Công nghệ chế tạo bơm ly tâm đầu tiên tại Việt Nam ứng dụng trong giàn khoan dầu khí
“Nghiên cứu thiết kế công nghệ và chế tạo bơm ly tâm trục đứng lưu lượng đến 130m3/h, cột nước 64m, vòng quay 3600vg/ph dùng cho giàn khoan dầu khí”. Đây là đề tài nghiên cứu khoa học thuộc chương trình “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ năng lượng”. Đề tài đã góp phần rất lớn trong việc giải quyết tình trạng hiện nay ở nước ta chưa có đơn vị nào có thể nghiên cứu chế tạo được loại bơm làm mát trên. Đồng thời đề tài cũng mở ra con đường mới cho ngành cơ khí chế tạo trong nước và cung cấp thiết bị cho ngành Dầu khí.
Ảnh 1. Bánh quay đúc bằng hợp kim đồng - chì.
Nghiên cứu dựa trên nhu cầu thực tế
Việt Nam có tiềm năng dầu khí dồi dào với trữ lượng khoảng 700 tỷ mét khối, nằm chủ yếu ở khu vực phía Nam và rải rác trong vùng biển khu vực miền Trung. Để có thể thăm dò và khai thác được nguồn tài nguyên này không còn cách nào khác ngoài việc sử dụng các giàn khoan để thuận tiện khai thác ngoài khơi. Theo khảo sát, trên các giàn khoan dầu khí tại các mỏ: Đại Hùng, Bạch Hổ... ở đây đều phải sử dụng hàng chục hệ thống bơm nước biển các loại có công suất đến 350m3/h mà trong đó phần lớn là các loại bơm làm mát lưu lượng 130m3/h phục vụ làm mát cho hệ thống máy phát điện, khí nén và đưa nước biển vào hệ thống lọc nước ngọt phục vụ sinh hoạt cho công nhân trên giàn.
Thực tế cho thấy, tất cả các thiết bị bơm dùng trong khai thác trên biển nước ta đều phải nhập ngoại từ các nước có trình độ công nghệ và chế tạo máy bơm cao như Mỹ, Anh, Nhật… với giá thành tương đối cao và phải tốn nhiều thời gian chờ đợi thiết bị chuyển về. Tuy nhiên với chi phí đầu tư cao như vậy nhưng khi các thiết bị bơm đó được đưa vào sử dụng lại gặp phải tình trạng điều kiện làm việc khắc nghiệt nên tuổi thọ của thiết bị rất thấp. Chỉ sau từ 4 - 6 tháng vận hành, hiệu suất bơm giảm đi rất nhiều do cánh bơm bị ăn mòn, tối đa chỉ sử dụng được từ 1,5 đến 2 năm là phải thay thế thiết bị mới. Ở góc độ các đơn vị sử dụng của Việt Nam cũng rất mong muốn tìm được nguồn cung ứng thiết bị trong nước để chủ động hơn trong việc thay thế cũng như sửa chữa khắc phục các sự cố thường xuyên xảy ra.
Nắm bắt được tình hình trên, Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM) đã phối hợp với Công ty Cổ phần Chế tạo Bơm Hải Dương (HPMC) mạnh dạn tiến hành đề xuất đề tài “Nghiên cứu thiết kế công nghệ và chế tạo bơm ly tâm trục đứng lưu lượng đến 130m3/h, cột nước 64m, vòng quay 3600vg/ph dùng cho giàn khoan dầu khí” lên Bộ KH&CN và đã được phê duyệt triển khai.
