Nghiên cứu, thiết kế máy chuyên dùng chế tạo ống thép đường kính lớn, chiều dài tùy ý bằng công nghệ uốn xoắn hàn

Loại hình công nghệ uốn xoắn để tạo ra các ống có chiều dài tùy ývới đường kính lớn được áp dụng cho các công trình cầu, đường ống dẫn khí,dẫn dầu...đã và đang phát triển và được ứng dụ

Tôi là Nguyễn Tiến Cần, học viên Cao học khóa 2013, chuyên ngành

Công nghệ kỹ thuật cơ khí Sau hai năm học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ

của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ của PGS.TS Phạm Văn Nghệ,

thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, nên tôi đã đi đến cuối chặng đường đểkết thúc khoá học

Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: “ Nghiên cứu, thiết kế máy chuyên dùng chế tạo ống thép đường kính lớn, chiều dài tùy ý bằng công nghệ uốn xoắn - hàn”.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Nghệ và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê Các kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa

từng được công bố trong bất kỳ các công trình nào khác Nếu có tôi xin hoàntoàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Tôi xin chân trọng cảm ơn : Trung tâm sau đại hoc, Trung tâm cơ khíViệt –Hàn, Khoa cơ khí Trường đại học công nghiệp Hà Nội, đã tạo điềukiện thuận lợi giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc PGS.TS Phạm Văn Nghệ, người

hướng dẫn khoa học cho tôi Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy côgiáo, các bạn đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và giúp đỡ tậntình để luận văn được hoàn thành

Hà nội, Ngày 01 tháng 12 năm 2015

Học viên

Nguyễn Tiến Cần

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

LỜI NÓI ĐẦU 1

Ch ương 1 ng 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG ỐNG KIM LOẠI 3

1.1 Nhu cầu sử dụng ống thép 3

1.1.1 Thị trường nội địa 3

1.1.2 Thị trường xuất khẩu 5

1.1.3 Phân loại ống thép 6

1.1.4 Ứng dụng của ống thép trong kỹ thuật và dân dụng 7

1.2 Công nghệ chế tạo ống thép có đường kính lớn và liên tục 10

1.2.1 Khái quát quá trình công nghệ 10

1.2.2 Một số hình ảnh của ống thép hàn xoắn 11

1.2.3 Quy trình sản xuất ống thép hàn xoắn 13

1.3 Phân tích và chọn phương án công nghệ chế tạo ống thép cỡ lớn bằng phương pháp tổ hợp uốn xoắn – hàn từ phôi dạng cuộn 20

1.3.1 Ưu điểm và nhược điểm của ống thép cỡ lớn được chế tạo bằng phương pháp tổ hợp uốn xoắn – hàn từ phôi dạng cuộn 20

1.3.2 Lựa chọn phương án công nghệ chế tạo 21

Kết luận chương 1 23

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH UỐN XOẮN 24

TẠO HÌNH ỐNG TỪ TẤM KIM LOẠI 24

2.1 Trạng thái ứng suất và biến dạng khi uốn phôi tấm 24

2.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ sản xuất ống từ tấm và băng kim loại 31

2.2.2 Biến dạng đàn hồi khi uốn 35

2.3 Xác định bán kính nhỏ nhất sau lần uốn thứ nhất 38

2.4 Xác định các thông số công nghệ khi uốn xoắn tạo ống 40

2.4.1 Nguyên lý uốn xoắn 42

2.5 Xác định các thông số năng lượng – lực 48

2.5.1 Xét các đặc điểm của quá trình uốn xoắn 51

Kết luận chương 2 53

.Chương 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY CHUYÊN DÙNG CHẾ TẠO ỐNG THÉP ĐƯỜNG KÍNH LỚN, CHIỀU DÀI TÙY Ý BẰNG CÔNG NGHỆ UỐN XOẮN - HÀN 54

3.1 Các tiêu chuẩn và đặc tính kỹ thuật của ống thép có đường kính lớn (D > 500 mm) 54

3.2 Thiết kế sơ đồ động của máy uốn xoắn 55

3.2.1 Sơ đồ công nghệ và thiết bị 55

3.2.2 Các thông số chính của máy 70

3.2.3 Sơ đồ động của máy 70

3.2.4 Xác định momen uốn M 75

3.2.5 Xác định lực ma sát 75

3.3 Xác định các thông số công nghệ uốn xoắn 76

3.3.1 Xác định đường kính trục trên 76

3.3.2 Kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục uốn 79

3.4 Xác định các thông số năng lượng, lực khi uốn lốc 81

3.4.1 Xác định lực, mô men xoắn, tải trọng 81

3.4.2 Kiểm nghiệm điều kiện bền mỏi của trục đỡ 83

3.5 Mô hình hóa và mô phỏng số quá trình uốn xoắn 84

Kết luận chương 3 87

4.1 Giới thiệu các phương pháp hàn trong công nghiệp sản xuất ống thép 88

4.1.1 Sự tạo thành mối hàn 88

4.1.2 Tổ chức kim loại mối hàn 92

4.1.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt 93

4.1.4 Ứng suất và biến dạng khi hàn 95

4.2 Hàn dưới lớp thuốc trong sản xuất ống thép cỡ lớn 101

4.2.1 Nguyên lý hàn dưới lớp thuốc trong sản xuất ống thép cỡ lớn 101

4.2.2 Đặc điểm của quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc 102

4.2.3 Lựa chọn thiết bị hàn 103

4.2.4 Vật liệu hàn 105

4.3 Chế độ hàn và các thông số công nghệ 107

4.3.1 Quy tình hàn ống hàn xoắn 111

4.4 Kiểm tra ống thép 113

4.4.1 Phân loại khuyết tật các mối ghép khi hàn 113

4.4.2 Phương pháp kiểm tra ống thép 114

Kết luận chương 4 117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

GCAL Công nghệ gia công áp lựcPLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển PLC

