Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ

Mục tiêu của đề tài: Làm chủ việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ và đưa vào ứng dụng sản xuất trong nước thay thế hàng nhập khẩu.. Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ n

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

Cơ quan chủ trì đề tài: VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

Chủ nhiệm đề tài: NCVCC.TS PHAN THẠCH HỔ

9096

Hµ néi - 2011

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1 

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 2 

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 4 

LỜI NÓI ĐẦU 5 

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM DẦU MỎ VÀ TRỤC PISTON 6 

1.1 Tổng quan về bơm dầu mỏ: 6 

1.2 Một số loại bơm dầu mỏ: 7 

1.3 Tổng quan về trục piston 18 

1.4 Kết luận 18 

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TRỤC PISTON BƠM DẦU MỎ 19 

2.1 Tính toán các thông số trục piston bơm dầu mỏ 19 

2.2 Thiết kế trục piston 29 

2.3 Kết luận Error! Bookmark not defined. 

CHƯƠNG III: LẬP QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRỤC PISTON

BƠM DẦU MỎ Error! Bookmark not defined. 

3.1 Phân tích chi tiết gia công Error! Bookmark not defined. 

3.2 Xác định dạng sản xuất Error! Bookmark not defined. 

3.3 Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi: Error! Bookmark not defined. 

3.4 Kích thước phôi: Error! Bookmark not defined. 

3.5 Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết Error! Bookmark not defined.

3.6 Trình tự các nguyên công để gia công các bề mặt chi tiếtError! Bookmark not defined 3.7 Lượng dư gia công Error! Bookmark not defined.

3.8 Tính toán và tra chế độ cắt: Error! Bookmark not defined.

3.9 Kết luận Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG IV: CHẾ TẠO TRỤC PISTON, LẮP DẶT CHẠY THỬError! Bookmark not de 4.1 Chế tạo trục piston: Error! Bookmark not defined. 

4.2 Lắp đặt, chạy thử truc piston bơm dầu mỏ Error! Bookmark not defined. 

4.3 Kết luận: Error! Bookmark not defined. 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined.

LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined. 

CÁC VĂN BẢN KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM

CỦA ĐỀ TÀI Error! Bookmark not defined. 

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined. 

Phụ lục 1: Bản vẽ thiết kế trục piston bơm dầu mỏ Error! Bookmark not defined. 

Phụ lục 2: Hợp đồng và phụ lục hợp đồng nghiên cứu khoa họcError! Bookmark not define

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 2

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ.”

2 Cơ sở pháp lý của đề tài:

- Quyết định số 6878 /QĐ – BCT, ngày 29 tháng 12 năm 2010 về việc đặt hàng thực hiện các nhiệm vụ KHCN năm 2011 của Bộ Trưởng Bộ Công Thương

- Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 165.11 RD/HĐ-KHCN ngày 26 tháng 04 năm

3.2 Mục tiêu của đề tài:

Làm chủ việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ và đưa vào ứng dụng sản xuất trong nước thay thế hàng nhập khẩu

4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu:

4.1 Đối tượng:

- Nghiên cứu tổng quan chế độ làm việc của bơm dầu mỏ và trục piston

4.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Tính toán thiết kế trục piston bơm dầu mỏ

- Lập quy trình công nghệ chế tạo trục piston bơm dầu mỏ

- Chế tạo 05 trục piston bơm dầu mỏ Đưa vào XNLD dầu khí Vietsovpetro

để lắp đặt chạy thử

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 3

4.3 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập, nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp tài liệu, thiết kế

- Phương pháp thực nghiệm: Nghiên cứu các điều kiện làm việc thực tế trục piston bơm dầu mỏ, lựa chọn thiết bị vật liệu phù hợp tại các cơ sở sản xuất để gia công trục đạt các yêu cầu kỹ thuật

5 Kinh phí thực hiện đề tài:

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 4

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Học hàm, học vị,

chuyên môn Cơ quan công tác

1 Nguyễn Văn Bình Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí

2 Mai Quý Sáng Thạc sỹ kỹ thuật Viện Nghiên cứu Cơ khí

3 Nguyễn Thị Sinh Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí

4 Vũ Quang Huy Thạc sỹ kỹ thuật Viện Nghiên cứu Cơ khí

5 Đỗ Thái Cường Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí

6 Nguyễn Danh Đức Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí

7 Mai Đức Thái Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí

8 Đặng Trọng Liễu Kỹ sư cơ khí dầu mỏ Xí nghiệp Liên doanh dầu

khí Vietsovpetro

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 5

LỜI NÓI ĐẦU

Bơm dầu mỏ là một thiết bị chuyên dùng được sử dụng trong ngành công nghiệp khai thác dầu mỏ đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu chế tạo và ứng dụng rộng rãi Ở các nước phát triển với trình độ khoa học kỹ thuật cao người

