Nghiên cứu công nghệ và thiết bị để chế tạo các chi tiết dạng bình chứa cỡ lớn

Cấu tạo của bồn áp lực hình trụ nằm ngang bao gồm những bộ phận sau: Thân hình trụ; hai đầu dạng chỏm cầu, thân và đầu chỏm cầu được hàn tổ hợp với nhau để tạo nên phần chính của bồn; cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ĐỂ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT DẠNG BÌNH CHỨA CỠ LỚN

Chuyên ngành : Chế tạo máy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Đoàn Trung Kiên - học viên lớp Cao học Chế tạo máy – Khoá 2009 – Viện Cơ Khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sỹ khoa học này do tôi tự làm, các nguồn tài liệu tham khảo là do tôi thu thập và dịch từ các tài liệu chuẩn nước ngoài Số liệu trong bản luận văn này là số liệu thực tế, không bịa đặt

Nếu có bất cứ sai phạm nào tôi xin chịu trách nhiệm trước hội đồng tốt nghiệp

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6 

DANH MỤC CÁC BẢNG 7 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8 

MỞ ĐẦU 11 

Chương1 14 

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ BỒN CHỨA 23M 3 14  1.1 Khái quát về các sản phẩm bình, bồn chứa áp lực 14 

1.2 Giới thiệu chung công nghệ chế tạo bình, bồn chứa áp lực cỡ lớn đáy dạng chỏm cầu 15 

1.2.1 Thiết bị miết chỏm cầu 16 

1.2.2 Thiết bị và công nghệ lốc thân bồn 18 

1.2.3 Các bộ phận, chi tiết chịu áp lực khác 18 

1.2.4 Hàn nối thân hình trụ và chỏm bồn 18 

1.2.4.1 Kiểm tra chất lượng mối hàn nối 19 

1.3 Tính toán thiết kế bồn chứa 23m3 19 

1.3.1 Cơ sở tính toán bồn chứa áp lực cỡ lớn theo tiêu chuẩn quốc tế 19 

1.3.2 Tính toán thiết kế bồn 23m3 theo tiêu chuẩn ASME VIII-2010 21 

1.3.2.1 Tính toán chiều dày vỏ bồn 23m3 theo tiêu chuẩn ASME VIII-2010 21 

1.3.2.2 Tính chiều dày chỏm hình elip bồn 23m3 theo ASME VIII-2010 21 

1.3.2.3 Tính toán ứng suất tại các mối hàn của bồn thiết kế 23 

1.3.2.4 Tính toán vỏ bồn hình trụ chịu ứng suất dọc (mối hàn theo chu vi) 28  1.3.2.5 Tính chiều dày vỏ bồn hình trụ theo bán kính ngoài (vỏ chịu ứng suất vòng) 29 

1.3.2.6 Tính chiều dày vỏ bồn hình trụ chịu ứng suất vòng (mối hàn dọc thân) 29 

1.3.2.7 Tính chiều dày vỏ bồn hình trụ chịu ứng suất dọc (mối hàn theo chu

vi) 30 

1.3.3 Tính toán chiều dày vỏ bồn theo tiêu chuẩn ASME VIII-Division2-2010 30 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 30 

Chương 2 32 

CÔNG NGHỆ MIẾT CHỎM CẦU 32 

2.1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình miết 32 

2.1.1 Khái niệm và phân loại 32 

2.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp miết 34 

2.1.2.1 Ưu điểm 34 

2.1.2.2 Nhược điểm 35 

2.1.2.3 Công nghệ chế tạo chỏm cầu 35 

2.1.2.4 Quá trình miết 35 

2.1.3 Đặc điểm công nghệ miết 36 

2.1.3.1 Vùng biến dạng khi miết 36 

2.2 Tính toán công nghệ miết chỏm cầu 37 

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của máy miết chỏm cầu 37 

2.2.2 Sơ đồ động của máy miết chỏm cầu 38 

2.2.3 Tính toán cụm trục dẫn động chính 42 

2.2.3.1 Tính động học hệ dẫn động 42 

2.2.3.2 Thiết kế biên dạng quả cầu tạo hình 47 

2.2.3.3 Thiết kế cụm trụ đỡ và trụ kẹp phôi 50 

2.2.3.4 Thiết kế cụm con lăn đỡ 51 

2.2.4 Thiết kế hệ thống thủy lực 51 

2.2.4.1 Nguyên lý làm việc hệ thống thủy lực 51 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 53 

Chương 3 54 

CÔNG NGHỆ LỐC THÂN BỒN CHỨA 54 

3.1 Công nghệ uốn lốc ống trên máy uốn 3 trục 55 

3.1.1 Trạng thái ứng suất biến dạng của vật liệu trong quá trình uốn 55 

3.1.2 Tính toán công nghệ uốn lốc chi tiết thân bồn chứa 59 

3.1.3 Tính lực uốn và mô men uốn 61 

3.2 Thiết kế máy uốn ống 3 trục dẫn động thủy lực 63 

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý 63 

3.2.2 Thiết kế các cụm chi tiết máy lốc 65 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 66 

Chương 4 67 

CÔNG NGHỆ HÀN BỒN CHỨA VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG 67 