NC Numerical Control Điều khiển số

CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính

Bảng 1.3 Bảng xuất nhập khẩu thép ống năm 2012 6

Bảng 1.4 Mức độ an toàn khi sử dụng cọc ống thép hàn xoắn 21

Bảng 4.1 Lực tương ứng với mối hàn khi hàn với chiều dày khác nhau 97

Bảng 4.2 Ký hiệu thuốc hàn theo Viện Hàn quốc tế IIW 106

Bảng 4.3 Mật độ dòng điện hàn phụ thuộc vào đường kính dây hàn 109

Bảng 4.4 Tốc độ hàn phụ thuộc vào đường kính dây hàn 109

Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ thép trong nước 2009 ÷ 2012 3

Hình 1.2 Biểu đồ năng lực sản xuất ống thép 4

Hình 1.3 Biểu đồ tiêu thụ thép ống 2010- 2012 4

Hình 1.4 Trụ cầu được ép bằng ống hàn xoắn để khoan nhồi bê tông 8

Hình 1.5 Các ống thép được liên kết trong thi công các cây cầu 8

Hình 1.6 Sử dụng ống thép hàn xoắn trong quá trình 8

thi công cọc bê tông của các cây cầu 8

Hình 1.7 Thép ống hàn xoắn để thi công các trụ cột trong xây dựng 9

Hình 1.8 Sử dụng ống thép hàn xoắn để thi công các cây cầu 9

Hình 1.9 Sử dụng ống thép hàn xoắn để làm đường dẫn khí, dẫn nước, dẫn dầu 10

Hình 1.10 Sơ đồ quy trình sản xuất ống thép hàn xoắn 10

Hình 1.11 Biểu đồ kỹ thuật của ống thép SSAW 11

Hình 1.12 Ống thép hàn xoắn đã được hoàn thiện 11

Hình 1.13 Thép ống hàn xoắn trong quá trình chuẩn bị lắp đặt 12

Hình 1.14 Ống thép đã hoàn thiện sau khi sử dụng phương pháp uốn hàn xoắn .12 Hình 1.15 Cắt ống theo chiều dài yêu cầu 12

Hình 1.16 Nắn phẳng phôi trước khi uốn và hàn 13

Hình 1.17 Cắt 2 mép biên tấm 14

Hình 1.18 Cụm thiết bị uốn hàn xoắn ống 15

Hình1.19 Hàn trong ống dưới lớp bột trợ dung 15

Hình 1.20 Hàn ngoài ống dưới lớp bột trợ 16

Hình 1.21 Kiểm tra đường hàn bằng siêu âm 16

Hình 1.22 Cắt ống bằng phương pháp plasma 17

Hình 1.23 Chế tạo đầu ống ở trạng thái nóng 17

Hình 1.24 Thử nghiệm thủy tĩnh 18

Hình 1.25 Kiểm tra bằng tia rơn gen hoặc gama 19

Hình 1.26 Phun phủ 19

Hình 2.3 Phân bố ứng suất khi uốn có và không có hoá bền 29

Hình 2.4 Sơ đồ xác định mô men uốn 31

Hình 2.5 Sự biến dạng đàn hồi khi uốn 35

Hình 2.6 Quan hệ giữa góc đàn hồi và bán kính uốn tương đối 37

Hình 2.7 Các sơ đồ uốn xoắn 41

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý uốn - hàn xoắn 42

Hình 2.9 Các kết cấu máy uốn xoắn 47

Hình 2.10 Sơ đồ uốn xoắn và sự phân bố ứng suất theo chiều dày phôi 48

Hình 2.11 Sơ đồ xuất hiện biến dạng dẻo ( vùng đen - vùng biến dạng dẻo) Hình 2.12 Biểu đồ ứng suất chính σ1 52