ta đã chế tạo hàng loạt và đa dạng về chủng loại

Ở trong nước, bơm dầu mỏ đang sử dụng chủ yếu là bơm ngoại nhập Một số chi tiết mau mòn, chóng hỏng của bơm ta chưa có khả năng chế tạo mới, do đó việc thay thế còn rất khó khăn Các thiết bị này khi thay thế cần phải nhập khẩu từ nước ngoài về hoặc khi hỏng một chi tiết nào đó thì phải thay toàn bộ bơm điều đó gây tốn kém về kinh tế, lãng phí và mất nhiều thời gian chờ đợi, ảnh hưởng đến sản xuất

Trong bơm dầu mỏ làm việc theo hành trình kép, trục piston được dẫn động bởi động cơ qua hộp giảm tốc và thanh truyền Trục làm việc ở điều kiện làm việc khắc nghiệt, chịu tác dụng của tải trọng lớn, đổi chiều, là chi tiết mau mòn chóng

hỏng Do đó đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ” được

Viện nghiên cứu Cơ khí đề xuất và bộ công thương chấp thuận nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất, góp phần phát triển năng lực ngành cơ khí chế tạo trong nước đồng thời chủ động nội địa hoá thiết bị trong ngành khai thác dầu mỏ

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM DẦU MỎ VÀ TRỤC PISTON 1.1 Tổng quan về bơm dầu mỏ:

* Tình hình ứng dụng và phát triển trên thế giới:

Bơm dầu mỏ là loại bơm đã được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ở các nước công nghiệp tiên tiến trên thế giới Chúng được sử dụng rộng rãi ở các mỏ dầu trên đất liền và ngoài biển Việc chế tạo phụ tùng thay thế trong đó có trục piston cho bơm đã thành ngành công nghiệp truyền thống, lâu đời Có những nhà máy chuyên ngành sản xuất vật liệu chế tạo máy móc gia công chuyên dụng cho từng loại phụ tùng cụ thể Sản phẩm của các nước này có chất lượng cao, tuổi thọ cao, làm việc

ổn định Tuy nhiên giá thành cũng rất đắt, có trường hợp gấp hàng chục lần sản phẩm chế tạo trong nước

* Tình hình ứng dụng và phát triển tại Việt Nam:

Ở nước ta, một số đơn vị như Viện Nghiên cứu Cơ khí, Viện Khoa học Thủy Lợi, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ, nhà máy bơm Hải Dương và một số cơ sở khác

… đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhiều loại bơm và đã đưa ra ứng dụng rộng rãi trong sản xuất Tuy nhiên bơm dầu mỏ và phụ tùng thay thế chưa có đơn vị nào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Hàng năm, nước ta còn phải nhập khẩu 100% bơm dầu

mỏ và phụ tùng phục vụ cho các dàn khoan, nhà máy, xí nghiệp trong cả nước, tốn kém rất nhiều ngoại tệ

Nền kinh tế của đất nước ta trong những năm gần đây đã có những bước tiến vượt bậc với sự tăng trưởng luôn được duy trì ổn định ở mức tương đối cao Ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam là một trong những ngành mũi nhọn của cả nước mà điển hình là XNLD dầu khí “Vietsovpetro” đóng góp một phần không nhỏ vào các thành tựu phát triển đó

Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro là một đơn vị đứng đầu trong công tác tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí hiện nay Vùng hoạt động chủ yếu là thềm lục địa phía Nam Việt Nam và đang mở rộng hợp tác sang các nước như Liên Bang Nga, Angeri, Vênêzuela, Kadắctan, …

Hiện nay xí nghiệp liên doanh dầu khí “ Vietsovpetro” đang khai thác dầu trên 3 mỏ chính là Bạch Hổ, Rồng và Đại Hùng Ở mỏ Bạch Hổ có 11 giàn cố định

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 7

và một số giàn nhẹ và là mỏ chiếm phần lớn sản lượng sản phẩm khai thác trong liên doanh Để phục vụ cho công tác tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí, đặt ra nhiệm vụ quan trọng là phải có một hệ thống trang thiết bị phù hợp với điều kiện của khu mỏ, để đem lại hiệu quả kinh tế cao Các thiết bị máy móc phục vụ cho ngành dầu khí rất đa dạng, trong đó máy bơm piston được sử dụng rộng rãi trong xí nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực khai thác