4.1 Phân tích và lựa chọn công nghệ hàn 67 

4.1.1 Đặc điểm công nghệ hàn dưới lớp thuốc bảo vệ 67 

4.2 Thiết bị hàn dưới lớp thuốc bảo vệ 68 

4.3 Thiết kế đồ gá hàn 70 

4.3.1 Sơ đồ nguyên lý 71 

4.3.2 Thông số kỹ thuật của máy 72 

4.3.3 Thiết kế con lăn đỡ phôi 73 

4.4 Phương pháp hàn thân bồn và chỏm bồn 73 

4.4.1 Vát mép thân bồn và chỏm bồn 73 

4.5 Kiểm tra chất lượng mối hàn 77 

4.5.1 Kiểm tra bằng quan sát 77 

4.5.2 Kiểm tra mối hàn bằng quan sát theo tiêu chuẩn ASME IX-2010 77 

4.5.3 Kiểm tra mối hàn bằng phương pháp thẩm thấu 77 

4.5.3.1 Đặc điểm phương pháp kiểm tra thẩm thấu 77 

4.5.3.2 Kiểm tra thẩm thấu mối hàn theo ASME VIII-2010 78 

4.5.4 Kiểm tra mối hàn bằng phương pháp siêu âm 79 

4.5.4.1 Đặc điểm kiểm tra mối hàn bằng phương pháp siêu âm 79 

4.5.4.2 Kỹ thuật kiểm tra siêu âm theo tiêu chuẩn ASME IX-2010 82 

4.5.5 Kiểm tra mối hàn bằng phương pháp chụp phim mối hàn theo tiêu chuẩn

ASME IX-2010 83 

4.5.5.1 Các khái niệm khuyết tật mối hàn 83 

4.5.5.2 Chỉ tiêu yêu cầu trên kết quả chụp phim mối hàn 84 

4.6 Kiểm tra thử áp lực cho bồn áp lực 85 

4.6.1 Thử thủy lực theo tiêu chuẩn ASME VIII – 2010 85 

4.6.2 Thử áp lực bằng khí nén theo tiêu chuẩn ASME VIII-2010 86 

4.6.3 Yêu cầu về chỉ tiêu thử áp lực 87 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 87 

Chương 5 89 

MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM QUÁ TRÌNH MIẾT CHỎM CẦU 89 

5.1 Mô hình hình học 89 

5.2 Chia lưới phần tử 90 

5.3 Mô hình vật liệu 90 

5.3.1 Mô hình vật liệu phôi 90 

5.3.2 Mô hình vật liệu các chi tiết khác 90 

5.4 Các điều kiện biên 91 

5.5 Kết quả mô phỏng 95 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 97 

KẾT LUẬN 98 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 

PHỤ LỤC 102 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

bên trong của hình cầu hoặc chỏm hình cầu

inch

kính bên ngoài của hình cầu hoặc chỏm hình cầu

inch

ASME - American Society of Mechanical Engineers

ASNT - American Society for Nondestructive Testing

ASTM - American Society for Testing and Materials

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng giá trị của K (sử dụng giá trị gần nhất của D/2h trong bảng) 23 

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ MRD 1100 -1 43 

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy lốc 65 

Bảng 4.1 Thông số chính của máy hàn cần chuyên dụng 70 

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của máy rullo 72 

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật của đồ gá 73 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Một số kiểu bồn hình trụ nằm ngang 15 

Hình 1.2 Bình chứa hình trụ thẳng đứng và hình cầu 15 

Hình 1.3 Lưu đồ công nghệ chế tạo bồn 16 

Hình 1.4 Một số hình ảnh máy miết 17 

Hình 1.5 Máy uốn ngang 3 trục (lốc ống tạo ra thân bồn chứa) 17 

Hình 1.6 Mô hình đồ gá thiết bị hàn chuyên dụng 18 

Hình 1.7 Hàn nối thân hình trụ và chỏm bồn 18 

Hình 1.8 Sơ đồ kiểm tra chất lượng mối hàn bồn áp lực 19 

Hình 1.9 Hình dạng và kích thước bồn tính toán 20 

Hình 1.10 Chỏm bồn hình elip 22 

Hình 1.11 Mô hình lực và ứng suất 23 

Hình 1.12 Mô hình bồn chứa 24 

Hình 1.13 Lực tác dụng lên chỏm cầu 24 

Hình 1.14 Mô hình hệ trục tọa độ 25 

Hình 1.15 Mô hình phân tích lực tác dụng lên thân bồn 26 

Hình 1.16 Bản vẽ chế tạo bồn áp lực tính toán 28 

Hình 2.1 Hình ảnh chỏm cầu 32 

Hình 2.2 Kích thước đáy bồn hình chỏm cầu 33 

Hình 2.3 Miết chi tiết chỏm cầu với cặp con lăn tạo hình và con lăn miết 34 

Hình 2.4 Sơ đồ động của máy miết chỏm cầu 38 

Hình 2.5 Máy ép chỏm cầu 39 

Hình 2.6 Quá trình ép sơ bộ chỏm cầu 40 

Hình 2.7 Mô hình 3D nguyên công ép tạo hình (chày, cối, phôi tấm) 40 

Hình 2.8 Mô hình lực miết khi miết 41 

Hình 2.9 Bản vẽ kết cấu động cơ MRD 1100 -1 44 

Hình 2.10 Biểu đồ momen trên trục chính 46 

Hình 2.11 Kết cấu trục chính 46 

Hình 2.12 Kết cấu cụm con lăn 47 

Hình 2.13 Kết cấu ổ đũa côn 47 

Hình 2.14 Kết cấu ổ bi chặn một dãy 47 

Hình 2.15 Bản vẽ quả cầu tạo hình 48 

Hình 2.16 Mô hình 3D một số biên dạng của quả cầu tạo hình 48 

Hình 2.17 Kết cấu cụm quả cầu tạo hình 49 

Hình 2.18 Một số biên dạng của quả cầu miết 49 

Hình 2.19 Kết cấu cụm quả cầu miết 50 

Hình 2.20 a) Mô hình 3D trụ đỡ; b) Mô hình 3D trụ kẹp 51 

Hình 2.21 Cụm con lăn đỡ phôi 51 

Hình 2.22 Sơ đồ bố trí các thiết bị thủy lực 52 

Hình 3.1 Một số kiểu máy uốn ngang và khả năng công nghệ của máy 54 

Hình 3.2 a) Sơ đồ uốn lốc 3 trục; b) Sơ đồ uốn lốc 4 trục 55 

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý uốn thuần túy 55 

Hình 3.4 Trạng thái ứng suất và biến dạng khi uốn phôi dải rộng 56 

Hình 3.5 Phân bố ứng suất khi uốn có và không có hóa bền 58 

Hình 3.6 Bản vẽ chi tiết sản phẩm thân bồn 60 

Hình 3.7 Sơ đồ quy trình uốn lốc thân bồn 60 

Hình 3.8 Mô men quán tính của mặt cắt ngang phôi 61 

Hình 3.9 Các lực tác dụng lên phôi uốn trong quá trình lốc 62 

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý máy uốn lốc ngang 3 trục 64 

