Nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt rắn trong dòng hỗn hợp hai pha rắn lỏng đến sự mòn hỏng máy bơm ly tâm sử dụng ở việt nam, phương hướng nâng cao tuổi thọ của chúng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT HOÀNG VĂN VĨ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HẠT RẮN TRONG DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG ðẾN SỰ MÒN HỎNG MÁY BƠM LY TÂM SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM, PHƯƠNG HƯỚNG NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA CHÚNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT -*** - HOÀNG VĂN VĨ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HẠT RẮN TRONG DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG ðẾN SỰ MÒN HỎNG MÁY BƠM LY TÂM SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM, PHƯƠNG HƯỚNG NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA CHÚNG CHUYÊN NGÀNH: Máy thiết bị mỏ, dầu khí Mà SỐ: 60.52.12 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Vũ Nam Ngạn HÀ NỘI - 2008 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Hồng Văn Vĩ MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam ñoan Mục lục Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ðẦU Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG MÒN HỎNG MÁY BƠM LY TÂM DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG 1.1 Các dạng mòn hỏng máy bơm ly tâm 9 1.2 Các cơng trình nghiên cứu tượng mòn hỏng máy bơm bùn giải pháp khắc phục 17 1.3 Nhận xét chung nhiệm vụ nghiên cứu 20 Chương 2- NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HẠT RẮN TRONG DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG ðẾN SỰ MÒN MÁY BƠM LY TÂM 24 2.1 Cơ sở lý thuyết mài mòn cánh bơm 24 2.2 ðặc điểm chuyển động dịng hỗn hợp hai pha rắn lỏng phận bơm 30 2.3 Sự phá hủy máy bơm ly tâm mài mòn thủy lực 39 2.4 Cột áp lý thuyết bơm 41 2.5 Các tổn thất cột nước phụ cánh bơm có hạt rắn dịng hỗn hợp 52 Chương 3- PHƯƠNG HƯỚNG NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA MÁY BƠM BÙN LY TÂM 57 3.1 Tính tốn thong số cửa vào bánh công tác 57 3.2 Xét ảnh hưởng số vịng quay đặc trưng ns đến mài mịn cửa bánh cơng tác 67 3.3 Ảnh hưởng tốc ñộ quay ñến mịn bánh cơng tác 76 3.4 Sử dụng vật liệu có độ bền mịn lớp phủ bảo vệ 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Trang Hình 1.1 Bơm LT-1250m3/h kho Cơng ty Than Mạo Khê 11 - TKV Hình 1.2 Cánh bơm 160m3/h mỏ Hà Tu 12 Hình 1.3 Cánh bơm 650m3/h mỏ Hà Tu bì mịn lối vào 12 cánh dẫn Hình 1.4 Cánh bơm 630m3 /h bị vỡ mỏ Hà Tu 13 Hình 1.5 Thân bơm 630m3/h bị mài mịn mỏ Hà Tu 13 Hình 1.6 Bánh công tác máy bơm 30m3/h mỏ Cọc Sáu bị mịn 14 bơm bùn than Hình 1.7 Thân bơm bùn LT8-250 bị thủng mỏ Mạo Khê 14 Hình 1.8 Thân bơm ly tâm bị thủng (đã hàn đắp) mỏ Mạo Khê 15 Hình 1.9 Thân bơm 630m3/h hàn đắp phục hồi 21 Hình 2.1 Sơ đồ chảy vịng dịng chảy xung quanh cánh bơm 27 Hình 2.2 Sơ đồ tạo dịng xốy chất lỏng bánh cơng tác 32 Hình 2.3 Sơ ñồ lực tác dụng lên hạt cứng 33 Hình 2.4 Sơ ñồ chuyển ñộng hạt cứng máng dẫn cánh 34 bánh cơng tác Hình 2.5 Tam giác vận tốc chất lỏng hạt rắn dòng 38 chảy hỗn hợp Hình 3.1 Sơ đồ khảo sát ảnh hưởng dịng chảy rẽ ngoặt 58 đến tốc độ mài mịn mép đầu vảo cánh bơm Hình 3.2 Hình dáng mép đầu vào cánh dẫn trước mài mịn 60 Hình 3.3 Sơ đồ xác định ảnh hưởng góc β11 = β1 cánh 65 đến mài mịn mép đầu vào Hình 3.4 Các tương