Xâm thực trong các máy bơm thoát nước mỏ và biện pháp khắc phục

Xâm thực hay ăn mòn do bọt khí là hiện tượng có thể xảy ra thường xuyên nhưng chỉ được đề cập trong các công trình nghiên cứu và thí nghiệm, chưa được quan tâm đúng mức khi tính toán lắp đặt và vận hành các trạm bơm khi thoát nước mỏ. Bơm có dấu hiệu của xâm thực khi phát ra tiếng ồn, có hiện tượng dao động, tiêu thụ điện năng bất thường, lưu lượng không ổn định hoặc suy giảm . Nếu tiếp tục cho máy bơm làm việc, bơm có thể bị phá hỏng. Trên bề mặt bánh công tác và bộ phận dẫn dòng sẽ hình thành các vết rỗ và cuối cùng sẽ dẫn tới sự phá huỷ cơ khí làm cho công tác thoát nước hoàn toàn tê liệt, ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình sản xuất của mỏ.

Khi chất lỏng đi vào cửa hút của bánh công tác, vận tốc dòng chảy sẽ tăng nhanh dẫn tới sự giảm áp suất trong dòng chất lỏng ( theo định luật Bernoulli). Nếu áp suất giảm xuống quá thấp, trùng với áp suất bốc hơi của chất lỏng ở nhiệt độ làm việc, chất lỏng sẽ bốc hơi tạo các bọt khí. Khi vào cánh dẫn bánh công tác, gặp môi trường có áp suất lớn hơn, các bọt khí sẽ vỡ tạo nên sóng đột ngột do các phân tử chất lỏng va chạm khi đi vào chiếm chỗ bọt khí vừa vỡ. Cường độ sóng phụ thuộc vào tốc độ vỡ và kích cỡ của bọt khí. Tốc độ vỡ, kích cỡ bọt khí càng lớn thì động năng và độ cao của sóng càng lớn. Nếu sóng tác động vào bề mặt nào thì toàn bộ năng lượng của sóng được truyền vào đó và sẽ gây nên những phá huỷ mạnh mẽ trên bề mặt đó. Toàn bộ quá trình tạo thành và vỡ của bọt khí gây phá hoại bánh công tác và các bộ phận khác của máy bơm gọi là hiện tượng xâm thực.

Hiện tượng xâm thực tại trạm bơm khu Lộ Trí, Công ty than Thống Nhất

Năm 2006, trạm bơm khu Lộ Trí (mức -35), Công ty than Thống Nhất gặp sự cố do bánh công tác máy bơm bị mòn hỏng gây tiếng ồn, dao động mạnh, không làm việc được, gây ảnh hưởng lớn đến việc thoát nước của mỏ. Máy bơm lắp trong trạm là bơm của Trung Quốc nhãn hiệu 250SHB150. Ban đầu có nhiều ý kiến cho rằng bánh công tác máy bơm bị ăn mòn hoá học. Tuy nhiên theo kết quả phân tích thành phần hoá học vật liệu bánh công tác do Viện Công nghệ, Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp ngày 15/9/2006 thực hiện cho kết quả thì đây là loại thép không gỉ có thể chịu được môi trường axit. Hơn nữa đây là loại bơm đã được sử dụng ở mỏ Na Dương với điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn về thành phần hoá học chất lỏng nhưng không hề gặp sự cố đáng kể nào. Do đó nguyên nhân ăn mòn hoá học bị loại bỏ. Như vậy bánh công tác chỉ có thể bị mòn do bọt khí tác động.

Theo số liệu thống kê của mỏ, lượng nước cần thoát trong các mùa lần lượt là: mùa khô Q=226,5m3/h, mùa thu Q=489m3/h, mùa mưa Q= 1017m3/h (máy bơm làm việc 16h/ngày). Như vậy, trong mùa khô và mùa thu vận hành một máy bơm, và trong mùa mưa vận hành hai máy bơm ghép song song (tổng lưu lượng máy bơm là 1000m3/h) thì ta thấy lưu lượng thực tế của máy bơm đều khá lớn so với lượng nước cần thoát cuả mỏ. Thực tế này dẫn tới chiều cao hút máy bơm tăng dần trong thời gian máy bơm vận hành do lượng nước lưu tụ về bể chứa không kịp so với lượng nước bơm thoát đi. Khi chiều cao hút he tăng tới mức 3,408m thì máy bơm bắt đầu xuất hiện hiện tượng xâm thực gây rỗ trên bề mặt bánh công tác. Mỏ đã phải dùng biện pháp đặc biệt khoá chắn trên ống đẩy để giảm lưu lượng bơm, không kinh tế và không hiệu quả.

Một số phương pháp hạn chế hiện tượng xâm thực

- Thứ nhất, tăng áp suất chất lỏng cửa vào máy bơm, dẫn tới tăng NPSHa (khả năng hút trạm) – là khả năng hút của hệ thống máy bơm và ống hút, được xác định trong quá trình thiết kế, xây dựng trạm bơm hay qua thử nghiệm đường ống thực tế. Ví dụ: Nếu bơm hút chất lỏng từ một bình chứa kín có áp, ta có thể tăng lượng chất lỏng trong bình hoặc tăng áp suất trên bề mặt chất lỏng.

- Thứ hai, chúng ta cũng có thể tăng NPSHa bằng cách giảm nhiệt độ làm việc của chất lỏng. Khi nhiệt độ làm việc giảm, áp suất bốc hơi chất lỏng giảm dẫn tới độ chênh lệch giữa áp suất bốc hơi và áp suất cửa vào tăng tức là NPSHa tăng.

- Thứ ba, giảm tổn thất trên đường ống hút cũng làm cho NPSHa tăng lên. Có nhiều cách giảm tổn thất đường ống: tăng đườg kính ống hút, giảm số lượng cút, giảm chiều dài ống hút.

- Thứ tư, tăng độ chênh lệch giữa NPSHa và NPSHr, chúng ta cũng có thể giảm NPSHr. NPSHr không hoàn toàn là không đổi trong mọi điều kiện vận hành, cơ chế hoạt động của bơm. Thực tế, NPSHr tăng lên đáng kể khi lưu lượng tăng. Do đó, ta giảm lưu lượng qua bơm bằng cách đóng bớt van xả sẽ làm giảm NPSHr. NPSHr cũng phụ thuộc vào tốc độ quay bơm. Nếu trục bơm có tốc độ quay lớn sẽ làm tăng NPSHr. Do đó, nếu có thể điều chỉnh tốc độ giảm thì sẽ dẫn đến NPSHr giảm. Tuy nhiên lưu lượng cần căn cứ vào thực tế nhu cầu thoát do đó ta chỉ có thể điều chỉnh trong một giới hạn nhất định. NPSHr để ngăn chặn xâm thực được xác định qua thử nghiệm của nhà sản xuất, phụ thuộc vào các yếu tố: đường kính cửa vào, biên dạng cánh bánh công tác, lưu lượng chất lỏng, tốc độ vòng quay và dạng chất lỏng được bơm. Thông thường, nhà sản xuất sẽ cung cấp đường cong NPSHr là hàm số phụ thuộc Q cho người sử dụng có căn cứ điều chỉnh lưu lượng.

- Hơn nữa phải tính toán lựa chọn máy bơm cho phù hợp với lượng nước yêu cầu cần thoát của mỏ. Khi chiều cao hình học thoát nước nhỏ thì không nên chọn máy bơm có cột áp quá lớn. Khi vận hành máy bơm thoát nước mỏ phải hết sức chú ý đến sự thay đổi mực nước trong bể hút. Nếu cần thiết có thể đặt các rơle mực nước để điều khiển sự làm việc của máy bơm.