- Điều chỉnh lại áp suất.
5.1. Hiện tượng xâm thực
5.1.1. Khái niệm hiện tượng xâm thực
Ở một nhiệt độ nào đó, khi áp suất trong chất lỏng bằng áp suất bốc hơi thì chất lỏng sẽ sôi tạo nhiều bọt khí trong dòng chảy. Các bọt khí này sẽ bị dòng chảy cuốn vào những vùng có áp suất lớn hơn (P>Pbh) sẽ ngưng tụ thành các giọt nước có thể tích nhỏ hơn nhiều so với thể tích của bọt khí. Khi đó dòng chảy sẽ hình thành những khoảng trống cục bộ thu hút các phần tử xung quanh xô tới với vận tốc lớn làm áp suất tại đó tăng đột ngột lên rất cao làm rỗ bề mặt kim loại, phá hỏng các bộ phận làm việc của máy. Hiện tượng này gọi là hiện tượng xâm thực.
Trong máy bơm thủy lực nói chung, máy bơm ly tâm vận chuyển dầu nói riêng, hiện tượng xâm thực là một vấn đề rất phức tạp. Nó phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng, áp suất và nhiệt độ của chất lỏng... Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào kết cấu, chế độ làm việc và vị trí lắp đặt máy bơm.
Với máy bơm ly tâm vận chuyển dầu thô, do trong dầu thô được vận chuyển có chứa nhiều parafin và các thành phần hợp chất hữu cơ khác có chứa nhiều khí hòa tan, đây cũng chính là một trong những nhân tố gây lên hiện tượng xâm thực trong máy bơm ly tâm vận chuyển dầu.
* Dấu hiệu để nhận biết khi máy bơm bị hiện tượng xâm thực là: - Máy bị rung nhiều, gây tiếng động lớn.
- Lưu lượng, cột áp và hiệu suất của máy bơm bị giảm đột ngột. - Dòng chảy của chất lỏng trong máy bị gián đoạn.
5.1.2. Những ảnh hưởng của hiện tượng xâm thực
5.1.2.1. Ảnh hưởng đến vật liệu
Như ta đã biết, khi xảy ra hiện tượng xâm thực, chất lỏng bên trong xô tới các bộ phận của máy bơm đặc biệt là bánh công tác và bánh dẫn hướng với vận tốc rất lớn làm cho áp suất tăng lên đột ngột gây lên một áp lực rất lớn tác động vào bề mặt kim loại của các chi tiết này. Do vật liệu làm các bộ phận này thường là gang, thép hay thép hợp kim nên khả năng chịu va đập không cao. Ban đầu sẽ tạo nên các vết nứt nhỏ trên bề mặt, sau đó sẽ phát triển thành các lỗ hổng. Khi lỗ hổng được hình thành, phần chất lỏng ít nhiều có sự trộn lẫn với hơi, xâm nhập vào vùng này gây ra hiện tượng va đập bên trong lòng các lỗ hổng khiến các lỗ hổng ngày càng phát triển, như vậy:
- Các bề mặt kim loại nhám không phẳng sẽ hấp thụ phần lớn năng lượng va đập nên sẽ bị phá hỏng do hiện tượng xâm thực nhanh hơn so với bề mặt kim loại nhẵn phẳng.
- Kim loại càng giòn càng bị phá hỏng mạnh. Ngoài ra, các chi tiết còn bị han gỉ và phá hỏng do tác dụng hóa học gây ra bởi các chất hữu cơ khi xâm nhập vào các vết nứt, lỗ hổng.
5.1.2.2. Ảnh hưởng đến đường đặc tính của bơm
Khi dòng chảy xuất hiện các bọt khí sẽ làm giảm lưu lượng của bơm một cách đột ngột, làm cho đường đặc tính của bơm sẽ thay đổi nhanh chóng thành một đường cong kéo dài gần như thẳng đứng (đoạn nét đứt --- trong hình 5.1).
H
Q
Giai đoạn ban đầu các bọt khí còn ít, nó còn giới hạn trong khu diện tích hẹp, lưu lượng của bơm chưa thay đổi nhiều nên đường đặc tính chưa có sự thay đổi rõ rệt. Khi các bọt khí bắt đầu tăng lên nhiều và chiếm chỗ dòng chảy thì lưu lượng và cột áp cũng như hiệu suất của bơm bắt đầu giảm theo và nếu kéo dài thì bơm có thể ngừng hoạt động.
