Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu phát triển thiết bị rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu phát triển thiết bị và xác định chế độ hoạt động khi rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Trương Hoài Phi
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thiện Ngôn
• Trường học: Khoa Cơ khí
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển thiết bị và xác định chế độ hoạt động khi rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
• 0.1.1. Mục tiêu chung
• 0.1.2. Mục tiêu cụ thể
• 0.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 0.2.2. Phạm vi nghiên cứu
• 0.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 0.3.1. Ý nghĩa khoa học
• 0.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 0.4. Kết cấu của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu giếng khoan, ống dầu khí
• 1.2. Ống chống và ống khai dầu khí
• 1.3. Ren ống dầu khí
• 1.4. Nắp bảo vệ ren ống 9-5/8”
• 1.4.1. Kích thước và thông số kỹ thuật nắp bảo vệ ren ngoài
• 1.4.2. Kích thước và thông số kỹ thuật nắp bảo vệ ren trong
• 1.5. Nắp bảo vệ ren ống bẩn
• 1.6. Các nguyên lý tẩy rửa làm sạch
• 1.6.1. Nguyên lý phun rửa
• 1.6.2. Nguyên lý ngâm phun
• 1.7. Thực trạng việc rửa nắp bảo vệ ren
• 1.8. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.8.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.8.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.9. Các vấn đề còn tồn tại
• 1.10. Ý kiến thảo luận và đề xuất nhiệm vụ của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp kế thừa
• 2.2.2. Phương pháp thu thập thông tin
• 2.2.3. Phương pháp tính toán thiết kế
• 2.2.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Cơ sở lý thuyết làm sạch dùng sóng siêu âm
• 3.1.1. Sóng siêu âm
• 3.1.1.1. Bản chất sóng siêu âm
• 3.1.1.2. Phân loại sóng siêu âm
• 3.1.1.2.1. Theo phương dao động
• 3.1.1.2.2. Theo tần số
• 3.1.1.3. Các đại lượng đặc trưng
• 3.1.2. Lý thuyết làm sạch bằng sóng siêu âm
• 3.1.2.1. Nguyên lý rửa dùng sóng siêu âm
• 3.1.2.2. Các yêu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất rửa
• 3.1.2.2.1. Sóng siêu âm
• 3.1.2.2.2. Dung dịch rửa
• 3.1.2.2.3. Thời gian rửa
• 3.1.3. Các thành phần trong máy rửa dùng sóng siêu âm
• 3.1.3.1. Bồn chứa dung dịch
• 3.1.3.2. Chấn tử phát siêu âm
• 3.1.3.3. Máy phát sóng cao tần
• 3.1.4. Bước sóng và khoảng cách tác động
• 3.1.4.1. Xác định bước sóng và cơ sở giao thoa sóng
• 3.1.4.2. Xác định khoảng cách tác động
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Nghiên cứu đề xuất thông số thiết kế máy
• 4.1.1. Tình hình sản xuất thực tế
• 4.1.2. Đề xuất thông số thiết kế máy
• 4.2. Thiết kế, chế tạo máy rửa nắp bảo vệ bằng sóng siêu âm
• 4.2.1. Khung đỡ bể rửa siêu âm
• 4.2.2. Bể rửa siêu âm
• 4.2.2.1. Xác định khoảng cách tác động
• 4.2.2.2. Thiết kế bể rửa siêu âm
• 4.2.3. Chấn tử phát sóng siêu âm
• 4.2.4. Nguồn phát siêu âm
• 4.2.5. Giá đỡ nắp bảo vệ
• 4.2.6. Chế tạo máy rửa nắp bảo vệ ren ống sử dụng sóng siêu âm
• 4.3. Khảo nghiệm thực nghiệm máy rửa nắp bảo vệ ren ống
• 4.3.1. Tiêu chí đánh giá độ sạch của nắp bảo vệ ren ống sau rửa
• 4.3.2. Khảo nghiệm không tải máy rửa nắp bảo vệ ren ống
• 4.3.3. Khảo nghiệm xác định dung dịch tẩy rửa
• 4.3.3.1. Nước và xà phòng
• 4.3.4. Khảo nghiệm xác định cách sắp xếp nắp bảo vệ ren đặt vào bể
• 4.3.5. Xác định chế độ hoạt động phù hợp
• 4.3.5.1. Xác định miền thực nghiệm
• 4.3.5.2. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố công suất
• 4.3.5.3. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố thời gian
• 4.3.5.4. Kết quả thí nghiệm đa yếu tố
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết bị rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí

Nghiên cứu thiết bị rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp dầu khí. Thiết bị này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả làm sạch mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến sức khỏe của người lao động. Việc ứng dụng công nghệ sóng siêu âm trong rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho quy trình sản xuất.

1.1. Giới thiệu về nắp bảo vệ ren ống dầu khí

Nắp bảo vệ ren ống dầu khí là một phần quan trọng trong việc bảo vệ các mối nối ren khỏi bụi bẩn và các tác nhân gây hại. Chúng được thiết kế để giữ cho ren luôn sạch sẽ và khô ráo, đảm bảo chất lượng trong quá trình khai thác.

1.2. Tầm quan trọng của việc làm sạch nắp bảo vệ

Việc làm sạch nắp bảo vệ ren ống dầu khí là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng mối nối. Nếu không được làm sạch đúng cách, nắp bảo vệ có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong quá trình khai thác, dẫn đến giảm hiệu suất và tăng chi phí.

II. Vấn đề và thách thức trong việc rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí

Hiện nay, việc rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp thủ công, dẫn đến nhiều vấn đề như hiệu suất thấp, tốn thời gian và ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động. Những thách thức này cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.1. Nhược điểm của phương pháp rửa thủ công

Phương pháp rửa thủ công không chỉ tốn nhiều thời gian mà còn yêu cầu nhiều nhân lực. Hơn nữa, việc sử dụng hóa chất tẩy rửa có thể gây hại cho sức khỏe người lao động và môi trường.

2.2. Tác động đến sức khỏe và môi trường

Việc tiếp xúc thường xuyên với hóa chất tẩy rửa và dầu mỡ có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho người lao động. Đồng thời, việc xả thải hóa chất ra môi trường cũng gây ô nhiễm.

III. Phương pháp rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm

Công nghệ rửa bằng sóng siêu âm đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả cho việc làm sạch nắp bảo vệ ren ống dầu khí. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo độ sạch cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.1. Nguyên lý hoạt động của sóng siêu âm

Sóng siêu âm tạo ra các bọt khí nhỏ trong dung dịch tẩy rửa, giúp làm sạch các vết bẩn bám chặt trên bề mặt nắp bảo vệ. Nguyên lý này cho phép làm sạch hiệu quả mà không cần sử dụng hóa chất độc hại.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng sóng siêu âm

Việc sử dụng sóng siêu âm trong rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm thời gian, giảm chi phí lao động và đảm bảo an toàn cho sức khỏe người lao động.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm có khả năng làm sạch lên đến 95% các loại mỡ bảo vệ. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4.1. Đánh giá hiệu quả làm sạch

Các thử nghiệm cho thấy thiết bị có thể làm sạch nắp bảo vệ ren ống dầu khí với năng suất đạt 120 chiếc/ca. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ sóng siêu âm là một giải pháp khả thi cho ngành công nghiệp dầu khí.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất

Thiết bị rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm có thể được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất ống dầu khí, giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu thiết bị rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm mở ra nhiều triển vọng cho ngành công nghiệp dầu khí. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn bảo vệ sức khỏe người lao động và môi trường.

5.1. Tương lai của công nghệ rửa siêu âm

Công nghệ rửa siêu âm có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai, với khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất công nghiệp đến y tế.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các thiết bị rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm, nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả làm sạch.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong giai đoạn 2008 đến 2015, Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam luôn giữ vai trò đầu tàu kinh tế khi đóng góp từ 16% đến 18% tổng sản phẩm quốc nội (GDP) cả nước. Để phục vụ công tác khoan và khai thác, trung bình mỗi năm ngành dầu khí cần sử dụng khoảng 10.000 tấn ống chống và ống khai thác chuyên dụng. Các tuyến ống này được kết nối với nhau qua các mối nối ren có yêu cầu kỹ thuật vô cùng khắt khe, dung sai kích thước nghiêm ngặt trong khoảng 0,0001 inch và độ nhẵn bóng bề mặt ren đạt chuẩn Ra 0,32 micromet. Bất kỳ hạt bụi bẩn, phoi tiện hay vết nước nào đọng lại đều có thể gây xước bề mặt, rỗ ren hoặc rò rỉ khí áp suất cao dưới lòng giếng khoan. Do đó, việc bảo quản và làm sạch nắp bảo vệ ren ngoài (Pin) cũng như nắp bảo vệ ren trong (Box) là công đoạn bắt buộc trong quy trình sản xuất và lưu kho.

Tại Công ty Cổ phần Vietubes, dòng nắp bảo vệ kích cỡ 9-5/8 inch chiếm tỷ trọng giá trị cao nhất, chiếm 41% tổng giá trị nắp được làm sạch và chiếm 46% giá trị nắp mua mới hàng năm. Tuy nhiên, kỹ thuật làm sạch nắp ren tại nhà xưởng trước đây hoàn toàn thực hiện bằng phương pháp thủ công dùng bàn chải chà xát với dung môi dầu hỏa. Phương pháp này mang lại năng suất rất thấp, tốn nhiều nhân công, làm sạch không đồng đều ở các rãnh ren sâu và gây độc hại trực tiếp đến đường hô hấp, làn da của người lao động.

Trước thực trạng đó, đề tài tập trung nghiên cứu phát triển thiết bị và xác lập chế độ vận hành tối ưu để rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng công nghệ sóng siêu âm công suất 600 W và tần số 40 kHz. Mục tiêu cụ thể là cơ khí hóa và bán tự động hóa quy trình làm sạch nắp ren cỡ 9-5/8 inch, nâng cao năng suất xử lý đạt 120 chiếc trong một ca làm việc 8 giờ và đạt tỷ lệ loại bỏ dầu mỡ bám dính trên 95%. Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trực tiếp tại Phòng thí nghiệm REME Lab thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh kết hợp với dữ liệu sản xuất thực tế tại Công ty Vietubes vào năm 2018. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp doanh nghiệp tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí mua sắm nắp mới, giảm 100% thời gian công nhân tiếp xúc trực tiếp với hóa chất độc hại và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các mối nối ống dầu khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp của hai nền tảng lý thuyết vật lý và cơ học chất lỏng chuyên sâu:

Thứ nhất, lý thuyết lan truyền sóng cơ học và hiệu ứng xâm thực bọt khí (Cavitation) trong môi trường chất lỏng đàn hồi. Sóng siêu âm có tần số dao động từ 20 kHz đến 40 kHz tạo ra các chu kỳ nén và dãn áp suất xen kẽ liên tục với tốc độ hàng chục nghìn lần mỗi giây. Trong pha dãn, lực kéo làm đứt gãy liên kết chất lỏng, tạo ra hàng triệu bọt khí chân không siêu nhỏ. Trong pha nén kế tiếp, các bọt khí này bị nén ép mạnh mẽ và vỡ tung cục bộ, tạo ra những luồng sóng xung kích cực mạnh với áp suất tức thời lên tới 1000 bar cùng nhiệt độ vi mô gia tăng đột biến. Hiệu ứng này đóng vai trò như hàng triệu chiếc chổi thủy lực vô hình, trực tiếp bắn phá và bóc tách các lớp màng dầu mỡ, cặn bẩn bám dính trên bề mặt ren mà không làm biến dạng vật liệu nhựa hay kim loại.

Thứ hai, lý thuyết giao thoa sóng âm và truyền tải năng lượng dao động trong bể tẩy rửa. Cường độ làm sạch phụ thuộc mật thiết vào bước sóng λ = v / f (với v là vận tốc truyền âm trong dung dịch và f là tần số sóng siêu âm). Việc xác định vị trí giao thoa sóng cho phép định vị nắp bảo vệ ren vào đúng vùng bụng sóng có biên độ dao động cực đại nhằm thu nhận năng lượng tẩy rửa tối đa. Các khái niệm cốt lõi được ứng dụng xuyên suốt gồm: tần số phát sóng siêu âm, mật độ công suất bức xạ trên thể tích bể chứa, sức căng bề mặt chất hoạt động bề mặt, hiện tượng tạo khoang chân không và tiêu chuẩn kiểm tra ren theo chuẩn API Spec 5CT và VAM TOP.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình đo kiểm các thông số hình học của 14 chủng loại nắp bảo vệ ren thông dụng tại Vietubes với đường kính danh định từ 3-1/2 inch đến 13-3/8 inch. Trong đó, mẫu thực nghiệm tập trung vào nắp bảo vệ ren 9-5/8 inch có đường kính ngoài 280 mm và chiều dài 190 mm.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 120 nắp bảo vệ ren dính hai loại mỡ công nghiệp nặng đặc thù là mỡ bảo quản lưu kho Rust Veto AS và mỡ vặn ống ren API Plusco 100. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu xác suất ngẫu nhiên từ dây chuyền thu hồi nắp sau sử dụng tại nhà máy để đảm bảo tính đại diện cho điều kiện sản xuất thực tế.

Để xác định chế độ vận hành tối ưu, đề tài áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố bậc hai dạng trực giao quay (Rotatable Central Composite Design). Lý do lựa chọn phương pháp này là khả năng giảm thiểu tối đa số lần chạy thí nghiệm thực tế mà vẫn đảm bảo độ tin cậy thống kê cao, đồng thời cho phép thiết lập phương trình hồi quy toán học mô tả chính xác tương quan giữa các thông số đầu vào gồm công suất phát sóng (từ 200 W đến 600 W), thời gian rửa (từ 5 phút đến 25 phút), nhiệt độ dung dịch (từ 30 đến 50 độ C) với các chỉ tiêu đầu ra là tỷ lệ làm sạch mỡ và mức độ tiêu thụ năng lượng. Toàn bộ số liệu thực nghiệm thu thập trong 6 tháng nghiên cứu được xử lý thông qua phân tích phương sai ANOVA, kiểm định mức ý nghĩa hệ số theo tiêu chuẩn Student và kiểm định độ tương thích mô hình theo tiêu chuẩn Fisher trên phần mềm chuyên dụng Statgraphics.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chế tạo thiết bị thử nghiệm và khảo nghiệm thực tế đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Một là, mô hình thiết bị rửa siêu âm được chế tạo hoàn chỉnh với nguồn phát công suất 600 W, tần số 40 kHz kết hợp cụm 10 chấn tử gốm áp điện công suất 60 W bố trí đối xứng dưới đáy bồn Inox đã vận hành ổn định. Thiết bị đáp ứng hoàn hảo kích thước nắp bảo vệ 9-5/8 inch, đạt năng suất xử lý trung bình 120 nắp trong một ca làm việc 8 giờ, tăng năng suất gấp 3 lần so với công đoạn rửa thủ công trước đây vốn chỉ xử lý được khoảng 40 chiếc/ca.

Hai là, hiệu quả tách mỡ bảo vệ ren của công nghệ siêu âm đạt tỷ lệ làm sạch từ 95% đến 98% đối với cả mỡ lưu kho Rust Veto AS và mỡ vặn ống API Plusco 100. Bề mặt các rãnh ren nhựa và phần vỏ thép đều sạch bóng, không còn vết nhờn và loại bỏ hoàn toàn các hạt phoi kim loại kích thước nhỏ hơn 0,05 mm.

Ba là, khảo nghiệm dung dịch tẩy rửa cho thấy dung dịch nước pha phụ gia xà phòng công nghiệp ở nhiệt độ 40 đến 50 độ C cho hiệu quả bóc tách mỡ tương đương 99% so với việc ngâm trong dung môi dầu hỏa nguyên chất hay dầu KO. Điều này cho phép loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng 100% dung môi bay hơi nguy hại trong phân xưởng.

Bốn là, kết quả quy hoạch thực nghiệm xác lập được vùng chế độ hoạt động tối ưu với thời gian rửa từ 12 đến 18 phút ở mức công suất phát 450 W đến 550 W. Chế độ này giúp tiết kiệm 35% điện năng tiêu thụ so với việc chạy máy ở công suất cực đại liên tục mà vẫn duy trì độ sạch trên 95%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp công nghệ sóng siêu âm đạt hiệu quả làm sạch vượt trội là nhờ cơ chế xâm thực bọt khí vi mô len lỏi vào từng kẽ ren có bước răng phức tạp. Trong khi phương pháp thủ công dùng chổi quét chỉ tiếp xúc được phần đỉnh ren và bỏ sót mỡ bám ở chân ren, sóng siêu âm tần số 40 kHz với hàng triệu xung kích thủy lực phân tán đồng đều trong chất lỏng đã đánh bật hoàn toàn các liên kết bám dính phân tử của mỡ bảo quản. Nhiệt độ dung dịch duy trì ở mức 45 độ C làm giảm độ nhớt động học của mỡ, hỗ trợ chất hoạt động bề mặt nhũ hóa dầu mỡ nhanh chóng vào dòng nước.

Khi so sánh với các thiết bị tẩy rửa trên thế giới như máy rửa nắp ren của Knight Manufacturing (Mỹ) sử dụng ma sát thỏi gốm tam giác kết hợp hệ thống thủy lực 20 đến 25 mã lực, thiết bị siêu âm này tiêu thụ điện năng thấp hơn 2,5 lần, kết cấu bồn rửa gọn nhẹ hơn và hoàn toàn không gây mài mòn cơ học lên bề mặt ren nhựa có độ chính xác 0,0001 inch. So với các đề tài máy rửa siêu âm chi tiết nhỏ 2 kW năm 2011 trong nước, nghiên cứu này đã giải quyết thành công bài toán tẩy rửa chi tiết có kích thước lớn, vật liệu kết hợp nhựa - thép và dính mỡ công nghiệp nặng.

Dữ liệu nghiên cứu thực nghiệm được trực quan hóa thông qua các bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm và biểu đồ bề mặt đáp ứng không gian 3 chiều biểu diễn mối quan hệ giữa công suất, thời gian và độ sạch. Biểu đồ chỉ ra rằng khi thời gian vượt quá 20 phút, đường cong độ sạch tiệm cận mức bão hòa 98%, chứng minh việc kéo dài thời gian rửa là không cần thiết về mặt kinh tế. Kiểm định Fisher cho giá trị F tính toán lớn hơn F tra bảng ở mức ý nghĩa 0,05, khẳng định mô hình toán học có độ tương thích rất cao với hệ số xác định R-squared đạt trên 0,92.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả khảo nghiệm thực tế, 4 giải pháp công nghệ và quản lý được đề xuất nhằm tối ưu hóa hoạt động sản xuất:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình công nghệ rửa nắp bảo vệ ren bằng sóng siêu âm tại xưởng cơ khí: Ban hành hướng dẫn vận hành chuẩn với bộ thông số cố định gồm tần số sóng 40 kHz, nhiệt độ dung dịch nước pha phụ gia kiềm nhẹ duy trì ở mức 45 độ C, thời gian rửa chuẩn 15 phút cho mỗi mẻ nắp 9-5/8 inch. Mục tiêu duy trì tỷ lệ sạch mỡ ổn định trên 95% cho 100% nắp tái sử dụng, hoàn thành triển khai trong Quý 1 bởi đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy.

Thứ hai, thay thế hoàn toàn dung môi dầu hỏa độc hại bằng dung dịch tẩy rửa gốc nước sinh học: Chuyển đổi sang hệ chất tẩy rửa nhũ tương thân thiện môi trường kết hợp bể lắng thu hồi mỡ thải tập trung. Mục tiêu giảm 100% nguy cơ phơi nhiễm hơi dung môi hydrocacbon độc hại cho công nhân và triệt tiêu 100% nguy cơ cháy nổ trong nhà xưởng, hoàn thành chuyển giao trong thời gian 3 tháng dưới sự giám sát của bộ phận An toàn - Sức khỏe - Môi trường (HSE).

Thứ ba, thiết kế bổ sung cơ cấu giá gá xoay tự động và cụm sấy khô bằng khí nóng tuần hoàn: Nâng cấp giá đỡ nắp ren có khả năng tự xoay với tốc độ 5 đến 10 vòng/phút trong lòng bể rửa để triệt tiêu các điểm chết sóng âm, đồng thời tích hợp buồng sấy khí nóng 60 độ C giúp nắp khô hoàn toàn trong vòng 5 phút sau khi vớt ra. Mục tiêu rút ngắn 20% tổng thời gian một chu trình xử lý, hoàn thành chế tạo trong 6 tháng do phòng R&D chủ trì.

Thứ tư, mở rộng dải công suất và buồng rửa đa năng cho nhiều kích cỡ nắp từ 3-1/2 inch đến 20 inch: Phát triển hệ thống bể rửa module hóa với công suất nguồn tăng lên 1,2 kW đến 2 kW và tích hợp chấn tử đa tần (28 kHz và 40 kHz), nâng năng suất làm việc của toàn xưởng lên mức 200 nắp/ca, hoàn thành lộ trình mở rộng quy mô trong vòng 12 tháng dưới sự chỉ đạo của Ban Giám đốc sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm 1: Các kỹ sư cơ khí, chuyên viên bảo dưỡng và kỹ thuật viên ngành dầu khí. Tài liệu cung cấp bản vẽ chi tiết, thông số kỹ thuật chuẩn của các dòng nắp ren VAM TOP, Buttress từ 3-1/2 inch đến 13-3/8 inch và quy trình công nghệ làm sạch mỡ bảo quản chuyên dụng đạt chuẩn API.

Nhóm 2: Cán bộ quản lý an toàn lao động, chuyên viên HSE và giám đốc điều hành nhà xưởng công nghiệp. Luận văn cung cấp case-study thực tế về việc chuyển đổi từ phương pháp tẩy rửa thủ công bằng dầu hỏa sang công nghệ siêu âm bán tự động, giúp giảm 100% khí thải độc hại và cắt giảm 50% chi phí nhân công.

Nhóm 3: Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên các chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật công nghiệp. Công trình là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao quay bậc hai, phương pháp xử lý số liệu ANOVA và kỹ thuật tối ưu hóa thông số bằng phần mềm Statgraphics.

Nhóm 4: Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị tẩy rửa công nghiệp và chuyển giao công nghệ. Nguồn tư liệu hoàn chỉnh về sơ đồ nguyên lý, cách tính toán ghép nối chấn tử siêu âm 40 kHz và kết cấu bồn chứa Inox giúp doanh nghiệp rút ngắn 6 tháng nghiên cứu phát triển sản phẩm thương mại.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên lý sóng siêu âm làm sạch các rãnh ren phức tạp như thế nào? Sóng siêu âm tần số 40 kHz truyền qua chất lỏng tạo nên hiện tượng xâm thực bọt khí liên tục. Hàng triệu bọt khí chân không vỡ tung ở áp suất cục bộ 1000 bar sinh ra sóng xung kích bắn phá trực tiếp vào các ngóc ngách ren sâu 60 mm, bóc tách 95% mảng bám dầu mỡ mà bàn chải thông thường không thể tiếp cận được.

Thiết bị rửa siêu âm xử lý được những loại dầu mỡ công nghiệp nào? Thiết bị tẩy rửa hiệu quả cả hai nhóm mỡ bám dính nặng phổ biến trong ngành dầu khí là mỡ lưu kho Rust Veto AS và mỡ vặn ống chịu nhiệt API Plusco 100. Cả 120 mẫu thử nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm đều sạch bóng, không để lại cặn mỡ sau 15 phút tẩy rửa.

Tại sao dung dịch nước xà phòng ấm có thể thay thế hoàn toàn dầu hỏa? Dưới tác động cơ học cực mạnh của sóng siêu âm kết hợp nhiệt độ dung dịch 40 đến 50 độ C, sức căng bề mặt của mỡ giảm mạnh và bị phân rã thành các hạt siêu nhỏ. Nước pha phụ gia xà phòng giúp nhũ hóa lớp mỡ này mà không cần dùng đến dung môi dầu hỏa độc hại.

Hiệu quả kinh tế của máy rửa siêu âm bán tự động đạt mức nào? Tại Công ty Vietubes, nắp 9-5/8 inch chiếm 41% giá trị làm sạch và 46% chi phí mua mới. Thiết bị đạt năng suất 120 nắp/ca giúp tái sử dụng tối đa nắp cũ, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí vật tư mỗi năm và giảm 2 nhân công rửa thủ công tại xưởng.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đóng vai trò gì trong đề tài? Tác giả sử dụng mô hình thực nghiệm trực giao quay bậc hai kết hợp phân tích ANOVA để khảo sát đồng thời công suất sóng và thời gian rửa. Phương pháp này giúp tìm ra điểm vận hành tối ưu ở 450 W đến 550 W trong 15 phút, đạt độ tin cậy thống kê trên 95% với số lượng mẫu tối thiểu.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với 5 kết quả đóng góp nổi bật:

• Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị rửa nắp bảo vệ ren ống dầu khí bằng sóng siêu âm công suất 600 W, tần số 40 kHz với năng suất đạt 120 nắp cỡ 9-5/8 inch trong một ca làm việc.
• Đạt tỷ lệ làm sạch mỡ bảo quản lưu kho và mỡ vặn ống trên 95%, bảo đảm an toàn tuyệt đối cho bề mặt ren có độ chính xác 0,0001 inch và độ bóng Ra 0,32 micromet.
• Xác lập chế độ vận hành tối ưu với thời gian rửa từ 12 đến 18 phút ở nhiệt độ 40 đến 50 độ C, tiết kiệm 35% điện năng tiêu thụ và thay thế hoàn toàn dung môi dầu hỏa bằng dung dịch gốc nước thân thiện môi trường.
• Ứng dụng thành công phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai và phân tích thống kê ANOVA để xây dựng mô hình toán học có độ tương thích cao với hệ số R-squared vượt 0,92.
• Mở ra tiềm năng ứng dụng công nghệ làm sạch siêu âm cho toàn bộ dải kích thước nắp từ 3-1/2 inch đến 20 inch trong ngành công nghiệp khoan và khai thác dầu khí Việt Nam.

Đề tài là bước tiến quan trọng trong công tác cơ khí hóa và tự động hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ sức khỏe người lao động. Trong 6 đến 12 tháng tới, các doanh nghiệp cơ khí dầu khí cần sớm tiếp nhận và nhân rộng mô hình thiết bị này vào thực tế sản xuất. Quý đơn vị và bạn đọc quan tâm hãy liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc bộ môn Cơ khí Chế tạo máy để phối hợp chuyển giao công nghệ và phát triển các hệ thống tẩy rửa siêu âm thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu giếng khoan, ống dầu khí 1.1 Giếng khoan Giếng khoan dầu là công trình nhân tạo hình trụ được thi công vào vỏ trái đất, có quỹ đạo thẳng đứng/ngang/xiên/cong nhằm mục đích khai thác dầu mỏ. Các thành phần của giếng khoan gồm miệng giếng, thành giếng, đáy giếng và trục giếng (hình 1.1: Cấu trúc giếng khoan [2] Cấu trúc của thành giếng khoan dầu khí gồm các lớp ống như sau: ống chống định hướng, ống chống bề mặt, ống chống trung gian, ống khai thác với vanh xi măng. Để có được giếng khoan dầu khí người ta sử dụng công nghệ và thiết bị chuyên dụng khoan giếng như choòng khoan, bộ dụng cụ khoan,… để khoan phá hủy đất đá đến độ sâu yêu cầu với mục đích mở lỗ. Các ống chống được thả xuống và được bơm trám xi măng bên ngoài ống đề hình thành đầu giếng.

Sau khi đầu giếng đã được lắp đặt xong, tiếp tục triển khai các công việc chuẩn bị để khoan đến chiều sâu chống cho các cột ống tiếp theo. Công việc được thực hiện tuần tự cho đến khi thả được ống khai thác vào trong túi dầu, túi khí.2: Choòng khoan 1.2 Ống chống và ống khai dầu khí 1.1 Khái quát Sản phẩm ống chống dầu khí là những đoạn ống dài tối đa khoảng 13 m và có đường kính từ 2-3/8” đến 30” được chế tạo bằng các loại thép chuyên dùng. Các ống này có kết cấu giống nhau gồm một đầu có ren ống lỗ, một đầu có ren ống ngoài để giúp các ống này có thể kết nối với nhau nhờ mối nối ren. Sản phẩm ống chống dầu khí thông dụng gồm các loại như sau: - Ống chống dầu khí: là những ống thép có đường kính ngoài từ lớn 4-1/2 inch đến 30 inch, được thả vào trong giếng khoan phục vụ cho công tác gia cố thành giếng trong quá trình khai thác cũng như trong quá trình khoan.3: Ống chống dầu khí Hình 1.4: Ống khai thác - Ống khai thác dầu khí: là những ống thép có đường kính ngoài từ 2-3/8 inch đến 4-1/2 inch, được thả vào trong giếng khoan phục vụ cho công tác vận chuyển dầu hoặc khí từ giếng khoan.

- Ống khoan và các phụ kiện khoan: là đoạn ống có đường kính ngoài từ 2-3/8 inch đến 6-5/8 inch, được sử dụng để nối dài choòng khoan, chuyển dung dịch khoan và momen xoắn xuống giếng khoan qua đầu khoan.5: Ống chống dầu khí Hình 1.6: Vặn ống chống tại khu vực khoan 1.2 Ren ống dầu khí Để đạt được đến độ sâu theo yêu cầu trong giếng khoan dầu khí, các tuyến ống được ghép nối với nhau bằng ren ống. Hiện nay, các mối nối thông dụng (không có phần làm kín) được chế tạo theo các tiêu chuẩn như API, API 5CT, AI Spec.1, 6A và các mối nối kín (có phần làm kín) như VAM, NSPJ, JFE, Tenaris - Hydril, Hunting,….7: Mối nối thông dụng Hình 1.8: Hình các mối nối kín Tùy vào địa chất của từng khu vực khoan mà sử dụng các loại mối nối phù hợp. Các mối nối thông dụng thường sử dụng cho các lớp ống dẫn và ống chống bề mặt phía bên ngoài với độ sâu vài chục mét đến 1. Còn các mối nối kín thường dùng cho các lớp ống chống bên trong như ống chống trung gian, ống chống sản xuất và ống khai thác có độ sâu lên đến vài kilômét.

Trong công nghệ khoan, các ống chống có đầu nối sử dụng các loại ren như Buttress, VAM TOP, VAM 21, JFE,… được dùng trong những điều kiện khoan thẳng. Với các loại ống dầu khí không có đầu nối ống dùng các loại ren VAM FJL, VAM SLIJ-II, VAM MUST,… thì sử dụng cho các loại khoan xiên. Các loại ren thường được bảo quản bằng cách bôi mỡ bảo vệ và lắp nắp bảo vệ ren.3 Nắp bảo vệ ren ống dầu khí Nắp bảo vệ ren ống dầu khí là những nắp tròn được chế tạo bằng vật liệu nhựa hoặc bằng nhựa bọc thép để chụp/nút kín nhằm bảo vệ ren ống chống, ống khai thác, ống khoan,… phục vụ trong lĩnh vực thăm dò và khai thác dầu khí. Nắp bảo vệ ren được sử dụng thường xuyên để bảo vệ ren ống trong suốt quá trình vận chuyển và lưu trữ ống chống và khai thác trong lĩnh vực dầu khí.

Đối với ống có kích thước nhỏ sử dụng nắp bảo vệ ren bằng nhựa, nắp bảo ren bằng nhựa bọc thép được sử dụng để bảo vệ ren cho những loại ống dầu khí có kích thước lớn. a) Nắp nhựa b) Nắp nhựa bọc thép Hình 1.9: Nắp bảo vệ ren ống Nắp bảo vệ ren ống thường được phân loại theo dạng đầu nối ống, cấu tạo, kết cấu. a) Theo dạng đầu nối ống Một bộ nắp bảo vệ cho một mối nối bất kỳ đều gồm có 2 cái gồm 1 cái Pin (là đầu ren bên ngoài) và 1 cái Box (là đầu ren bên trong). Đầu pin (đầu ren ngoài) và nắp bảo vệ pin được lắp cho của ống.

10: Đầu pin và nắp bảo vệ đầu pin của ống Đầu Box (đầu ren trong) và nắp bảo vệ Box được lắp cho của ống.11: Nắp bảo vệ đầu box và đầu box của ống b) Theo cấu tạo Theo cấu tạo nắp bảo vệ ren ống được chia làm 3 loại: - CEL (Closed End Liftable): là loại nắp bảo vệ được thiết kế cho phép cái móc cẩu móc vào khi cần cẩu di chuyển ống.12: Nắp bảo vệ CEL - CENL (Closed End Non Liftable): là loại nắp bảo vệ được thiết kế không cho phép cái móc cẩu móc vào.13: Nắp bảo vệ ren CENL - Ngoài ra, còn có một số loại nắp bảo vệ ren đặc biệt như OE (Open End), OED (Open End Driftable) được thiết kế chỉ để bảo vệ ren và đầu ống hoặc sử dụng để mở lòng ống với không khí khi cần sử dụng trong quá trình làm sạch lòng ống hoặc kiểm tra đường kính trong của ống.14: Nắp bảo vệ OE Một số loại nắp bảo vệ ren tiêu biểu đang được sử dụng tại công ty Vietubes được giới thiệu ở bảng 1.1: Thông số các nắp bảo vệ ren thông dụng tại Vietubes Đường Đường Chiều Dạng STT Tên nắp bảo vệ kính kính Mối nối dài đầu nối trong ngoài 1 3-1/2” VAM TOP Pin 122 92 112 VAM TOP Pin 2 3-1/2” VAM TOP Box 94 69 105 VAM TOP Box 3 4-1/2” VAM TOP Pin 140 118 127 VAM TOP Pin 4 4-1/2” VAM TOP Box 100 130 93 VAM TOP Box 5 5-1/2” VAM TOP Pin 153 147 158 VAM TOP Pin 6 5-1/2” VAM TOP Box 150 110 157 VAM TOP Box 7 7” VAM TOP Pin 168 158 197 VAM TOP Pin 8 7” VAM TOP Box 149 154 178 VAM TOP Box 9 7-5/8” VAM TOP Pin 178 167 218 VAM TOP Pin 10 7-5/8” VAM TOP Box 150 173 217 VAM TOP Box 11 9-5/8” VAM TOP Pin 186 222 274 VAM TOP Pin 12 9-5/8” VAM TOP Box 180 222 264 VAM TOP Box 13 13-3/8” BC Pin 189 316 360 BUTTRESS Pin 14 13-3/8” BC Box 190 316 370 BUTTRESS Box (Đơn vị: mm) c) Kết cấu Có hình dạng giống một đoạn ống trụ tròn, với phần làm việc chính có cấu tạo bằng nhựa. Kết cấu của nắp lắp trong và kết cấu của nắp lắp ngoài là ngược nhau nhưng chúng cũng đều có 2 phần như sau: 10 - Đối với lắp nắp lắp ngoài, phần bên trong là phần chính có cấu tạo bằng ren nhựa để bảo vệ ren ngoài. Phần bên ngoài là phần vỏ có cấu tạo bằng thép đối với nắp có đường kính lớn, và bằng nhựa đối với nắp có đường kính nhỏ. - Đối với lắp nắp lắp trong, phần bên ngoài là phần chính có cấu tạo bằng ren nhựa để bảo vệ ren trong.

Phần bên trong là phần vỏ có cấu tạo bằng thép đối với nắp có đường kính lớn, và bằng nhựa đối với nắp có đường kính nhỏ. a) Lắp trong b) Lắp ngoài Hình 1.15: Các kiểu lắp nắp bảo vệ ren ống Tương ứng với các đường kính ống chống và ống khai thác dầu khí, đường kính của nắp bảo vệ ren ống cũng có dải từ 2-3/8 inch đến 30 inch. Nhưng trong các năm từ 2013 trở lại đây, các dải nắp bảo vệ thường hay được dùng tại Vietubes từ 3-1/2 inch đến 20 inch (hình 1. a) Nắp bảo vệ 3-1/2 inch b) Nắp bảo vệ 20 inch Hình 1.16: Cỡ nắp bảo vệ thường dùng tại Vietubes Các thông số chi tiết của các nắp bảo vệ điển hình tại Vietubes được giới thiệu ở bảng 1.2: Thông số chi tiết nắp bảo vệ ren ống lắp ngoài 3 1/2 inch 7 inch 13 3/8 inch Các thông số VAM TOP Pin VAM TOP Pin VAM TOP Pin Tổng chiều dài nắp 122.00 Chiều dài lắp ghép 102.38 Chiều dài ren 62.00 Đường kính nắp 112.00 Đường kính lắp ghép 88.69 Đường kính lỗ nắp 92.00 Chiều dày chịu lực 19.3: Thông số chi tiết nắp bảo vệ ren ống lắp trong 3 1/2 inch 7 inch 13 3/8 inch Các thông số VAM TOP Box VAM TOP Box VAM TOP Box Tổng chiều dài nắp 94.79 Chiều dài lắp ghép 76.51 Chiều dài ren 57.62 Đường kính nắp 105.00 Đường kính lắp ghép 89.29 Đường kính trụ nắp 87.50 Chiều dày chịu lực 17.28 (Đơn vị: mm) Nhựa là vật liệu chính để cấu thành nên nắp bảo vệ ren, các loại vật liệu thường được sử dụng để chế tạo nắp bảo vệ ren ống như nhựa Polyethylen hay vật liệu composite.

Với mục đích chỉ làm tăng độ cứng cho các nắp bảo vệ có kích thước lớn nên vật liệu thép sử dụng cho nắp là thép tấm carbon thông thường dày khoảng 2 mm. Trong năm 2014, giá trị các loại nắp bảo vệ ren ống được làm sạch tại Vietubes được giới thiệu ở bảng 1.4 và đánh giá qua hình 1.4: Giá trị nắp bảo vệ ren ống được làm sạch STT CỠ NẮP GIÁ TRỊ (VNĐ) 1 3-1/2" 193.17: Tỉ lệ giá trị các loại nắp bảo vệ ren ống được làm sạch Trong khi đó, giá trị các loại nắp bảo vệ ren ống mua mới tại Vietubes được trình bày ở bảng 1.5 và đánh giá qua hình 1.5: Giá trị nắp bảo vệ ren ống mua mới STT CỠ NẮP GIÁ TRỊ STT CỠ NẮP GIÁ TRỊ (VNĐ) (VNĐ) 1 3-1/2" 36.18: Tỉ lệ giá trị các loại nắp bảo vệ ren ống mua mới Qua các bản và các biểu đồ so sánh, ta nhận thấy rằng giá trị nắp bảo vệ loại 9-5/8” là cao nhất chiếm 41% và 46% trong các loại nắp được làm sạch và các loại nắp được mua mới. Vì vậy, loại nắp bảo vệ ren ống 9 - 5/8” được chọn để nghiên cứu phát triển máy rửa sạch ứng dụng kỹ thuật siêu âm.2 Nắp bảo vệ ren ống 9-5/8” 1.