Hình 3.1 Góc độ đưa phôi 54

Hình 3.2 Các sơ đồ uốn xoắn 55

Hình 3.3 Máy uốn xoắn – hàn dạng nửa ổ lót 56

Hình 3.4 Máy uốn xoắn dạng con lăn 56

Hình 3.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất ống 58

Hình 3.6 Máy tời phôi dạng cuộn 59

Hình 3.7 Máy nắn phôi tấm 60

Hình 3.8 Máy cắt dao thẳng 61

Hình 3.9 Máy uốn xoắn (lốc xoắn) 62

Hình 3.10 Máy tiện mặt đầu 65

Hình 3.11 Máy kiểm tra thủy lực 66

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý uốn - hàn xoắn 67

Hình 3.13.Cơ cấu con lăn làm việc 71

Hình 3.14 Cụm con lăn dẫn hướng phôi 72

Hình 3.15 Trục con lăn dẫn hướng 72

Hình 3.16 Con lăn dẫn hướng phôi 73

Hình 3.18 Trục con lăn đỡ giữa 74

Hình 3.19 Con lăn đỡ giữa 74

Hình 3.20 Sơ đồ đặt lực 76

Hình 3.21 Lực phân bố trên đường sinh của trục Ft1 gây ra 76

Hình 3.22 Kết cấu trục và phân bố tải trọng trên trục 76

Hình 3.23 Biểu đồ phân bố mômen uốn trên trục 77

Hình 3.24 Biểu đồ phân bố mômen xoắn trên trục 78

Hình 3.25 Kết cấu trục trên 80

Hình 3.26 Kết cấu trục trên và phân bố tải trọng trên trục 81

Hình 3.27 Biểu đồ phân bố mômen uốn của trục dưới 82

Hình 3.28 Biểu đồ phân bố mômen xoắn của trục dưới 83

Hình 3.29 Biên dạng phá hủy 85

Hình 3.30 Ứng suất vật liệu 85

Hình 3.31 Độ biến mỏng của vật liệu 86

Hình 4.1 Mối nối hàn 88

Hình 4.2 Bể hàn 89

Hình 4.3 Hình dạng và kích thước bể hàn 90

Hình 4.4 Kích thước bể hàn 90

Hình 4.5 Tác dụng của lực từ trường ép lên que hàn 91

Hình.4.6 Tổ chức kim loại của mối hàn 92

Hình 4.7 Tổ chức kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt 94

Hình 4.8 Biến dạng góc mối hàn và vát mép chữ V do ứng suất co ngót 96

Hình 4.9 Sơ đồ chống sự co ngót khi hàn 97

Hình 4.10 1,2,3,4: là thứ tự hàn 100

Hình 4.11 Tạo biến dạng ngược khi hàn 100

Hình 4.12 Nguyên lý quá trình hàn dưới lớp thuốc 101

Hình 4 13 Sơ đồ cân bằng nhiệt khi hàn dưới lớp thuốc 102

Hình 4.16 Kích thước cho mối hàn giáp mối có vát mép hàn từ hai phía .110

Hình 4.17 Thiết bị OmniScan 115

Hình 4.18 Đặt đầu dò và mỏ tiếp vào bề mặt lớp hàn 116

Hình 4.19 Hiển thị kết quả trên phần mềm máy 116

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ gia công áp lực (GCAL) là một phương pháp tạo hình chitiết dựa trên tính dẻo của vật liệu kim loại Với sự phát triển nhanh chóng củacông nghiệp hóa, hiện đại hóa, sản phẩm của GCAL ngày càng chiếm tỷ trọngcao trong các lĩnh vực công nghiệp như cơ khí chế tạo, xây dựng, điện, điện

tử, gia dung, y tế, quốc phòng, giao thông vận tải Đối với các nước côngnghiệp phát triển như Mỹ, Anh, Đức, Nhật, Trung quốc, GCAL luôn đóng vaitrò then chốt cho phát triển công nghiệp nặng, siêu nặng như luyện kim, đóngtàu, vũ khí, hàng không… Sở sĩ như vậy là vì GCAL có tính ưu việt hơn hẳn

so với các phương pháp gia công cơ khí khác đặc biệt khi thị trường pháttriển, cần sản xuất loạt lớn như tiết kiệm vật liệu, đảm bảo độ chính xác chitiết, tăng cơ tính sản phẩm, chi phí sản xuất loạt lớn thấp, khả năng tự độnghóa cao

Đối với thị nền sản xuất cơ khí trong nước, rất nhiều các sản phẩm hiệnhữu như bình chứa, bồn chứa nhiên liệu, nguyên liệu, nồi hơi, ống dẫn, vỏ tàuđược sản xuất, chế tạo một cách khá đơn giản và hiệu quả với công nghệ uốntạo hình Loại hình công nghệ uốn xoắn để tạo ra các ống có chiều dài tùy ývới đường kính lớn được áp dụng cho các công trình cầu, đường ống dẫn khí,dẫn dầu đã và đang phát triển và được ứng dụng khá phổ biến trong nhiềudoanh nghiệp sản xuất ở Việt Nam Tuy vậy, còn rất nhiều các nhà máy cơkhí trong nước mặc dù muốn áp dụng công nghệ và thiết bị này để sản xuấtcác sản phẩm phục vụ cho doanh nghiệp mình, nhưng vẫn chưa có được độingũ những nhà kỹ thuật có chuyên môn và am hiểu để sẵn sàng thiết kế côngnghệ và chế tạo thiết bị Hầu hết các doanh nghiệp như thiết bị lọc hóa dầu,nhà máy sửa chữa cơ khí, thiết bị cho ngành xi măng, nhiệt điện, than, cáccông ty lắp máy… đi mua thiết bị và tìm hiểu luôn công nghệ uốn xoắn củanước ngoài

Trên cơ sở phát triển đưa loại hình công nghệ uốn xoắn vào các doanhnghiệp dầu khí và nâng cao năng lực thiết kế công nghệ, thiết bị, đồng thờiđáp ứng nhu cầu của doanh nghiệp cơ khí hàng hải, em đã đề xuất thực hiện

đề tài “Nghiên cứu, thiết kế máy chuyên dùng chế tạo ống thép đường kính lớn, chiều dài tùy ý bằng công nghệ uốn xoắn – hàn”.

Phần nội dung chính của luận văn được trình bày trong 4

Chương 1: Tổng quan về công nghệ chế tạo và ứng dụng của ống thép đường kính lớn

Chương 2: cơ sở lý thuyết quá trình uốn xoắn tạo hình ống từ tấm kim loại

Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế máy chuyên dùng chế tạo ống thép đường kính lớn, chiều dài tùy ý bằng công nghệ uốn xoắn - hàn

Chương 4: Công nghệ hàn ống trong tổ hợp uốn xoắn – hàn khi chế tạo ống từ phôi thép cuộn

Trong quá trình thực hiện luận văn, do điều kiện nghiên cứu, khảo sátthực tiễn còn chưa nhiều nên có thể luận văn còn những khiếm khuyết, kínhmong các Thầy, Cô giáo và các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quảnghiên cứu được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Nghệ - Bộ môn Giacông áp lực, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn,tạo điều kiện và giúp đỡ em thực hiện thành công đề tài này, đồng thời xincảm ơn Trung tâm Đào tạo sau đại học, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa học này

