Điểm chính
- Bơm đáy tháp chưng cất áp suất thường-khí xử lý cặn dầu 350-380℃; than chì tẩm nhựa thông thường bị cacbon hóa và hỏng trên 300℃, cần dùng than chì tẩm kim loại antimon (chịu được 500℃)
- Ở nhiệt độ cao màng dung dịch bề mặt dễ hóa hơi; cần API 682 Plan 23 (tuần hoàn xả tự làm mát) hoặc tổ hợp Plan 21+23 để hạ nhiệt độ buồng kín xuống dưới 200℃
- Kết cấu kiểu cân bằng (hệ số tải B=0.7-0.8) giảm áp suất riêng bề mặt; kết hợp vật liệu ma đối SiC, tuổi thọ đạt 12000-16000 giờ
- Huahao Sealing đã nâng tuổi thọ kín từ 4000 lên 14000 giờ trong dự án cải tạo nhà máy chưng cất áp suất thường-khí 8 triệu tấn/năm của Sinopec
- Ba yếu tố chọn lựa: gradient nhiệt độ môi chất, hàm lượng hạt rắn, tần số khởi-dừng — cùng quyết định loại tẩm và tổ hợp phương án xả
Bơm đáy tháp của thiết bị chưng cất áp suất thường-khí trong nhà máy lọc dầu là "trái tim" của thiết bị. Cặn dầu áp suất thường vận chuyển thường ở 350-380℃, cặn dầu chân không cũng trên 380℃. Trong điều kiện này, độ tin cậy của cơ cấu kín trực tiếp quyết định việc thiết bị có thể đạt chu kỳ bảo dưỡng 4 năm/lần. Dựa trên nhiều năm kinh nghiệm phục vụ các nhà máy lọc của Sinopec và PetroChina, bài viết trình bày có hệ thống về chọn lựa và thiết kế vòng đệm than chì carbon cho bơm dầu nhiệt độ cao.
1. Đặc tính điều kiện làm việc và cơ chế hỏng hóc
1.1 Thách thức kín của cặn dầu nhiệt độ cao
Môi chất bơm đáy tháp áp suất thường-khí có đặc tính "ba cao một chứa": nhiệt độ cao (350-380℃), độ nhớt cao (100-500 mm²/s), áp suất hơi bão hòa cao (dễ hóa hơi), và chứa hạt rắn (bột than cốc, rỉ sét). Nhiệt độ cao làm nhựa tẩm của than chì carbon thông thường bị cacbon hóa trên 300℃; độ nhớt cao tăng mô-men ma sát bề mặt, dễ gây nứt nhiệt; sự giảm áp tại bề mặt làm môi chất hóa hơi nhanh, phá hủy bôi trơn màng dung dịch; hạt cốc xâm nhập bề mặt tăng tốc mài mòn.
1.2 Chế độ hỏng điển hình
Thống kê hiện trường cho thấy 70% hỏng hóc cơ cấu kín bơm dầu nhiệt độ cao tập trung vào ba loại: nứt nhiệt bề mặt vòng than chì (35%), hỏng do cacbon hóa chất tẩm (22%), và kẹt mỏi lò xo (13%). Hai loại đầu liên quan trực tiếp đến việc chọn vật liệu than chì carbon.
2. Chọn vật liệu: Than chì tẩm antimon
2.1 Tại sao không tẩm nhựa
Than chì tẩm nhựa nhiệt rắn (phenolic, furan) có giới hạn nhiệt độ sử dụng dài hạn 200-220℃, ngắn hạn 250℃. Trong cặn dầu 350℃, nhựa bị cacbon hóa dần trong 500-2000 giờ. Sau khi cacbon hóa thể tích co lại 8-12%, độ rỗng tăng từ 2% lên trên 8%, bề mặt kín xuất hiện rò rỉ thấm.
2.2 Lợi ích của tẩm antimon
Than chì tẩm kim loại antimon (Sb) có giới hạn nhiệt độ 500℃ (antimon nóng chảy 630℃). Sau khi tẩm, độ rỗng than chì giảm dưới 1%, lớp tẩm kim loại không phân hủy hay co lại ở nhiệt độ cao, ổn định dài hạn. Hệ số dẫn nhiệt của antimon (24 W/(m·K)) cao hơn nhiều so với nhựa (0.2 W/(m·K)), có lợi cho tản nhiệt ma sát bề mặt.
Than chì tẩm antimon M106H-Sb của Huahao Sealing trong điều kiện cặn dầu 380℃ cho kết quả: tuổi thọ trung bình của M106H tẩm nhựa là 4200 giờ, trong khi M106H-Sb tẩm antimon đạt 13800 giờ — tăng 3.3 lần.
2.3 Chọn vật liệu ma đối
Cho cặn dầu nhiệt độ cao, kết hợp than chì carbon với silicon carbide (SiC). Hệ số dẫn nhiệt SiC đạt 120-150 W/(m·K), gấp ba lần hợp kim cứng, dẫn nhiệt ma sát bề mặt nhanh chóng. Tránh dùng gốm nhôm oxide (hệ số dẫn nhiệt chỉ 30 W/(m·K)), dễ nứt do ứng suất nhiệt ở nhiệt độ cao.
3. Điểm thiết kế kết cấu
3.1 Hệ số tải cân bằng
Dịch vụ nhiệt độ cao phải dùng kết cấu kiểu cân bằng, hệ số tải B lấy 0.7-0.8. Kiểu không cân bằng (B≥1) tạo áp suất riêng bề mặt quá lớn trong cặn dầu 350℃, ép vỡ màng dung dịch mỏng ở nhiệt độ cao, gây ma sát khô.
3.2 Ống bích kim loại thay lò xo
Cho bơm dầu nhiệt độ cao, nên dùng ống bích kim loại Inconel 718 thay lò xo xoắn ốc trụ thông thường. Ống bích vừa là phần tử đàn hồi vừa là kín phụ, loại bỏ O-ring (O-ring FKM ở 350℃ chỉ dùng được 2000-3000 giờ), chịu nhiệt tổng thể trên 400℃.
4. Phương án xả: API 682 Plan 23
4.1 Plan 23 tuần hoàn xả tự làm mát
Plan 23 là giải pháp ưu tiên cho bơm dầu nhiệt độ cao: môi chất dẫn từ buồng kín qua bộ làm mát hạ nhiệt dưới 200℃ rồi trở lại buồng kín, tạo vòng tuần hoàn kín. Lượng nước làm mát khoảng 0.5-1.0 m³/h, hạ nhiệt buồng từ 350℃ xuống 180-200℃, loại bỏ triệt để nguy cơ hóa hơi.
4.2 Tổ hợp Plan 21+23
Cho cặn dầu chân không có nhiều hạt, có thể song song Plan 21 (dầu sáp sạch từ đầu ra bơm, qua màng giảm áp, bơm vào buồng kín) với Plan 23 — phương án xả kép vừa làm mát vừa chặn hạt.
5. Case study Huahao Sealing
Bơm đáy tháp thiết bị chưng cất áp suất thường-khí 8 triệu tấn/năm của Sinopec (lưu lượng 450 m³/h, nhiệt độ 365℃, môi chất chứa bột cốc) ban đầu dùng cơ cấu kín thương hiệu nhập khẩu tuổi thọ trung bình 4000 giờ, mỗi năm dừng máy do rò rỉ 3 lần. Sau khi chuyển sang giải pháp M106H-Sb + SiC + ống bích Inconel + Plan 23 của Huahao Sealing năm 2019, tuổi thọ trung bình đạt 14000 giờ. Trong 4 năm tích lũy 56000 giờ, chỉ thay 4 bộ kín, tiết kiệm chi phí phụ tùng khoảng 800000 CNY.
Chọn lựa cần xem xét ba yếu tố: gradient nhiệt độ môi chất, hàm lượng hạt, tần số khởi-dừng. Dao động nhiệt lớn ưu tiên ống bích; hạt nhiều ưu tiên Plan 21+23; khởi-dừng thường xuyên nên giảm áp suất riêng bề mặt xuống 0.3-0.4 MPa.