KS. Đoàn Văn Quý, chủ nhiệm đề tài cho biết: Khó khăn mà nhóm tác giả gặp phải trong quá trình thực hiện đề tài là gặp phải rào cản về tâm lý người sử dụng. Từ trước đến nay, các đơn vị sản xuất thường quen sử dụng thiết bị của các hãng nổi tiếng trên thế giới với chất lượng sản phẩm đã được khẳng định; thứ hai là về tiêu chí kỹ thuật, các sản phẩm phục vụ cho ngành dầu khí đều có yêu cầu kỹ thuật rất cao so với cho các ngành công nghiệp khác. Ngoài các tiêu chí về độ an toàn, độ tin cậy, tuổi thọ sản phẩm thì các sản phẩm cho ngành dầu khí còn phải đáp ứng các yêu cầu về kích thước khối lượng nhỏ gọn, dễ vận chuyển, dễ tháo lắp, các yêu cầu về chống ăn mòn trong môi trường biển, môi trường hóa chất, các yêu cầu về phòng chống cháy nổ…; và cuối cùng là các yêu cầu về chứng chỉ chứng nhận. Sản phẩm muốn được lắp đặt ở các công trình dầu khí, ngoài yêu cầu cơ bản phải có chứng nhận đăng kiểm quốc tế ở các hãng tên tuổi như Lloyd, DNV… Trong khi đó, ở Việt Nam hiện nay việc thiết lập hệ thống các chứng chỉ, chứng nhận cho sản phẩm ứng dụng nghiên cứu khoa học vẫn còn là một điểm yếu.
Những điểm nhấn về nội dung nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tổ hợp bơm làm mát 130m3/h, cột áp 64m, vòng quay 3600vg/ph, có địa chỉ lắp đặt và có điều kiện để đánh giá so sánh các thông số kỹ thuật sau khi chế tạo. Qua đó các thông số kỹ thuật và kích thước của tổ bơm làm mát lưu lượng 130m3/h, cột áp 64m như sau: về kiểu dáng Bơm ly tâm được thiết kế theo trục đứng, có lưu lượng 130 m3/h; cột áp 64m với hiệu suất bơm là 65,3%; tốc độ bơm 3550 vg/ph; nhiệt độ ổ trục 80oC và độ ồn là 85 dBA.
Về thông số động cơ có công suất định mức 37 kW; dòng điện định mức 62,28 A; điện áp định mức 440 V; tần số định mức 60 Hz; tốc độ định mức 3550 vg/ph; hiệu suất 92,8%; hệ số công suất cos 0,84; cấp cách điện H; cấp bảo vệ động cơ IP55; bội số momen khởi động Mkđ/Mđm là 1,1; kích thước lắp đặt tổ bơm có mức chất lượng phù hợp với vị trí lắp đặt trên giàn khai thác dầu khí Đại Hùng 01.
Trong quá trình thiết kế tổ bơm làm mát 130m3/h - 64m cho giàn khoan dầu khí cũng đặt ra nhiều vấn đề khác nhau, cái chính là do tổ bơm làm mát đối tượng của đề tài nghiên cứu không phải là một tổ bơm thông thường. Khi đăng ký các nhiệm vụ nghiên cứu, nhóm thực hiện đề tài đã xác định rõ cần phải giải quyết những vấn đề cơ bản về thiết kế và chế tạo tổ bơm: Thứ nhất đây là bơm đặt ở giàn khoan ngoài khơi, dùng để bơm trực tiếp nước biển, nên các chi tiết chính của bơm, như buồng bơm, bánh công tác, vành mòn… phải là vật liệu chống chịu được sự ăn mòn của nước biển. Một đặc thù của phần bơm, đó là ổ trục bơm được thiết kế để bôi trơn trực tiếp bằng nước biển. Do vậy nhóm đề tài đã xác định, nghiên cứu quy trình nấu luyện các loại hợp kim chịu muối biển, chịu mài mòn, ứng dụng các quy trình đó vào chế tạo các chi tiết cho bơm làm mát, là một trong những nội dung nghiên cứu cốt lõi của đề tài. Thứ hai là, tổ bơm làm việc ở giàn khoan ngoài khơi, với một nguồn điện công suất hữu hạn (được cung cấp bằng các máy phát điện), do vậy phải là thiết bị rất tiết kiệm năng lượng. Hiệu suất của cả bơm và cả động cơ điện phải ở mức cao hơn tương đối so với những sản phẩm thông thường. Và cuối cùng là không gian lắp đặt của tổ bơm làm mát, cũng giống như các thiết bị khác trên giàn khoan, là rất hạn chế. Do vậy kích thước bao của tổ bơm, cũng như thiết kế kết cấu tháo lắp của tổ bơm, cũng phải đặc biệt, rất nhỏ gọn, dễ tháo lắp trong điều kiện trên giàn. Giải quyết yêu cầu này cũng là một bài toán nan giải đối với nhóm thực hiện để tài.
