Làm thế nào để kéo dài tuổi thọ bình tích năng khoan? Mẹo sử dụng và bảo trì

Hầu hết các chương trình bảo trì đối với máy khoan đá thủy lực đều quy định khoảng thời gian cụ thể để thay dầu thủy lực, khoảng thời gian cụ thể để thay bộ phớt kín, nhưng gần như không có hướng dẫn nào được ghi rõ về việc bảo trì bình tích năng. Bình tích năng chỉ được kiểm tra khi xảy ra sự cố—cụ thể là khi năng lượng đập giảm và âm thanh khàn đặc trưng cho thấy màng ngăn hoặc áp suất nạp ban đầu đã bị hỏng. Đến lúc đó, bình tích năng đã hoạt động suy giảm trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng, và các bộ phận đập khác đã phải chịu đựng những hệ lụy phát sinh.

Bình tích áp thủy lực trong mạch va đập là một thiết bị chứa áp suất hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt: 30–65 chu kỳ áp suất mỗi giây trong quá trình khoan, với áp suất đỉnh từ 160–220 bar ở phía thủy lực. Tuổi thọ thiết kế của một bình tích áp thủy lực tiêu chuẩn thường là 12 năm hoặc một số chu kỳ áp suất hữu hạn, tùy điều kiện nào đến trước. Đối với một máy khoan va đập hoạt động 2.000 giờ va đập mỗi năm, bình tích áp phải chịu khoảng 360 triệu chu kỳ áp suất mỗi năm. Đây không phải là bộ phận bảo trì có thể hoãn vô thời hạn.

Hiểu rõ chức năng thực tế của bình tích áp trong mạch va đập

Máy khoan đá thủy lực có hai bộ tích năng với các chức năng khác nhau. Bộ tích năng áp suất cao chứa khí nitơ được nạp sẵn ở áp suất 50–80 bar (tùy theo mẫu máy khoan), và được lắp đặt ở phía áp suất va đập của mạch thủy lực. Khi piston bắt đầu hành trình quay trở lại, riêng bơm không thể đáp ứng nhu cầu lưu lượng tức thời cần thiết cho hoạt động tần số cao — lúc này bộ tích năng sẽ giải phóng năng lượng đã tích trữ để bổ sung lưu lượng từ bơm vào thời điểm then chốt đó, loại bỏ 'khoảng trống va đập' vốn có thể khiến piston đảo chiều quá sớm.

Bình tích áp áp suất thấp (thường được nạp sẵn ở mức 4–5 bar) được lắp đặt ở phía đường hồi/lưu trữ và hoạt động cùng hệ thống giảm chấn để hấp thụ năng lượng sóng hồi từ dây cáp thanh đẩy. Cả hai bình tích áp đều được trang bị màng ngăn — các màng linh hoạt vật lý tách biệt khí nitơ ra khỏi dầu thủy lực. Màng ngăn là bộ phận dễ bị hỏng. Khí thấm qua màng cao su nitrile theo thời gian một cách từ từ; việc nạp khí nhanh hoặc sự cố quá áp có thể làm vỡ màng ngay lập tức.

Ba cơ chế làm giảm tuổi thọ bình tích áp

Việc thấm khí nitơ qua màng ngăn là điều không thể tránh khỏi nhưng có thể kiểm soát được. Các màng ngăn bằng cao su nitrile (NBR), loại phổ biến nhất, bị mất nitơ qua thành màng với tốc độ tăng lên khi nhiệt độ và chênh lệch áp suất tăng. Ở nhiệt độ vận hành trên 70°C, hiện tượng thấm sẽ gia tăng nhanh chóng. Việc kiểm tra áp suất nạp ban đầu sau mỗi 200–300 giờ hoạt động của cơ cấu đóng mở giúp phát hiện kịp thời sự giảm áp suất dần dần trước khi mức áp suất giảm xuống đến ngưỡng ảnh hưởng đến hiệu suất đóng mở. Một sự sụt giảm đột ngột—thay vì giảm dần—cho thấy rò rỉ ở trục van hoặc vỡ màng ngăn chứ không phải do hiện tượng thấm.

Sạc nhanh là nguyên nhân lớn nhất gây ra hiện tượng màng ngăn hỏng sớm trong dịch vụ bảo trì tại hiện trường. Khi nitơ được đưa vào quá nhanh vào bộ tích năng đã xả hoàn toàn, khí giãn nở làm giảm nhiệt độ màng ngăn đến mức cao su trở nên giòn và dễ gãy. Đối với bộ tích năng kiểu bóng (bladder accumulator), việc sạc nhanh còn có thể đẩy bóng xuống phía dưới van bi (poppet valve) ở cổng dầu, dẫn đến tình trạng bóng bị cắt hoặc kẹp vĩnh viễn. Quy trình sạc được các nhà sản xuất bộ tích năng hàng đầu quy định yêu cầu đưa nitơ vào từ từ — mở nhẹ van bình chứa và thực hiện quá trình nạp trong vài phút thay vì vài giây. Hầu hết các cơ sở bỏ qua bước này do thời gian thực hiện kéo dài hơn.