quan độ mịn tuyến tính mép vào cánh 67 bơm theo tham số [ψeη1P(sinβ11/sin β1)w13t] thực nghiệm Hình 3.5 Vận tốc gia tốc gần vị trí diện cánh 69 Hình 3.6 ðặc tính mài mịn bề mặt diện mép ñầu 71 cánh vận chuyển dịng hỗn hợp có hạt cứng nhỏ Hình 3.7 ðộ mịn tương đối khối lượng theo đơn vị diện tích 75 cánh, với tốc độ quay đặc trưng bơm Hình 3.8 Tương quan độ mịn tương ñối mặt ñầu cánh bơm với 75 tốc ñộ quay đặc trưng bơm Hình 3.9 Bánh cơng tác bơm huyền phù Hm200 Viện Cơ khí 80 Năng lượng Mỏ - TKV thiết kế Hình 3.10 Bánh công tác bơm huyền phù 8Г-240m3/h chế tạo Viện Cơ khí Năng lượng Mỏ - TKV 83 MỞ ðẦU Tính cấp thiết đề tài Ở Việt Nam nhiều nước giới máy bơm ly tâm ñược sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác như: khai thác, vận chuyển, chế biến khống sản; hóa chất dầu khí; bơm cát xây dựng; nạo vét dịng sơng, bến cảng, bơm thải xỉ than nhà máy nhiệt ñiện; bơm nước hố khoan, ðặc điểm chung máy bơm ly tâm sử dụng lĩnh vực nói bơm dịng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng Do máy bơm phải vận chuyển dòng hỗn hợp có chứa nhiều loại hạt rắn với tính chất khác nhau, nên chúng bị mịn hỏng nhanh chóng Tình trạng gây cho đơn vị sử dụng nhiều khó khăn sản xuất góp phần làm tăng giá thành sản phẩm Vì vậy, việc nghiên cứu nguyên nhân quy luật mòn hỏng máy bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng để tìm phương hướng biện pháp nâng cao độ bền mịn cho chúng u cầu cấp thiết Mục đích luận văn - Nghiên cứu quy luật tác ñộng hạt rắn dòng chảy hai pha rắn - lỏng gây mòn hỏng máy bơm ly tâm sử dụng mỏ nhà máy tuyển Việt Nam - Xác ñịnh nguyên nhân đánh giá yếu tố gây mịn hỏng máy bơm, sở đưa phương hướng biện pháp để nâng cao độ bền mịn chi tiết máy bơm - Góp phần giảm bớt khó khăn việc sửa chữa thay thường xuyên chi tiết máy bơm ñồng thời giảm chi phí sản xuất cho sở nói - ðóng góp thêm vào tài liệu tham khảo công tác nghiên cứu máy bơm bùn ly tâm ðối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng hạt rắn dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng đến mịn hỏng máy bơm ly tâm sử dụng Việt Nam, phương hướng nâng cao tuổi thọ chúng - Nghiên cứu mòn hỏng máy bơm ly tâm sử dụng mỏ khia thác than nhà máy tuyển Việt Nam Nội dung nghiên cứu - Dựa nguyên lý học, vật lý, học chất lỏng, lực tác dụng lên hạt rắn chuyển ñộng chất lỏng, xây dựng sở lý thuyết mài mòn cánh bơm - Phân tích đặc điểm chuyển động hạt cứng bánh cơng tác Xây dựng số hệ phương trình ñánh giá ảnh hưởng ñến cột áp lý thuyết bơm - Từ kết nghiên cứu luận văn, kết hợp với kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm chống mòn cho máy bơm cơng trình ngồi nước, đề xuất phương pháp chống mòn cho máy bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng Phương pháp nhiệm vụ nghiên cứu ñề tài - Khảo sát, nghiên cứu phân tích tượng mịn hỏng máy bơm sử dụng Việt Nam bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng - Phân tích kết cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm từ trước đến mài mịn chi tiết máy bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng - Dựa dòng chảy mang hạt rắn, ñưa giả thiết tác ñộng hạt rắn gây mòn hỏng máy bơm ly tâm - Từ thơng số dịng hai pha rắn - lỏng, khảo sát xác ñịnh quy luật mòn hỏng chi tiết bơm ly tâm - Nghiên cứu ñưa phương hướng nâng cao ñộ bền mòn cho máy bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng nói chung Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài Xác ñịnh yếu tố nguyên nhân gây mòn hỏng máy bơm ly tâm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng Khảo sát đưa quy luật mịn hỏng máy ly tâm bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng ðề xuất số phương pháp chống mòn phù hợp với thực tế Kết nghiên cứu phục vụ cho cơng tác tính tốn thiết kế, lựa chọn, chế tạo máy bơm theo yêu cầu sản xuất Bố cục luận văn Luận văn trình bày 88 trang A4 Ngồi phần mở đầu, kết luận kiến nghị, …, nội dung luận văn trình bày chương: Chương 1- Tổng quan dạng mòn hỏng máy bơm ly tâm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng Chương 2- Nghiên cứu ảnh hưởng hạt rắn dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng đến mịn máy bơm ly tâm Chương 3- Phương hướng nâng cao tuổi thọ bơm bùn ly tâm Lời cảm ơn! Tơi xin bày tỏ lịng chân thành cảm ơn thầy giáo môn Máy thiết bị mỏ, ñặc biệt thầy TS Vũ Nam Ngạn, phòng ðại học Sau ñại học - Trường ñại học Mỏ - ðịa chất, lãnh đạo Viện Cơ khí Năng lượng Mỏ - TKV, bạn ñồng nghiệp ñã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Chương - TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG MÒN HỎNG MÁY BƠM LY TÂM DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG 1.1 Các dạng mòn hỏng máy bơm ly tâm Qua trình khảo sát số đơn vị sử dụng bơm ly tâm, ta thấy dạng mịn hỏng tuổi thọ chúng sau Công ty Than Hà Tu - TKV Công ty than Hà Tu - TKV mỏ khai than công nghệ khai thác lộ thiên Hiện nay, Cơng ty thực khai thác mức -130m, khối lượng nước chứa moong khai thác lớn, vào mùa mưa ðể ñảm bảo cho việc khai thác, Công ty sử dụng số lượng bơm tương đối lớn để bơm nước moong Tuy nhiên bơm sử dụng có đặc điểm mịn hỏng nhanh Tuổi thọ bình qn bơm ñây khoảng 750 ñến 1500 Chủng loại bơm sử dụng ñây tương ñối ña dạng suất đến hàng trăm, hàng nghìn m3/h Công ty Than Cọc Sáu - TKV ðây mỏ lộ thiên lớn nước ta, sản lượng than nguyên khai ñến triệu than/năm Hiện tại, Cơng ty khai thác mức -128m, năm tới khai thác đến mức -350m Máy bơm sử dụng để bơm nước; phục vụ cơng tác khai thác Do mức nước chênh tương ñối lớn, từ -128 lên mức +28, nên trạm bơm phải bố trí hai cấp Cấp I ñược ñặt phao moong, cấp II ñặt cố định mái dốc có vị trí chờ ñể nối ghép phần nước moong thay ñổi theo mùa mưa mùa khô Các bơm sử dụng mỏ có cơng suất tương đối lớn Д 2000-100 (2000m3/h); Д 1600-90 (1600m3/h); Z-1800-140 (1800m3/h) 74 Ψ2 = k c m / D2 u2 = cm = π nD 60 , k D2 Vì tốc độ dịng chảy mép cánh bơm tỷ lệ với thành phần hướng tâm c2m nên tính rằng: mài mòn mép cánh tỷ lệ bậc với vận tốc hay tỷ lệ nghịch với đường kính D2 số mũ 2/3 Xác ñịnh ảnh hưởng số vịng quay đặc trưng ns đến mài mịn mép cánh bơm So với ñơn vị mài mịn cánh bơm ns = 60, ta có giá trị mài mòn cánh bơm ns khác nhau: ns 50 60 100 150 200 ∆sT ∆ns =60 0,94 1,19 1,30 1,32 Nhận xét: Từ kết kết luận: giảm cột áp bơm, có nghĩa tăng số vịng quay đặc trưng ns, mài mòn mép cánh bơm tăng lên giống mài mòn bề mặt làm việc ðể kiểm tra kết luận ảnh hưởng số vịng quay đặc trưng đến mài mịn cánh bơm bánh cơng tác, ơng A B Полежаевым trường ñại học Mỏ Mạc Tư Khoa [8] ñã thực thử nghiệm hỗn hợp thủy lực có hạt cứng kích thước nhỏ bơm bùn Q trình thử nghiệm tiến hành với bánh cơng tác có đường kính 200, 230, 260, 290mm, chiều rộng bánh cơng tác đầu b2 = 25mm, góc vào β1 = 22o, góc β2 = 23 ÷ 