1.2 Một số loại bơm dầu mỏ:

1.2.1 Máy bơm piston:

Máy bơm piston được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Nó được sử dụng để bơm nước lã, bơm dung dịch, bơm hoá chất… và phục vụ cho nhiều mục đích khác Chúng được dùng rất nhiều trong công nghiệp khai thác dầu khí hiện nay

Máy bơm piston có thể tạo ra áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau Đây là yếu tố quan trọng để đáp ứng yêu cầu về công nghệ khai thác dầu Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, lắp ráp, độ bền cao và dễ thay thế

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 8

1.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Hình 1-1 Nguyên lý kết cấu bơm piston

Cấu tạo của một máy bơm piston đơn giản bao gồm piston số 1 được chuyển động tịnh tiến trong xy lanh 2; cơ cấu tay quay thanh truyền số 3; ống hút số 4; ống đẩy số 5; van hút 6; van đẩy 7; bình điều hòa hút số 8; và bình điều hòa đẩy số 9 Nguyên lý làm việc như sau: khi piston chuyển từ trái qua phải, thể tích buồng B tăng lên, áp suất giảm, van 7 đóng lại, van 6 mở, nước từ ống hút 4 vào buồng B qua van 6

Khi piston đi ngược lại, thể tích buồng B giảm đi, áp suất tăng lên, van 6 đóng lại, van 7 mở, nước từ buồng B qua van 7 ra buồng C và ra ống đẩy Với tác dụng của bình điều hòa hút 8 và bình điều hòa đẩy 9 sẽ giảm được sự dao động dòng chảy trong ống hút và ống đẩy vì sự hút nước và đẩy nước được thực hiện một cách có chu kỳ Hành trình của piston là S = 2r với r là bán kính tay quay của trục khuỷu

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 9

1.2.1.2 Phân loại bơm piston

- Phân loại theo khả năng tác dụng: Ta có bơm tác dụng đơn như hình 1-1, sau mỗi hành trình đi lại của piston, chỉ một lần nước được đưa ra ống đẩy, còn bơm tác dụng kép (hình 1-2) thì sau một hành trình đi lại của piston, sẽ có hai lần nước được đưa ra ống đẩy

- Phân loại theo dạng piston: Piston hình trụ, piston dạng đĩa

- Phân loại theo số xy lanh: 1 xy lanh, 2 xy lanh, 3 xy lanh Loại 2 và 3 xy lanh có thể bố trí các góc độ thích hợp để cho máy được cân bằng

- Theo vị trí xy lanh: Nằm ngang và thẳng đứng

- Theo loại dẫn động: Dẫn động bằng tay, bằng điện, bằng khí nén…

Hình 1-2 Bơm piston tác dụng kép

1.2.1.3 Biểu đồ chu trình:

Biểu đồ kín ABCD là biểu đồ chu trình của máy bơm Piston

- Hành trình hút A-B-C: Áp suất trong xy lanh giảm dần, đến B van hút mở, chất lỏng được hút vào xy lanh, trong quá trình hút, áp suất trong xy lanh gần như không đổi Đến điểm kết thúc hành trình của piston C cũng là kết thúc quá trình hút

- Hành trình đẩy C-D-A: Khi piston đi ngược lại từ phải qua trái, áp suất trong xy lanh tăng dần đến điểm D, van đẩy bắt đầu mở, chất lỏng được đưa ra ống đẩy với áp suất gần như không đổi, quá trình đẩy kết thúc tại A ∆p là độ chênh áp

mà máy tạo nên; ∆pyc độ chênh áp yêu cầu do có các tổn thất và sức cản của các van Phần tổn thất thể tích do có khí trong chất lỏng

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 10

Hình 1-3 Biều đồ chu trình của bơm piston

+ Năng suất lý thuyết của máy bơm piston:

- Bơm tác dụng đơn:

VLT = 60APSni, m3/h Hoặc VLT = ApSni, m3/ph

Với: Ap là diện tích tiết diện ngang của piston, m2;

S là hành trình của piston, m;

n: là số hành trình kép trong 1 phút của piston; i là số xylanh làm việc

- Bơm tác dụng kép:

VLT = 60(2AP – AC)Sni, m3/h Hoặc VLT = (2AP – AC)Sni, m3/ph

Với AC là diện tích phần trục piston, m2

+ Năng suất thực tế V sẽ nhỏ hơn năng suất lý thuyết do các nguyên nhân như các van không được kín, các khe hở lót kín không tốt, do đóng mở chậm của các van, do khí bị hút vào… Do đó ta đưa ra đại lượng là hiệu suất lưu lượng hay hiệu suất thể tích của bơm:

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 11

h H

H H

H

LT

η

Các tổn thất thủy lực ∆h được gây nên chủ yếu là do các sức cản của van hút

và van đẩy, có thể lấy gần đúng 1 giá trị không đổi ηh = 0,85 cho các máy áp suất thấp và tới 0,98 cho các máy áp suất cao

ηi là hiệu suất chỉ thị, nó được tính từ biểu đồ chỉ thị p = f(V) Nếu không

có lẫn khí ở trong bơm (trong chất lỏng được bơm) thì:

ηi = ηhηIIHiệu suất cơ khí tính đến các tổn thất do ma sát ở trục khuỷu, ở piston và các

bộ phận lót kín: ηck = 0,88÷ 0,95; ở các máy kiểu đứng thì ηck lớn hơn máy nằm ngang

Hiệu suất chung ηc = ηiηck = ηhηIIηck = 0,7÷ 0,9 cho các bơm có trục khuỷu

1.2.1.4 Chiều cao hút trong bơm piston

Hình 1-4 sơ đồ tính toán chiều cao hút của bơm piston

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 12

Khả năng hút của bơm piston được mô tả trên hình 1-4 Với tác dụng của áp suất trên mặt thoáng bể hút pA thì nước có thể đưa lên 1 độ cao là HA nếu trong ống

là chân không Song vì có tổn thất trên đường ống hút ∆Htt và sức cản mở van hv nên khi áp ở B bằng áp suất bốc hơi Hbh của chất lỏng thì bất đầu có hiện tượng xâm thực và khi đó ta có chiều cao hút cực đại Hh,max

Kết hợp 3 hình vẽ trong hình 1-4 ta có:

bh

h v tt h

g

c h H H

2

2 max

,

Do chiều cao hút lớn nhất sẽ là:

g

c hv H

H H

tt bh

A h

2

2 max

Điều kiện tránh xâm thực bơm sẽ là:

Hh < Hh,max

1.2.1.5 Động học máy bơm piston

- Hành trình chuyển động của piston theo thời gian:

Hình 1-5 Tính toán động học máy bơm piston

Quãng đường chuyển động của piston là xp bằng quãng đường chuyển động của con trượt là x tính từ điểm chết trên của piston sau 1 thời gian t nào đó (hình 1-5) Như vậy ta có:

x = 1 + r – ( rcosα + 1cosβ)1 = r(1 – cosα) + 1(1 – cosβ)

1

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 13

Vế phải được khai triển thành chuỗi sau:

8

sin2

sin1

sin1

4 4 2 2 2

/ 1

cos

2

2 αλ

2 1 cos

sin 2 1 1

dx dt

dc dt

dc

a p

1.2.1.6 Tính chất dao động của lưu lượng:

Lưu lượng tức thời của piston sẽ là:

dt c A dS A

Và sẽ thay đổi theo hàm số sinα, nghĩa là lưu lượng bị giao động mạnh trong ống đẩy cũng như trong ống hút Biểu đồ thay đổi lưu lượng của máy bơm piston được mô tả trên hình 1-6 Mức độ không đồng đều lưu lượng của máy được biểu thị bằng biểu thức:

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 14

Hình 1-6 Biểu đồ thay đổi lưu lượng trong bơm piston

1.2.1.7 Khảo sát quá trình hút và đẩy dưới tác dụng của các bình điều hòa:

* Quá trình hút:

A – Khi không có bình điều hòa hút:

Chiều cao hút lớn nhất có thể đạt được Hh xác định theo điều kiện không có xâm thực, vị trí nguy hiểm chính là ở mặt ngoài piston Ở tất cả các loại bơm, việc thực hiện yêu cầu này phụ thuộc vào các nhân tố ảnh hưởng sau:

a) Áp suất trên mặt thoáng bể hút

b) Nhiệt độ của chất lỏng được bơm

c) Sức cản của dòng chảy ở ống hút

d) Các tổn thất do gián đoạn dòng chẩy, do tạo xoáy và do va đập

e) Ở máy bơm piston còn có các ảnh hưởng do tính chất làm việc có chu kỳ của

nó, nghĩa là chịu ảnh hưởng của:

f) Các áp suất do tăng tốc độ có chu kỳ của cột nước

g) Các sức cản dòng chảy tăng lên do tốc độ không đều

h) Các sức cản của van

Ở điểm f) nếu ta gọi tiết diện ngang của piston là Ap và tiết diện ống hút Ah thì theo phương trình liên tục ta có:

p p h

A

A c

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 15

Ở điểm c): Động năng sẽ là:

22

2 2 2

p h

p

A

A c

2

2

12

h h h

h

h h h

A

A g

c d g

c d

h h h h

ha A a m

Từ điều kiện liên tục ta có:

p p h

h a A a

h

p p h A

A a

Ta thay thế F qua trọng lực của 1 cột nước có độ cao Zb và tiết diện Ah:

g Z A

=

Vì gia tốc của piston ap có dấu thay đổi nên Zb ở lúc bắt đầu hút có ý nghĩa là

1 sự giảm áp suất ở ống hút do sự tăng tốc độ của cột nước hút, còn ở cuối thời kì hút thì lại biểu thị 1 sự tăng áp suất do sự hãm chậm lại của cột nước hút.Giá trị lớn nhất của Zb ở lúc bắt đầu hút (điểm chết của piston) theo phương trình gia tốc của piston và α = 00 sẽ cho ta:

gA

A l Z Z

h

p b

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 16

B- Trường hợp có bình điều hòa hút:

Để khử hoặc giảm tính chu kỳ của cột nước hút, máy bơm piston được chế tạo với 1 bình điều hòa hút Ws (hình 1.7) Nó đủ lớn để chiều dài của cột nước hút tăng tốc bị co lại từ lh về chiều dài l h' =a Khi đó tốc độ nước ở ống hút sẽ gần như không đổi như ở bơm ly tâm Trong khi làm việc với tốc độ dòng chảy trong ống hút gần như không đổi thì phương trình năng lượng giữa mặt thoáng của bình điều hòa hút (ký hiệu Ws) và mặt thoáng ở bể hút (ký hiệu S) được viết:

s v ws ws ws s

p

2 2

2

++

ρρ

cs và cws có thể bỏ qua Áp suất ở bình điều hòa hút sẽ là:

s v s

ws P g Z h

P = −ρ ∆ *−ρ ,

Với ∆Z* là độ chênh chiều cao giữa mặt thoáng chất lỏng của bể hút và mặt thoáng của bình điều hòa hút

Như vậy dòng chất lỏng ở hành trình trở về của piston sẽ không bị gián đoạn,

áp suất bốc hơi Pbh không bị giảm thấp

Những tổn thất tăng tốc lớn nhất sẽ gặp phải ở vị trí chết của piston Sức cản lớn nhất của van ∆hv1 + ∆hv2 sẽ nhận được ở ngay gần điểm chết trên và có thể đạt 20m2/s2

Điều đó sẽ có được khi:

h

p

b = + với l’≈ a (xem hình vẽ 1.7) (*) Chiều cao hút cực đại có thể đạt được là H h =∆Z*+a+b

max

Từ các dẫn xuất trên ta có:

( λ)

ωλ

ξρ

2 1 max

D

D g

a d

l g

c g

h h g

P g

Ps H

h

p h

h h h g v v t h

Trong phương trình này λh là hệ số ma sát của ống hút, còn λ = r/l là tỷ số giữa bán kính tay quay và chiều dài thanh truyền

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 17

* Xét quá trình đẩy:

Cũng trên cơ sở như ở phía cửa hút, máy bơm được chế tạo ở phía cửa đẩy 1 bình điều hòa đẩy WD (hình 1.7) Để giữ cho các lực khối lượng nhỏ, thì nó được đặt gần van đẩy Ở hành trình đẩy sẽ bắt đầu từ điểm chết dưới, piston đẩy nước vào bình điều hòa, nên đáng lẽ cả chiều dầy ống đẩy lđ thì chỉ còn lại là chiều dài nhỏ l’đ

nằm giữa piston và bình điều hòa đẩy bị tăng tốc và bị hãm Từ bình điều hòa , chất lỏng được dẫn ra với tốc độ gần như đều đặn ở ống đẩy

Tương tự như phương trình (*) cho sự tăng tốc ở phía đẩy (điểm chết dưới)

A

A g

l Z

đ

p đ

Hình 1.7 Tính toán ảnh hưởng của các bình điều hòa hút và điều hòa đẩy đến sự làm

việc của bơm piston Các giá trị thông thường của tốc độ chất lỏng trong ống hút và ống đẩy cho các bơm lớn và ống dẫn dài là 1,0m/s Cho các bơm nhỏ và ống dẫn ngắn sẽ là 1,5 đến 2,0 m/s Vấn đề cơ bản ở đây là đường kính ống được xác định theo quan điểm kinh tế chung lớn nhất, nghĩa là:

∑(vốn đầu tư + chi phí sản xuất) → nhỏ nhất

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 18

1.3 Tổng quan về trục piston

Trong công nghiệp khai thác dầu mỏ, máy bơm có vai trò như quả tim, duy

trì hoạt động của cả hệ thống Trục piston là chi tiết quan trọng truyền lực đẩy từ

trục chính của bơm qua piston tới buồng làm việc Trục làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, áp lực lớn, môi trường làm việc trong

dầu mỏ và nhiệt độ cao:

+ Áp lực đẩy nhỏ nhất của bơm (MPa): 10

+ Áp lực đẩy lớn nhất của bơm (MPa): 25

+ Tải trọng tính toán lên trục piston (kN): 300

+ Chiều dài hành trình Piston (mm): 400

+ Số hành trình kép của piston trong 1 phút (lần/phút): 66

Trục piston được làm bằng kim loại cứng, trên bề mặt của nó được phủ một

lớp kim loại loại hoặc được gia công đặc biệt để chịu ma sát, chống mài mòn Đầu

dưới của cần piston tiện ren để nối với thanh nối của máng trượt, đầu trên cũng tiện

ren để giữ piston

1.4 Kết luận

Bơm dầu mỏ được ứng dụng tại các mỏ dầu ở khắp nơi trên thế giới như là

một công cụ chủ lực cho việc khai thác dầu Tại các quốc gia có nền công nghệ chế

tạo máy cao và những nước, các vùng có nền công nghiệp khai thác dầu mỏ phát

triển, việc chế tạo bơm và phụ tùng đã trở thành truyền thống với sản lượng lớn,

chất lượng cao Tuy nhiên giá thành cũng cao Ở Việt Nam, dầu mỏ được khai thác

với các thiết bị chủ yếu được nhập từ Liên Xô (cũ) Trên các dàn khoan của xí

nghiệp Liên doanh dầu khí Vietsovpetro đang sử dụng loại bơm Y8-6MA2 tác dụng

kép Ta chọn đối tượng nghiên cứu là trục piston của loại bơm này Hiện nay, chúng

ta đang cố gắng nội địa hóa một số thiết bị, phụ tùng nhằm thay thế các chi tiết mau

mòn chóng hỏng của nhà máy Trục piston bơm dầu mỏ là một trong số những chi

tiết mau mòn chóng hỏng

Nhóm đề tài đã khảo sát thực tế tại Xí nghiệp liên doanh VIETSOVPETRO, tìm

hiểu chế độ làm việc, điều kiện làm việc của bơm cũng như trục piston, tìm hiểu các

dạng hư hỏng của trục piston để phục vụ cho việc lập quy trình công nghệ chế tạo

trục mới

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 19

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TRỤC PISTON BƠM DẦU MỎ

Các thông số kỹ thuật máy bơm Y8-6MA2:

- Mã hiệu bơm: Y8-6MA2

- Bơm làm việc hành trình kép

- Số xi lanh (cái): 2

- Công suất động cơ điện (kW): 585

- Công suất thủy lực (kW): 500

- Số hành trình kép của piston trong 1 phút (lần/phút): 66

- Hành trình Piston (mm): 400

- Đường kính làm việc của xi lanh (mm): 130

- Lưu lượng bơm (l/s): + Nhỏ nhất: 19,7

- Khối lượng không tính bánh đà (T): 26,7

2.1 Tính toán các thông số trục piston bơm dầu mỏ

2.1.1 Cơ sở lý thuyết tính toán trục piston bơm dầu mỏ

Người ta tính toán lực nén và độ ổn định dọc trục đối với trục piston bơm dầu mỏ tác động đơn (một chiều) Nếu là trục tác động kép (hai chiều) còn tính toán thêm lực kéo

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 20

Hình 2.1 Sơ đồ tính toán piston - trục piston

1– Piston; 2 – Trục piston; 3 – Đệm lót trục piston; 4 – Trục con trượt; 5– Con trượt Tính toán trục về kéo hay nén, cường độ lớn nhất của lực kéo hay nén σ(Pa) được thực hiện ở tiết diện nhỏ nhất

σ = Pmax/f (2.1) Trong đó:

- Pmax là tải trọng lớn nhất tác dụng lên trục (N)

- f là diện tích nhỏ nhất của trục (m2)