Hình 3.11 Hình ảnh máy lốc ống 66 

Hình 4.1 Nguyên lý hàn dưới lớp thuốc bảo vệ 67 

Hình 4.2 Thiết bị hàn dưới lớp thuốc bảo vệ 69 

Hình 4.3 Máy hàn cần tự động dưới lớp thuốc 69 

Hình 4.4 Máy hàn cần tự động chuyên dụng dưới lớp thuốc 70 

Hình 4.5 Hình ảnh rullo hàn 71 

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý rullo hàn 71 

Hình 4.7 Mô hình 3D thiết bị đồ gá hàn ( Rullo hàn) 72 

Hình 4.8 Mô hình 3D Rullo hàn 73 

Hình 4.9 Vát mép chiều dày 6mm tới 22mm thân bồn và chỏm bồn 74 

Hình 4.10 Vát mép chiều dày lớn hơn 22mm thân bồn và chỏm bồn 74 

Hình 4.11 Hàn đối đầu tấm có chiều dày không bằng nhau 74 

Hình 4.12 Hàn đối đầu tấm dày hơn chỏm cầu 75 

Hình 4.13 Hàn đối đầu tấm mỏng hơn chỏm cầu 75 

Hình 4.14 Mặt cắt ngang mối hàn giữa thân và chỏm bồn 76 

Hình 4.15 Mặt cắt ngang mối hàn dọc thân bồn 76 

Hình 4.16 Nguyên tắc kiểm tra bằng thấm thuốc nhuộm 78 

Hình 4.17 Dùng màn tinh thể thạch anh để dò tìm các dao động siêu âm 80 

Hình 4.18 Kỹ thuật truyền để dò tìm khuyết tật trong mối hàn 81 

Hình 4.19 Hình ảnh xung phản xạ thể hiện trên màn hình hiển thị của máy kiểm tra siêu âm 82 

Hình 4.20 Thể hiện Rounded indication trên phim chụp 85 

Hình 4.21 Ví dụ sơ đồ hiển thị áp suất trong quá trình thử thủy lưc 86 

Hình 4.22 Đồ thị thử áp lực 87 

Hình 5.1 a) Mô hình phôi; b) Mô hình sản phẩm 89 

Hình 5.2 Mô hình hình học mô phỏng trên phần mềm DEFORM-3D 89 

Hình 5.3 Phôi sau khi đã chia lưới phần tử 90 

Hình 5.4 Mô hình vật liệu phôi 91 

Hình 5.5 Phân tích các vận tốc góc trong quá trình miết 92 

Hình 5.6 Mô hình tính toán tốc độ tịnh tiến của con lăn 92 

Hình 5.7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ vận tốc tịnh tiến trục miết vào thời gian 94 

Hình 5.8 Hình dáng phôi trước và sau khi mô phỏng 95 

Hình 5.9 Phân bố biến dạng của phôi sau khi miết 95 

Hình 5.10 Phân bố ứng suất của phôi sau khi miết 96 

Hình 5.11 Biểu đồ ứng suất theo thời gian 96 

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngành cơ khí nói chung và ngành công nghệ gia công áp lực nói riêng đang từng ngày thay đổi với những kết quả nghiên cứu mới tiến bộ hơn, những ứng dụng mới đem lại hiệu quả ngày càng cao Trên thế giới, ở các nước phát triển, trong nhiều ngành công nghiệp đã và đang sử dụng nhiều các loại bình bồn chứa, với đủ các kích cỡ và hình dạng khác nhau Ở Việt Nam hiện nay, bình bồn chứa được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như công nghiệp hóa chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp sản xuất nước sạch, công nghiệp lọc hóa dầu, công nghiệp chế biến, tàng trữ và vận chuyển các sản phẩm dầu khí khí hóa lỏng Đặc biệt trong ngành công nghiệp dầu khí với đặc trưng

là các sản phẩm dạng thủy khí có áp suất cao, rất dễ cháy nổ nên phải sử dụng các loại bồn chứa chịu được áp lực cao, có độ bền lớn, chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn tốt

Về tổng thể các loại bình chứa trong công nghiệp và dầu khí được phân loại như sau:

− Theo kích thước bình chứa: Bình dung tích nhỏ, bình dung tích trung bình, bình dung tích lớn, bình dung tích rất lớn

− Theo hình dạng bình chứa: Bình chỏm hình nón, bình chỏm hình tròn, bình hình trụ, bình hình cầu

− Theo mục đích sử dụng: Bồn chứa bình thường, bình bồn áp lực

Để chế tạo bình chứa, cần thiết phải thành thạo phương pháp tính toán thiết kế và phương pháp chế tạo, nhằm mục đích tạo ra được các dạng bình với các dung tích khác nhau, nhưng bảo đảm đúng điều kiện kỹ thuật thiết kế, bảo đảm tuổi thọ và an toàn cháy nổ Liên doanh Dầu khí Vũng Tàu, mỗi năm cần chế tạo hàng trăm các bình chứa dầu, chứa khí hóa lỏng

Luận văn “Nghiên cứu công nghệ và thiết bị để chế tạo các chi tiết dạng bình chứa

cỡ lớn” có mục tiêu và yêu cầu góp phần vào việc thực hiện nhiệm vụ tự thiết kế và

chế tạo các bình chứa khí hóa lỏng, giảm thiểu nhập ngoại, tại Liên doanh Dầu khí Vũng Tàu

Để đáp ứng yêu cầu thực của Liên doanh, Luận văn nghiên cứu thiết kế và xác định công nghệ chế tạo bình chứa hình trụ nằm ngang dung tích 23 m3 phục vụ cho chứa khí hóa lỏng có áp suất cao

Cấu tạo của bồn áp lực hình trụ nằm ngang bao gồm những bộ phận sau: Thân hình trụ; hai đầu dạng chỏm cầu, thân và đầu chỏm cầu được hàn tổ hợp với nhau

để tạo nên phần chính của bồn; các phần phụ khác như chân bồn, móng bồn, các miệng có hàn mặt bích Luận văn tập trung tính toán thiết kế và chế tạo thân bồn, các chi tiết phụ được đưa vào các tài liệu phụ trợ khác

Các công nghệ chính chế tạo bồn gồm:

− Công nghệ miết: Tạo ra phần chỏm cầu

− Công nghệ uốn lốc ống: Tạo ra phần thân hình trụ

− Công nghệ hàn : Hàn ghép tổ hợp thành sản phẩm hoàn chỉnh

Có nhiều dạng công nghệ dùng để chế tạo chỏm cầu, nhưng luận văn chọn một công nghệ tiên tiến là công nghệ miết để chế tạo chỏm cầu, do phương pháp miết khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp dập khác

Luận văn gồm các phần sau:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan công nghệ chế tạo và thiết kế bồn chứa 23m3

Chương 2 Công nghệ miết chỏm cầu

Chương 3 Công nghệ lốc thân bồn chứa

Chương 4 Công nghệ hàn bồn chứa và kiểm tra chất lượng

Chương 5 Mô phỏng kiểm nghiệm quá trình miết chỏm cầu

đúng yêu cầu của Bộ GD&ĐT Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu chưa được nhiều nên luận văn của tôi không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của hội đồng phản biện, các thầy cô, cùng các bạn đồng nghiệp để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

Đoàn Trung Kiên

Chương1

1.1 Khái quát về các sản phẩm bình, bồn chứa áp lực

Trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay, đặc biệt là công nghiệp dầu khí sử dụng nhiều các loại bình bồn chứa với nhiều loại hình dạng khác nhau như: hình trụ, hình cầu, hình ôvan, hình nón

Với bồn chứa hình trụ nằm ngang có các dạng như sau:

Hình 1.2 Bình chứa hình trụ thẳng đứng và hình cầu

1.2 Giới thiệu chung công nghệ chế tạo bình, bồn chứa áp lực cỡ lớn đáy dạng chỏm cầu

Bồn chứa áp lực cỡ lớn được chế tạo gồm 3 công nghệ chính:

− Công nghệ miết: Tạo ra phần chỏm cầu

− Công nghệ uốn ngang trên máy lốc 3 hoặc 4 trục: Tạo ra phần thân bồn chứa

− Công nghệ hàn: Hàn ghép tổ hợp các thành phần chi tiết

− Ngoài ra còn sử dụng các nguyên công kiểm tra chất lượng bồn

Để chế tạo, cần phải sử dụng một số nguyên công phụ trợ, các đồ gá, nhưng do thời gian hạn chế nên không trình bày trong luận văn

Sơ đồ Công nghệ chế tạo bình, bồn áp lực cỡ lớn đáy chỏm cầu

Vê chỏm cầu

Lốc thép tấm thân bồn

Tổ hợp Hàn thân bồn với

đáy bồn

Kiểm tra không phá hủy các mối hàn

Phun cát đạt độ sạch bề mặt

Sơn bảo vệ chống ăn mòn

Lưu kho

thành phẩm

1.2.1 Thiết bị miết chỏm cầu

Để tạo đáy dạng chỏm cầu, cần sử dụng máy miết chỏm cầu chuyên dùng Máy có nhiều dạng kích cỡ khác nhau, khả năng miết khác nhau, cần chọn máy đủ công suất theo đúng các yêu cầu kỹ thuật để tạo được chỏm cầu theo thiết kế

Hình 1.3 Lưu đồ công nghệ chế tạo bồn

Hình 1.4 Một số hình ảnh máy miết

Hình 1.5 Máy uốn ngang 3 trục (lốc ống tạo ra thân bồn chứa)

Hình 1.6 Mô hình đồ gá thiết bị hàn chuyên dụng

1.2.2 Thiết bị và công nghệ lốc thân bồn

Thân bồn được chế tạo từ thép tấm được cuốn trên máy lốc ống, sau đó hàn

1.2.3 Các bộ phận, chi tiết chịu áp lực khác

Bao gồm cụm lỗ - cửa, vách ngăn, mặt sàng, mặt bích, ống nối, chi tiết bắt chặt vv được hàn vào thân bồn chứa

1.2.4 Hàn nối thân hình trụ và chỏm bồn

Hình 1.7 Hàn nối thân hình trụ và chỏm bồn

Lập quy trình công nghệ hàn theo tiêu chuẩn ASME IX - 2010 cho từng bước công việc;

1.2.4.1 Kiểm tra chất lượng mối hàn nối

Hình 1.8 Sơ đồ kiểm tra chất lượng mối hàn bồn áp lực

Yêu cầu: Chất lượng các mối hàn nối phải thỏa mãn yêu cầu trong tiêu chuẩn ASME IX-2010 về chỉ tiêu được chấp nhận

