2.1. Chọn ph-ơng pháp phun để nghiên cứu
Sự chọn ph-ơng pháp phun nhiệt để nghiên cứu phải dựa trên ba yếu tố cơ bản: 1- Nhu cầu và tính chất công tác của sản phẩm ( phục hồi ).
2- Khả năng cung ứng thiết bị và vật liệu đảm bảo cho công việc nghiên cứu và
ứng dụng có kết quả.
3- Trình độ sử dụng máy móc và khả năng nghiên cứu của các đơn vị thực hiện
đề tài.
D-ới đây sẽ phân tích các yếu tố nói trên.
2.1.1. Nhu cầu về tính chất công tác của sản phẩm
Không phải bất kỳ chi tiết máy nào h- hỏng và mài mòn cũng có thể phục hồi đ-ợc, hơn thế nữa lại phục hồi bằng ph-ơng pháp phun. Do đặc tính công nghệ của mình ( sẽ đ-ợc trình bày ở ch-ơng 3 ), ph-ơng pháp phun nhiệt cho phép nhận đ-ợc lớp kim loại đắp ( lớp phun ) có các tính chất cơ lý thấp. Nh-ng bù vào đó, lớp phun- tuỳ thuộc vào vật liệu phun- có những tính chất đặc biệt mà các lớp đắp thực hiện bằng các ph-ơng pháp khác ( nh- mạ, hàn.v.v... ) không có đ-ợc do tính phức tạp của quá trình công nghệ.
Các chi tiết máy có thể đ-ợc phục hồi bằng phun nhiệt bao gồm:
a. Các chi tiết dạng trục làm việc trong điều kiện bội trơn ( nh- trục khuỷu,
trục cam.v.v... ) và không bôi trơn ( trục máy bơm thuỷ lợi, cổ trục lắp bi .v.v... ).
b. Các chi tiết dạng lỗ làm việc trong điều kiện chịu áp lực nén ( lỗ lắp bi ) và xâm thực ( buồng công tác của máy bơm thuỷ lợi ).
c. Các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ở nhiệt độ cao ( cánh tuabin khí, ống vòi voi .v.v... ) và môi tr-ờng ăn mòn ( cánh tuabin n-ớc, đế giàn khoan .v.v... ).
Tài liệu đã dẫn [1.4] cho thấy hầu hết các chi tiết nhóm a và nhóm b đã đ-ợc nghiên cứu phục hồi có kết quả, các chi tiết nhóm c ch-a đ-ợc đề cập đến nhiều, đặc biệt là các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ở nhiệt độ cao ( cánh tuabin khí, ống vòi voi...). D-ới đây chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về nhu cầu phục hồi của các chi tiết này.
Hiện nay, tổng công suất tuabin khí ( TBK ) và chu trình hỗn hợp trong các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam là 1826 MW, bao gồm các TBK loại 701F2 ( MHI Nhật Bản ), GT13E2 ( Alsstoms- ABB- Thuỵ Sỹ ), V94.2 ( Siemens, Đức), F5,F6 ( GE- Mỹ ). Ước tính trong vòng một vài năm tới, công suất các nhà máy TBK và chu trình hỗn hợp sẽ tăng gấp hai lần. Trung bình mỗi tổ máy TBK có 300 585 cánh tuabin.
Tính đặc thù của hệ thống TBK ( Gas- Tuabin ) là các bộ phận chi tiết bên trong làm việc trực tiếp với khí nóng ở nhiệt độ cao và áp lực lớn. Nhiệt độ đầu vào của TBK
( tại Việt Nam hiện nay ) cao nhất là hệ thống TBK701F2 ( 13730 ), các TBK khác từ
11000 12000C. Nhiệt độ ra khỏi tầng cánh cuối cùng của các TBK từ 4500 5500C. Do phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nh- vậy ( nhiệt độ môi chất và áp lực làm việc rất cao ) nên bề mặt các chi tiết nh- buồng đốt, các ống dẫn lửa, các loại chèn nhiệt và đặc biệt là các tầng cánh TBK đ-ợc phun một lớp vật liệu bảo vệ nhiệt ( gốm hoặc các kim loại hợp kim chịu nhiệt ). Các lớp phun này phải đảm bảo khả năng bền nhiệt rất cao ( hàng nghìn độ C ), khả năng chịu mài mòn và bám dính cao trong chu kỳ vận hành của tổ máy.
Mặc dù đ-ợc thiết kế bảo vệ nhiệt cao nh-ng các chi tiết phần nóng của TBK
vẫn bị h- hỏng nặng nề sau một chu kỳ làm việc ( từ 24.000h 33.000h vận hành
t-ơng đ-ơng EOH ). Sau khoảng thời gian đó, các chi tiết máy đ-ợc tháo ra, tiến hành sửa chữa phục hồi để tiếp tục sử dụng cho một chu kỳ vận hành mới. Các công đoạn sửa chữa phục hồi th-ờng bao gồm các b-ớc sau:
Kiểm tra phân loại sản phẩm thành hai nhóm: Phục hồi đ-ợc và không phục hồi
đ-ợc ( đối với chi tiết tuabin khí hiện nay vẫn phải thuê n-ớc ngoài kiểm tra đánh giá phân loại ).