Hà Nội, tháng năm 2015

Học viên

Nguyễn Tiến Cần

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG ỐNG KIM LOẠI 1.1 Tổng quan về công nghệ chế tạo và lĩnh vực sử dụng các dạng ống kim loại

1.1.1 Thị trường nội địa

Tổng tiêu thụ thép của thị trường nội địa những năm gần đây không có sựtăng trưởng rõ nét Từ 10 triệu tấn năm 2007, giảm xuống còn 8.7 triệu trongnăm khủng hoảng tài chính toàn cầu 2008 Sau đó tăng trưởng mạnh vào năm

2009 (11.7 triệu tấn) nhờ các giải pháp kích cầu trong năm Kể từ năm 2009đến nay tiêu thụ ngành thép phần lớn là tăng trưởng âm

Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ thép trong nước 2009 ÷ 2012

(Trích nguồn: Báo cáo của VSA tại Dusit Thani- Pattaya- Thái Lan 6/2013)

Tuy nhiên, tiêu thụ thép đạt (flat products) năm 2012 là 4.91 triệu tấn, cómột mức tăng ấn tượng: tăng 40% so với năm 2011 Tỷ lệ này cho thấy dịchchuyển cơ cấu ngành thép đang chuyển dần về thép dẹt: năm 2012, tỷ lệ là 45%thép dẹt và 50% thép dài Tỷ lệ tương ứng lần lượt là 30% và 58% vào năm

2011 Tỷ lệ thép dài cao là do tỷ trọng sử dụng thép xây dựng cao trong ngànhxây dựng cơ sở hạ tầng

Đối với ống thép, năng lực sản xuất trong nước tăng mạnh trong các nămgần đây Từ mức 528 ngàn tấn năm 2007, đạt đến 775 ngàn tấn năm 2012 [1].

Hình 1.2 Biểu đồ năng lực sản xuất ống thép

(Trích nguồn: Báo cáo của VSA tại Dusit Thani- Pattaya- Thái Lan 6/2013)

Bảng 1.1 Tiêu thụ ống thép 3 năm gần đây, kể cả xuất khẩu và trong nước

1.1.2 Thị trường xuất khẩu

Theo Vinanet ( trung tâm thông tin công nghiệp và thương mại Bộcông thương): 6 tháng đầu năm 2013, xuất khẩu thép đạt trên 1 triệu tấn, trịgiá 897,6 triệu USD thăng 23,94% về lượng và tăng 16,55% về giá trị so với

a

337.539 234.269.868 261.087 200.753.709 29,28 16,70

Indonesia 188.616 160.876.573 169.683 148.793.349 11,16 8,12Malaysia 123.985 102.103.280 78.360 71.510.991 58,22 42,78Philippin 122.802 69.856.433 54.090 34.647.104 127,03 101,62Thailand 107.760 112.185.577 97.126 88.499.979 10,95 26,76

Xuất khẩu ống thép hàn năm 2012 đạt 191,000 tấn, tăng hơn gấp đôi sovới năm 2011 (85.000 tấn)[3] Chiếm tỷ lệ 21% so với sản lượng tiêu thụ 4tháng đầu năm 2013 tỷ lệ xuất khẩu đã chiếm 29% tổng tiêu thụ thépống(70,607/241,812 tấn)

Bức tranh xuất nhập khẩu thép năm 2012 như sau:(Nguồn: VSA- Dusit Thani Pattaya- Thailand- June 2013)

Bảng 1.3 B ng xu t nh p kh u thép ng năm 2012 ảng xuất nhập khẩu thép ống năm 2012 ất nhập khẩu thép ống năm 2012 ập khẩu thép ống năm 2012 ẩu thép ống năm 2012 ống năm 2012

Thép hợp kim

Các loại thép khác

Tổng

371,00092,0001,027,000

 Ống thép đen, ống thép mạ kẽm trong ống mạ kẽm có hai loại, loại mạtrước khi hàn ống và loại mạ nhúng sau khi hàn ống loại mạ nhúng cho độdày bám kẽm cao, thường áp dụng cho ống chế tạo từ thép cán nóng có độdày trên 2.5mm

 Phân loại ống thép theo tiết diện mặt cắt ngang: ống hình tròn, hình bầudục, hình vuông, hình chữ nhật, hình chữ D, hình ô van

1.1.4 Ứng dụng của ống thép trong kỹ thuật và dân dụng

Ống thép được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu xây dựng hay nhàthép tiền chế, giàn giáo chịu lực, cọc siêu âm trong kết cấu nền móng, kết cấu

hệ giàn không gian của các mái nhà vòm, dùng làm trụ viễn thông, khungquảng cáo, chế tạo cột đèn giao thông, chiếu sáng đô thị Chế tạo khung xemáy, xe đạp, khung bàn ghế, kệ giá đỡ, các khung thùng xe tải và trong cácthiết bị máy móc khác Ống tráng kém chuyên dùng trong cấp nước và đượcứng dụng rộng rãi trong các nhà máy để cấp nước, thoát nước, và vận chuyểncác dung môi khác Ống thép đen dùng để làm giàn giáo, lan can

Ngoài ra hàng năm có vài trăm nghìn tấn cọc ống thép được sử dụng ởtất cả các quốc gia trên thế giới và gần đây cọc ống thép còn được sử dụngrộng rãi tại các nước châu Á Nơi có nhịp điệu phát triển cơ sở hạ tầng mạnh

mẽ, nhu cầu vật liệu xây dựng đang tăng

Đặc biệt Việt Nam có một số lượng lớn các dự án chính được quyhoạch xây dựng hay cải tạo những cảng biển, đường bộ, đường sắt, nhà máynhiệt điện, lọc dầu… do đó nhu cầu vật liệu tại việt nam có khả năng tăng cao

và mở rộng trong những năm tới

Hình 1.4 Trụ cầu được ép bằng ống hàn xoắn để khoan nhồi bê tông

Hình 1.5 Các ống thép được liên kết trong thi công các cây cầu

Hình 1.6 Sử dụng ống thép hàn xoắn trong quá trình

thi công cọc bê tông của các cây cầu

Ống hàn xoắn

Ống hàn xoắnỐng hàn xoắn

Đối với kết cấu móng công trình xây dựng ở việt nam trong tương laivới tốc độ phát triển nhanh chóng của cơ sở hạ tầng như kết cấu cảng nướcsâu, kết cấu lớn và kết cấu khai thác nhanh chóng … đặc biệt do điều kiện nềnđất yếu, nhu cầu cọc ống thép đòi hỏi ngày càng tăng cao với các ưu điểmnhư cường độ cao chất lượng cao và thời gian thi công nhanh.

Hình 1.7 Thép ống hàn xoắn để thi công các trụ cột trong xây dựng

Hình 1.8 Sử dụng ống thép hàn xoắn để thi công các cây cầu

Ở Việt Nam trước năm 1975, cọc ống thép đã được sử dụng khá phổbiến trong các công trình như cầu sài gòn, cảng tân cảng, cầu Trần Hưng Đạo

và các cầu trên QL1, quân cảng cam ranh, cảng chính hải phòng, gần đây cọcống thép được sử dụng trong một số đự án ODA, chủ yếu là cọc bê tông đúcsẵn hay cọc bê tông đổ tại chỗ đã được sử dụng Việc ứng dụng cọc bê tông cốtthép RC và cọc bê tông đúc sẵn PC đang chiếm tỷ trọng lớn đã được đặt ra,hiện nay nhiều nhà máy sản xuất cọc ống thép đang được xây dựng, xuất phát

từ sự thừa nhận ngày càng rộng rãi những lợi thế của loại vật liệu mới này

ống hàn xoắn

Hình 1.9 Sử dụng ống thép hàn xoắn để làm đường dẫn khí, dẫn nước, dẫn dầu

1.2 Công nghệ chế tạo ống thép có đường kính lớn và liên tục

1.2.1 Khái quát quá trình công nghệ

Ống thép hàn xoắn được chế tạo từ những tấm thép có chiều dày xác định và được uốn xoắn tùy theo kích thước của ống Chế tạo ống thép theo phương pháp này chúng ta có thể chế tạo các ống có kích thước khác nhau

Dưới dây là quy trình công nghệ sản xuất ống thép hàn xoắn:

Hình 1.10 Sơ đồ quy trình sản xuất ống thép hàn xoắn

ống hàn xoắn

Biểu đồ kỹ thuật của ống thép SSAW

Hình 1.11 Biểu đồ kỹ thuật của ống thép SSAW

1.2.2 Một số hình ảnh của ống thép hàn xoắn

Hình 1.12 Ống thép hàn xoắn đã được hoàn thiện

Hình 1.13 Thép ống hàn xoắn trong quá trình chuẩn bị lắp đặt

Hình 1.14 Ống thép đã hoàn thiện sau khi sử dụng phương pháp uốn hàn xoắn

Hình 1.15 Cắt ống theo chiều dài yêu cầu

1.2.3 Quy trình sản xuất ống thép hàn xoắn

 Nhập cuộn, xả cuộn:

Phôi liệu được các công ty, các cơ sở sản xuất đặt hàng và cuộn thànhcuộn, tùy vào chiều dày của phôi liệu mà trước khi gia công phôi liệu sẽ đượcgia nhiệt làm để quá trình uốn dễ dàng hơn

 Nắn phẳng:

Mục đích của công đoạn cán phẳng là làm cho phôi liệu trước khi được uốn

và hàn được cán phẳng không bị cong vênh ảnh hưởng tới quá trình tạo hình

và quá trình hàn, làm ảnh hưởng tới kỹ thuật và chất lượng của sản phẩm

Hình 1.16 Nắn phẳng phôi trước khi uốn và hàn

 Cắt và hàn nối cuộn:

Để quy trình chế tạo ống được diễn ra liên tục bắt buộc chúng ta phảicấp phôi liên tục vì vậy để việc cấp phôi liên tục thì chúng ta sử dụng phươngpháp hàn để nối cuộn sắp hết và cuộn cấp mới, trước khi hàn chúng ta dùngtia plasma để cắt phần đầu và phần cuối cuộn phôi để mối hàn được đảm bảochất lượng không ảnh hưởng tới yêu cầu kỹ thuật

 Cắt 2 mép biên tấm:

Hình 1.17 Cắt 2 mép biên tấm

Trước khi phôi tấm được cán phẳng thì được hai lưỡi dao cắt hai bên đểtạo góc vát cho mép tấm phôi, để đảm bảo rằng khi hàn dòng chảy kim loạihàn sẽ được điền đầy theo chiều dày liên kết giữa các chi tiết

 Tích phôi

Sau khi cắt 2 mép biên tấm thì hệ thống máy tích phôi sẽ tích phôi đểtrong quá trình uốn xoắn nếu như ở hệ thông cấp phôi có hiện tượng khôngđáp ứng được phôi cho quá trình uốn xoắn hoặc khi thực hiện hàn cắt nối giữa

2 cuộn phôi thì khi đó phôi vẫn được cấp bình thường nhờ máy tích phôi đểđảm bảo quá trình uốn xoắn được liên tục

 Uốn tạo hình:

Đây là công đoạn hết sức quan trọng nó quyết định chất lượng và hìnhdáng của chi tiết, để đạt được yêu cầu kỹ thuật các kỹ sư phải tính toán đểchọn góc phù hợp đối với đường kính của chi tiết

Hình 1.18 Cụm thiết bị uốn hàn xoắn ống

 Hàn trong và hàn ngoài ống:

Để đảm bảo cơ tính, và chất lượng cho mối ghép và mục đích sử dụng củatừng loại ống thì nhà sản xuất lựa chọn những phương pháp hàn khác nhau nhưnghầu hết để đảm bảo chất lượng thì tất cả các sản phẩm đều sử dụng phương pháphàn hồ quang chìm, với tính chất hàn hồ quang điện dưới lớp bột trợ dung thì mốihàn sẽ được bảo vệ tốt hơn, độ bền liên kết vững chắc hơn và điều quan trọng nhất

là dễ tự động hóa cho khâu hàn, và điều đặc biệt khác so với sản xuất ống théphàn thẳng là ở phương pháp chế tạo ống thép hàn xoắn này chi tiết được hàn cảhai mặt như vậy chất lượng của mối hàn sẽ được nâng cao hơn

Hình1.19 Hàn trong ống dưới lớp bột trợ dung

Hình 1.20 Hàn ngoài ống dưới lớp bột trợ

 Kiểm tra đường hàn bằng siêu âm:

Để phát hiện các khuyết tật trên đường hàn xoắn ốc, như rỗ khí, kẹt xỉ, hàn không ngấu, các vết nứt nhỏ sau khi hàn, nhằm điều chỉnh chế độ hàn phùhợp tránh hiện tượng khuyết tật cho các chi tiết sau

Hình 1.21 Kiểm tra đường hàn bằng siêu âm

 Cắt ống:

Sau khi đã đạt được kích thước như yêu cầu ta sử dụng phương pháp

cắt plasma để cắt chi tiết

Hình 1.22 Cắt ống bằng phương pháp plasma

 Đánh dấu nhận dạng:

Để tránh sự nhầm lẫn cho công- đoạn dãn nhãn sản phẩm, các chi tiết sau khi được cắt ra đều được công nhân kỹ thuật đánh dấu theo đơn hàng quy định

đích gì mà nhà sản xuất thử nghiệm với các mức độ áp suất lớn nhỏ khác nhaunhằm mục đích để kiểm tra chi tiết có chịu được áp suất theo yêu cầu Vì một sốnhà máy sản xuất ống thép này chỉ phục vụ cho các công trình xây dựng cầucảng, nhà cao tầng…vv Vậy nên trong dây chuyền sản xuất của công ty hayphân xưởng đó không có công đoạn thử nghiệm thủy tĩnh như trên.

Hình 1.24 Thử nghiệm thủy tĩnh

 Kiểm tra cấu trúc mối hàn bằng tia rơn gen hoặc tia gama:

Tia X và tia Gamma là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, tần số daođộng và năng lượng rất cao có thể đi xuyên qua khối kim loại dày Một phầnbức xạ tia X và tia gamma bị hấp thụ, một phần sẽ đi qua mẫu kiểm \tra,lượng hấp thụ và lượng đi qua được xác định theo chiều dày của mẫu Khi cókhuyết tật bên trong, chiều dày hấp thụ bức xạ sẽ giảm, điều này tạo phầnkhác biệt trong phần hấp thụ, được ghi lại trên phim ở dạng hình ảnh bóng gọi

là ảnh bức xạ Giải đoán phim sẽ cho phép phát hiện các khuyết tật bên trongvật hàn một cách chính xác

Phương pháp này cho phép phát hiện được tất cả các loại khuyết tật trừcác vết nứt vi nhỏ

Hình 1.25 Kiểm tra bằng tia rơn gen hoặc gama

 Kiểm tra bằng mắt thường:

Làm sạch bề mặt liên kết hàn (bề mặt mối hàn và vùng kim loại cơ bản Quan sát kỹ bằng mắt thường hoặc bằng kính lúp, Kiểm tra kích thước của

mối hàn so với bản vẽ thiết kế

 Phun phủ:

Dưới tác động của môi trường, các ống thép, kim loại bị xâm thực, bị

ăn mòn trong không khí, trong đất hay trong vùng ngập nước làm cho tuổi thọcông trình bị xuống cấp nhanh chóng Lớp rỉ không đồng đều, nguy hiểm nhất

là các dạng rỉ điểm, rỉ lỗ làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu vì vậy để hạnchế điều đó các nhà sản xuất đã sử dụng các biện pháp phun phủ để bảo vệ cho chi tiết ống

Hình 1.26 Phun phủ

Nhờ công nghệ chống ăn mòn cải tiến các, các cọc ống thép không gặpvấn đề gì khi được sử dụng cho các kết cấu ngoài khơi trong suốt quá trìnhứng dụng Nhờ trọng lượng nhẹ, quá trình vận chuyển các cọc ống thép cũng

dễ dàng hơn Với những cải tiến vượt bậc về công nghệ đã cho phép sản xuất

ra cọc ống thép với đường kính ngoài lên tới 2.500mm, độ dài 90m Theo báocáo của tiến sỹ Osamu kiyomiya ( đại học waseda – nhật bản) thì các chuyêngia và các kỹ sư cũng đã hiện thực hóa những tiến bộ vượt trội trong các lĩnhvực như xác định khả năng chống chịu nền cơ bản và các cơ chế ma sát, pháttriển phương pháp thi công có độ rung, tiếng ổn thấp, những tiến bộ trongcông nghệ thiết kế qua phương pháp phân tử hữu hạn; tiến bộ trong công nghệ

nối hướng ngang và thẳng đứng sử dụng mối hàn hoặc mối nối cơ và cảnhững tiến bộ về công nghệ chống ăn mòn… Mức độ an toàn cao khi sử dụngcọc ống thép đã được ứng dụng rộng rãi.