Tải trọng tác động lên trục trong bơm tác động kép, hợp thành từ áp lực chất lỏng lên piston, ma sát của đệm lót vào thành ống lót xi lanh và ma sát trục với các vòng chắn dầu

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 21

- l1 và l2 là chiều dài đệm lót piston và vòng chắn dầu (m)

- µ là hệ số ma sát giữa cao su và kim loại giữa đệm lót piston và trục;

- σt – giới hạn chảy vật liệu trục, (Pa)

Hệ số an toàn chảy phải ở khoảng 2÷5

Nếu trục thẳng không có bậc, ta không xem xét lực kéo vì Pщc > Pщp Trong bơm tác động kép người ta xem xét lực kéo ở tiết diện có đường kính nhỏ nhất của ren trục với giả thiết lực kéo T(N) tạo ra bởi lực xiết đai ốc:

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 22

Ứng suất kéo trong tiết diện ren trục σp (Pa):

2

4.

.

pp p

o

P d

σπ

Trong đó:

- do – là đường kính trong ren trục (m)

Ứng suất tiếp tuyến trong tiết diện ren trục τp (Pa):

Khi tính toán độ bền mỏi các trục thẳng không có bậc của bơm tác động kép,

ta coi lực tác động theo chu kỳ không đối xứng, bởi vì Pщc > Pщp và trục làm việc trong môi trường xâm thực Ứng suất trung bình chu kỳ σm (Pa):

σm = (σcmax – σpmax)/2 (2.13) Biên độ chu kỳ σa (Pa):

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 23

- σ-1oc – giới hạn bền mỏi nén với không khí trong chu kỳ đối xứng

Tương tự có thể xem xét bền mỏi tiết diện trục theo ren, nhưng khi xác định ứng suất σpmax ta nhận lực Ppp có tính đến mô men xoắn khi xiết đai ốc Giá trị các

2. c

a

ση

Lực nén tới hạn trục:

2 2 w

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 24

Khi độ mảnh của trục λ = lщ/imin < λ0 = 105, hệ số ổn định xác định từ biểu thức:

- σkp - ứng suất nén tới hạn (Pa) lấy theo thực nghiệm

- σkp = 335 – 0,6λ đối với thép các bon và

σkp = 470 – 2,3λ đối với thép có chứa 5% Niken

Hệ số ổn định trong các kết cấu hiện có dao động trong khoảng 2÷4

Các trục ghép người ta xem xét bằng cách thêm vào chiều dài trục piston chiều dài tương đương của trục con trượt

Trong đó:

- lщn - chiều dài trục con trượt

- d1 - đường kính trục con trượt

Chiều dài tính toán trục ghép là: lp = lщ + l∋

Khi tính toán thời gian làm việc những chi tiết mau mòn chóng hỏng của bơm (ví dụ: piston, trục piston của bơm tác động kép,…) Chúng chịu tác động (5÷10).105 chu kỳ tải trọng, điều này phù hợp với thời gian phục vụ của chúng, khoảng 50÷100 lần ít hơn so với tuổi thọ của bơm theo tính toán kỹ thuật

2.1.2 Tính toán trục piston

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 25

Hệ số ma sát giữa cao su và kim loại đệm lót

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 26

Trong bơm tác động kép người ta xem xét

lực kéo ở tiết diện có đường kính nhỏ nhất

của ren trục với giả thiết lực kéo T(N) tạo ra

bởi lực xiết đai ốc

Hệ số vặn chặt đai ốc; khi tải trọng không cố

o

P d

σπ

=

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 27

10 Ứng suất tiếp tuyến trong tiết diện ren trục τp

Khi tính toán độ bền mỏi các trục thẳng không có bậc của bơm tác động kép, ta coi lực tác động theo chu kỳ không đối xứng,

bởi vì Pщc > Pщp và trục làm việc trong môi trường xâm thực

16 Hệ số an toàn mỏi trong tất cả các tiết diện

nguy hiểm của trục

 

Giới hạn mỏi ứng suất chu kỳ đối xứng của

−

=

+ Ψ

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ 28

kp

P EI n

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

Độ giãn dài tương đối (%)

Độ thắt tương đối(%)

Độ dai va đập, (kGm/cm2)

80 100 10 45 6 Thành phần hóa học (trung bình %) như sau:

- Số hành trình kép của piston trong 1 phút (lần/phút): 66

Các tính toán trong tài liệu này chỉ mang tính chất kiểm nghiệm Tuy nhiên việc tính toán dựa trên tài liệu tời khoan và máy bơm là tài liệu được sử dụng tại nước Nga, bảo đảm độ chính xác cao về lý thuyết và ý nghĩa thực tiễn rộng rãi