1.3 Tính toán thiết kế bồn chứa 23m 3

1.3.1 Cơ sở tính toán bồn chứa áp lực cỡ lớn theo tiêu chuẩn quốc tế

Để tính toán bồn chứa áp lực cỡ lớn cần các thông số đầu vào cho thiết kế Luận văn thiết kế bồn chứa áp lực với thông số như sau:

1 Điều kiện làm việc của bồn chứa:

− Áp suất tại điều kiện làm việc bình thường: 12 kg/cm2

− Áp suất thiết kế của bồn: 18 kg/cm2 [255,6 (psi)]

− Nhiệt độ thiết kế: -20oC ÷ 60oC

− Hệ số mối hàn: E = 1,0

− Bồn chứa LPG, chiều cao chất lỏng lớn nhất 0,85D = 2380 (mm)

− Tỉ trọng LPG: 545 kg/m3

2 Vật liệu chế tạo bồn chứa:

− A516 Gr70, giới hạn đàn hồi 38000 (psi)

− Ứng suất tính toán: S = 20000 (psi)

− Dự trữ ăn mòn cho vật liệu bồn: 1,5 mm (0,059 inch)

3 Đặc điểm kết cấu bồn chứa:

Là bồn chứa hình trụ nằm ngang với kích thước như sau:

− Đường kính trong 2800 mm (110,24 inch)

− Chiều dài phần thân trụ 2800 mm (110,24 inch)

− Chỏm hình elip: Bán trục lớn 2800 (mm), bán trục nhỏ 1400 (mm)

Hình 1.9 Hình dạng và kích thước bồn tính toán

1.3.2 Tính toán thiết kế bồn 23m 3 theo tiêu chuẩn ASME VIII-2010

Trong tiêu chuẩn có tính toán chiều dày cho các loại bồn chứa áp lực có hình dạng phổ biến đang được sử dụng nhiều trong thực tế hiện nay như: Bồn hình trụ, bồn hình cầu, chỏm hình elip, chỏm hình đĩa cầu, chỏm hình cầu Nhưng tại nội dung của chương này ta chỉ tính toán cho bồn hình trụ đáy chỏm elip Các dạng bồn

áp lực còn lại xem tính toán trong phần phụ lục

1.3.2.1 Tính toán chiều dày vỏ bồn 23m 3 theo tiêu chuẩn ASME VIII-2010

Bồn áp lực trong tính toán này là bồn có đường hàn dọc thân nên vỏ bồn chịu ứng suất vòng do đó chiều dày tính toán như sau

Nếu vỏ bồn có chiều dày không vượt quá một nửa của bán kính bên trong bồn,

hoặc áp suất thiết kế (P) không vượt quá 0.385SE Thì chiều dày tối thiểu hoặc áp

suất làm việc cho phép lớn nhất của vỏ được tính như sau:

(1.1)0,6

PR t

SEt P

=+

• Với lý thuyết tính toán như trên ta tính chiều dày cho vỏ bồn thiết kế như sau: + Chiều dày yêu cầu tối thiểu của vỏ bồn sau uốn lốc có tính đến dự trữ ăn mòn (1,5 mm) là:

-> Chọn chiều dày vật liệu chế tạo thân là 21 (mm)

−Chiều dày tối thiểu có tính tới dự trữ ăn mòn: tca= t + CA

hay là:

0,2

SEt P

=+Hoặc:

o

PD K t

D K

Bảng 1.1 Bảng giá trị của K (sử dụng giá trị gần nhất của D/2h trong bảng)

Lưu ý: Đối với chỏm hình Elip với hệ số K >1 và tất cả chỏm hình đĩa cầu làm từ

vật liệu có độ bền kéo danh nghĩa nhỏ nhất > 70000 psi (482 MPa) Khi thiết kế sử dụng giá trị S = 20000 psi (138 MPa) tại nhiệt độ phòng

• Với lý thuyết tính toán như trên ta tính toán chiều dày chỏm bồn thiết kế như sau: + Chiều dày yêu cầu tối thiểu của chỏm bồn sau miết có tính đến dự trữ ăn mòn (1,5 mm) là:

-> Chọn chiều dày vật liệu chế tạo chỏm là 21 (mm)

1.3.2.3 Tính toán ứng suất tại các mối hàn của bồn thiết kế

Áp suất và ứng suất tại mặt cắt dọc thân bồn được mô tả như hình vẽ

a) Tính toán lực và ứng suất tại mối hàn

• Trường hợp 1: Tính ứng suất mối hàn tại áp suất thiết kế, thông số đầu vào như

+ Tính toán ứng suất tại mối hàn giữa thân bồn và chỏm bồn:

Cắt vật tại vị trí mặt cắt A-A, đặt các lực lên chỏm cầu như hình vẽ:

+ Ứng suất tại các mối hàn nối giữa thân bồn và chỏm cầu tính như sau:

6 0

1 1

Hình 1.15 Mô hình phân tích lực tác dụng lên thân bồn

Chọn hệ trục tọa độ oxy như (hình 1.15), gọi FuurΣ

là tổng các lực do áp suất bên trong bồn tác dụng lên thành bồn chiếu lên phương ox Ta có phương trình cân bằng lực:

FΣ+ +F F =uur uur uur

Chiếu lên chiều dương trục ox ta được: FΣ− −F F1 2 =0 (1.11)

-> FΣ = +F F1 2 (1.12)

1

F , F : là các nội lực tại mặt cắt 2

Tính toán FΣ: Mô hình tính toán dựa trên (hình 1.15b)

Xét phân tố có chiều rộng dφ, hợp với chiều dương trục ox một góc φ ta có:

63 126 126 0,9 0,9 63 1082

b MPa

-> Như vậy mối hàn đảm bảo độ bền

• Trường hợp 2: Tính tại áp suất thử áp lực, thông số đầu vào như sau:

( ) ( )

+ Ứng suất tại các mối hàn nối giữa thân bồn và chỏm cầu được tính như sau:

2

5 0

6 0

1 1

π

+ Tính toán ứng suất tại các mối hàn trên thân bồn

- Ứng suất tại các mối hàn trên thân gồm các thành phần sau: σ σ σx, y, z

94,5 189 189 1,35 1,35 94,5 162,52

b MPa

-> Kết luận mối hàn đủ bền trong điều kiện thử thủy lực

Với tính toán trên, ta xác định được kết cấu và các thông số của bồn như bản vẽ sau

Hình 1.16 Bản vẽ chế tạo bồn áp lực tính toán

1.3.2.4 Tính toán vỏ bồn hình trụ chịu ứng suất dọc (mối hàn theo chu vi)

Nếu chiều dày vỏ không vượt quá một nửa bán kính bên trong bồn, hoặc P

không vượt quá 1.25SE Thì chiều dày tối thiểu hoặc áp suất làm việc cho phép lớn

nhất của vỏ bồn trụ được tính như sau:

PR t

=+Chiều dày tối thiểu có tính tới dự trữ ăn mòn: tca= t + CA

hay là:

2

(1.16)0.4

SEt P

Những công thức sau liên quan đến bán kính bên ngoài của bồn, nó tương đương và

có thể được sử dụng để thay cho những công thức trên

Chiều dày tối thiểu của vỏ được tính như sau:

(1.17)0.4

o

PR t

=+Chiều dày tối thiểu có tính tới dự trữ ăn mòn: tca= t + CA

Hay là:

(1.18)0.4

o

SEt P

=

−

1.3.2.6 Tính chiều dày vỏ bồn hình trụ chịu ứng suất vòng (mối hàn dọc thân)

Nếu chiều dày của vỏ bồn t > R/2, hoặc khi P vượt quá 0.385SE Thì chiều dày tối

thiểu hoặc áp suất làm việc cho phép lớn nhất của vỏ bồn được tính như sau:

1.3.2.7 Tính chiều dày vỏ bồn hình trụ chịu ứng suất dọc (mối hàn theo chu vi)

Nếu chiều dày của vỏ t > R/2, hoặc P vượt quá 1.25SE Thì chiều dày tối thiểu hoặc

áp suất làm việc cho phép lớn nhất của vỏ bồn trụ được tính như sau:

1 1

1.3.3 Tính toán chiều dày vỏ bồn theo tiêu chuẩn ASME VIII-Division2-2010

Chiều dày bồn theo ASME VIII-Division 2-2010 thường được áp dụng để tính toán cho bồn áp lực với áp suất thiết kế trong dải 20 MPa < Pds ≤ 70 MPa

Các bồn áp lực trong thực tế thường có áp suất thiết kế nằm trong dải nhỏ hơn nên phần tính toán áp dụng theo ASME VIII-Division 2-2010 có ít ứng dụng hơn so với tính toán theo ASME VIII-Division 1-2010

Chiều dày yêu cầu tối thiểu của vỏ bồn hình trụ chịu áp suất bên trong:

Bồn chứa chất lỏng chịu áp được chế tạo từ thép tấm có độ dày trên 15mm, bằng tổ hợp nhiều công nghệ Chỏm cầu sử dụng công nghệ miết, thân bồn được chế tạo bằng phương pháp uốn lốc, các bộ phận được ghép nối với nhau bằng hàn

Để chế tạo 1 bồn chứa khí hóa lỏng cụ thể, chương 1 đưa ra phương pháp tính

18kg/cm2 Các thông số tính được là chiều dày vỏ bồn là 19,5 mm và chỏm bồn là 19,4 mm, từ đó chọn được chiều dày thép tấm cho chế tạo bồn là 21 (mm) Sau khi tính được chiều dày bồn đã tính toán kiểm nghiệm bền các mối hàn trên bồn và kết luận được các mối hàn đủ bền Bên cạnh đó trong chương cũng đưa ra lý thuyết cách tính chiều dày tối thiểu yêu cầu cho bồn hình trụ với các điều kiện đầu vào khác Những công thức tính toán đó đã tiêu chuẩn hóa được bước thiết kế ban đầu của bồn theo chuẩn quốc tế, từ đó có cơ sở cho việc chuẩn hóa các bước thiết kế chế tạo tiếp theo

có thành thẳng (trụ, côn) đến những chi tiết có hình dáng rất phức tạp (có gân, gờ, chiều dày thay đổi)

Hình 2.1 Hình ảnh chỏm cầu

Hình 2.2 Kích thước đáy bồn hình chỏm cầu

Miết kim loại tấm là một quá trình tạo hình rất linh hoạt và cho năng suất cao, được dùng để chế tạo các chi tiết dạng rỗng đối xứng trục với nhiều hình dạng phong phú Phương pháp này được sử dụng trong trường hợp nguyên công dập vuốt sâu và một số nguyên công tương tự có thể không thực hiện được khi kích thước và chiều dày phôi thay đổi hoặc trong trường hợp số lượng sản phẩm nhỏ

• Phân loại:

a) Phân loại theo đặc điểm phôi

− Miết phôi phẳng, miết phôi ống, miết phôi dạng thể tích

b) Phân loại theo hình dạng sản phẩm

− Miết phôi hình trụ, miết phôi hình elip, miết phôi hình nón, miết phôi hình cầu

c) Phân loại theo cặp dụng cụ gây biến dạng

Cặp dụng cụ:

− Dưỡng trong - con lăn miết;

− Dưỡng ngoài - con lăn miết;