Nhóm nằm trong diện phục hồi tiếp tục lấy mẫu kiểm tra kim t-ơng bằng máy cắt
điện cực hoặc lade, kính hiển bi điện tử, bằng thí nghiệm không phá huỷ.
Làm sạch bề mặt bằng công nghệ phun cắt kim loại bảo vệ chống han gỉ và công
nghệ bốc hơi dầu mỡ.
Hàn các vết nứt tế vi bằng công nghệ hàn đặc biệt trong môi tr-ờng bảo vệ, hàn áp
lực hoặc hàn đồng.
Phục hồi cấu trúc tế vi của kim loại bằng công nghệ nhiệt luyện trong lò nung chân
không, kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử, siêu âm, chụp ảnh x-quang hoặc thí nghiệm không phá huỷ.
Phun lớp vật liệu chịu nhiệt bằng công nghệ phun plasma đối với các chi tiết chịu nhiệt độ cao.
Kiểm tra chất l-ợng, bao gói xuất x-ởng.
Hiện nay, các TBK của các nhà máy nhiệt điện chạy bằng nhiên liệu dầu DO, khí gas và khi không đủ khí, một số TBK ( F6, V94.2 ) đ-ợc vận hành hỗn hợp nhiên liệu khí- DO. Trong thời gian tới, các nhà máy nhiệt điện dùng TBK sẽ đ-ợc cấp khí thiên nhiên khai thác từ các vùng biển của Việt Nam.
Việc sử dụng dầu DO làm nhiên liệu đốt th-ờng có nhiệt độ khí nóng cao hơn khí đốt. Ngoài ra, trong thành phần dầu DO vẫn tồn tại thành phần kim loại vanadi và l-u huỳnh cao hơn nhiều so với khí đốt, do đó tác động ăn mòn kim loại ở nhiệt độ cao nhanh hơn. Chính vì vậy, hiện nay các chi tiết trong tổ hợp TBK rất nhanh bị bong tróc lớp vật liệu phủ và từ đó sẽ tác động gây ra các vết nứt tế vi trên bề mặt các chi tiết- đặc biệt là chi tiết cánh TBK.
Để nâng cao hiệu suất, giảm tổn thất nhiệt, công nghệ TBK th-ờng áp dụng kỹ thuật đốt có ngọn lửa ngắn, nhanh chóng chuyển tiếp từ buồng đốt tới tầng cánh sinh công thứ nhất của tuabin và tăng nhiệt độ khí cháy đầu vào tuabin. Công nghệ này càng đòi hỏi vật liệu cánh, công nghệ làm mát và công nghệ vật liệu phun cao hơn, nếu không tuổi thọ chi tiết sẽ giảm và chi phí bảo d-ỡng, sửa chữa cao hơn.
Vấn đề nổi cộm nhất đối với TBK trong ngành điện hiện nay là chi phí bảo d-ỡng rất cao. Việc cung cấp phụ tùng thay thế và việc phục hồi sửa chữa các chi tiết hầu nh- phụ thuộc hoàn toàn vào các nhà cung cấp thiết bị và có thể coi đây là sự độc quyền của họ. Ng-ời sử dụng hầu nh- không thể kiểm soát đ-ợc giá cả và chất l-ợng của các dịch vụ đó. Hậu quả là, cứ mỗi kỳ sửa chữa cấp đại tu phải chi phí hàng chục tỷ đồng cho một cỗ máy tuabin khí ( ch-ơng 1).
Trong quá trình khảo sát thực tiễn tại các nhà máy điện đang sử dụng tổ hợp thiết bị TBK, nhóm thực hiện đề tài đã xác định và thống kê đ-ợc các dạng hỏng chủ yếu của chi tiết cánh tuabin ( phụ lục 1).
Nh- vậy, nhu cầu phục hồi các chi tiết TBK là hết sức to lớn và bức xúc. Việc phục hồi thành công các chi tiết nói trên có ý nghĩa to lớn về khoa học và kinh tế kỹ thuật, đồng thời giúp ng-ời tiêu dùng chủ động trong việc khai thác máy móc không phụ thuộc vào các nhà máy cung cấp thiết bị nh- hiện nay.
2.1.2. Khả năng cung ứng thiết bị và vật liệu phun
nhập đ-ợc một thiết bị phun nào có đủ các yêu cầu cần thiết cho việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phục hồi các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nh- đã trình bày. Có thể nói, đó là một điều đáng tiếc dẫn đến tình trạng bị động nh- hiện nay.
