Hệ thống bơm gel nên được xả rửa thường xuyên như thế nào trong quá trình thi công đẩy ống?

Trong quá trình thi công đẩy ống ngầm, hệ thống bơm gel đóng vai trò then chốt trong việc giảm ma sát giữa bề mặt ngoài của ống và đất xung quanh, từ đó đảm bảo việc đẩy liên tục và trơn tru dãy ống qua lòng đất. Nếu mạch bôi trơn không được bảo trì đúng cách, lực ma sát có thể tăng vọt một cách đáng kể, dẫn đến quá tải thiết bị, hư hỏng mối nối ống và chậm tiến độ dự án với chi phí cao. Trong số tất cả các quy trình bảo trì liên quan đến hệ thống này, việc xả rửa là một trong những thao tác thường bị hiểu sai nhất và được áp dụng thiếu nhất quán nhất tại các công trường đang hoạt động.

Câu hỏi về tần suất cần xả sạch hệ thống tiêm gel không có một đáp án chung duy nhất. Tần suất xả phụ thuộc vào sự kết hợp của nhiều yếu tố, bao gồm điều kiện địa chất, số giờ vận hành hàng ngày, đặc tính của công thức gel và chiều dài đoạn ống được đẩy. Việc hiểu rõ những biến số này — và xây dựng một lịch trình xả định kỳ nghiêm ngặt dựa trên chúng — là điều thiết yếu nhằm bảo vệ cả thiết bị của bạn lẫn tiến độ thực hiện dự án. Bài viết này phân tích chi tiết các yếu tố then chốt quy định khoảng thời gian giữa các lần xả, đồng thời cung cấp hướng dẫn thực tiễn cho các đội thi công đang làm việc với hệ thống tiêm gel trong môi trường khoan đẩy ống đang hoạt động.

Tại sao việc xả sạch hệ thống tiêm gel lại quan trọng

Hậu quả của việc xả sạch không thường xuyên

Khi hệ thống tiêm gel không được xả rửa đúng định kỳ, lượng gel bôi trơn còn sót lại có thể bắt đầu đông cứng, hóa cứng hoặc tách lớp trong các đường ống tiêm, vòi phun và buồng bơm. Tùy thuộc vào loại gel được sử dụng — hồ bentonite, gel tăng cường polymer hoặc các hợp chất đặc chủng có tính thixotropic — thời gian đóng rắn và hành vi của gel bên trong mạch sẽ khác nhau. Tuy nhiên, tất cả các môi chất bôi trơn đều chia sẻ một đặc điểm chung: chúng sẽ suy giảm về mặt cơ học và hóa học nếu bị giữ yên trong các đường ống có áp suất trong thời gian dài.

Các cổng phun bị tắc là hậu quả trực tiếp nhất. Khi các vòi phun bị tắc, việc bôi trơn sẽ không còn được phân bố đều quanh phần vành xuyến của ống, dẫn đến các điểm nóng do ma sát, gây ra tải trọng không đồng đều lên khung đẩy và các mối nối ống. Theo thời gian, sự phân bố ứng suất không đều này có thể làm nứt các đầu loe (bell) của ống, làm lệch trục chuỗi ống hoặc khiến đầu khoan lệch khỏi đường định tuyến thiết kế. Tất cả những hậu quả này đều tốn kém hơn nhiều để khắc phục so với chi phí của một quy trình xả rửa được thực hiện đúng thời điểm.

Ngoài tình trạng tắc vòi phun, hệ thống phun gel bị bỏ bê còn có thể gặp mài mòn bên trong bơm do các hạt gel mài mòn đã khô và cứng lại. Các phớt làm kín bơm, van một chiều và buồng trộn đều dễ bị hư hại khi buộc phải vận hành dưới áp lực của vật liệu đã bắt đầu đóng rắn một phần. Một chu kỳ xả rửa sẽ loại bỏ vật liệu này trước khi nó đạt đến ngưỡng gây hư hại, từ đó kéo dài tuổi thọ phục vụ của toàn bộ cụm bôi trơn.

Thực tế, việc xả rửa mang lại những lợi ích gì

Xả hệ thống tiêm gel bằng nước sạch hoặc chất xả tương thích sẽ loại bỏ lượng gel còn sót lại trên tất cả các bề mặt tiếp xúc với gel trong mạch. Thao tác này thiết lập lại mốc áp suất nội bộ, cho phép người vận hành kiểm tra để đảm bảo tất cả các cổng tiêm đều ở trạng thái mở và đang có dòng chảy, đồng thời ngăn ngừa sự phân hủy hóa học của các thành phần gel gây ra các cặn ăn mòn bên trong các chi tiết kim loại. Việc xả kỹ lưỡng cũng giúp đội bảo trì xác nhận một cách rõ ràng dựa trên quan sát trực quan và theo áp suất rằng hệ thống đang ở trạng thái hoạt động bình thường trước khi ca nâng tiếp theo bắt đầu.

Trên các đoạn đẩy dài hơn — đặc biệt là những đoạn vượt quá 100 mét — việc xả rửa trở nên quan trọng hơn nữa vì gel phải di chuyển quãng đường xa hơn qua mạch tiêm trước khi đến giao diện ống–đất. Khoảng cách đường ống dài hơn làm tăng nguy cơ mất áp suất và tách lớp gel, do đó việc xả rửa định kỳ là một phần không thể thiếu nhằm đảm bảo việc cung cấp chất bôi trơn đồng đều dọc toàn bộ chiều dài chuỗi ống. Một hệ thống bôi trơn bằng vữa tự động được thiết kế cho các ứng dụng đẩy ống dài thường tích hợp các chu kỳ xả rửa có thể lập trình chính xác vì lý do này.

Các khoảng thời gian xả rửa tiêu chuẩn trong quá trình đẩy ống đang hoạt động

Xả rửa vào cuối ca làm việc như một yêu cầu tối thiểu

Tiêu chuẩn cơ bản được chấp nhận rộng rãi nhất trong thực hành khoan đẩy ống là xả sạch hệ thống bơm gel vào cuối mỗi ca làm việc, bất kể số mét đã đẩy được trong ca đó là bao nhiêu. Việc xả hệ thống vào cuối ca đảm bảo không còn gel dư thừa nào tồn tại dưới áp lực bên trong đường ống trong thời gian nghỉ giữa các ca. Dù ca tiếp theo bắt đầu sau bốn giờ hay mười bốn giờ, một hệ thống đã được xả sạch sẽ khởi động lại một cách trơn tru mà không cần xả áp hoặc làm sạch vòi phun bằng tay.

Việc xả vào cuối ca thường mất từ năm đến mười lăm phút, tùy thuộc vào tổng chiều dài đường ống, số lượng cổng phun và áp lực nước sẵn có tại hố khoan xuất phát. Đội thi công cần xác nhận rằng nước xả thoát ra một cách rõ ràng từ tất cả các cổng phun đang hoạt động trước khi tắt hệ thống. Bất kỳ cổng nào không tạo ra dòng chảy rõ ràng ở áp lực dự kiến đều phải được đánh dấu để kiểm tra trước khi bắt đầu chuỗi đẩy tiếp theo.

Trong các môi trường có nhiệt độ cao hoặc khi sử dụng các công thức gel đông nhanh, việc xả rửa cuối ca làm việc riêng lẻ có thể không đủ. Trong những điều kiện này, việc xả rửa giữa ca — thường được thực hiện sau mỗi hai đến bốn giờ nâng liên tục — được khuyến nghị mạnh mẽ nhằm ngăn ngừa gel bắt đầu đông cứng bên trong mạch trong khi các hoạt động vẫn đang diễn ra.

Các yếu tố kích hoạt việc xả rửa ở vị trí trung tâm ngoài lịch trình tiêu chuẩn

Một số điều kiện thực tế tại hiện trường cần kích hoạt việc xả rửa hệ thống bơm gel ngoài lịch trình, ngay cả khi khoảng thời gian xả rửa tiêu chuẩn chưa đạt tới. Việc lực nâng tăng đột ngột mà không đi kèm với sự thay đổi tương ứng nào trong điều kiện đất là một trong những dấu hiệu rõ ràng nhất cho thấy khả năng cung cấp chất bôi trơn đã bị suy giảm. Nếu khung nâng hiển thị áp suất thủy lực tăng cao trong khi tốc độ tiến triển giảm xuống, hệ thống bơm gel cần được kiểm tra và xả rửa trước khi tiếp tục quá trình nâng.

Tương tự như vậy, bất kỳ lần ngừng hoạt động nào ngoài kế hoạch kéo dài hơn ba mươi phút đều phải được thực hiện quy trình xả một phần trước khi tiếp tục công việc. Các khoảng dừng kéo dài cho phép chất gel bắt đầu di chuyển xuống dưới tác dụng của trọng lực trong không gian vành khuyên và cũng có thể khiến áp suất tĩnh trong các đường ống bơm bôi trơn giảm đi không đều. Việc tiếp tục quá trình đẩy ống mà không xử lý tình trạng này sẽ dẫn đến nguy cơ đẩy ống tiến vào vùng vành khuyên chỉ được bôi trơn một phần, từ đó làm tăng đáng kể nguy cơ nứt mối nối ống hoặc lún đất phía trên đoạn đào.

Các lớp địa chất chuyển tiếp — đặc biệt khi mũi khoan di chuyển từ lớp đất sét dính sang các lớp cát hoặc sỏi — cũng yêu cầu kiểm tra và xả hệ thống ngay lập tức. Các loại đất khác nhau tương tác khác nhau với gel bôi trơn, và các vùng chuyển tiếp thường dẫn đến hiện tượng hấp thụ hoặc mất gel nhanh chóng, khiến mạch khoan chịu áp lực bất thường. Việc xả và bổ sung lại gel vào hệ thống phun tại các điểm chuyển tiếp này cho phép người vận hành hiệu chỉnh lại tốc độ phun phù hợp với điều kiện địa chất mới.

Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tần suất xả

Thành phần hóa học của gel và thời gian đóng rắn

Đặc tính hóa học của gel bôi trơn là yếu tố duy nhất quan trọng nhất quyết định tần suất xả rửa. Các vữa dựa trên bentonite có thời gian làm việc tương đối dài và có thể duy trì trạng thái lỏng trong mạch tiêm trong vài giờ trước khi bắt đầu đông đặc. Ngược lại, các công thức được tăng cường bằng polymer hoặc có tính thixotropic có thể bắt đầu đông cứng nhanh hơn nhiều — đặc biệt ở nhiệt độ cao hoặc khi pha ở nồng độ cao hơn. Bảng dữ liệu kỹ thuật của bất kỳ loại gel nào được sử dụng trong hệ thống tiêm gel đều phải nêu rõ thời gian mở (open time), tức là khoảng thời gian an toàn tối đa trước khi cần tiến hành xả rửa.

Các đội thi công chuyển đổi giữa các loại gel có công thức khác nhau trong quá trình thực hiện dự án — thường do thay đổi nguồn cung hoặc điều kiện địa chất tại hiện trường biến đổi — phải hiệu chỉnh lại lịch trình xả rửa cho phù hợp. Khoảng thời gian xả rửa phù hợp với vữa bentonite đông kết chậm có thể kéo dài một cách nguy hiểm đối với gel polymer đông kết nhanh. Việc coi tần suất xả rửa như một thông số cố định của dự án thay vì một biến phụ thuộc vào công thức là một sai lầm phổ biến và tốn kém trên các dự án đẩy ống nhiều giai đoạn.

Chiều dài đẩy, đường kính ống và cấu hình hệ thống

Các chuyến chạy dài hơn đòi hỏi hệ thống bơm gel để duy trì bôi trơn trên diện tích bề mặt vành lớn hơn, đồng thời bản thân mạch bơm gel cũng phải truyền gel đi xa hơn. Khi chiều dài đường ống tăng lên, nguy cơ sụt áp, tách pha gel và phân bố không đều cũng tăng theo. Các dự án sử dụng thiết bị đẩy có độ dài vượt quá 150 mét thường yêu cầu xả rửa thường xuyên hơn — đôi khi cứ sau mỗi hai đến ba giờ trong suốt quá trình đẩy chủ động — nhằm đảm bảo gel được cung cấp một cách liên tục tới toàn bộ chiều dài của chuỗi ống, thay vì chỉ tập trung gần cụm phân phối gel.

Đường kính ống cũng đóng vai trò quan trọng. Các ống có đường kính lớn hơn đòi hỏi thể tích gel cao hơn trên mỗi mét tiến triển, điều này đồng nghĩa với việc mạch bơm phải xử lý một lượng vật liệu đáng kể hơn trong mỗi ca đẩy. Lưu lượng cao hơn làm tăng tốc độ mài mòn các bộ phận bơm và làm tăng khả năng tích tụ gel tại các vùng có lưu lượng thấp trong mạch. Đối với các ca đẩy ống có đường kính lớn, một số nhà thầu giàu kinh nghiệm còn thực hiện một lần xả rửa ngắn giữa ca — ngay cả khi lịch trình tiêu chuẩn chưa yêu cầu — chỉ nhằm mục đích phòng ngừa để bảo vệ cụm bơm.

Cấu hình của hệ thống bơm gel — bất kể sử dụng một cụm phân phối trung tâm duy nhất hay các trạm bơm phân tán dọc theo chuỗi ống — cũng ảnh hưởng đến cách thức thực hiện xả rửa theo trình tự. Các hệ thống phân tán có nhiều vùng bơm có thể yêu cầu xả rửa từng vùng riêng biệt thay vì xả toàn bộ hệ thống cùng lúc; phương pháp này mất nhiều thời gian hơn nhưng đảm bảo rằng mỗi đoạn mạch đều được làm sạch đúng cách.

Nhiệt độ môi trường và điều kiện hiện trường

Nhiệt độ môi trường cao làm tăng tốc các phản ứng hóa học gây đông cứng các loại gel bôi trơn, do đó khoảng thời gian xả rửa cần được rút ngắn trong thời tiết ấm hoặc trong các môi trường dưới lòng đất, nơi nhiệt sinh ra từ hoạt động của thiết bị làm tăng nhiệt độ mạch tiêm. Vào các tháng mùa hè hoặc trong điều kiện nền đất có hoạt tính nhiệt cao, người vận hành nên giảm khoảng thời gian xả rửa tiêu chuẩn đi từ hai mươi đến ba mươi phần trăm như một điều chỉnh mang tính thận trọng.

Ngược lại, trong điều kiện lạnh — đặc biệt là khi thi công ống đẩy ngầm vào mùa đông hoặc tại các khu vực có nhiệt độ nước ngầm thấp — thời gian đông kết của gel bị kéo dài, điều này có thể cho phép khoảng cách giữa các lần xả rửa hơi dài hơn một chút. Tuy nhiên, điều kiện lạnh lại làm phát sinh một rủi ro riêng: khả năng nước xả rửa đóng băng bên trong mạch tiêm trong các khoảng thời gian nghỉ. Ở môi trường dưới 0°C, môi chất xả rửa có thể cần được bổ sung phụ gia chống đông hoặc toàn bộ mạch cần được xả cạn hoàn toàn thay vì chỉ xả rửa thông thường sau mỗi ca làm việc.

Xây dựng Quy trình Xả rửa Đặc thù theo Hiện trường

Lập Lịch trình Xả rửa Trước khi Bắt đầu Công việc

Phương pháp đáng tin cậy nhất để xả hệ thống bơm gel là xây dựng một quy trình cụ thể cho từng công trường trong giai đoạn lập kế hoạch trước thi công, trước khi đẩy ống đầu tiên. Quy trình này cần được xây dựng dựa trên bảng dữ liệu kỹ thuật của gel, chiều dài và đường kính đoạn đẩy, điều kiện địa chất dự kiến dọc theo tuyến, số giờ vận hành trung bình mỗi ngày và dải nhiệt độ môi trường tại công trường. Các yếu tố đầu vào này cùng nhau xác định khoảng thời gian xả định kỳ ban đầu cũng như các điều kiện kích hoạt yêu cầu xả ngoài lịch trình.

Quy trình xả cần được ghi chép đầy đủ, phân phát tới tất cả tổ trưởng ca và xem xét lại trong buổi họp brief trước ca làm việc mỗi ngày. Khi hệ thống bơm gel được vận hành bởi nhiều ca làm việc, việc tuân thủ nhất quán quy trình xả giữa tất cả các tổ thi công là vô cùng quan trọng. Chỉ một lần bỏ sót việc xả do một ca làm việc gây ra cũng có thể tạo ra những vấn đề chỉ được phát hiện — và khắc phục với chi phí đáng kể — bởi ca làm việc tiếp theo.

Giám sát và ghi chép trong quá trình đẩy

Mỗi lần xả cần được ghi lại với thời gian thực hiện, vạch đo trên đồng hồ tại thời điểm xảy ra, thời lượng của lần xả và bất kỳ quan sát nào về tính ổn định của lưu lượng từ từng cổng riêng lẻ. Bản ghi này vừa phục vụ như một hồ sơ đảm bảo chất lượng, vừa là công cụ chẩn đoán. Nếu lực nâng bắt đầu tăng bất thường, bản ghi xả sẽ giúp kỹ sư liên hệ sự gia tăng áp suất với các sự kiện bôi trơn gần đây và xác định xem liệu việc xả không đủ hoặc xả bị trì hoãn có góp phần gây ra vấn đề hay không.

Các hệ thống bơm vữa tự động hiện đại thường bao gồm các giao diện giám sát kỹ thuật số ghi lại áp lực bơm, lưu lượng và dữ liệu chu kỳ theo thời gian thực. Khi những hệ thống này có chu kỳ xả rửa lập trình được, dữ liệu giám sát sẽ tạo ra nhật ký tự động về hoạt động xả rửa, cho phép kỹ sư dự án xem xét từ xa. Việc tích hợp dữ liệu này với hồ sơ lực đẩy tạo nên một hồ sơ hiệu suất toàn diện, vô cùng quý giá trong việc chẩn đoán sự cố cũng như lập kế hoạch cho các lần đẩy tiếp theo trong điều kiện địa chất tương tự.

Nếu việc giám sát nhất quán cho thấy các sự kiện xả rửa tương quan với những đợt giảm tạm thời lực nâng — đây là kết quả bình thường và dự kiến — thì điều này xác nhận rằng hệ thống bơm keo đang hoạt động đúng như thiết kế và chu kỳ xả rửa là phù hợp. Nếu lực nâng vẫn ở mức cao sau khi xả rửa, vấn đề có khả năng nằm ở nơi khác trong hệ thống bôi trơn, chẳng hạn như thể tích keo không đủ, nồng độ keo không đúng hoặc mài mòn cơ học ở cụm bơm.

Câu hỏi thường gặp

Một chu kỳ xả rửa cho hệ thống bơm keo trên một ca thi công đẩy ống trung bình nên kéo dài bao lâu?

Đối với một hành trình tiêu chuẩn từ 50 đến 100 mét, chu kỳ xả toàn bộ hệ thống bơm gel nên mất từ năm đến mười lăm phút, tùy thuộc vào số cổng bơm đang hoạt động và áp lực nước xả sẵn có. Các hành trình dài hơn với nhiều vùng bơm hơn có thể yêu cầu từ hai mươi đến ba mươi phút để đảm bảo toàn bộ các đoạn mạch đều được làm sạch hoàn toàn. Việc xả được coi là hoàn tất khi nước thoát ra một cách trong sạch từ tất cả các cổng ở áp lực ổn định mà không còn dư lượng gel nào nhìn thấy được.

Liệu hệ thống bơm gel có thể được để nguyên mà không xả qua đêm nếu công việc bị gián đoạn bất ngờ không?

Không. Nếu các thao tác nâng (jacking) dừng đột ngột, hệ thống bơm gel cần được xả rửa càng sớm càng tốt, bất kể thời điểm trong ngày hay thời gian dự kiến ngừng hoạt động kéo dài bao lâu. Việc để gel tồn đọng trong mạch bơm qua đêm — hoặc trong bất kỳ khoảng thời gian kéo dài nào — có nguy cơ làm gel đông cứng một phần bên trong đường ống và vòi phun, dẫn đến việc phải thực hiện công tác vệ sinh tốn nhiều công sức và trong một số trường hợp còn phải thay thế linh kiện trước khi có thể tiếp tục công việc một cách an toàn.

Loại đất có ảnh hưởng đến tần suất xả rửa hệ thống bơm gel hay không?

Có, loại đất ảnh hưởng trực tiếp đến hành vi của gel và do đó ảnh hưởng đến tần suất xả rửa. Các loại đất có tính thấm cao như cát và sỏi hấp thụ gel nhanh hơn nhiều so với các loại đất dính như đất sét; điều này có nghĩa là hệ thống tiêm gel phải tiêm với tốc độ cao hơn và có thể cạn kiệt bình chứa nhanh hơn trong những điều kiện này. Việc chu kỳ tiêm diễn ra thường xuyên hơn cũng dẫn đến lượng gel dư tích tụ nhiều hơn trong mạch, điều này nói chung làm tăng cơ sở để rút ngắn khoảng thời gian giữa các lần xả rửa. Kỹ sư cần điều chỉnh lịch trình xả rửa mỗi khi máy đào chuyển từ loại đất này sang loại đất khác có sự khác biệt rõ rệt.

Việc xả rửa hệ thống tiêm gel quá mức có thể gây ra vấn đề không?

Việc xả rửa quá mức nói chung không phải là vấn đề cơ học đối với hệ thống bơm gel tự thân, nhưng có thể làm loãng hoặc đẩy dịch chuyển lớp gel bôi trơn ra khỏi khe hở giữa ống và vách nếu thực hiện trong lúc đang đẩy (mid-drive) mà không bổ sung đủ lượng gel sau đó. Việc xả rửa ngay lập tức được tiếp theo bởi việc bơm lại gel mới là trình tự đúng khi xảy ra xả rửa trong quá trình đẩy chủ động. Việc xả rửa quá mức chủ yếu trở thành mối quan ngại liên quan đến quản lý nước tại hiện trường và trong các tình huống mà nước xả rửa có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của đất xung quanh, đặc biệt là trong các điều kiện địa chất nhạy cảm.