Ảnh 2. Động cơ và tổ bơm
Nhiều kết quả nổi bật được ra đời từ đề tài nghiên cứu
Việc các kỹ sư của Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội thực hiện thành công đề tài nghiên cứu, thiết kế chế tạo bơnm ly tâm ứng dụng trên giàn khoan dầu khí tại Việt Nam đã đưa ra được nhiều kết quả nổi bật không chỉ giới hạn ở trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu mà còn có thể ứng dụng rộng ra trong các ngành chế tạo khác.
Từ các chỉ số hóa học để nghiên cứu nấu các hợp kim đồng - chì và hợp kim đồng - cao do các kỹ sư thiết kế tổ bơm tìm ra đã cho thấy công nghệ luyện - đúc quyết định chủ yếu đến chất lượng chi tiết, tỷ lệ pha trộn nguyên liệu, phương thức rót và thời gian rót ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ-lý-hóa của vật đúc, là yếu tố quyết định đến tuổi thọ của bơm. Qua quá trình nghiên cứu, đề tài đã các kỹ sư cũng đưa ra các nguyên tắc cần tuân thủ trong quá trình nấu luyện và đúc, cũng như xác định rõ phạm vi ứng dụng của các loại vật liệu trong chế tạo các chi tiết cho tổ bơm. Vật liệu làm bạc tự làm mát và bôi trơn bằng nước biển: Hợp kim đồng chì cao, có thành phần chì chiếm (15÷17)% để giảm hệ số ma sát, có nhiều ưu điểm vượt trội so với babit thiếc khi làm việc ở vùng tốc độ cao, khả năng chịu mài mòn và ăn mòn tốt. Dùng để chế tạo chi tiết bạc tự bôi trơn bằng nước biển. Vật liệu làm các chi tiết khác tiếp xúc trực tiếp với nước biển (bánh quay, buồng dẫn, vòng mòn, vỏ bơm): hợp kim đồng chì, ký hiệu 85Cu2Pb9Sn4Zn khả năng chịu mài mòn và ăn mòn tốt, để duy trì hiệu suất thiết bị, kéo dài tuổi thọ của tổ bơm.
Kết quả thứ hai đạt được là về động cơ điện 37kW-3600vg/ph hiệu suất cao. Theo đó hiệu suất của động cơ điện có một vai trò quyết định đối với hiệu suất chung của tổ bơm. Điểm đặc biệt của đề tài là hiệu suất động cơ của đề tài cao hơn hẳn động cơ thông dụng đang sản xuất tại Công ty HEM (90%), cao hơn cả động cơ mẫu đang lắp tại giàn khai thác dầu khí Đại Hùng 01 do hãng CMG - Australia sản xuất (92,1%). Nhóm thực hiện đã mạnh dạn đề xuất mức hiệu suất động cơ là 92,8% theo tiêu chuẩn hiệu suất năng lượng TCVN 7540. Đây là một thách thức lớn đối với nhóm thực hiện và cơ quan chủ trì đề tài, vì để tăng được 1% hiệu suất với động cơ phải tăng chi phí rất nhiều và việc thực hiện không hề đơn giản.
