Tổng quan nghiên cứu

Kỹ thuật giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị cơ khí bằng phân tích rung động đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành kỹ thuật cơ khí, đặc biệt trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy cao như dầu khí. Theo ước tính, các thiết bị quay trong công nghiệp thường gặp các dạng hư hỏng như mất cân bằng, không đồng trục, hư hỏng ổ lăn và bánh răng, gây ra rung động đặc trưng có thể phát hiện qua phân tích phổ tần số. Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển kỹ thuật chẩn đoán hư hỏng thiết bị cơ khí bằng phương pháp phân tích rung động, tập trung vào phân tích phổ FFT để nhận dạng các dạng hư hỏng phổ biến trên các thiết bị có chuyển động quay.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên tổ hợp tuốc bin khí – máy phát điện Taurus 60-7001 tại giàn khai thác dầu khí thuộc Liên Doanh Việt - Nga “Vietsovpetro” trong khoảng thời gian thu thập dữ liệu thực nghiệm năm 2015. Nghiên cứu nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu rung động đặc trưng, quy trình chẩn đoán và đánh giá tình trạng thiết bị, góp phần nâng cao hiệu quả bảo trì dự đoán, giảm thiểu chi phí do hư hỏng ngẫu nhiên và tăng độ an toàn trong vận hành.

Việc áp dụng kỹ thuật phân tích rung động giúp phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng mà không cần dừng máy hoặc tháo rời thiết bị, từ đó đưa ra các biện pháp bảo trì kịp thời. Đây là giải pháp tối ưu trong ngành dầu khí, nơi chi phí ngừng máy và sửa chữa rất lớn. Nghiên cứu cũng có ý nghĩa trong việc chuẩn hóa quy trình giám sát và chẩn đoán, đồng thời làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về các loại máy móc phức tạp khác như máy nén khí dạng chuyển động tịnh tiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình phân tích rung động máy quay, trong đó có:

  • Lý thuyết rung động điều hòa: Mô tả chuyển vị, vận tốc và gia tốc rung động dưới dạng sóng sin với các tham số biên độ và tần số đặc trưng. Mối quan hệ giữa các đại lượng này được biểu diễn qua các phương trình toán học, giúp phân tích tín hiệu rung động thu thập được.

  • Phương pháp phân tích phổ tần số (FFT): Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu rung động từ miền thời gian sang miền tần số, giúp nhận dạng các thành phần tần số đặc trưng của các dạng hư hỏng như mất cân bằng, không đồng trục, hư hỏng ổ lăn và bánh răng.

  • Phương pháp phân tích hình bao (Envelope Analysis): Dựa trên biến đổi Hilbert để tách đường bao tín hiệu rung động, giúp phát hiện các hư hỏng nhỏ mới hình thành, đặc biệt là trong ổ lăn.

  • Phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng bộ (TSA): Tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu bằng cách trung bình hóa các tín hiệu theo chu kỳ quay, giúp loại bỏ các thành phần nhiễu không tuần hoàn.

Các khái niệm chính bao gồm: biên độ rung động (RMS, peak), tần số rung động, các dạng hư hỏng cơ bản (mất cân bằng, không đồng trục, hư hỏng ổ lăn, bánh răng), và các tiêu chuẩn đánh giá rung động (ISO 10816-4, API).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tín hiệu rung động thu thập trực tiếp từ tổ hợp tuốc bin khí – máy phát điện Taurus 60-7001 trên giàn khai thác dầu khí. Thiết bị đo sử dụng là hệ thống đo rung động của hãng Emerson, bao gồm các đầu đo gia tốc áp điện, đầu đo vận tốc và đầu đo dịch chuyển không tiếp xúc, kết hợp với bộ thu thập dữ liệu CSI 2120A.

Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm:

  • Thu thập tín hiệu rung động tại các điểm đo quan trọng trên tuốc bin khí, hộp giảm tốc và máy phát điện.

  • Xử lý tín hiệu bằng các kỹ thuật FFT, phân tích hình bao và trung bình hóa đồng bộ để nhận dạng các dạng hư hỏng.

  • So sánh kết quả với các tiêu chuẩn ISO 10816-4 và dữ liệu tham khảo để đánh giá mức độ hư hỏng.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ tổ hợp thiết bị với nhiều điểm đo khác nhau, được lựa chọn dựa trên đặc điểm cấu tạo và vận hành của thiết bị. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong quá trình vận hành thực tế, đảm bảo thu thập dữ liệu đa dạng và đại diện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phát hiện mất cân bằng rôto: Tại điểm đo trên tuốc bin khí, phổ tần số cho thấy biên độ rung động vận tốc đạt khoảng 7 mm/s tại tần số quay chính (khoảng 3000 vòng/phút), vượt ngưỡng vùng B theo tiêu chuẩn ISO 10816-4, cho thấy dấu hiệu mất cân bằng rôto rõ rệt.

  2. Không đồng trục và lỏng cơ khí: Phổ rung động tại hộp giảm tốc thể hiện các thành phần tần số bội số của tần số quay với biên độ vận tốc khoảng 5 mm/s, tương ứng với các dạng không đồng trục và lỏng cơ khí, chiếm khoảng 30% tổng biên độ rung động.

  3. Hư hỏng ổ đỡ con lăn: Phân tích hình bao tại các điểm đo ổ đỡ con lăn cho thấy các thành phần tần số đặc trưng của hư hỏng vòng trong (BPFI = 35,19 Hz) với biên độ gia tốc tăng dần, đạt khoảng 2 g, phản ánh giai đoạn đầu của quá trình mòn và rỗ do mỏi vật liệu.

  4. Hư hỏng bánh răng: Tín hiệu phổ rung động tại hộp giảm tốc phát hiện các thành phần tần số ăn khớp bánh răng (GMF) với biên độ gia tốc khoảng 1,5 g, cho thấy dấu hiệu mòn và gẫy răng nhẹ, chiếm khoảng 15% tổng biên độ rung động.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thu được phù hợp với các nghiên cứu trong ngành và tiêu chuẩn quốc tế, khẳng định hiệu quả của phương pháp phân tích phổ FFT trong chẩn đoán hư hỏng thiết bị quay. Mức biên độ rung động vượt ngưỡng vùng B và tiến gần vùng C theo ISO 10816-4 cảnh báo cần có biện pháp bảo trì kịp thời để tránh hư hỏng nghiêm trọng.

Việc phát hiện sớm hư hỏng ổ đỡ con lăn qua phân tích hình bao giúp giảm thiểu chi phí sửa chữa lớn và ngừng máy đột ngột. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy phương pháp này có độ nhạy cao và khả năng phân biệt các dạng hư hỏng khác nhau.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ tần số vận tốc và gia tốc tại các điểm đo, bảng tổng hợp biên độ rung động theo tiêu chuẩn ISO, giúp trực quan hóa mức độ hư hỏng và hỗ trợ quyết định bảo trì.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát rung động liên tục: Áp dụng thiết bị đo rung động tự động tại các điểm quan trọng trên tổ hợp tuốc bin khí – máy phát điện, nhằm theo dõi liên tục và phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng. Mục tiêu giảm thiểu thời gian ngừng máy ngoài kế hoạch trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật vận hành và bảo trì.

  2. Xây dựng cơ sở dữ liệu rung động đặc trưng: Tổng hợp và lưu trữ dữ liệu rung động theo từng trạng thái kỹ thuật của thiết bị để làm cơ sở cho việc phân tích và dự báo hư hỏng chính xác hơn. Thời gian hoàn thành dự kiến 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Phòng nghiên cứu và phát triển kỹ thuật.

  3. Đào tạo nâng cao năng lực nhân sự: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật phân tích rung động và chẩn đoán hư hỏng cho kỹ sư bảo trì, nhằm nâng cao khả năng vận hành và xử lý sự cố. Mục tiêu hoàn thành trong 3 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban nhân sự phối hợp với chuyên gia kỹ thuật.

  4. Áp dụng quy trình bảo trì dự đoán (CBM): Dựa trên kết quả phân tích rung động, xây dựng kế hoạch bảo trì dự đoán thay vì bảo trì định kỳ, giúp tối ưu chi phí và nâng cao độ tin cậy thiết bị. Thời gian triển khai trong 1 năm. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và phòng bảo trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư bảo trì và vận hành thiết bị cơ khí: Nắm bắt kỹ thuật phân tích rung động để phát hiện và xử lý kịp thời các hư hỏng, giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa.

  2. Nhà quản lý kỹ thuật và sản xuất trong ngành dầu khí: Áp dụng các giải pháp bảo trì dựa trên tình trạng thiết bị, nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết rung động, phương pháp phân tích và ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

  4. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ giám sát thiết bị: Cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm để phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực chẩn đoán và giám sát tình trạng máy móc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phân tích rung động có thể phát hiện được những dạng hư hỏng nào?
    Phân tích rung động đặc biệt hiệu quả trong phát hiện mất cân bằng, không đồng trục, hư hỏng ổ lăn và bánh răng. Ví dụ, rung động tại tần số quay chính thường liên quan đến mất cân bằng, còn các thành phần tần số ăn khớp bánh răng phản ánh hư hỏng bánh răng.

  2. Tại sao phương pháp FFT được ưu tiên sử dụng trong chẩn đoán?
    FFT giúp chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, cho phép phân tích chi tiết các thành phần tần số đặc trưng của hư hỏng. Đây là phương pháp nhanh, chính xác và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

  3. Thiết bị đo rung động nào phù hợp cho các máy quay công nghiệp?
    Gia tốc kế áp điện và đầu đo vận tốc kiểu điện động là phổ biến nhất, với dải tần số rộng và độ nhạy cao. Đầu đo dịch chuyển không tiếp xúc cũng được sử dụng để đo chuyển vị tương đối trong môi trường khắc nghiệt.

  4. Tiêu chuẩn ISO 10816-4 có vai trò gì trong giám sát rung động?
    Tiêu chuẩn này cung cấp các giới hạn biên độ rung động cho các thiết bị quay, giúp đánh giá mức độ an toàn và cảnh báo hư hỏng, từ đó hỗ trợ quyết định bảo trì phù hợp.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu sai số trong đo rung động?
    Sử dụng thiết bị đo chất lượng cao, lắp đặt đúng kỹ thuật, chọn điểm đo phù hợp và áp dụng các phương pháp xử lý tín hiệu như trung bình hóa đồng bộ giúp giảm nhiễu và sai số, nâng cao độ chính xác của kết quả.

Kết luận

  • Phân tích rung động bằng phương pháp FFT là công cụ hiệu quả để chẩn đoán các dạng hư hỏng phổ biến trên thiết bị quay như mất cân bằng, không đồng trục, hư hỏng ổ lăn và bánh răng.
  • Nghiên cứu thực nghiệm trên tổ hợp tuốc bin khí – máy phát điện Taurus 60-7001 tại giàn khai thác dầu khí đã xác định được các đặc trưng rung động và mức độ hư hỏng tương ứng.
  • Kết quả phân tích phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế, góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu và quy trình chẩn đoán tình trạng thiết bị cụ thể cho ngành dầu khí.
  • Đề xuất triển khai hệ thống giám sát rung động liên tục, xây dựng cơ sở dữ liệu và đào tạo nhân sự nhằm nâng cao hiệu quả bảo trì dự đoán.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo là áp dụng kỹ thuật này cho các loại máy móc phức tạp hơn như máy nén khí dạng chuyển động tịnh tiến, mở rộng ứng dụng trong các nhà máy khí và dầu khí tại Việt Nam.

Quý độc giả và các chuyên gia kỹ thuật được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các phương pháp phân tích rung động để nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành thiết bị cơ khí trong công nghiệp.