- ▸Bơm đáy chưng cất chân không - khí quyển xử lý dầu dư ở nhiệt độ 350-380℃; than chì carbon ngâm tẩm nhựa thông thường bị cacbon hóa và hỏng trên 300℃, do đó cần than chì carbon ngâm tẩm antimon (được đánh giá đến 500℃)
- ▸Ở nhiệt độ cao, màng lỏng trên mặt phẳng dễ bay hơi; API 682 Kế hoạch 23 (tuần hoàn tự làm sạch với làm mát) hoặc kết hợp Kế hoạch 21+23 cần thiết để hạ nhiệt độ buồng đệm kín xuống dưới 200℃
- ▸Cấu trúc loại cân bằng (hệ số tải B=0.7-0.8) giảm áp suất riêng trên mặt phẳng; kết hợp với vật liệu ghép SiC, tuổi thọ dịch vụ đạt 12000-16000 giờ
- ▸Huahao Sealing đã kéo dài tuổi thọ vòng đệm từ 4000 lên 14000 giờ trong một dự án cải tạo đơn vị chưng cất chân không - khí quyển 8 triệu tấn/năm của Sinopec
- ▸Ba yếu tố lựa chọn: độ dốc nhiệt độ môi chất, hàm lượng hạt rắn và tần suất khởi động-dừng — cùng quyết định loại ngâm tẩm và kế hoạch làm sạch kết hợp
Bơm đáy vận chuyển dầu dư ở 350–380℃, và than chì carbon ngâm tẩm nhựa bị cacbon hóa trên 300℃ — do đó vật liệu phù hợp cho vòng đệm bơm dầu nóng gần như chỉ có một: than chì carbon ngâm tẩm antimon. Nhưng vật liệu chỉ chiếm một phần ba giải pháp: màng lỏng trên mặt phẳng dễ bay hơi ở nhiệt độ cao, nên cần tuần hoàn tự làm sạch theo API 682 Kế hoạch 23 để hạ nhiệt độ buồng đệm kín, và thiết kế loại cân bằng kiểm soát áp suất mặt phẳng. Bài viết này trình bày vật liệu, cấu trúc và kế hoạch làm sạch theo ba bước, dựa trên các trường hợp thực tế tại nhà máy lọc dầu.
1. Điều kiện vận hành và cơ chế hỏng hóc
1.1 Thách thức kín của dầu dư nhiệt độ cao
Môi chất bơm đáy chưng cất chân không - khí quyển có đặc điểm "ba cao một chứa": nhiệt độ cao (350-380℃), độ nhớt cao (100-500 mm²/s), áp suất hơi bão hòa cao (dễ bay hơi), và chứa hạt rắn (bột than cốc, rỉ sét). Nhiệt độ cao làm cacbon hóa nhựa ngâm tẩm của than chì carbon thông thường trên 300℃; độ nhớt cao làm tăng mô men ma sát mặt phẳng dẫn đến nứt nhiệt; sự giảm áp suất tại mặt phẳng gây bay hơi phá hủy màng bôi trơn; các hạt than cốc xâm nhập mặt phẳng làm tăng mài mòn.
1.2 Các dạng hỏng điển hình
Thống kê thực địa cho thấy 70% hỏng hóc đệm kín cơ khí bơm dầu nhiệt độ cao thuộc ba loại: nứt nhiệt bề mặt vòng đệm than chì (35%), hỏng do cacbon hóa chất ngâm tẩm (22%), và kẹt mỏi lò xo (13%). Hai loại đầu tiên liên quan trực tiếp đến việc lựa chọn vật liệu than chì carbon.
2. Lựa Chọn Vật Liệu: Than Chì Carbon Ngâm Tẩm Antimony
2.1 Tại Sao Không Ngâm Tẩm Nhựa
Than chì carbon ngâm tẩm nhựa nhiệt rắn (phenolic, furan) có giới hạn nhiệt độ làm việc lâu dài là 200-220℃, hoặc 250℃ trong thời gian ngắn. Trong dầu cặn 350℃, nhựa bị cacbon hóa dần dần trong vòng 500-2000 giờ. Sau khi cacbon hóa, thể tích co lại 8-12%, độ xốp tăng từ 2% lên trên 8%, và mặt đệm xuất hiện hiện tượng rò rỉ thấm.