B ng 1.4 M c đ an toàn khi s d ng c c ng thép hàn xo n ảng xuất nhập khẩu thép ống năm 2012 ức độ an toàn khi sử dụng cọc ống thép hàn xoắn ộ an toàn khi sử dụng cọc ống thép hàn xoắn ử dụng cọc ống thép hàn xoắn ụng cọc ống thép hàn xoắn ọc ống thép hàn xoắn ống năm 2012 ắn

Đặc điểm

Tên

Độ sâu ứng dụng

Cường độ Chất

lượng

Tốc độ thi công

Đất thải

Trungbình

Vì ống thép được cuộn và ghép lại cho nên độ chính xác của ống théphàn không được cao so với ống thép đúc Ngày nay do yêu cầu không cao nênsai số mà khi gia công cũng đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng

1.3.2 Lựa chọn phương án công nghệ chế tạo

Qua khảo sát về tình hình sử dụng ống thép có đường kính lớn trên thếgiới cũng như ở Việt Nam ngày càng có nhu cầu cao được thể hiện qua thịtrường nội địa và thị trường xuất khẩu của các nước trong khu vực để phục

vụ cho các ngành xây dựng cầu đường, các đường dẫn khí, dẫn nước do đócó thể khẳng định rằng nhu cầu sử dụng ống thép có đường kính lớn với chiềudài tùy ý đang được phát triển mạnh mẽ trên phạm vi toàn cầu.

Có một số phương pháp chế tạo thép ống từ phôi dạng tấm hoặc dạngcuộn Trong đó có máy uốn lốc 2 trục, 3 trục, 4 trục để tạo ra ống thép cóđường kính vừa và nhỏ nhưng chưa đáp ứng hết được nhu cầu sử dụng ốngthép đòi hỏi có chiều dài tùy ý để phục vụ trong kỹ thuật và dân dụng

Ở Việt Nam, sản phẩm uốn xoắn bắt đầu xuất hiện nhiều nhưng vềcông nghệ và thiết bị thì vẫn ở mức sơ khai Rất ít doanh nghiệp chế tạo cácthiết bị uốn xoắn để tạo ra các ống có đường kính ≥ 500 mm mà chủ yếu làdùng phương pháp uốn lốc Phương pháp này chỉ tạo ra các ống có chiều dàiphụ thuộc vào chiều rộng của phôi do đó chưa đáp ứng hết được nhu cầu sửdụng ống thép có chiều dài tùy ý trong kỹ thuật và dân dụng Nhu cầu sử dụngthiết bị uốn xoắn ống xuất hiện ở nhiều doanh nghiệp cơ khí, nhưng nếu nhậpkhẩu thiết bị máy móc thì lãng phí nguồn tài nguyên, nhân lực trong nước

Trên cơ sở đó, sau khi khảo sát kỹ lưỡng các chủng loại kỹ thuật uốn cóthể nhận thấy, trong các dòng máy uốn thì việc thiết kế, chế tạo khả thi nhất,hiệu quả nhất ở Việt Nam là uốn hàn xoắn

Kết luận chương 1

Trong chương này, tác giả đã giới thiệu tổng quan về công nghệ chế tạo

và lĩnh vực sử dụng các dạng ống kim loại, trong đó đã nêu nổi bật một sốvấn đề như:

thị trường nội địa, thị trường xuất khẩu Bên cạnh đó tác giả đã nêu cách phânloại ống thép và ứng dụng của ống thép trong kỹ thuật và dân dụng

Giới thiệu tổng quan về công nghệ chế tạo ống thép có đường kính lớn theo phương pháp lốc xoắn và hàn

Nêu lĩnh vực sử dụng ống thép có đường kính lớn trong các ngành xây dựng, kiến trúc đường ống dẫn chất lỏng

Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp và từ đó chọn lĩnh vực nghiên cứu thiết kế

Tiếp theo, tác giả đi phân tích và chọn phương án công nghệ chế tạoống thép cỡ lớn bằng phương pháp tổ hợp uốn xoắn – hàn từ phôi dạng cuộn.Nêu bật được ưu điểm và nhược điểm của ống thép cỡ lớn được chế tạo bằngphương pháp tổ hợp uốn xoắn – hàn từ phôi dạng cuộn

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH UỐN XOẮN TẠO HÌNH ỐNG TỪ TẤM KIM LOẠI 2.1 Trạng thái ứng suất và biến dạng khi uốn phôi tấm

Uốn là một nguyên công nhằm biến đổi các phôi có trục thẳng thànhcác chi tiết có trục cong Phôi bị uốn có thể xảy ra dưới tác dụng đồng thờicủa nhiều tải trọng bên ngoài như mômen, lực dọc và lực ngang Nguyêncông uốn được thực hiện trên các máy ép trục khuỷu, máy ép thuỷ lực, máyuốn tấm nhiều trục (máy lốc tấm), máy uốn prôfin chuyên dùng để uốn có kéo

và các máy uốn tự động vạn năng Nhưng dù uốn trên thiết bị gì hay khuôn gìthì ta cũng có sơ đồ uốn dưới đây