− Con lăn miết - con lăn miết

Hình 2.3 Miết chi tiết chỏm cầu với cặp con lăn tạo hình và con lăn miết

2.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp miết

2.1.2.1 Ưu điểm

Miết là phương pháp tạo hình gia công áp lực các chi tiết dạng côn, trụ rỗng, bán cầu và các hình dạng tượng tự khác Một ưu điểm của phương pháp là chi phí sản phẩm thấp, chi phí cho dụng cụ biến dạng thấp, thời gian sản xuất chi tiết phức tạp thấp hơn các phương pháp khác (dập vuốt, ép chảy…), dung sai, độ bóng độ bền đạt được rất cao

Phương pháp miết tăng cơ tính kim loại bằng cách sắp xếp lại cấu trúc hạt Ví

dụ, thép cacbon thấp sẽ có ứng suất chảy tăng từ 240 – 430 MPa sau khi miết Các sản phẩm miết có sự đối xứng trục rất cao điều này vô cùng quan trọng với các chi tiết lắp ghép hay có chuyển động tròn với tốc độ cao quanh trục đối xứng

Phương pháp miết đặc biệt hiệu quả với chi tiết có đường kính lớn đến rất lớn

và chiều dày lớn, vì khi đó với những phương pháp khác cần phải có thiết bị rất lớn, nếu dập vuốt thì khuôn rất lớn, máy cũng rất lớn và có thể không thực hiện được Phương pháp miết không chỉ chế tạo được những chi tiết có tính dẻo cao mà còn sản xuất được những sản phẩm làm bằng vật liệu cứng

Đối với phương pháp miết thông thường ta có thể sử dụng máy tiện để thực hiện, đây là một điểm tương đối thuận tiện mang tính chất vạn năng của công nghệ Đối với tất cả các loại miết ta có thể thay đổi một phần nhỏ kết cấu là có thể tạo thành máy cắt chi tiết tròn bằng cách thay đổi con lăn miết bằng một con dao cắt

2.1.2.2 Nhược điểm

+ Chiều dày trên phần phôi bị miết thường không đồng đều

+ Với chi tiết dạng côn thì có tồn tại ứng suất dư nên tùy thuộc vào góc côn mà

có phải khử ứng suất dư hay không

+ Có thể gây ra rách hoặc nhăn do phần kim loại càng xa tâm quay càng dễ mất

ổn định

+ Trong một số trường hợp miết có năng suất thấp hơn nhiều so với dập vuốt + Thời gian gá đặt phôi thường lớn hơn so với phương pháp thông thường, khả năng tự động hóa kém hơn

2.1.2.3 Công nghệ chế tạo chỏm cầu

Chọn phương pháp gia công và lập quy trình công nghệ tiến hành gia công cho từng bước dưới đây;

+ Chuẩn bị phôi:

− Tính toán phôi tấm;

− Vẽ khai triển, vạch dấu trên thép tấm;

− Cắt pha theo dấu, làm sạch ba via sau cắt;

− Ghép và hàn nối (nếu kích thước thép tấm không đủ lớn)

+ Miết tạo hình: Gia công tạo hình bằng biến dạng dẻo

− Bằng máy miết: Ép mặt có bán kính cong lớn trên máy ép thuỷ lực và miết phần bán kính cong nhỏ trên máy miết

− Bằng máy ép thủy lực: Làm khuôn dập thành hình

+ Lấy dấu, cắt phần thừa sau tạo hình;

+ Vát mép cạnh trước khi hàn theo tiêu chuẩn ASME cho mối hàn đáy và thân bình Yêu cầu: Hình dạng, kích thước, dung sai phôi phẩm phải đảm bảo theo yêu cầu về dung sai trong tiêu chuẩn ASME về bồn áp lực

2.1.2.4 Quá trình miết

Tùy theo phương pháp miết mà ta có thiết bị chuyên dùng, theo phương pháp miết thông thường thì phôi được kẹp chặt và quay theo trục nòng giống như máy

tiện, hình dáng sản phẩm có biên dạng giống trục nòng, phôi được kẹp chặt bởi trục nòng và trụ kẹp (kết cấu như ụ động của máy tiện) Trong luận văn này ta đưa ra một dạng máy miết có kết cấu nêu trên để thực hiện miết chi tiết dạng chỏm cầu có đường kính lớn Trường hợp này thay vì trục nòng thì ta có con lăn tạo hình cũng là dẫn động cho phôi quay theo, trụ đỡ và trụ kẹp làm nhiệm vụ định vị phôi

Dụng cụ miết hay con lăn miết tác dụng lực tỳ vào phôi bằng các cơ cấu như: thủy lực, khí nén, cơ khí … khi đó phôi được biến dạng dẻo và thành hình theo yêu cầu

Đường kính phôi ban đầu thường lớn hơn đường kính phôi lớn nhất của chi tiết sau khi đã tạo hình cho phôi Mặc dù có sự không đồng nhất về chiều dày giữa phôi và sản phẩm nhưng xác định kích thước của phôi vẫn dựa vào nguyên lý cân

bằng thể tích

2.1.3 Đặc điểm công nghệ miết

2.1.3.1 Vùng biến dạng khi miết

Công nghệ miết có thể được áp dụng để chế tạo các sản phẩm cỡ lớn (đường kính tới 6 (m), chiều dày sản phẩm 40 (mm) Khi miết, kim loại bị biến dạng và biến cứng mãnh liệt hơn nhiều so với khi dập vuốt

Khác với các phương pháp tạo hình kim loại tấm bằng gia công áp lực khác như: dập vuốt, uốn, tóp miệng … với vùng biến dạng (ổ biến dạng) trên phần lớn thể tích kim loại biến dạng, phương pháp miết chỉ biến dạng trên một phần thể tích rất nhỏ (biến dạng cục bộ) nhờ vậy mà công và lực biến dạng giảm đi đáng kể so với các phương pháp khác