Điều kiện làm việc cực kỳ khắc nghiệt của TBK đòi hỏi các chi tiết phải có đầy đủ các tính chất về cơ- lý- hoá ( độ bền, khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền chống ăn mòn .v.v... ). Các nhà khoa học và sản xuất luôn bức xúc nghiên cứu tìm tòi các vật liệu đáp ứng các yêu cầu đó. Các vật liệu “ siêu hợp kim ” đã đ-ợc đ-a vào ứng dụng để sản xuất các chi tiết máy tuabin khí nh- cánh, đế cánh, khớp nối, hệ thống ống xả ( ống chuyển tiếp ) .v.v... Tuy nhiên, không thể có đ-ợc một vật liệu “ lý t-ởng ” nào đáp ứng đ-ợc đầy đủ các yêu cầu của TBK. Độ bền lâu dài của các chi tiết TBK do đó giảm, hiệu suất công tác của TBK không cao.
Để cải thiện tình hình đó các nhà khoa học đã nghiên cứu những công nghệ mới nhằm bảo vệ các chi tiết TBK. Một trong những công nghệ đó là phun phủ một lớp hợp kim đặc biệt. Lớp phun này không những phải có độ bám cao với kim loại nền, độ chặt ( độ liên kết giữa các hạt ) lớn, mà còn cả độ bền nhiệt cao ( lên tới 10000C và cao hơn ). Đây là lớp phủ bề mặt với hai loại vật liệu khác nhau - vật liệu liên kết và bảo vệ ( lớp d-ới ) và vật liệu chịu nhiệt ( lớp trên ) đ-ợc hình thành nhờ công nghệ phun plasma ( 1-5 ).
Tất cả các yêu cầu nói trên về thiết bị và vật liệu phun đều đ-ợc đáp ứng bởi phòng thí nghiệm trung tâm của Viện nghiên cứu Cơ khí- Bộ Công nghiệp. Tại đây, có đầy đủ các thiết bị hiện đại về hàn và phun, cùng các vật liệu đặc biệt mới đ-ợc cung ứng đảm bảo phục hồi hoàn chỉnh các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nh- cánh tuabin khí.
2.1.3. Trình độ cán bộ nghiên cứu
Trên thực tế, cán bộ chuyên ngành phun không có nhiều. Một số cán bộ có trình độ tiến sĩ KHKT về phun tập trung ở tr-ờng ĐHBK Hà Nội. Có thể coi đây là một tiền đề cho sự hợp tác nghiên cứu có hiệu quả của đề tài. Tuy nhiên, lực l-ợng cán bộ nghiên cứu chính vẫn là Viện nghiên cứu Cơ khí- Phòng gia công áp lực và phòng thí nghiệm trung tâm, trong đó số cán bộ nghiên cứu trong cùng một lĩnh vực hàn và phun có tới vài chục ng-ời trình độ TS và KS, đã từng tham gia nghiên cứu nhiều năm.
Trên cơ sở phân tích ba yêu tố trên và trong điều kiện thuận lợi hiếm có hiện nay về các chủng loại thiết bị và vật liệu, có thể chọn ph-ơng pháp phun nhiệt hồ
quang plasma với vật liệu phun dạng bột để tiến hành các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài.
2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Có thể nói “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và độ bám cao phục hồi các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ” là một đề tài lớn với nhiều nội dung phong phú và để hoàn thành mỹ mãn, phải tiến hành trong nhiều năm. Trong khoảng thời gian 3 4 năm đề tài cần đ-ợc giới hạn bởi các nhiệm vụ nghiên cứu. Trên cơ sở nhiệm vụ đ-ợc giao của Bộ Khoa học Công nghệ và kết quả khảo sát thực tế trong n-ớc nhóm đề tài đã xác định nhiệm vụ nghiên cứu nh- sau:
a) Nghiên cứu tổng quan bao gồm việc tổng hợp tình hình nghiên cứu trong và
ngoài n-ớc, các patents để xác định ph-ơng pháp công nghệ phun, xác định nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài.
b) Nghiên cứu lý thuyết về các quá trình phun các quá trình tạo hạt và lớp phun
bằng các công nghệ phun nhiệt, đặc biệt chú trọng công nghệ phun plasma là ph-ơng pháp đ-ợc chọn để tiến hành công tác nghiên cứu Đề tài; giới thiệu các ph-ơng pháp thí nghiệm xác định các tính chất của lớp phun.
c) Thí nghiệm xác định chế độ phun tối -u trên máy phun hồ quang plasma và xác
định các tính chất cơ lý của lớp phun.
d) Phun phục hồi thử nghiệm trên một số chi tiết của tuabin khí - bao gồm việc
tiến hành công nghệ phun plasma phục hồi 1 2 chi tiết ( thuộc một loại chi