CHƯƠNG 8

THERMAL EXPANSION OF MACHINES

GIÃN NỞ NHIỆT CỦA MÁY & BÙ NHIỆT TRONG CĂN CHỈNH

  1. Bản chất vật lý của giãn nở nhiệt trong thiết bị quay

Trong hầu hết các phần trước, việc căn chỉnh được xem xét ở trạng thái nguội (cold alignment).
Tuy nhiên, với:

  • Máy công suất lớn
  • Máy có chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa các bộ phận
  • Tổ máy nhiều cấp (compressor, turbine, gearbox…)

Khi nhiệt độ tăng, vật liệu kim loại giãn nở theo nguyên lý:

ΔL= α×L×ΔT

Trong đó:

  • ΔL – Độ thay đổi chiều dài (mm)
  • α – Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu (mm/mm/°C)
  • L – Chiều dài ban đầu (mm)
  • ΔT – Chênh lệch nhiệt độ (°C)

Tuy nhiên, trong thực tế công nghiệp, vấn đề không chỉ là giãn dài theo trục, mà quan trọng hơn là:

  • Giãn nở không đồng đều
  • Giãn nở theo phương đứng và phương ngang
  • Dịch chuyển tâm trục trong không gian 3D

Điều này làm thay đổi hoàn toàn trạng thái alignment khi máy chuyển từ cold condition → hot operating condition.

  • Căn chỉnh nguội “đẹp” không đảm bảo căn chỉnh đúng khi máy chạy nóng.

 

  1. Cold Alignment không đồng nghĩa với Hot Alignment

Một sai lầm phổ biến trong bảo trì là:

“Căn chỉnh nguội đạt 0.00 / 0.00 thì khi chạy máy sẽ tối ưu.”

 

Trên thực tế:

  • Motor và thiết bị dẫn động có khối lượng và cấu trúc khác nhau.
  • Nhiệt độ vận hành của motor và bơm/compressor thường không giống nhau.
  • Hệ thống đường ống có thể gây ứng suất khi nhiệt độ thay đổi.

 

Khi máy đạt nhiệt độ ổn định:

  • Thân máy giãn nở
  • Trục dịch chuyển
  • Tâm quay thay đổi vị trí

 

Kết quả:

Alignment nguội đạt Excellent
→ Alignment nóng có thể vượt Acceptable.

 

Hệ quả bao gồm:

  • Tăng rung
  • Nhiệt độ ổ trục tăng
  • Giảm tuổi thọ phớt
  • Giảm MTBF
  • Tăng tiêu thụ năng lượng

 

Vì vậy:

Cold ≠ Hot

  1. Cơ chế dịch chuyển do nhiệt

Trong một tổ hợp motor – bơm điển hình:

  • Motor thường nóng hơn phía bơm.
  • Vị trí chân máy khác nhau → giãn nở khác nhau.
  • Trục motor có thể “nhô lên” hoặc “hạ xuống” vài mils đến vài chục mils.

Các dạng dịch chuyển phổ biến:

  1. Dịch chuyển thẳng đứng (Vertical growth)
  • Phổ biến nhất.
  • Thường làm trục motor nâng lên so với bơm.
  1. Dịch chuyển ngang (Lateral growth)
  • Do chênh lệch nhiệt hai bên thân máy.
  • Ít gặp hơn nhưng vẫn có thể xảy ra.
  1. Dịch chuyển dọc trục (Axial growth)
  • Ảnh hưởng đến spacer shaft.
  • Quan trọng với turbine và compressor nhiều thân.
  1. Các phương pháp xác định bù giãn nở nhiệt

4.1. Dữ liệu từ nhà chế tạo (OEM Data)

Đây là phương pháp đáng tin cậy nhất.

OEM có thể cung cấp:

  • Giá trị offset mục tiêu khi căn chỉnh nguội.
  • Hướng và độ lớn dịch chuyển dự kiến khi vận hành.

Khi có dữ liệu này:

  • Không căn chỉnh về 0.
  • Căn chỉnh theo target cold alignment mà OEM chỉ định.

Ví dụ:

Motor cần thấp hơn bơm 0.10 mm khi nguội
→ Khi nóng lên sẽ “vào đúng trục”.

4.2. Tính toán theo hệ số giãn nở nhiệt

Áp dụng khi:

  • Không có dữ liệu OEM.
  • Cấu trúc máy tương đối đơn giản.

Công thức cơ bản:

ΔL=α×L×ΔT

Hệ số giãn nở điển hình:

  • Thép carbon: ~ 11–13 × 10⁻⁶ /°C
  • Thép hợp kim: ~ 12 × 10⁻⁶ /°C

Ví dụ:

Chiều cao tâm trục: 500 mm
ΔT = 60°C
α = 12 × 10⁻⁶

ΔL = 12 × 10^{-6} × 500 × 60 = 0.36 mm

→ Tâm trục có thể dịch chuyển 0.36 mm.

  • Lưu ý:
  • Nhiệt độ không phân bố đồng đều.
  • Máy phức tạp cho kết quả xấp xỉ.
  • Không tính đến biến dạng kết cấu.

4.3. Đo Cold-to-Hot Alignment

Đây là phương pháp chính xác nhất.

Quy trình:

  1. Đo alignment khi máy nguội.
  2. Cho máy chạy đến nhiệt độ vận hành ổn định.
  3. Đo alignment trong điều kiện nóng.
  4. So sánh và xác định vector dịch chuyển thực tế.

Ưu điểm:

  • Phản ánh điều kiện vận hành thực.
  • Áp dụng cho turbine, compressor, gearbox lớn.

Nhược điểm:

  • Yêu cầu thiết bị đo chuyên dụng.
  • Quy trình an toàn nghiêm ngặt.
  • Không phải lúc nào cũng khả thi.
  1. Nguyên tắc “Grow Into Alignment”

Đây là nguyên tắc cốt lõi của căn chỉnh hiện đại.

Thay vì:

Căn chỉnh nguội về 0.00 / 0.00

Ta thực hiện:

Căn chỉnh nguội có chủ đích để khi nóng máy sẽ đạt 0.00.

Nghĩa là:

Máy sẽ “grow into alignment”.

Laser alignment hiện đại cho phép:

  • Nhập target values.
  • Hiển thị sai lệch so với target.
  • Tính shim và move dựa trên mục tiêu.

Điều này giúp:

  • Chuẩn hóa quy trình.
  • Loại bỏ phán đoán chủ quan.
  • Đảm bảo tính lặp lại.
  1. Những sai lầm thường gặp
  • Căn chỉnh về 0 tuyệt đối mà không xét đến thermal growth
  • Không kiểm tra ứng suất đường ống (pipe strain)
  • Không ghi nhận nhiệt độ vận hành
  • Không lưu dữ liệu cold/hot alignment

Hậu quả:

  • Alignment nguội đạt Excellent.
  • Alignment nóng vượt dung sai.
  • Hỏng ổ trục tái diễn.
  • Không tìm được root cause thực sự.
  1. Thực hành tốt (Best Practice)
  1. Luôn đặt câu hỏi:

Khi máy đạt nhiệt độ vận hành, trục sẽ dịch chuyển về đâu?

  1. Với máy quan trọng:
    • Không căn chỉnh 0.00 một cách máy móc.
    • Sử dụng target alignment.
  2. Ghi nhận đầy đủ:
    • Nhiệt độ môi trường
    • Nhiệt độ vận hành
    • Thời gian ổn định nhiệt
  3. Chuẩn hóa:
    • Target riêng cho từng loại máy
    • SOP bù nhiệt
  4. Lưu dữ liệu:
    • Cold alignment
    • Hot alignment
    • Báo cáo bù nhiệt
  1. Vai trò của Laser Alignment trong bù nhiệt

Các hệ thống laser hiện đại cung cấp:

  • Nhập target alignment.
  • Hiển thị sai lệch so với mục tiêu.
  • Theo dõi live value khi chỉnh máy.
  • Lưu dữ liệu phục vụ audit và reliability program.

Điều này khiến laser alignment trở thành:

Công cụ bắt buộc trong môi trường công nghiệp hiện đại.