Đối với miết mỏng, trạng thái ứng suất tại ổ biến dạng là nén khối, trạng thái biến dạng là nén 2 chiều và 1 chiều kéo Với miết biến mỏng xuôi, phần chi tiết đã biến dạng chịu kéo dọc trục, với miết biến dạng ngược thì phần chưa biến dạng chịu nén

Nếu như các chi tiết có chiều dày rất nhỏ so với bán kính miết thì ta có thể coi miết là bài toán biến dạng phẳng, biến dạng theo phương tiếp tuyến (biến dạng

vòng) có thể bỏ qua với giả thiết ma sát giữa con lăn miết và phôi là rất nhỏ (ma sát lăn)

2.2 Tính toán công nghệ miết chỏm cầu

Máy miết có các thông số kỹ thuật chính sau:

Kích thước quả cầu:

Bán kính quả cầu miết 110 mm

Bán kính quả cầu tạo hình 200 mm

Khả năng làm việc của máy:

(Thép có độ bền kéo = 40 kg/mm2 và giới hạn chảy = 24 kg/mm2 )

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của máy miết chỏm cầu

Máy miết chỏm cầu có nguyên lý hoạt động tương tự như máy miết thông dụng và được đặt theo phương pháp đứng

Ở đây ta có máy miết thông dụng gồm có trục nòng được dẫn động bằng động

cơ vừa là phần kẹp phôi vừa là phần tạo hình cho sản phẩm Cụm con lăn miết di chuyển để miết thành hình cho sản phẩm

Với máy miết chỏm cầu do sản phẩm có đường kính rất lớn nên không thể dùng trục nòng để tạo hình chính cho nó, người ta thay thế bằng một con lăn tạo hình có biên dạng giống với phần tạo hình của sản phẩm, và nó cũng được dẫn động trực tiếp từ một động cơ thủy lực qua hộp giảm tốc Còn cụm định vị và kẹp phôi

được thay thế bằng hệ thống trụ đỡ và trụ kẹp phôi di chuyển dọc theo bàn máy để thay đổi đường kính của sản phẩm bằng hệ thống trục vít đai ốc dẫn động bằng một động cơ thủy lực

Năng lượng chuyển động của cụm quả cầu miết là năng lượng thủy lực

2.2.2 Sơ đồ động của máy miết chỏm cầu

Năng lượng dẫn động cho quả cầu tạo hình được cấp từ động cơ thủy lực, đồng thời nó được điều chỉnh vị trí bởi một động cơ thủy lực khác thông qua bộ truyền trục vít đai ốc Chính điều này đã tăng khả năng làm việc của máy lên rất nhiều so với trường hợp cụm quả cầu miết cố định

Năng lượng truyền cho quả cầu miết từ xi lanh thủy lực và quỹ đạo chuyển động của nó được điều khiển từ 3 xi lanh thủy lực

Hệ thống con lăn đỡ cũng được điều khiển bằng 2 xi lanh thủy lực

Hệ thống trục đỡ và trụ kẹp được điều khiển bằng hai xilanh thủy lực và hệ thống trục vít đai ốc

Hình 2.4 Sơ đồ động của máy miết chỏm cầu

• Thiết kế quy trình công nghệ tạo hình chỏm cầu:

Do đặc điểm sản phẩm có kích thước lớn (đường kính 2800mm, chiều dầy đến 21mm, chiều cao chỏm cầu 700mm) nên việc gá đặt phôi phải dùng hệ thống cầu trục, cầu trục để di chuyển phôi đến vị trí làm việc

Quy trình công nghệ chế tạo phần đáy dạng chỏm cầu của bồn chứa áp lực:

Hình 3.3 Máy ép chỏm cầu

Ở trong nguyên công ép tạo hình sơ bộ ta liên tiếp ép

trên phôi phẳng nhiều lần bằng bộ khuôn hình chỏm cầu có

kích thước tùy thuộc vào biên dạng của chỏm cầu Nhưng

nó có đường kính nhỏ hơn rất nhiều so với phôi

Lần ép đầu tiên vào chính tâm của phôi phẳng, đây là

lần ép rất quan trọng, không được phép ép quá mạnh để

tránh trường hợp phôi bị rát mỏng Để đạt được khuôn mẫu

yêu cầu phải ép 3 đến 4 lần Những lần ép tiếp theo sẽ ra xa

tâm phôi hơn cho đến hết bán kính của phôi, mỗi lần ép có

một phần trùng với lần ép trước nó và trùng với vòng ép

bên trong theo (hình3.4):

Ở trong nguyên công ép tạo hình sơ bộ ta liên tiếp ép trên phôi phẳng nhiều lần bằng bộ khuôn hình chỏm cầu có kích thước tùy thuộc vào biên dạng của chỏm cầu Nhưng nó có đường kính nhỏ hơn rất nhiều so với phôi

Cắt phôi tấm

Ép tạo hình sơ bộ chỏm theo yêu cầu

Miết chỏm cầu

Cắt miệng chỏm cầu

+ Nguyên công 1: Cắt phôi, có thể sử dụng máy chuyên

dùng với dạng phôi đường kính nhỏ và có chiều dày nhỏ

Với các phôi có đường kính lớn và chiều dày lớn thì sử

dụng cắt phôi bằng ngọn lửa Axetylen hoặc bằng dòng

Plasma trên những máy cắt CNC

+ Nguyên công 2: Ép tạo hình sơ bộ chỏm cầu, sử dụng

trên máy ép chuyên dùng có bàn máy lớn theo một phía

+ Nguyên công 3: Miết chỏm cầu

+ Nguyên công 4: Cắt miệng chỏm cầu

Hình 2.5 Máy ép chỏm cầu