Để có được động cơ mẫu của đề tài có mức hiệu suất như mong muốn là 92,8%, nhóm thực hiện đã phải đồng thời nghiên cứu thực hiện nhiều giải pháp về cả thiết kế và công nghệ: Từ việc sử dụng vật liệu dẫn từ là loại có suất tổn hao phù hợp nhất (mã tôn 50AH470); thiết kế tối ưu hóa toàn bộ phần điện từ của động cơ cho đến thiết kế tối ưu hóa hệ thống làm mát (quạt gió trong, quạt gió ngoài và các bề mặt tản nhiệt) và Áp dụng công nghệ mới: đúc nhôm rô-to áp lực thấp để giảm thiểu tổn hao đồng rô-to.
Qua rất nhiều bước chế thử, mỗi lần chế thử nhóm đề tài lại căn cứ các kết quả thử nghiệm để tối ưu tiếp các thông số thiết kế, công nghệ, cuối cùng sản phẩm động cơ mẫu lắp vào tổ bơm mẫu đã hoàn toàn đáp ứng các thông số về hiệu suất đã đặt ra.
Kết quả cuối cùng nhận được từ đề tài là tổ bơm ly tâm trục đứng 130m3/h-64m hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của đề tài và của người sử dụng:
Bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của tổ hợp bơm làm mát 130m3/h, cột áp 64m.
Trong phần động cơ: Nhìn vào động cơ 37kW hiệu suất cao không có gì đặc biệt, tuy nhiên động cơ 37kW đề tài thực hiện là một động cơ hoàn toàn mới, có kết cấu nhỏ và dài để đáp ứng yêu cầu về vị trí lắp đặt, tốc độ làm việc cao (3550vg/ph), hiệu suất tính toán của động cơ cao nhất từ trước đến nay. Do vậy, toàn bộ các khuôn mẫu đồ gá để chế tạo động cơ đều được thiết kế chế tạo riêng, và tính toán kết cấu cũng phức tạp hơn để đảm bảo an toàn khi vận hành ở tốc độ cao.
Phần bơm: Do điều kiện vị trí lắp đặt bơm hạn chế, đề tài đã chọn kết cấu để thiết kế chế tạo là kiểu bơm ly tâm trục đứng kiểu tháo rút rôto. Ưu điểm của loại bơm này là tháo lắp thay thế phụ tùng dễ dàng. Khi bơm có sự cố hỏng hóc cần sửa chữa, thay thế phụ tùng thì toàn bộ phần cụm ruột bơm có thể được tháo và đưa ra ngoài qua không gian của bộ khớp nối trung gian mà không cần phải tháo đường ống, động cơ. Sau đó có thể thay thế phụ tùng hoặc sửa chữa và lắp lại, khi đó không cần phải căn chỉnh lại, rút ngắn thời gian sửa chữa.
Tổ bơm mẫu của đề tài sau khi lắp ráp tổ hợp tại xưởng, đã được đơn vị chức năng độc lập cấp nhà nước Quatest 1 đánh giá chứng nhận toàn bộ các thông số, và đã được lắp đặt vào vị trí làm việc trên giàn Đại Hùng 01, vận hành thành công, đáp ứng toàn bộ các yêu cầu bơm nước cho sản xuất của giàn Đại Hùng 01.
Tuy nhiên, theo nhóm tác giả đề tài cũng nhận thấy thì các kết quả đạt được vẫn còn rất khiêm tốn. Để có thể có được các sản phẩm có tính chất thương mại cho ngành dầu khí, còn rất nhiều việc phải làm. Trong điều kiện cho phép các các kỹ sư thực hiện đề tài rất mong muốn được mở rộng thêm dự án chế tạo các loại bơm đặc thù sử dụng động cơ hiệu suất cao, có công suất, lưu lượng lớn hơn nhằm ứng dụng các kết quả đề tài vào thực tế sản xuất, góp phần nâng cao năng lực chế tạo của các cơ sở sản xuất trong nước, đáp ứng nhu cầu của ngành dầu khí và định hướng phát triển công nghiệp nước nhà, đáp ứng mục tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả.