Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành khai thác tàu biển và kỹ thuật hệ động lực tàu thủy, việc xử lý nhiên liệu và dầu nhờn đóng vai trò quyết định đến độ tin cậy của động cơ và ngăn ngừa sự cố kỹ thuật. Đồng thời, yêu cầu ngăn ngừa ô nhiễm môi trường biển theo các công ước quốc tế đòi hỏi nước thải nhiễm dầu từ buồng máy phải được phân tách triệt để trước khi xả qua mạn. Để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và môi trường này, máy lọc ly tâm dạng đĩa nón là thiết bị tiêu chuẩn được trang bị phổ biến trên các đội tàu.

Đề tài "Công nghệ bảo dưỡng và hiệu chỉnh máy lọc ly tâm Alfa Laval Tumba AB" được thực hiện trong khuôn khổ Chuyên đề 3: Công nghệ hệ động lực tàu thủy (Mã học phần: 021032), ngành Khoa học Hàng hải, chuyên ngành Thiết bị năng lượng tàu thủy tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2022). Tác giả thực hiện là sinh viên Nguyễn Duy Nghĩa dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Duy Tân.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm các nội dung cụ thể:

  1. Tổng hợp cơ sở lý thuyết về quá trình phân ly ly tâm và phân tích kết cấu cơ khí, nguyên lý làm việc của dòng máy lọc ly tâm Alfa Laval Tumba AB.
  2. Thiết lập quy trình chuẩn bị, khởi động, giám sát vận hành và xả cặn tự động/bằng tay cho máy lọc ly tâm.
  3. Hệ thống hóa quy trình công nghệ bảo dưỡng định kỳ, phương pháp kiểm tra khuyết tật (ăn mòn, mài mòn, nứt) và các thao tác tháo lắp chi tiết bằng dụng cụ chuyên dụng.
  4. Xác định phương pháp hiệu chỉnh các thông số công nghệ (lưu lượng nạp, nhiệt độ hâm dầu tương ứng với độ nhớt tối ưu, và lựa chọn vành điều chỉnh đường kính đĩa tỉ trọng).

Đối tượng nghiên cứu là máy lọc ly tâm dạng đĩa nón Alfa Laval Tumba AB ứng dụng trên tàu thủy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy chuẩn khai thác kỹ thuật, bảo dưỡng cơ khí và hiệu chỉnh chế độ phân ly cho các loại dầu đốt (DO, HFO) và dầu bôi trơn (LO).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý phân ly

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý lắng chìm và phân tách các pha không hòa tan dưới tác dụng của trường lực:

  • Phân ly bằng trọng trường (tỉ trọng): Dựa trên sự chênh lệch khối lượng riêng giữa các chất lỏng không đồng nhất và hạt rắn trong trạng thái tĩnh. Quá trình lắng tự nhiên diễn ra chậm và đòi hỏi thể tích lắng lớn.
  • Phân ly ly tâm: Khối chất lỏng được quay cùng trống lọc ở tốc độ cao (từ 1.000 đến 9.000 vòng/phút), tạo ra gia tốc ly tâm gấp từ 4.000 đến 8.000 lần gia tốc trọng trường. Dưới trường lực ly tâm lớn, các pha có tỉ trọng nặng hơn (nước, cặn cơ học) bị đẩy mạnh ra phía thành trống, trong khi pha nhẹ hơn (dầu sạch) dịch chuyển về phía tâm quay. Mặt thoáng chất lỏng trong tính toán được xem là dạng hình trụ thay vì parabol.
  • Động học chất lỏng: Hiệu quả phân ly phụ thuộc vào nhiệt độ (ảnh hưởng đến mật độ và độ nhớt động học), lưu lượng nạp và sự chênh lệch tỉ trọng giữa các pha.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng các phương pháp kỹ thuật chuyên ngành:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khai thác các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất Alfa Laval Tumba AB để hệ thống hóa cấu tạo, mã phụ tùng và sơ đồ động lực học.
  • Phương pháp quy trình công nghệ cơ khí: Mô tả chi tiết từng bước công nghệ từ tháo rã, kiểm tra dung sai, khuyết tật kim loại đến quy trình lắp ráp và hiệu chỉnh thông số vận hành bằng biểu đồ kỹ thuật.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của nhà sản xuất Alfa Laval, các biểu đồ tra cứu đường kính vành điều chỉnh, bảng nhật ký bảo dưỡng định kỳ và các khuyến nghị vận hành trong hệ thống năng lượng tàu thủy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về máy lọc ly tâm Alfa Laval Tumba AB