Hình 5.1. Ảnh hưởng của hiện tượng xâm thực đến đường đặc tính của máy bơm 5.1.3. Nguyên nhân gây ra hiện tượng xâm thực
Qua nghiên cứu và thực nghiệm, người ta đã chỉ ra những nguyên nhân cơ bản gây ra hiện tượng xâm thực của máy thủy lực nói chung và máy bơm ly tâm nói riêng. Dưới đây là một số nguyên nhân gây ra hiện tượng xâm thực của máy bơm ly tâm vận chuyển dầu thô:
- Do tốc độ dòng chảy ở cửa vào quá cao làm cho áp suất của chất lỏng giảm mạnh, khi áp suất nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng thì lúc đó có hiện tượng xâm thực. Hiện tượng này xảy ra do: kết cấu cánh dẫn có cửa hút không hợp lý dẫn đến khi chất lỏng tới cửa hút sẽ làm tăng vận tốc dòng chảy.
- Do các đoạn ống bị uốn dòng quá gấp dẫn đến giảm áp suất cục bộ.
- Do có hiện tượng xoáy tách dòng ở bộ phận làm cánh dẫn và do bố trí góc hướng dòng của cánh bơm có hệ số xâm thực lớn. Lựa chọn số cánh và số vòng quay không hợp lý.
- Do tăng chiều cao hút, đây là nguyên nhân chính dẫn đến xâm thực toàn dòng làm cho áp suất trong dòng chảy giảm mạnh mẽ. Một số nguyên nhân sau đều làm tăng chiều cao hút:
+ Chọn chiều cao bơm (khoảng cách từ mặt thoáng của bể hút đến tâm trục máy bơm) không đúng, độ ngập của ống hút trong bể chứa không hợp lý.
+ Lựa chọn và tính toán đường kính, chiều dài ống hút không hợp lý, làm tăng tổn thất trên đường ống.
+ Đường ống hút bị nhỏ lại do dầu có thành phần parafin bám dính, làm tăng tổn thất thủy lực.
- Do khí từ ngoài lọt vào trong máy qua hệ thống làm kín và nhất là khí lọt vào do hiện tượng tạo phễu ở bể hút gây lên hiện tượng xâm thực cục bộ.
- Do lượng khí đồng hành trong dầu còn quá nhiều vì chưa được tách một cách triệt để.
5.1.4. Biện pháp khắc phục và ngăn ngừa hiện tượng xâm thực
Tất cả các nguyên nhân trên đều có thể xảy ra nếu không có biện pháp khắc phục và ngăn ngừa. Như vậy để máy bơm ly tâm làm việc không xảy ra hiện tượng xâm thực ta phải có biện pháp kỹ thuật nhằm hạn chế và loại trừ các nguyên nhân trên. Sau đây là một số biện pháp nhằm khắc phục và ngăn ngừa xâm thực xảy ra trong quá trình máy bơm làm việc:
- Tính toán chọn bơm theo hệ số xâm thực cho phép: Việc chọn lựa bơm cho hệ thống vận chuyển dầu khí theo hệ số xâm thực cho phép của máy bơm sẽ giảm ảnh hưởng của hiện tượng xâm thực và nâng cao được hiệu quả sử dụng cho máy bơm trong hệ thống. Đại lượng đánh giá khả năng chống xâm thực cho máy bơm (hệ số xâm thực) có thể là chiều cao hút dự trữ của bơm NPSHa hoặc cột áp chân không cho phép [Hck].
- Phải thường xuyên kiểm tra áp suất và nhiệt độ dầu khi bơm, các đồng hồ đo nhiệt độ và áp suất của dầu ở đầu vào.
- Phải thường xuyên kiểm tra hiện tượng rò rỉ chất lỏng trên đường ống hút, các mặt bích lắp ghép hoặc tại các đệm làm kín trục và thân bơm.
- Tăng áp suất chất lỏng cửa vào máy bơm, dẫn tới tăng NPSHa là khả năng hút của hệ thống máy bơm và ống hút, được xác định trong quá trình thiết kế, xây dựng trạm bơm hay qua thử nghiệm đường ống thực tế.
- Chúng ta cũng có thể tăng NPSHa bằng cách giảm nhiệt độ làm việc của chất lỏng. Khi nhiệt độ làm việc giảm, áp suất bốc hơi chất lỏng giảm dẫn tới độ chênh lệch giữa áp suất bốc hơi và áp suất cửa vào tăng tức là NPSHa tăng.
- Giảm tổn thất trên đường ống hút cũng làm cho NPSHa tăng lên. Có nhiều cách giảm tổn thất đường ống: tăng đường kính ống hút, giảm số lượng cút nối, giảm chiều dài đường ống hút.
- Tăng độ chênh lệch giữa NPSHa và NPSHr, chúng ta cũng có thể giảm NPSHr. NPSHr không hoàn toàn là không đổi trong mọi điều kiện vận hành, cơ chế hoạt động của bơm. Thực tế, NPSHr tăng lên đáng kể khi lưu lượng tăng.
- Khi vận hành máy bơm vận chuyển dầu cần phải hết sức chú ý đến sự thay đổi mực dầu trong bể hút. Nếu cần thiết có thể đặt các rơle mực dầu để điều khiển sự làm việc của máy bơm.