Hình 2.1 Sơ đồ uốn dưới tác dụng của tải trọng P

Lực P và Q sẽ tạo ra mômen uốn làm thay đổi hình dạng của phôi.Trong quá trình uốn độ cong của phần phôi bị biến dạng sẽ tăng lên và tạivùng biến dạng xảy ra quá trình biến dạng khác nhau ở hai phía của phôi, cáclớp kim loại ở phía mặt ngoài góc uốn thì bị kéo còn các lớp bên trong thì bịnén Như vậy, giữa hai vùng có ứng suất kéo và nén sẽ tồn tại mặt trung hoàứng suất có đặc điểm

Hình 2.2 Trạng thái ứng suất và biến dạng khi uốn phôi dải rộng

Khảo sát sự phân bố ứng suất khi uốn dẻo phôi dải rộng ta dựa trên hình 2.2 Khi uốn dẻo sự phụ thuộc của trị số ứng suất  vào khoảng cáchđến mặt trung hoà ứng suất không phải là tuyến tính như trường hợp uốn đànhồi Vì tồn tại vùng biến dạng dẻo và cũng vì ảnh hưởng của độ uốn cong đến

sự phân bố ứng suất và sơ đồ trạng thái ứng suất nên biểu đồ ứng suất  rấtphức tạp Khi phôi uốn với độ cong lớn, trong quá trình biến dạng các lớpphôi nọ nén lên lớp phôi kia, do đó sinh ra ứng suất  vuông góc với mặttrung bình của phôi Trị số của chúng tăng từ 0 tại bề mặt tự do đến trị số cựcđại ở mặt trung hoà ứng suất (tại đó  = 0)

Nghiên cứu điều kiện cân bằng các phân tố ở ổ biến dạng khi uốn nêndùng toạ độ độc cực có gốc trùng với tâm cong của lớp trung bình tại thờiđiểm đã cho

Khi uốn bằng mô men sẽ không có ứng suất tiếp  và như vậyphương trình cân bằng có dạng:

0d

< 25 Khi đó chiều dày lớp

biến dạng đàn hồi có thể bỏ qua và coi như toàn bộ chiều dày phôi bị biếndạng dẻo

Trường ứng suất phải tìm được xác định bằng cách giải kết hợp phươngtrình (2.1), điều kiền dẻo và điều kiện biên:

- Khi  = R thì  K = 0 (R- bán kính cong ngoài)

- Khi  = r thì  n = 0 (r- bán kính cong bên trong góc uốn)

Như vậy, phân bố ứng suất ở vùng kéo và vùng nén như sau:

Xét các công thức phân bố ứng suất trong vùng kéo nén ta nhận thấy

khi

s

r

> 5 thì max tại mặt trung hoà ứng suất < 0,1σf Do đó, khi r > 5s thì sơ

đồ ứng suất gần như trạng thái ứng suất đơn Khi coi mặt trung bình trùng vớimặt trung hoà ứng suất tức là khi (n  r+0,5s) thì sai số nhỏ hơn 5%

Khi r < 5s thì ảnh hưởng của  đến trị số và sự phân bố ứng suất 

theo chiều dày phôi là đáng kể và khi ấy mặt trung hoà ứng suất chuyển dịch

từ mặt trung bình vào phía tâm cong

r12

s

r = 0 thì  =

vùng đó phải có một lớp có trị số tuyệt đối biến dạng kéo bằng biến dạng nén.Chiều dài của lớp đó bằng chiều dài ban đầu của phôi, còn mặt trùng với lớpđó thì gọi là mặt trung hoà biến dạng.

Rõ ràng rằng, bán kính mặt trung hoà biến dạng lớn hơn bán kính mặttrung hoà ứng suất (bn> n ) nhưng lại nhỏ hơn bán kính mặt trung bình.Có thể coi mặt trung hoà biến dạng nằm chính giữa vùng biến dạng khôngđơn điệu:

Thí dụ: Khi r = 0 thì R = s ; 1 = 0,71s

n = 0 ; tb = 0,5s và bn=

2

1(1 - n) = 0,355s

Vì vậy khi r = 0 có thể thấy mặt trung bình cách xa mặt trung hoà ứngsuất và nằm trong vùng kéo tiếp tuyến, phần nào có thể giải thích là nguyênnhân biến mỏng phôi khi uốn với bán kính nhỏ, điều đó có thể đánh giá bằng

s1 - chiều dày thay đổi khi uốn, s0 - chiều dày phôi ban đầu

Khảo sát giá trị max cực đại khi  = n ta nhận được:

max = - σfln

r

R

(2.8)

Công thức (2.8) cho thấy:

- Khi độ cong phôi tăng thì max tăng và khi Rr e2 7,4

- Sơ đồ trạng thái ứng suất thay đổi gần mặt trung hoà ứng suất xuất hiện khitrị số r nhỏ Thực vậy, lấy R = r + s thì khi r < 0,156s thì có sự thay đổi sơ

đồ trạng thái ứng suất

Hình 2.3 Phân bố ứng suất khi uốn có và không có hoá bền

* Xác định chiều dài của phôi khi uốn:

Độ dài của phôi khi uốn tại một góc uốn được xác định trên cơ sở cânbằng với độ dài của lớp trung hoà biến dạng Do vậy đối với một chi tiết uốn,

độ dài của phôi sẽ bao gồm: tổng độ dài của các phần cạnh thẳng và tổng độdài của các phần cung cong là các bán kính cong của lớp trung hoà biến dạngtại các góc uốn

bdi i n

i i

- i: trị số các góc uốn,

- bdi: bán kính cong của lớp trung hoà biến dạng tại các góc uốn

Như vậy muốn xác định được độ dài của phôi cần phải xác định được vịtrí của lớp trung hòa biến dạng, bán kính cong và độ dài của lớp trung hòabiến dạng tại một góc uốn