25o Ống dẫn chế tạo đặc biệt đảm bảo lưu lượng bơm khơng thay đổi Số vịng quay đặc trưng thay đổi từ 60 đến 112 Trên hình 3.7 nêu độ mài mịn tương đối ∆S cánh bơm với đơn vị diện tích bánh cơng tác hàm số tốc ñộ quay ñặc trưng ns với hai loại bùn khác khau, tiếp nhận mài mòn cánh bơm với ns = 50 Trên 75 hình 3.8 nêu phụ thuộc tính tốn độ mài mịn tương đối mép cánh bơm vào số vịng quay đặc trưng ns, ñược dựng theo số liệu ñã nêu ñưa thêm ñiểm nhận ñược thực nghiệm A B Полежаевым thực [8] Hình 3.7 ðộ mịn tương đối khối lượng theo đơn vị diện tích cánh, với tốc độ quay đặc trưng bơm - tương ứng với cỡ hạt to - tương ứng với cỡ hạt nhỏ Hình 3.8 Tương quan độ mịn tương đối mặt đầu cánh bơm với tốc độ quay đặc trưng bơm Hình vẽ 3.7 3.8 thể kết nghiên cứu thực nghiệm ñã chứng minh ảnh hưởng hệ số chạy nhanh đến mài mịn cánh bơm Như vậy, tăng cột áp bơm giữ nguyên lưu lượng số vịng quay khơng thay đổi, mài mịn bánh cơng tác khơng tăng lên, mà cịn 76 ngược lại q trình mài mịn bánh cơng tác giảm dẫn ñến tăng tuổi thọ làm việc bơm 3.3 Ảnh hưởng tốc độ quay đến mịn bánh cơng tác Vận tốc dịng chảy chế ñộ dòng chảy tỷ lệ tương quan với tốc ñộ quay, cịn độ mài mịn tỷ lệ bậc ba với tỷ số tốc độ quay Khi đó, mài mịn phận công tác kể cánh bơm đơn vị thể tích hỗn hợp chất lỏng, tỷ lệ bậc với tốc ñộ quay Khi chọn tốc ñộ quay, ñể thiết kế bơm, với lưu lượng Q cột áp H, cần phải ñánh giá mài mịn chi tiết tốc độ khác (Q H khơng đổi) Khi đó, bánh cơng tác chi tiết quan trọng nhất, chịu cường độ mài mịn lớn Bởi q trình mài mịn thủy lực mép đầu vào ñầu cánh bơm khác nhau, ta cần ñánh giá tốc ñộ quay riêng biệt ảnh hưởng ñến mài mịn Hãy xem cường độ mài mịn mép ñầu vào cánh tương ứng với biểu thức (3.15), mài mịn mép đầu vào phụ thuộc vào vận tốc tương đối dịng chảy với số mũ phụ thuộc vào tỷ số góc dịng chảy β11 góc vào cánh dẫn β1 Quan hệ đường kính bánh cơng tác với tốc độ quay [8]: D12 Dq  n1  = =  D11 Dq1  n  1/ (3.21) Ở ký hiệu thơng số ứng với bơm có tốc độ quay n1 n2 Cịn quan hệ diện tích mặt cắt đầu vào bánh cơng tác là: C1.2  n  =  C1.1  n1  Quan hệ với tốc độ vịng: 2/3 (3.22) 77 1/ u1.2 D1.2 n2  n1  = =  u1.1 D1.1n1  n2  n2  n2  =  n1  n1  2/3 (3.23) Thật vậy, tam giác vận tốc ñầu vào ñều giống (khi hệ số lấp  w1.2  n   =   đầy ψ = const), có nghĩa là:   n1   w1.1  Tỷ số sin góc dịng chảy cánh: sin β1.2 c1.2 ω1.1 = =1 sin β1.1 c1.1 ω1.2 (3.24) Chú ý cơng thức (3.15), tỷ số độ mài mịn tuyến tính ∆S2 ∆S1 tốc độ quay bơm n2 n1 ∆S  w1.2   n2   =  = ∆S1  w1.1   n1  (3.25) Biểu thức nhận ñược ñúng chiều rộng bánh công tác thay đổi tỷ lệ với đường kính đầu vào Nhưng thiết kế bơm ñể cho hỗn hợp thủy lực định trước, ngồi lưu lượng cột áp cịn có kích thước cho phép nhỏ mặt cắt chảy qua, có nghĩa là, thay đổi tốc ñộ quay, kích thước mặt cắt chiểu rộng bánh cơng tác cần phải khơng đổi Khi tốc độ hướng kính tỷ lệ nghịch với tích D1b1: C1m  n2  =  C1m1  n1  1/ (3.26) Như tam giác vận tốc đầu vào khơng giống Bởi vì, vận tốc vòng tỷ lệ nghịch với tỷ số vận tốc quay số mũ 2/3, tỷ số vận tốc  w1.2 tương ñối   w1.1   n2  <    n1    2/3 Có thể nhận thấy rằng: giảm tần số quay, góc chảy β1 dịng chảy tăng lên, có nghĩa sin β1.2/sinβ1.1 > 1, tương ứng 78 với cơng thức (3.25), dẫn đến mài mịn tăng lên Thật vậy, tỷ số mài mịn tuyến tính cánh đầu vào phụ thuộc vào tốc độ quay có dạng sau ∆S1  n1  =  ∆S  n  m (3.27) Ở ñây < m