Chương này tập trung vào phân tích cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy lọc ly tâm dạng đĩa:

  • Đặc điểm máy lọc đĩa: So với máy lọc dạng ống trụ, máy lọc dạng đĩa nón sở hữu diện tích lắng tăng lên nhờ sự xếp chồng của hàng chục đĩa hình nón cụt. Dầu sau xử lý đạt tiêu chuẩn kỹ thuật với hàm lượng nước không quá 0,2%.
  • Phân loại kết cấu: Thiết bị được chia thành hai khối chính:
    1. Bộ phận truyền động (bộ phận kéo): Gồm động cơ điện, khớp nối ly hợp ly tâm với các má ma sát (giúp khởi động êm, hạn chế quá tải), bộ truyền đai dẹt truyền chuyển động lên trục đứng, và đế chịu lực đỡ trục chính được giảm chấn bằng lò xo. Ổ trục dưới tích hợp bộ tạo sương dầu để bôi trơn cưỡng bức.
    2. Bộ phận xử lý (trống lọc và nắp nạp/thải): Gồm vỏ nối, nắp khung, nắp trống cố định với thân trống bằng vòng khóa kiểu Centrilock, trục phân phối dầu, chồng đĩa nón, đĩa đỉnh và đĩa tỉ trọng (gravity ring).
  • Cơ cấu xả cặn tự động: Trống lọc sử dụng một đáy di động (trượt xả) được điều khiển nâng - hạ bằng áp lực nước vận hành. Khi duy trì áp suất nước bên dưới trượt xả, lực nâng thắng áp lực dầu bên trên để đóng kín buồng phân ly. Khi cấp nước áp suất cao mở van xả, nước bên dưới thoát ra, trượt xả tụt xuống để lộ các lỗ xả cặn trên thân trống, tống toàn bộ cặn lắng ra ngoài mà không cần dừng máy.
Cụm bộ phận Chi tiết cấu tạo chính Chức năng kỹ thuật
Hệ thống dẫn động Động cơ điện, ly hợp ly tâm, đai truyền dẹt, máy tạo sương dầu Tăng tốc độ quay của trống lên nhiều lần so với động cơ; giảm rung động truyền xuống bệ máy.
Cụm nạp và thải Ống nạp, đĩa tỉ trọng, vỏ nối, vòng chỉnh chiều cao Dẫn dầu bẩn vào tâm, phân tách dòng dầu sạch và nước phân ly ra khỏi trống liên tục.
Trống phân ly Thân trống, nắp trống, vòng khóa Centrilock, chồng đĩa nón Tạo không gian quay tốc độ cao (1.000–9.000 v/ph) để tách pha rắn – lỏng – lỏng.
Cơ cấu xả cặn Trượt xả, trượt vận hành, đĩa chia nước, vòi phun, nắp bít van Tự động mở cửa xả cặn định kỳ bằng thủy lực nước điều khiển.

Chương 2: Quy trình vận hành máy lọc ly tâm Alfa Laval Tumba AB

Chương 2 mô tả chi tiết các bước chuẩn bị, khởi động, giám sát và dừng hệ thống:

  • Chuẩn bị khởi động: Kiểm tra làm sạch trống, độ thẳng hàng của các dấu định vị trên trống, độ xiết chặt đai ốc nắp khung và ê-cu hãm trục đứng. Quay trục máy lọc bằng tay (via trục) để kiểm tra độ trơn tru; kiểm tra mức dầu bôi trơn ở giữa kính nhìn các-te; mở các van đường ống và kiểm tra nước cấp từ két trọng lực.
  • Khởi động và tăng tốc: Mở van cấp nước và nhấn nút khởi động. Dòng điện trên ampe kế tăng vọt khi khởi động và giảm dần về giá trị ổn định khi máy đạt tốc độ định mức (thời gian tăng tốc từ 60 đến 150 giây). Hiện tượng rung động qua vùng cộng hưởng chỉ được phép xảy ra ngắn; nếu rung kéo dài phải dừng khẩn cấp.
  • Cung cấp môi chất và làm kín: Cấp nước nóng vào trống để hình thành vòng nước làm kín (water seal). Đóng cấp nước khi thấy nước tràn qua cửa xả nước thải. Sau đó mở van cấp dầu từ từ để tránh phá vỡ vòng nước làm kín, điều chỉnh nhiệt độ hâm và kiểm tra áp suất nạp/thải.
  • Thao tác xả cặn và dừng máy:
    • Xả cặn: Đóng cấp dầu, mở van by-pass, cấp nước đệm dồn dầu sạch, điều khiển van cấp nước áp suất cao hạ trượt xả trong 15 giây để xả cặn, sau đó điều khiển đóng trống và cấp lại nước đệm trước khi mở lại dầu.
    • Dừng máy: Ngắt cấp dầu, nhấn dừng động cơ và chờ khoảng 30 phút để trống dừng quay hoàn toàn theo quán tính trước khi tiến hành tháo nắp bảo dưỡng.

Chương 3: Công nghệ bảo dưỡng máy lọc ly tâm Alfa Laval Tumba AB

Nội dung chương 3 xây dựng quy chuẩn bảo dưỡng định kỳ và các phương pháp kiểm tra khuyết tật:

  • Hóa chất và phương pháp vệ sinh chi tiết:
    • Chồng đĩa trống: Ngâm trong dung dịch tẩy rửa chuyên dụng Alfa Laval pha với nước theo tỉ lệ 1:10 trong 2 đến 4 giờ để hòa tan cặn Asphaltene; dùng bàn chải mềm làm sạch lại.
    • Cơ cấu trượt và vòi phun: Dùng dung dịch axit axetic nồng độ 10% hâm nóng đến 80°C để tẩy cặn vôi kết tủa; thông lỗ vòi phun bằng dây thép mềm.
    • Khung vỏ, khớp nối và thiết bị dẫn động: Vệ sinh bằng dầu diesel, dầu hỏa kerosene hoặc dung môi khử mỡ.
  • Tiêu chuẩn kiểm tra hư hỏng và khuyết tật:
Loại khuyết tật Vị trí kiểm tra trọng yếu Giới hạn dung sai / Biện pháp xử lý
Ăn mòn hóa học Thân trống, nắp trống, đĩa trống Độ sâu ăn mòn $\le 0,2\text{ mm}$ đối với thân/nắp trống; $\le 0,5\text{ mm}$ đối với chi tiết khác. Nếu vượt mức hoặc xuất hiện trên đĩa trống, phải liên hệ nhà sản xuất Alfa Laval.
Rỉ sét kim loại Thép carbon, gang, thép không gỉ Đánh bóng vết rỉ bằng vải nhám mịn để ngăn chặn ăn mòn sâu.
Vết nứt vật liệu Các trụ giữa cửa xả cặn trên thân trống, chi tiết quay Thay thế chi tiết khi có vết nứt do ứng suất chu kỳ.
Mài mòn / Xói mòn Gờ đệm kín rãnh xả, ống gọt, đĩa tỉ trọng, mặt dưới bộ phân phối Thay thế chi tiết khi bề mặt xuất hiện vết cháy rỗ hoặc lõm sâu dạng hạt sáng bóng.
  • Quy trình tháo lắp cơ khí chính:
    • Tháo vòng khóa Centrilock: Sử dụng dụng cụ nén chuyên dùng, siết tăng dần từ 5 Nm đến tối đa 20 Nm (trường hợp trống nguội bị bó kẹt cặn dầu có thể dùng mô-men nén lên đến 60 Nm). Tháo vòng khóa theo trình tự ốc đánh số từ đầu không chốt đến đầu có chốt.
    • Lắp ráp giá đỡ ổ trục và vòng bi: Giá đỡ bạc lót phía dưới được siết vào khung với mô-men lực 200 Nm. Cụm đế đỡ vòng bi trên cùng phải được gia nhiệt trong dầu sạch hoặc bằng thiết bị sấy điện đến nhiệt độ $110^\circ\text{C} - 125^\circ\text{C}$ trước khi lắp vào trục chính.

Chương 4: Hiệu chỉnh máy lọc ly tâm Alfa Laval Tumba AB

Chương này cung cấp phương pháp xác định và điều chỉnh ba thông số công nghệ vận hành:

  • Lưu lượng nạp dầu ($Q$): Lưu lượng định mức là giá trị thử nghiệm với dầu diesel có tỉ trọng 0,9 và độ nhớt 24 cSt để tách hạt rắn $> 2\ \mu\text{m}$ (tỉ trọng $> 1,8$). Khi vận hành thực tế trên tàu, lưu lượng được điều chỉnh giảm tùy thuộc loại dầu và độ bẩn:
    • Lọc dầu Diesel (DO): $Q_{\text{max}} = \frac{2}{3} Q_{\text{định mức}}$
    • Lọc dầu nhờn (LO): $Q_{\text{max}} = \left(\frac{1}{3} - \frac{2}{3}\right) Q_{\text{định mức}}$
    • Lọc dầu nặng (HFO): $Q_{\text{max}} = 1,15 \times Q_{\text{tiêu thụ liên tục định mức của động cơ}}$ (chế độ lọc liên tục 24/24 giờ).
  • Độ nhớt và nhiệt độ hâm dầu: Độ nhớt tối ưu cho quá trình phân ly ly tâm là 24 cSt. Để đưa dầu về độ nhớt này, nhiệt độ hâm sấy được quy định:
    • Dầu Diesel (DO): Duy trì từ $30^\circ\text{C}$ đến $60^\circ\text{C}$.
    • Dầu nặng (HFO): Duy trì từ $95^\circ\text{C}$ đến $98^\circ\text{C}$.
    • Dầu nhờn (LO): Duy trì khoảng $70^\circ\text{C}$ (khi cần tách nước nhiễm lâu ngày có thể nâng lên trên $80^\circ\text{C}$).
  • Lựa chọn vành điều chỉnh (đĩa tỉ trọng): Vành điều chỉnh lắp tại cửa thoát nước đóng vai trò như đập tràn. Đường kính trong của vành quyết định vị trí của mặt phân cách pha (mặt trung hòa giữa nước và dầu). Kích thước vành được tra cứu bằng đồ thị kỹ thuật dựa trên lưu lượng lọc, nhiệt độ và tỉ trọng của dầu. Nếu chọn vành có đường kính quá lớn, mặt phân cách bị đẩy ra ngoài gây hiện tượng trào dầu theo đường xả nước.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả kỹ thuật có giá trị thực tiễn:

  1. Thông số hóa chế độ công nghệ: Thiết lập đầy đủ các ngưỡng nhiệt độ hâm dầu ($30-60^\circ\text{C}$ cho DO, $95-98^\circ\text{C}$ cho HFO, $70-80^\circ\text{C}$ cho LO) tương ứng với độ nhớt chuẩn 24 cSt, cùng công thức lựa chọn lưu lượng thực tế theo lưu lượng định mức.
  2. Quy chuẩn hóa quy trình bảo dưỡng: Cung cấp định mức dung sai ăn mòn cho phép ($\le 0,2\text{ mm}$ cho thân/nắp trống, $\le 0,5\text{ mm}$ cho các bộ phận khác); chuẩn hóa lực siết mô-men nén vòng khóa (5–20 Nm, tối đa 60 Nm khi kẹt cặn) và mô-men siết bạc lót (200 Nm); xác lập khoảng nhiệt độ gia nhiệt lắp ghép vòng bi ($110-125^\circ\text{C}$).
  3. Đóng góp chuyên môn: Chuyển hóa các tài liệu bảo dưỡng chuyên sâu của nhà sản xuất Alfa Laval thành quy trình thực hành có tính hệ thống cho sinh viên và thuyền viên kỹ thuật buồng máy, phục vụ trực tiếp cho công tác vận hành hệ động lực tàu thủy an toàn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung đề tài chỉ tập trung khảo sát trên dòng máy lọc ly tâm đĩa Alfa Laval Tumba AB. Các phân tích về cơ chế giám sát tự động chủ yếu dựa trên các cảm biến tốc độ và độ mất cân bằng cơ bản theo tài liệu hãng, chưa đi sâu vào phân tích thuật toán lập trình điều khiển tự động PLC của tủ điều khiển.
  • Hướng phát triển: Mở rộng nghiên cứu so sánh quy trình công nghệ và hiệu chỉnh giữa các dòng máy lọc của các hãng khác nhau (như Mitsubishi Purifier hay GEA Westfalia); nghiên cứu giải pháp chẩn đoán sớm rung động và mất cân bằng động của trống lọc bằng kỹ thuật phân tích phổ dao động trong quá trình khai thác thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên chuyên ngành: Ngành Khoa học Hàng hải, Chuyên ngành Thiết bị năng lượng tàu thủy, Vận hành khai thác máy tàu thủy tại các trường đại học, cao đẳng hàng hải.
  • Sĩ quan máy và thợ máy: Cung cấp tài liệu tra cứu nhanh về quy trình chuẩn bị, vận hành, xử lý hiện tượng trào dầu, quy trình xả cặn và các bước tháo rã cơ khí an toàn trong các kỳ bảo dưỡng trên tàu.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm: Bảng quy trình bảo dưỡng (Bảng 3.1), phương pháp tẩy rửa đĩa lọc hòa tan Asphaltene (Mục 3.2), hướng dẫn gia nhiệt ổ bi và phương pháp chọn đường kính vành điều chỉnh (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao độ nhớt tối ưu khi phân ly ly tâm phải duy trì ở mức 24 cSt?

Độ nhớt 24 cSt là mức cân bằng tối ưu: nếu độ nhớt cao hơn, lực cản chuyển động tăng làm giảm tốc độ lắng gạn của hạt rắn và nước; nếu độ nhớt thấp hơn 24 cSt, dầu phải bị hâm lên nhiệt độ quá cao, làm các hạt cặn kích thước nhỏ tham gia chuyển động Brown tự khuếch tán trở lại vào pha dầu sạch.

2. Dung sai chiều sâu ăn mòn cho phép đối với thân và nắp trống máy lọc là bao nhiêu?

Theo quy chuẩn của nhà sản xuất trong tài liệu, độ sâu ăn mòn tối đa cho phép đối với thân trống và nắp trống là $0,2\text{ mm}$ (đối với các bộ phận khác là $0,5\text{ mm}$). Nếu hư hỏng vượt quá giới hạn này hoặc xuất hiện trên bề mặt đĩa trống, bắt buộc phải dừng sử dụng và liên hệ đại diện nhà sản xuất Alfa Laval.

3. Nguyên nhân và cách xử lý hiện tượng máy lọc bị trào dầu qua đường nước thải?

Hiện tượng trào dầu xảy ra khi mặt phân cách pha (mặt trung hòa) bị đẩy ra quá xa về phía chu vi trống. Nguyên nhân chính là do chọn vành điều chỉnh (gravity ring) có đường kính trong quá lớn. Biện pháp xử lý là dừng cấp dầu và thay thế vành điều chỉnh có đường kính trong nhỏ hơn phù hợp với đồ thị tra cứu.

4. Yêu cầu kỹ thuật khi tháo và lắp nắp trống bằng vòng khóa Centrilock là gì?

Khi nén cụm đĩa để tháo vòng khóa, cần dùng dụng cụ chuyên dùng siết luân phiên các bu-lông với mô-men tăng dần từ 5 Nm đến tối đa 20 Nm (có thể tăng đến 60 Nm nếu trống nguội và dính cặn dầu). Khi lắp ổ bi vào đế đỡ trục đứng, đế phải được gia nhiệt trong khoảng nhiệt độ từ $110^\circ\text{C}$ đến $125^\circ\text{C}$.

Kết luận

Chuyên đề tốt nghiệp "Công nghệ bảo dưỡng và hiệu chỉnh máy lọc ly tâm Alfa Laval Tumba AB" đã tổng hợp toàn diện cơ sở lý thuyết, kết cấu cơ khí và nguyên lý phân ly của hệ thống máy lọc dầu tàu thủy. Công trình đã chuẩn hóa quy trình vận hành, bảo dưỡng định kỳ và các phương pháp kiểm tra dung sai, xói mòn, nứt vỡ bằng dụng cụ chuyên dụng. Các số liệu hiệu chỉnh lưu lượng, nhiệt độ hâm dầu và đường kính vành điều chỉnh trong đề tài cung cấp cơ sở kỹ thuật phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo và khai thác máy tàu biển an toàn.