4.1.2.1. Mòn tự nhiên
Mòn tự nhiên là sự thay đổi kích thước của các chi tiết hoặc thay đổi khe hở của các mối ghép trong cụm so với yêu cầu kỹ thuật đã định. Mòn tự nhiên bao gồm các loại: mòn cơ học, mòn hoá học và mòn điện hoá.
1. Mòn cơ học
Đặc điểm: mòn cơ học là hiện tượng mòn xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau trong quá trình làm việc.
Mòn do mài
Khi mối ghép hoặc hai bề mặt chi tiết tiếp xúc nhau có sự chuyển động tương đối, dưới sự tác động của tải trọng, tại bề mặt tiếp xúc của hai chi tiết xuất hiện lực ma sát. Các nhấp nhô vốn có trên bề mặt chi tiết sẽ bị lực ma sát phá vỡ và san bằng, kết quả là bề mặt chi tiết bị mòn dần.
Hình 4.1. Sơ đồ biểu diễn sự mòn do mài Bảng 4.1. Các chi tiết trong sơ đồ biểu diễn sự mòn do mài
STT Tên chi tết STT Tên chi tiết
1 Bề mặt chi tiết 1 3 Chất bôi chơn
Tốc độ mài mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ nhấp nhô bề mặt, trạng thái của bề mặt tiếp xúc, tính chất lý hoá của vật liệu chế tạo chi tiết, tải trọng tác dụng lên mối ghép, tốc độ trượt và nhiệt độ trong mối ghép.
Mòn hạt mài
Là hiện tượng phá hỏng bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết có sự chèn ép hạt mài. Các hạt mài (kim loại hoặc phi kim) có độ bền, độ cứng lớn hơn độ bền, độ cứng của lớp kim loại bề mặt chi tiết. Khi có sự chuyển động tương đối giữa hai chi tiết, hạt mài bị chèn ép, lúc đó nó có tác dụng như một con dao cắt, cắt đi một lớp kim loại, tạo lên nhưng vết xước, những rãnh nhỏ trên bề mặt chi tiết. Vết xước càng nhiều thì càng làm tăng độ nhấp nhô bề mặt và làm tăng khả năng bị oxi hoá, bị san phẳng do mài. Kết quả là bề mặt của chi tiết bị mòn dần.
Hình 4.2. Sơ đồ biểu diễn sự mòn do chèn ép hạt mài Bảng 4.2. Các chi tiết trong sơ đồ biểu diễn sự mòn do chèn ép hạt mài
STT Tên chi tết STT Tên chi tiết
1 Bề mặt chi tiết 1 3 Chất bôi chơn
2 Bề mặt chi tiết 2 4 Hạt mài
Hạt mài có thể có trong chất lỏng bôi trơn, trong nhiên liệu hay từ xung quanh chỗ làm việc rơi vào vùng tiếp xúc của hai bề mặt. Tốc độ mài mòn phụ thuộc vào tính chất của hạt mài, tính chất của bề mặt tiếp xúc cũng như chế độ tải trọng. Nếu độ cứng bề mặt càng cao thì mức độ mòn càng giảm.
Mòn do gỉ
Mòn do gỉ xảy ra khi trong chất bôi trơn bề mặt tiếp xúc của hai chi tiết có lẫn nước, có khả năng oxi hoá bề mặt kim loại, làm xuất hiện trên bề mặt chi tiết một lớp oxít có độ bền thấp hơn độ bền kim loại gốc. Dưới tác dụng của tải trọng, lớp oxít bị bong ra, chi tiết bị hao mòn về kích thước.
Mòn xảy ra do tác động đồng thời của tải trọng và lực ma sát phân tử. Nguyên nhân do sự liên kết phân tử của từng bộ phận trên bề mặt tiếp xúc nhỏ, dưới tác dụng của áp lực riêng lớn, trên bề mặt tiếp xúc xuất hiện lực ma sát phân tử lớn, một phần của liên kết bị bong ra, dẫn đến bề mặt chi tiết bị mòn dần.
2. Mòn hoá học
Bản chất: mòn hoá học là quá trình phá huỷ kim loại dưới tác dụng của các nguyên tố hoá học có trong môi trường khí khô hoặc dung dịch không điện ly, tạo ra trên bề mặt kim loại một lớp oxít (lớp gỉ). Lớp oxít ban đầu hình thành ở bề mặt kim loại, sau đó phát triển sâu dần vào bên trong, kéo theo sự thay đổi thành phần của kim loại và tính chất của nó. Kim loại lúc đó bị phân huỷ từng phần hoặc toàn bộ (hoà tan), hoặc sản phẩn ăn mòn có thể hình thành ở trạng thái kết tủa trên bề mặt kim loại. Đôi khi quá trình xảy ra với sự phân giải thành phần cấu trúc, thay đổi tính chất cơ lý của kim loại và phi kim, phá kuỷ các mối liên kết giữa các mạng tinh thể.
Đặc điểm:
Sản phẩm ăn mòn hình thành trực tiếp trên phần bề mặt, quá trình phân huỷ xảy ra tại chỗ tưởng tác giữa kim loại và môi trường ăn mòn. Ăn mòn hoá học thường xảy ra do tác động của các chất lỏng không điện phân và khí khô.
Trong dung dịch điện phân : những dung dịch không điện phân phần lớn là các chất hữu cơ không dẫn điện. Sự tương tác giữa kim loại với môi trường ăn mòn, phụ thuộc vào bản chất hoá học của hợp chất hữu cơ, vào nhiệt độ và các yếu tố khác.
Trong môi trường khí khô : tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất kim loại, thành phần hợp kim của chúng, đặc tính của môi trường khí, nhiệt độ và tính chất của sản phẩm ăn mòn, thời gian tác động của môi trường lên kim loại. Tốc độ ăn mòn sảy ra nhanh khi môi trường có nhiệt độ cao.
3. Ăn mòn điện hoá
Bản chất: mòn điện hoá là sự phá huỷ kim loại, xảy ra với sự tác động của các dung dịch điện phân, của khí ẩm lên kim loại và hợp kim. Quá trình ăn mòn có phát sinh dòng điện.
Đặc điểm:
Ăn mòn điện hoá thường xảy ra hai quá trình đồng thời: oxy hoá và oxy hoá khử.
Trong kim loại thường tồn tại những pha có thế điện cực khác nhau, ở môi trường khí ẩm hay môi trường dung dịch điện phân, những pha này tạo thành những bộ pin tế vi. Trong quá trình pin tế vi tồn tại, luôn xảy ra hiện tượng có một cực của
bộ pin hoà tan vào dung dịch, điều này làm cho bề mặt kim loại của chi tiết bị mòn dần. Quá trình hoà tan kim loại còn kéo theo sự trao đổi các điện tử và i-ôn giữa kim loại với dung dịch điện phân, do đó các quá trình ăn mòn xảy ra trong dung dịch điện phân có cường độ mòn lớn.
Tốc độ ăn mòn kim loại trong dung dịch điện phân phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của dung dịch. Trong môi trường axít, môi trường kiềm và môi trường trung tính, quá trình ăn mòn thường xảy ra khác nhau.
4.1.2.2. Mòn sự cố
Là hiện tượng mòn do máy thường xuyên bị quá tải, do chế độ bảo dưỡng, vận hành máy không đúng, quá trình mòn xảy ra không bình thường, độ mòn tăng nhanh gây ra những hư hỏng nghiêm trọng như: đứt, gãy, vỡ chi tiết.
Mòn sự cố thường do các nguyên nhân sau gây ra:
Chế độ làm việc định mức của máy bị phá vỡ: do tải trọng tăng đột ngột, do các mối lắp ghép trong máy bị thay đổi làm sai lệch vị trí tương đối giữa các chi tiết.
Chế độ bôi trơn máy bị vi phạm: thiếu dầu, tắc dầu, sử dụng các loại dầu bôi trơn không phù hợp.
Chi tiết của máy khi chế tạo không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật: vật liệu không phù hợp, độ chính xác, độ bóng không đảm bảo, có khuyết tật.
Chế độ lắp ráp cụm chi tiết hoặc bộ phận máy không phù hợp, không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
Chế độ vận hành không đúng.
Mòn sự cố phát sinh do mòn cơ học hoặc phát sinh bởi các khuyết tật chứa trong máy.
Nhận xét:
Máy bơm dung dịch khoan YHБ – 600 làm việc trong môi trường ngoài trời trên các giàn khoan – khai thác dầu khí ngoài biển. Vì vậy, nó chịu tác động của nắng, mưa, nước biển, hơi nước biển, ... có chứa muối nên gây ăn mòn khá mạnh cho bơm. Tuy nhiên phần bên trong của bơm chịu ăn mòm bởi các nguyên khác nhau.
Đối với cụm cơ khí thì môi trường làm việc có sự ma sát mạnh giữa các cặp chi tiết như: bánh răng – bán răng, bánh răng – trục, trục – ổ, ... Trong quá trình làm việc do chịu ma sát nên các chi tiết này nóng lên, làm cho cơ – lý – hoá học của vật liệu chế tạo chi tiết sẽ bị thay đổi, nên khả năng làm việc của chúng sẽ thay đổi theo, dẫn đến hiệu suất làm việc của bơm giảm nhanh chóng. Do vậy, người ta sử dụng một số loại dầu bôi trơn chuyên dụng để giảm lực ma sát, giảm hao mòn, làm
mát chi tiết, liên tục làm sạch chi tiết, bảo vệ các chi tiết khỏi han gỉ và đảm bảo tính kín khít giữa các chi tiết. Nhưng trong mỗi loại dầu bôi trơn được sử dụng này, người ta cũng thường xuyên thêm vào một số phụ gia với nồng độ từ (0,01 ÷ 0,5)% để nâng cao tính chất bôi trơn riêng biệt cho sản phẩm. Vì vậy, sau một thời gian làm việc thì chất lượng dầu bôi trơn sẽ giảm do một số yếu tố nào đó, nên sẽ dẫn đến hình thành các cặn bẩn nguy hại, một số nhũ bền cao, ... cũng sẽ gây mòn hỏng các chi tiết bôi trơn, làm giảm khả năng làm việc của toàn hệ thống.
Đối với các chi tiết trong phần thuỷ lực của bơm, đặc biệt là chi tiết quan trọng như cụm xilanh – piston và một số cụm khác thì ngoài sự mòn hỏng do ma sát, chất bôi trơn như trên, thì trong quá trình làm việc chúng tiếp xúc trực tiếp với dung dịch khoan nên sẽ chịu thêm sự mòn do dung dịch khoan này gây ra nữa, bởi dung dịch khoan chứa các tác nhân gây mài mòn và ăn mòn như:
Các phần tử cứng vụn có trọng lượng riêng tương đối lớn, được người ta cho vào làm chất gia trọng của dung dịch khoan như: Fe3O4, CaCO3, Fe2O3, ...
Các loại bột mài, các hạt nham thạch và khoáng chất bị nghiền nát do choòng khoan từ đáy lỗ khoan lên bề mặt như: SiO2, Bazan, CaCO3, ... có độ cứng rất cao.
Các hạt sét, cát có trong thành phần khởi đầu của dung dịch từ việc pha chế sét lộ thiên hoặc bê tông chộn.
Mặc dù, dung dịch khoan sau quá trình tuần hoàn bơm rửa giếng đã được sử lý, gia công và làm sạch bằng máy khuấy thuỷ lực, số lượng bọt và chất cứng nguy hại đã giảm đi, nhưng quá trình làm sạch chúng hoàn toàn là không thể, nên những hạt, phần cứng, ... có thành phần kích cỡ nhỏ hơn 160µm vẫn tiếp tục tăng và tồn tại trong dung dịch khoan, điều này dẫn đến việc gây mòn do ma sát cho các chi tiết trong cụm thuỷ lực đặc biệt là cụm xilanh – piston. Không những thế, sự có mặt của những hoá chất có sẵn trong dung dịch cũng như các hoá chất cho vào trong quá trình gia công, làm sạch dung dịch, dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ cao của máy bơm trong quá trình làm việc, chúng sẽ tác dụng hoá – lý với kim loại ở bề mặt chi tiết và gây ra ăn mòn hoá học cho chúng, làm ảnh hưởng đến năng suất và hiệu quả của máy bơm.
Như vậy, do bơm phải trải qua một quá trình làm việc lâu dài dưới tác dụng của tải trọng, của ma sát và các nguyên nhân khác như: nhiệt độ, độ ẩm, độ bịu, ... nên sự mòn hỏng cho máy bơm là yếu tố không thế tránh khỏi.
Do khuôn khổ đồ án đặt ra, sau đây e xin trình bày sự mòn hỏng của cụm xilanh – piston.