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

CHƯƠNG III: LẬP QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRỤC PISTON

BƠM DẦU MỎ

3.1 Phân tích chi tiết gia công

3.1.1 Phân tích chức năng và điều kiện làm việc của chi tiết:

Trục piston là chi tiết quan trọng truyền lực đẩy từ trục chính của bơm qua

piston tới buồng làm việc Trục piston được làm bằng kim loại cứng, trên bề mặt

của nó được phủ một lớp kim loại hoặc được gia công đặc biệt để chịu ma sát và,

chống mài mòn Đầu dưới của trục piston tiện ren để nối với thanh nối của máng

trượt, đầu trên cũng tiện ren để giữ piston

Với điều kiện làm việc và đặc điểm như trên, chi tiết được chế tạo từ vật liệu

thép 40X với thành phần hóa học (trung bình, %) như sau:

3.1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật và chọn phương pháp gia công lần cuối các bề

mặt:

- Bề mặt côn 1:24 dùng để lắp piston được gia công độ chính xác đạt cấp 6,

độ nhám bề mặt Ra=1,25 µm, chọn phương pháp gia công lần cuối là mài

- Bề mặt trục Φ70−−00,,1006, L=715 được gia công đạt cấp chính xác 8, nhưng lại

có yêu cầu cao về độ nhám bề mặt Ra = 0,32µm, chọn phương pháp gia công lần

cuối là đánh bóng bề mặt

- Bề mặt trục có ren M68x4, M64x3 dùng để lắp ghép và cố định chi tiết trên

trục, chọn phương pháp gia công lần cuối là tiện ren

- Bề mặt trục dùng để cặp dụng cụ tháo lắp trục, được gia công bằng dao

phay ngón chuyên dùng, chọn phương pháp gia công lần cuối là phay

- Bề mặt trục ∅69 và ∅59,5 được gia công đạt cấp chính xác 14, chọn

phương pháp gia công lần cuối là tiện thô

- Bề mặt không làm việc ∅80 là phần vai trục không yêu cầu độ chính xác

cao Do vậy phương pháp gia công lần cuối là phương pháp tiện thô

- Sau khi nhiệt luyện chi tiết có thể sẽ bị cong vênh Vì vậy cần phải nắn

thẳng để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho các nguyên công sau nhiệt luyện

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

3.1.3 Các biện pháp kỹ thuật để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật quan trọng:

- Độ không đồng tâm trên tất cả các đường kính ≤ 0,02 (mm)

- Độ không vuông góc giữa mặt đầu và đường tâm trục ≤ 0,12(mm)

- Độ không thẳng của trục ≤ 0,01/100mm chiều dài

Để đảm bảo các yêu cầu trên ta cần chọn và sử dụng chuẩn hợp lý để gia công chi tiết

- Tôi cải thiện toàn bộ trục đạt độ cứng 280÷320 HB

- Tôi cao tần bề mặt 0 , 06

10 , 0

70−

−

Φ , L= 715 đạt độ cứng 52÷58HRC; Độ thấm tôi đạt 3mm

- Tôi bề mặt côn 1:24 đạt độ cứng 42÷46HRC

- Khi dùng hai tâm làm chuẩn phải dùng tốc kẹp vào mặt ngoài ở phía đầu trục bên trái để truyền mômen xoắn (Trang 348 – [XI])

- Sử dụng luynet đỡ chi tiết cho các nguyên công gia công tinh

3.1.4 Tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết

- Trục có hình dáng thuôn nhỏ về hai đầu, bề mặt côn thuận tiện cho việc lắp piston lên nó

- Có rãnh thoát dao để thuận tiện khi gia công phần ren và mài trục

- Dung sai kích thước đều nằm trong phạm vi mà có thể chế tạo được bằng các phương pháp thông thường

3.2 Xác định dạng sản xuất

Trọng lượng của chi tiết được xác định: Q = V.γ = 46kG

Trong đó: V là thể tích của chi tiết =5,9dm3

γ: Trọng lượng riêng vật liệu, đối với vật liệu thép 40X: γ = 7,852 (kG/dm3) Theo bảng 2 (trang 14)[IV]→ Dạng sản xuất là hàng loạt vừa

3.3 Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi:

Với vật liệu chi tiết đã cho là thép 40X, dạng sản xuất là hàng loạt, ta có thể dùng các loại phôi: Phôi dập, phôi cán, phôi rèn và đúc

Đặc điểm của từng loại phôi:

* Phôi dập:

- Ưu điểm: