Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công máy bơm ly tâm một cấp, hút hai phía, cột áp cao đến 200m, phục vụ thoát nước trong khai thác mỏ và cấp nước vùng cao.

Máy bơm ly tâm, một cấp hút hai phía, cột áp cao đến 200m LHP1000-200 lần đầu tiên đã được chế tạo và thử nghiệm thành công ở Việt Nam

Tóm tắt: Trong ngành công nghiệp khai thác mỏ, việc tiêu thoát nước tại các moong khai thác lộ thiên hiện nay thường sử dụng loại máy bơm ly tâm, một cấp hút hai phía đặt trên phao, với lưu lượng lớn và cột áp cao. Đây là loại bơm có hiệu suất cao, kết cấu gọn, dễ tháo lắp để sửa chữa và bảo trì,hoạt động ổn định. Loại bơm này thường được nhiều hãng bơm trên thế giới chế tạo thành dãy tiêu chuẩn có cột áp đến160m. Riêng máy bơm ly tâm một cấp hút hai phía có cột áp cao đến 200m và lớn hơn, chỉ một số hãng chế tạo bơm lớn trên thế giới mới thiết kế, chế tạo vì những yêu cầu đặc biệt trong tính toán thiết kế thủy lực, về kết cấu và công nghệ vật liệu.Vì vậy, ở nước ta chủ yếu đều nhập khẩu loại bơm này.

Sự thành công của Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạomáy bơm ly tâm một cấp, hút hai phía, cột áp cao đến 200m”do Công ty Cổ phần Chế tạo Bơm Hải Dương thực hiện đã góp phần đáp ứng nhu cầu cấp thiết cho ngành khai khoáng trong nước, giảm thiểu nhập khẩu và mở ra cơ hội cho những phương án tối ưu về cấp nước cho vùng cao,phục vụ sinh hoạt và trồng trọt nông nghiệp.

Từ khóa: bơm ly tâm,bơm hút hai phía,bơm cột áp cao

1.ĐẶT VN ĐỀ

Trong ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, dù là khai thác hầm lò hay khai thác lộ thiên, việc thoát nước đảm bảo sản xuất là điều không thể thiếu. Do các yếu tố đặc thù của địa hình lắp đặt, các loại máy bơm sử dụng ở công đoạn này thường là bơm ly tâm một cấp hút hai phía hoặc bơm ly tâm nhiều cấp.

Trong khai thác lộ thiên, do nhu cầu khai thác với qui mô và ở độ sâu ngày càng lớn, cùng với sự biên đổi khí hậu, mưa nhiều nên việc thoát nước moong với lưu lượng lớn và cột áp cao trở thành nhu cầu cấp bách để đảm bảo sản xuất. Bơm ly tâm nhiều cấp thường có cột áp cao nhưng lưu lượng nhỏ, kết cấu phức tạp, khó tháo lắp để thay thế chi tiết mòn hỏngnênkhông thích hợp cho việc thoát nước tại các moong lộ thiên màthường được sử dụng nhiều trong thoát nước hầm lò.

Bơm li tâm một cấp hút hai phía bản chất là ghép song song hai bơm ly tâm một cấp để tăng lưu lượng. Vì vậy, loại máy bơm này có thể thiết kế, chế tạo với lưu lượng khá lớn (đến 10.000m3/h). Máy bơm ly tâm một cấp hút hai phía còn có đặc điểm là tự cân bằng lực hướng trục nên hiệu suất cao, khả năng hút tốt. Đặc biệt, với kết cấu gối đỡ hai bên (between bearing) và vỏ tách hai nửa, máy bơm ly tâm hút hai phía trục ngang còn dễ tháo lắp để bảo trì và sửa chữa, hoạt động ổn định, có độ bền cao ở các môi trường và điều kiện hoạt động khắc nghiệt như: Lắp trên phao hoặc trên địa hình không phẳng, v.v. rất phù hợp với việc thoát nước trong khai thác khoáng sản lộ thiên.

Trong những năm qua, một số công ty khai thác than như: Công ty CP Than Cọc Sáu, Công ty CP Than Cao Sơn, Công ty Than Dương Huy… đã phải sử dụng bơm ly tâm hút hai phía với lưu lượng 1.000m3/ h, cột áp đến 200m để thoát nước moong mới đảm bảo phục vụ cho khai thác lộ thiên. Loại bơm ly tâm hút hai phía với thông số trên được rất ít hãng sản suất bơm lớn trên thế giới chế tạo do những yêu cầu đặc biệt về thiết kế thủy lực, về kết cấu và công nghệ vật liệu.Những máy bơm này chủ yếu nhập khẩu từ Trung Quốc với chất lượng không cao, không ổn định, phụ tùng thay thế không kịp thời, nên ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả khai thác. Máy bơm của các hãng lớn như: Flowserve, Sulzer, Andritz…có chất lượng tốt, nhưng giá bán rất cao, thời gian cung cấp chậm và phụ tùng thay thế rất khó khăn. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo thành công loại bơm này với giá thành hợp lý sẽ giúp cho việc chủ động trong sản xuất, giảm chi phí khai thác, đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao của ngành khai khoáng.

Ngoài ra, với chủ trương phát triển các vùng cây công nghiệp và cải thiện đời sông dân sinh ở những vùng cao của Đảng và Nhà nước đã xuất hiện nhu cầu cấp nước với lưu lượng lớn cho các khu vực này.Công trình cấp nước cho khu căn cứ cách mạng Lê Hồng Phong, tỉnh Bình Thuận lấy nước từ sông Lũy bơm lên độ cao gần 200m hoặc việc cấp nước sinh hoạt và tưới cây công nghiệp (cà phê, hồ tiêu…) cho các vùng thượng lưu của các hồ lớn ở Tây Nguyên đều rất cần những máy bơm có lưu lượng lớn và cột áp cao đến 200m. Nhu cầu sử dụng các loại máy bơm lưu lượng lớn, cột áp cao sẽ ngày càng nhiều vì tính hiệu quả của giải pháp như: Giảm bớt chi phí xây dựng nhà trạm trung gian và chi phí vận hành.

Là một doanh nghiệp chuyên chế tạo bơm, phục vụ dân sinh và các ngành sản suất trong nền kinh tế cả nước, đã có nhiều năm phục vụ ngành khai thác và chế biến khoáng sản, Công ty CP Chế tạo Bơm Hải Dương (HAPUMA) đã khảo sát nắm bắt được những nhu cầu thực tế của ngành, và với năng lực hiện có của mình, Công ty đã đề xuất và thực hiện thành công đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt máy bơm ly tâm một cấp hút hai phía cột áp cao tới 200m phục vụ thoát nước trong khai thác mỏ”nhằm góp phần thực hiện “Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp quốc gia phục vụ đổi mới, hiện đại hóa công nghệ khai thác và chế biến khoáng sản đến năm 2025” do Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ phê duyệt và đáp ứng các nhu cầu khác của nền kinh tế nước nhà, tiến tới xuất khẩu sang các nước trong khu vực.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Bơm ly tâm hút hai phía đã được Công ty CP Chế tạo Bơm Hải Dương (HAPUMA) nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành dãy tiêu chuẩn với cột áp đến 150m. Do những ưu điểm của loại bơm này nên ngày càng được nhiều lĩnh vực lựa chọn sử dụng như: Thoát nước trong ngành khai khoáng, cấp nước cho ngành sản xuất nước sạch, cấp nước cho vùng cao, v.v. Tuy nhiên, do loại bơm này là bơm một cấp nên hạn chế về cột áp. Những bơm có lưu lượng đến 1.000m3/h, cột áp cao đến 200m thường có những đặc điểm là: Số vòng quay đặc trưng rất thấp (<40), chiều rộng bánh công tác nhỏ, đường kính cánh lớn nên hiệu suất thủy lực thấp do ma sát của dòng chảy trong bánh công tác lớn, khó chế tạo bằng công nghệ đúc và đặc biệt yêu cầu vật liệu của bánh công tác có độ bền cơ tính cao do vận tốc vòng lớn... Để thiết kế chế tạo bơm có hiệu suất và chất lượng cao, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, bao gồm: Nghiên cứu thiết kế biên dạng thủy lực và kết cấu truyền thống, kết hợp với sử dụng phần mềm thiết kế chuyên ngành để mô phỏng và tối ưu hóa bản vẽ thiết kế; Nghiên cứu công nghệ đúc phôi bằng vật liệu thép không gỉ Austenit và duplex,đồng thời nghiên cứu công nghệ gia công chính xác cho các mối ghép đảm bảo chịu áp suất cao.

2.1.Thiết kế biên dạng thủy lực: Sử dụng phần mềm chuyên dụng cho việc thiết kế thủy lực Conceft NREC của Mỹ, phần mềm cho phép thiết kế sơ bộ, sau đó hiệu chỉnh, mô phỏng dòng chảy thủy lực. Trên cơ sở trường vận tốc và áp suất trong bánh công tác và vỏ xoắn, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa biên dạng cho đến khi nhận được hiệu suất tối ưu. Sau đó thiết kế bơm mô hình, chế tạo và thử nghiệm, đánh giá rồi mới chế tạo bơm nguyên hình. Bơm nguyên hình cũng được thử nghiệm, đảm bảo nhận được kết quả phù hợp về thông số Q, H và hiệu suất tối ưu, so sánh tương đương với mẫu bơm cùng loại của các nước tiên tiến mới được chế tạo chính thức và sản xuất thương mại.

Hình 1:Mô phỏng trường áp suất và trường vận tốc để tối ưu hóa biên dạng thủy lực

2.2. Thiết kế kết cấu bơm đảm bảo độ bền cao và hoạt động ổn định

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp: Nghiên cứu các kết cấu bơm hút  hai phía cột áp cao của các hãng tiên tiến trên thế giới như: Flowseve, Sulzer, Andritz… cùng với việc khảo sát hiện trường tại các mỏ khai thác khoáng sản lộ thiên, các nhà máy lọc hóa dầu…, đồng thờiphân tích các ưu, nhược điểm của từng loại kết cấu về gối đỡ, buồng kín và kết cấu bánh công tác để lựa chọn kết cấu cho phù hợp công nghệ hiện có của công ty, đảm bảo hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt như: Lắp đặt trên phao, chịu ăn mòn và mài mòn…Khi thiết kế kết cấu, nhóm nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp tính toán chọn ổ đảm bảo tuổi thọ, cân bằng động theo tiêu chuẩn ISO 1940, tính độ ổn định và độ bền trục… để có kết cấu bơm phù hợp nhất cả về năng lực công nghệ và yêu cầu kỹ thuật.

Máy bơm có cột áp cao đến 200m, vì vậy đường kính bánh công tác cũng rất lớn (780mm). Khi bánh công tác quay với vận tốc 1.450 vòng/phút, lực ly tâm tác dụng lên hai đĩa cánh và các lá cánh rất lớn, có thể làm nứt hoặc xé rách trong quá trình hoạt động. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã bố trí kết cấu lá cánh so le giữa hai phía và bổ sung các lá cánh lửng làm tăng độ bền cơ học cho bánh quay.

3.3. Công nghệ vật liệu và chế tạo

Ngoài việc thiết kế kết cấu bánh công tác đặc biệt so với các bơm thông thường để nâng cao độ bền cơ học, nhóm nghiên cứu đã kết hợp giữa tính toán lý thuyết và kinh nghiệm thực tế để lựa chọn vật liệu, vừa đủ độ bền cơ học vừa chịu được ăn mòn hóa học tại các moong khai thác than tại Quảng Ninh.

Đối với bơm nước sạch, bánh công tác và vỏ bơm có thể được chế tạo bằng gang cầu, thép không gỉ 1 pha Austenit (SCS13, SCS14A). Đối với môi trường nước có độ axit cao tại một số mỏ than tại Quảng Ninh nhóm nghiên cứu đã lựa chọn vật liệu chế tạo bánh công tác bằng thép không gỉ hai pha duplex, vừa có cơ tính cao, vừa chịu ăn mòn hóa học để đảm bảo độ bền cho thiết bị. Tất cả các vật liệu lựa chọn trên đã được Công ty CP Chế tạo Bơm Hải Dương (HAPUMA) nấu luyện đạt các tiêu chuẩn quốc tế từ nhiều năm qua. Tuy nhiên, với đặc thù là bánh công tác có chiều rộng thoát hẹp, đường kính cánh lớn, việc lựa chọn và thiết kế công nghệ đúc sao cho vật đúc đảm bảo suôn nhẵn, không khuyết tật đã được nhóm nghiên cứu thực hiện bằng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm “Cast Designer” và đúc rút kinh nghệm thực tế qua nhiều mẻ đúc để tạo ra công nghệ đúc ổn định. Đây cũng là điểm mấu chốt thành công cho việc chế tạo bơm ly tâm hút hai phía cột áp cao.

Hình 2: Bản vẽ 3-Dthiết kế công nghệ đúc(Dữ liệu đầu và cho mô phỏng)

Hình 3: Mô phỏng và tối ưu hóa qui trình đúc

Quá trình gia công, lắp ráp được chú trọng hơn về cấp chính xác và cấp cân bằng rotor, thông qua việc sử dụng các máy gia công CNC và máy cân bằng động hiện có của Công ty.

Hình 4: Gia công vỏ bơm trên máy CNC

3.4. Thử nghiệm và đánh giá chất lượng

Cũng như các loại bơm khác được chế tạo tại HAPUMA, việc thử nghiệm đảm bảo thông số kỹ thuật luôn được tuân thủ trước khi xuất xưởng. Thông số thủy lực của bơm được thử nghiệm trên hệ thống thử nghiệm tiên tiến của HAPUMA. Phương pháp thử nghiệm và độ tin cậy phù hợp với tiêu chuẩn ISO 9906-2012.

Hình 5 và hình 6: thể hiện quá trình và kết quả thử nghiệm thông số kỹ thuật của bơm LHP1000-200 tại trung tâm thử nghiệm của HAPUMA.

Hình 5: Quá trình thử nghiệm

Hình 6: Đặc tính kỹ thuật của bơm LHP1000-200

Sau khi thử nghiệm đạt các thông số kỹ thuật, máy bơm tiếp tục được thử nghiệm tại thực tế sản xuất, đảm bảo độ rung, độ ồn, khả năng làm việc ổn định, và đặc biệt chịu được môi trường ăn mòn cao.

Hình 7: Máy bơm được lắp đặt tại moong khai thác than của Công ty Than Cọc Sáu - Quảng Ninh

3.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Máy bơm ly tâm, một cấp hút hai phía, cột áp cao đến 200m LHP1000-200, lần đầu tiên đã được chế tạo và thử nghiệm thành công ở Việt Nam. Công ty CP Chế tạo Bơm Hải Dương (HAPUMA) đã chế tạo loạt và thương mại, cung cấp cho các đơn vị như: Công ty CP Than Cọc Sáu, Công ty CP Than Cao Sơn và Công ty CP Than Dương Huy, thay thế bơm nhập khẩu từ Trung Quốc. Sự thành công của Đề tài không chỉ tạo ra một loại sản phẩm thay thế hàng nhập ngoại, đáp ứng nhu cầu của ngành khai thác khoáng sản, mà còn chứng tỏ khả năng tự nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các loại máy bơm chất lượng caocủa ngành công nghiệp chế tạo máy nước nhà.

Máy bơm ly tâm một cấp, hút hai phía, cột áp cao đến 200m còn được ứng dụng hiệu quả cho ngành sản xuất nước sạch, cấp nước tưới tiêu cho sẩn xuất nông nghiệp và phục vụ dân sinh vùng cao.