Hoạt động ở áp suất nạp ban đầu thấp hơn mức tối thiểu là cơ chế thứ ba. Khi máy khoan đá hoạt động với áp suất nạp ban đầu của bộ tích năng thấp hơn thông số kỹ thuật—do áp suất nạp ban đầu chưa từng được kiểm tra và nitơ đã rò rỉ ra ngoài—màng đàn hồi sẽ 'đập mạnh' vào mặt cổng dầu ở mỗi chu kỳ áp suất. Việc tiếp xúc lặp đi lặp lại giữa màng đàn hồi và cổng này gây mài mòn cục bộ và cuối cùng dẫn đến thủng. Máy khoan đá vẫn hoạt động, nhưng năng lượng khoan va đập ngày càng trở nên bất ổn do chức năng đệm của bộ tích năng bị suy giảm.

Thông số kỹ thuật và khoảng thời gian kiểm tra áp suất nạp ban đầu

Thông số áp suất nạp ban đầu luôn được đo khi áp suất thủy lực trong mạch va đập đã được xả hoàn toàn—không thực hiện trong lúc máy khoan đang hoạt động. Việc đo áp suất nạp ban đầu của bình tích năng dưới áp suất va đập đang hoạt động sẽ cho kết quả sai vì phía nitơ bị nén do áp suất thủy lực hiện hữu. Luôn xả áp toàn bộ hệ thống trước khi kết nối dụng cụ nạp/đo với trục van của bình tích năng.

Nhiệt độ và ảnh hưởng của nó đến áp suất nạp ban đầu được chỉ thị

Áp suất nitơ thay đổi theo nhiệt độ theo định luật khí cơ bản: nhiệt độ tăng 10°C làm tăng áp suất nitơ khoảng 3,5% trong bình tích năng có thể tích cố định. Một máy khoan cho giá trị áp suất nạp ban đầu đúng khi kiểm tra ở trạng thái nguội tại nhiệt độ môi trường 20°C sẽ hiển thị giá trị cao hơn trên đồng hồ nạp khi máy đã vận hành trong vài giờ và vỏ bình tích năng đã nóng lên tới 60°C. Giá trị cao hơn này không có nghĩa là áp suất nạp ban đầu quá cao—mà chỉ cho thấy khí đang ở nhiệt độ cao hơn.

Hệ quả thực tiễn: luôn ghi lại nhiệt độ tại thời điểm kiểm tra áp suất nạp ban đầu cùng với giá trị áp suất đo được. Thiết lập mục tiêu áp suất nạp ban đầu phù hợp với điều kiện lạnh, đồng thời lưu ý rằng áp suất vận hành khi nóng sẽ cao hơn. Việc nạp quá áp dựa trên sai số hiệu chỉnh từ giá trị đo ở nhiệt độ thấp là nguyên nhân phổ biến gây hư hỏng màng ngăn trong thực tế — áp suất nạp ban đầu quá cao sẽ đẩy màng ngăn vào van bi (poppet) ở mỗi chu kỳ xả, cơ chế này tương tự như vận hành mà không có áp suất nạp ban đầu, nhưng diễn ra theo chiều ngược lại.

Quy trình bảo quản và ngừng hoạt động dài hạn

Đối với các khoảng thời gian lưu trữ vượt quá hai tuần, quy trình tiêu chuẩn là xả áp suất thủy lực và giữ nguyên áp suất tiền nạp nitơ. Màng ngăn cần ở vị trí 'đầy khí'—không chạm đáy tại cổng dầu cũng không bị kéo giãn bởi áp suất thủy lực. Việc lưu trữ kéo dài trong tình trạng màng ngăn bị ép chặt vào cổng dầu (mạch thủy lực vẫn duy trì áp suất nhưng áp suất nitơ đã suy giảm) sẽ làm biến dạng vĩnh viễn hình dạng màng ngăn và rút ngắn tuổi thọ sử dụng còn lại của nó.

Trước khi lưu trữ, hãy xả hết lượng dầu tích tụ trong vỏ bình tích năng nếu thiết bị khoan xoay (drifter) sẽ được lưu trữ trong hơn một tháng—việc để dầu tiếp xúc với màng ngăn ở nhiệt độ môi trường trong thời gian dài có thể gây cứng bề mặt cao su nitrile một phần. Sau khi khởi động lại sau thời gian lưu trữ, cần kiểm tra lại áp suất tiền nạp trước khi bắt đầu chế độ đập và vận hành ở áp suất đập giảm trong 15–20 phút đầu tiên để màng ngăn trở lại nhiệt độ làm việc một cách từ từ.