2.2 Ưu Điểm Của Ngâm Tẩm Kim Loại Antimony
Than chì carbon ngâm tẩm kim loại antimony (Sb) có giới hạn nhiệt độ làm việc lên đến 500℃ (điểm nóng chảy của antimony là 630℃). Sau khi ngâm tẩm, độ xốp của than chì giảm xuống dưới 1%, và lớp ngâm tẩm kim loại không bị phân hủy hay co lại ở nhiệt độ cao, duy trì sự ổn định lâu dài. Độ dẫn nhiệt của antimony (24 W/(m·K)) cao hơn nhiều so với nhựa (0.2 W/(m·K)), giúp tản nhiệt ma sát mặt đệm hiệu quả.
Than chì carbon M106D ngâm tẩm antimony của Huahao Sealing trong môi trường dầu cặn 380℃ cho thấy: tuổi thọ trung bình của M106K ngâm tẩm nhựa là 4200 giờ, trong khi M106D ngâm tẩm Sb đạt trung bình 13800 giờ — cải thiện tuổi thọ gấp 3,3 lần.
2.3 Lựa Chọn Vật Liệu Ghép Nối
Đối với dầu cặn nhiệt độ cao, nên ghép than chì carbon với silicon carbide (SiC). Độ dẫn nhiệt của SiC đạt 120-150 W/(m·K), gấp ba lần hợp kim cứng, giúp nhanh chóng dẫn nhiệt ma sát mặt đệm ra ngoài. Tránh sử dụng gốm alumina (độ dẫn nhiệt chỉ 30 W/(m·K)) vì dễ bị nứt do ứng suất nhiệt ở nhiệt độ cao.
3. Điểm Thiết Kế Cấu Trúc
3.1 Hệ Số Tải Cân Bằng
Dịch vụ nhiệt độ cao phải sử dụng kết cấu loại cân bằng với hệ số tải B từ 0.7 đến 0.8. Loại không cân bằng (B≥1) tạo áp suất riêng trên mặt đệm quá lớn trong dầu cặn 350℃, làm ép màng nhiệt độ cao bị mỏng đi và gây ma sát khô.
3.2 Chuông Kim Loại Thay Thế Lò Xo
Đối với bơm dầu nhiệt độ cao, chuông kim loại Inconel 718 được khuyến nghị thay cho lò xo xoắn trụ truyền thống. Chuông vừa là phần tử đàn hồi vừa là đệm kín phụ trợ, loại bỏ vòng O (vòng O FKM ở 350℃ chỉ dùng được 2000-3000 giờ) và có khả năng chịu nhiệt tổng thể trên 400℃.
4. Phương Án Xả: API 682 Plan 23
4.1 Plan 23 Tự Xả Tuần Hoàn Làm Mát
Plan 23 là giải pháp ưu tiên cho bơm dầu nhiệt độ cao: môi chất được hút từ buồng đệm, làm mát qua bộ làm mát xuống dưới 200℃, rồi trả về buồng đệm tạo thành vòng tuần hoàn kín. Lượng nước làm mát khoảng 0.5-1.0 m³/h, giảm nhiệt độ buồng từ 350℃ xuống 180-200℃, loại bỏ cơ bản nguy cơ bay hơi.
4.2 Kết Hợp Plan 21+23
Đối với dầu cặn chân không có hàm lượng hạt cao hơn, Plan 21 (dầu sáp sạch từ đầu ra bơm, giảm áp qua lỗ tiết lưu, phun vào buồng đệm) có thể được kết hợp song song với Plan 23 — tạo thành phương án xả kép vừa làm mát vừa ngăn chặn hạt.
5. Nghiên cứu trường hợp Huahao Sealing
Một bơm đáy của đơn vị chân không - khí quyển Sinopec có công suất 8 triệu tấn/năm (lưu lượng 450 m³/h, nhiệt độ 365℃, môi chất chứa bột coke) ban đầu sử dụng đệm kín cơ khí thương hiệu nhập khẩu với tuổi thọ trung bình 4000 giờ, gây ra ba lần dừng máy do rò rỉ mỗi năm. Sau khi chuyển sang giải pháp M106D + SiC + chuông Inconel + Plan 23 của Huahao Sealing vào năm 2019, tuổi thọ trung bình đạt 14000 giờ. Trong hơn 4 năm và tổng cộng 56000 giờ vận hành, chỉ có 4 bộ vòng đệm được thay thế, tiết kiệm khoảng 800000 CNY chi phí phụ tùng.
Việc lựa chọn đệm kín cần cân nhắc ba yếu tố: độ chênh nhiệt độ của môi chất, hàm lượng hạt rắn, và tần suất khởi động - dừng. Biến động nhiệt độ lớn ưu tiên sử dụng chuông; hàm lượng hạt rắn cao ưu tiên Plan 21+23; tần suất khởi động - dừng cao nên giảm áp suất riêng trên mặt làm kín xuống 0.3-0.4 MPa.