavia để tránh tạo lực đột ngột làm tróc, vỡ, đứt lớp kim loại phủ. Lớp đắp được coi là đạt yêu cầu nếu trong quá trình gia công không thấy vết tróc, nứt, không thấy biến màu, và như vậy nó mới có thể đem sử dụng bình thường. KẾT LUẬN Trong công tác khoan dầu khí ở Xí nghiệp Liên doanh Dầu khí Vietsopertro, loại máy bơm dung dịch khoan YHБ – 600 vẫn được sử dụng chủ yếu và có hiệu quả tại các giàn cố định. Trong quá trình sử dụng, các cụm thiết bị, các chi tiết trong bơm hay bị mòn hỏng. Để quá trình sản xuất được liên tục, hiệu quả thì việc tìm ra các dạng hỏng và nguyên nhân gây hỏng là rất cần thiết. Đề tài này em đã trình bày một cách tổng quan về cấu tạo, đặc điểm và một số dạng mòn hỏng của máy bơm dung dịch khoan YHБ – 600, đồng thời cũng trình bày các biện pháp khắc phục để đảm bảo độ bền và hiệu quả sử dụng của bơm. Sau thời gian thực tập ở Vietsopetro và thực hiện đề tài này, em đã củng cố thêm những kiến thức đã học cũng như bước đầu làm quen được với những kiến thức về thực tế sản xuất. Đây là bước đầu quan trọng cho việc định hướng và phát triển khả năng nghiên cứu khoa học trong tương lai. Qua đây, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: Ths Nguyễn Văn Giáp, các thầy giáo bộ môn Thiết Bị Dầu Khí, Bộ môn Khoan – khai thai thác và các bộ môn thuộc Xí nghiệp Liên doanh Dầu khí Vietsopertro đã giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian thực hiện đồ án. Hà nội, ngày 30 tháng 5 năm 2010 Sinh viên Ngô Quang Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. TS Nguyễn Văn Giáp: “Thiết bị khoan thăm dò”, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, năm 2002. [2]. TS trần Đình Kiên: “Dung dịch khoan và vữa chám”, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, năm 2002. [3]. Vũ Thế Sự: “Công nghệ sửa chữa máy và thiết bị mỏ”, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, năm 2008. [4]. PGS-TS Lê Văn Tiến “Kỹ thuật công nghệ cơ khí”, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, năm 1993. [5]. TS Trần Đình Kiên: “Dung dịch khoan và vữa chám”, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, năm 2002. [6]. GVC Trần Văn Bản: “Thiết bị khoan – khai thác dầu khí”. [7]. ThS Trần Ngọc Minh: Bài giảng “Máy thuỷ khí”.