Hiện trạng và mối nguy hiểm của sự cố hỏng phốt áp suất cao
Van bơm cao áp ( ≥10MPa) là thành phần cốt lõi trong lĩnh vực truyền tải hóa dầu và thủy lực. Lỗi bịt kín có thể dẫn đến rò rỉ trung bình, giảm hiệu suất và thậm chí là các tai nạn an toàn như cháy nổ. Dữ liệu cho thấy 42% lỗi van bơm trong điều kiện áp suất cao là do vấn đề về phốt, trong đó 80% là do lựa chọn vật liệu không chính xác hoặc thiết kế kết cấu không hợp lý—các vấn đề có thể được giảm thiểu một cách hiệu quả thông qua thiết kế tối ưu hóa cho các bộ phận như Van điều khiển hướng chất lỏng kín, Bơm màng kín và Bơm chuyển chất lỏng kín.
Phân tích ba chế độ lỗi chính
1. Chất liệu "Đùn xé"
Khi áp suất hệ thống vượt quá giới hạn chống đùn của vật liệu bịt kín, phốt sẽ bị ép vào khe hở phốt (0,1-0,3mm), gây rách môi hoặc biến dạng mặt cắt ngang. Ví dụ, vòng chữ U bằng cao su nitrile (NBR) được sử dụng trong máy bơm piston áp suất cao 30MPa đã phát triển các rãnh đùn sau 200 giờ hoạt động. Lý do cốt lõi là cường độ chống đùn của NBR chỉ 12MPa dưới 30MPa, không đủ để chống lại tác động của áp suất cao— một lỗ hổng nghiêm trọng đối với các ứng dụng áp suất cao liên quan đến Bơm thủy lực siêu nhỏ hoặc Van kín nhỏ. Hiệu suất chống đùn của vật liệu cao su có mối tương quan thuận với độ cứng và mô đun đàn hồi; vật liệu có độ cứng thấp hơn 80 Shore A dễ bị hỏng dưới áp suất ≥20MPa.
2. "Rò rỉ thẩm thấu" trung bình
Áp suất cao làm giảm sức căng bề mặt giữa các phân tử trung bình và vật liệu bịt kín, đẩy nhanh quá trình thẩm thấu. Ngay cả khi không có hư hỏng vĩ mô đối với vòng đệm, rò rỉ mãn tính vẫn có thể xảy ra. Trong môi trường nitơ 25MPa, độ thấm khí của fluororubber (FKM) gấp 3,2 lần so với áp suất bình thường; đối với gioăng FKM dùng trong van bi hóa học (loại Van điều khiển hướng chất lỏng dạng kín), lượng rò rỉ tích lũy đạt 1,2L trong 6 tháng, vượt xa tiêu chuẩn cho phép 0,1L/năm. Chất lỏng phân cực thấm qua sự trương nở của vật liệu, trong khi chất khí thấm qua sự khuếch tán phân tử—đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu có mục tiêu cho các phương tiện khác nhau trong Bơm truyền chất lỏng kín và Bơm màng kín.
3. "Lão hóa nhiệt" do ma sát gây ra
Áp suất cao làm tăng áp suất tiếp xúc giữa phốt và bề mặt tiếp xúc, làm tăng hệ số ma sát và sinh nhiệt, làm tăng tốc độ lão hóa vật liệu và hình thành một vòng luẩn quẩn "nhiệt độ cao → cứng lại → ma sát tăng cường". Đối với van thủy lực 20MPa, khi áp suất tiếp xúc tăng từ 5MPa lên 10MPa, hệ số ma sát tăng từ 0,3 lên 0,5 và nhiệt độ bề mặt tăng từ 60oC lên 95oC. Đáng chú ý, tốc độ lão hóa oxy hóa nhiệt của NBR ở 95oC là 2,8 lần so với ở 60oC — mối quan tâm chính đối với độ tin cậy lâu dài của Bơm thủy lực siêu kín và Van kín mini.
Chiến lược tối ưu hóa cộng tác 3D
1. Nâng cấp vật liệu
Các chỉ số cốt lõi của vật liệu bịt kín phải đáp ứng: cường độ chống đùn ≥20MPa, bộ nén (150oC × 70h < 15%) và tốc độ trương nở trung bình < 5%.
Đối với điều kiện làm việc 20-30MPa: Cao su nitrile hydro hóa (HNBR) được ưu tiên, có độ bền chống đùn 25MPa và tỷ lệ trương nở chỉ 3% trong dầu khoáng—tuổi thọ sử dụng của nó gấp 4 lần so với NBR, lý tưởng cho Bơm màng kín và Bơm chuyển chất lỏng kín.
Đối với điều kiện làm việc 30-40MPa: Nên sử dụng Fluororubber (FKM) hoặc perfluoroelastomer (FFKM). FKM có cường độ chống đùn 30MPa, trong khi FFKM có thể đạt tới 40MPa—thích hợp cho các Van điều khiển hướng chất lỏng kín áp suất cao.
Thêm 15% -20% sợi carbon vào FKM có thể tăng cường độ chống đùn lên 30% đồng thời giảm hệ số ma sát, nâng cao hiệu suất của Bơm thủy lực siêu kín.
2. Đổi mới cơ cấu
Thiết kế tổng hợp "con dấu chính + bảo vệ phụ" được áp dụng: Lắp đặt bộ giữ polytetrafluoroethylene (PTFE) (độ dày 1,5-2mm, độ cứng ≥50 Shore D) ở phía áp suất thấp của con dấu có thể giảm 90% nguy cơ đùn. Sau khi trang bị thêm bơm piston 35MPa (được trang bị Van kín mini), tuổi thọ của phốt đã được kéo dài từ 300 giờ lên 1500 giờ.
Tối ưu hóa mặt cắt ngang của phốt: Thay đổi góc môi của vòng chữ Y từ 60° đến 45° đảm bảo phân bổ áp suất tiếp xúc đồng đều hơn, giảm hệ số ma sát xuống 15%—có lợi cho Bơm truyền chất lỏng kín.
Việc thêm miếng phi lê 0,5mm vào đáy vòng chữ U giúp giảm nồng độ ứng suất và tăng khả năng chống rách lên 20%, cải thiện độ bền của Bơm thủy lực siêu kín.
3. Kiểm soát quy trình
Độ chính xác của bề mặt tiếp xúc ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bịt kín: Độ nhám của bề mặt bịt kín phải được kiểm soát trong phạm vi Ra0,4-0,8μm; Ra > 1,6μm sẽ hình thành các rãnh rò rỉ. Sau khi mài van 25MPa (Van điều khiển hướng chất lỏng kín), độ rò rỉ đã giảm từ 0,5mL/phút xuống <0,01mL/phút.
Khe hở xuyên tâm phải .10,1mm; vượt quá 0,2mm làm tăng đáng kể nguy cơ đùn. Sau khi giảm khe hở của van thủy lực 30MPa (được sử dụng với Bơm màng kín), số lần hỏng phốt giảm 75%.
Trường hợp tối ưu hóa thực nghiệm
Máy bơm phun nước áp suất cao 35MPa của một mỏ dầu ban đầu sử dụng vòng chữ O NBR. Do cường độ chống đùn không đủ, độ nhám bề mặt bịt kín Ra=1,6μm và không có thiết kế bộ phận giữ, tuổi thọ của con dấu chỉ là 15 ngày.
Kế hoạch tối ưu hóa: Thay thế NBR bằng FKM được gia cố bằng sợi carbon (độ cứng 85 Shore A) để nâng cao hiệu suất chống đùn cho nhu cầu áp suất cao.
Lắp một tấm giữ PTFE dày 2 mm để ngăn chặn sự đùn ra—rất quan trọng để bảo vệ các Van kín mini trong máy bơm.
Nghiền bề mặt bịt kín đến Ra0,4μm và kiểm soát khe hở đến 0,08mm để loại bỏ các kênh rò rỉ.
Kết quả tối ưu hóa: Tuổi thọ của phốt được kéo dài lên 180 ngày, lượng rò rỉ giảm từ 1,2L/ngày xuống 0,05L/ngày và tổn thất do ngừng hoạt động hàng năm đã giảm khoảng 500.000 RMB. Trường hợp này xác nhận tính hiệu quả của chiến lược 3D cho Máy bơm truyền chất lỏng kín và thiết bị áp suất cao tương tự.
Phần kết luận
Việc tối ưu hóa các vòng đệm van bơm cao áp về cơ bản là một "nghệ thuật cân bằng" về hiệu suất vật liệu, thiết kế kết cấu và độ chính xác giao phối. Không có giải pháp "một kích cỡ phù hợp cho tất cả"; các chiến lược tùy chỉnh phải được phát triển dựa trên các điều kiện làm việc cụ thể (áp suất, môi trường, nhiệt độ và chế độ chuyển động). Nên thiết lập cơ sở dữ liệu tương quan về "phớt - bề mặt tiếp xúc - thông số điều kiện làm việc" và xác minh tính khả thi của các sơ đồ thông qua các thử nghiệm sơ bộ (ví dụ: thí nghiệm mô phỏng áp suất cao) để loại bỏ rủi ro hỏng hóc tại nguồn—đảm bảo độ tin cậy lâu dài của Van kín mini, Van điều khiển hướng chất lỏng kín, Bơm màng kín, Bơm truyền chất lỏng kín và Bơm thủy lực siêu kín trong môi trường áp suất cao.
