Nghiên cứu phương pháp cắt kim loại bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài

Đặc biệt phương pháp cắt bằng TNASC còn có thể gia công trong môi trường dưới mặt nước, nên đã được ứng dụng vào các lĩnh vực như : - Thay thế, sửa chữa chân giàn khoan ngoài biển - Sửa

Lê Duy Nam

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẮT KIM LOẠI BẰNG TIA NƯỚC ÁP

SUẤT CAO CÓ TRỘN HẠT MÀI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHẾ TẠO MÁY  

LỜI CAM ĐOAN

-*** -

“Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả

nghiên cứu của luận văn này chưa từng được công bố ở một công trình nào khác mà

tôi không tham gia.”

Tác giả

Lê Duy Nam

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

MỞ ĐẦU 6

1 Lý do chọn đề tài 6

2 Tính cấp thiết của đề tài 6

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 7

4 Ý nghĩa của đề tài 7

5 Cấu trúc luận văn 8

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 9

1.1 Công nghệ tia nước áp suất cao 9

1.1.1 Tia nước áp suất cao thuần khiết 11

1.1.2 Cắt bằng tia nước có hạt mài (AWJC) 15

1.1.2.1 Tia nước có trộn hạt mài không áp dạng (Injektor) 18

1.1.2.2 Tia nước trộn hạt mài có dạng “huyền phù” 19

1.1.2.3 So sánh tính năng giữa hai phương pháp trộn hạt mài 21

1.2 Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao dưới mặt nước 24

1.2.1 Sự hình thành TNASC trong không khí 24

1.2.2 Cấu trúc của dòng tia nước ASC trong lòng nước : 25

1.3 Các thông số công nghệ của phương pháp cắt bằng TNASC 28

1.3.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo ra TNASC 28

1.3.1.1 Áp suất 28

1.3.1.2 Đường kính vòi phun 28

1.3.1.3 Kích thước vòi phun 29

1.3.1.4 Hạt mài 30

1.3.1.5 Lưu lượng hạt mài : 31

1.3.2.3 Góc cắt 32

1.3.2.4 Môi trường xung quanh 33

1.3.2.5 Vật liệu cắt, chất lượng vật liệu 33

1.4 Công nghệ cắt bằng TNASC dưới nước 34

1.5 Kết luận 35

CHƯƠNG II : THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 36

CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TNASC DƯỚI NƯỚC 36

2.1 Chuyển động hạt mài trong hệ thống ống dẫn 36

2.2 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 38

2.2.1 Thiết bị tạo áp 39

2.2.2 Hệ thống trộn 43

2.2.2.1 Bình trộn hạt mài có áp 44

2.2.2.2 Bộ trộn 49

2.2.3 Thiết bị gia công 49

2.2.3.1 Buồng tạo áp suất 49

2.2.3.2 Gá cắt 52

3.1 Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm: 56

3.1.1 Thiết bị tạo áp 56

3.1.2.Thiết bị trộn: 58

3.1.2.1 Điều chỉnh lưu lượng hạt mài 58

3.1.2.2 Chọn hạt mài 60

3.1.2.3 Kiểm tra vòi phun 64

3.1.3 Hệ thống gia công 65

3.1.3.1 Buồng tạo áp 65

3.1.3.2 Gá cắt 65

3.2 Chuẩn bị mẫu 66

3.3 Phương pháp đo , đánh giá kết quả 67

3.4 Kết luận 68

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC CÁC BẢNG  

(H1.1) Sơ đồ phân loại tia nước áp suất cao 9

(H1.2) Bảng so sánh hoạt động của các loại tia nước ASC 10

(H1.3) Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nước áp suất cao 11

(H1.4) Sản phẩm được tạo hình nhờ TNASC 13

Bảng 1.1 Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước 15

(H1.5) Nguyên lý gia công bằng TNASC có trộn hạt mài 17

(H1.7) Phương pháp trộn hạt mài không áp 18

(H1.9) Các phương pháp tạo tia nước ASC trộn hạt mài có áp 19

(H1.10) Các nguyên tắc trộn hạt mài dạng huyền phù vào dòng tia chính 21

(H1.13) Dòng tia và phân chia vận tốc dòng tia trong môi trường nước 26

(H1.14) Dòng tia bị xâm thực 27

(H1.19) Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều sâu rãnh cắt 32

(H2.1) Hình ảnh hạt mài trong ống dẫn 37

(H2.2) Hệ thống thiết bị thí nghiệm 39

(H2.3) Bơm cao áp hãng Hammelmann – CHLB Đức 40

(H2.4) Bơm cao áp của Mỹ 40

(H2.5) Hệ thống trục khuỷu 41

(H2.6) Đầu bơm 42

(H2.7) Hệ thống gioăng không tiếp xúc 43

(H2.8) Hệ thống trộn của thiết bị thí nghiệm 44

(H2.9) Bình nén trong phương pháp trộn hạt mài có áp 45

(H2.10) Dòng chuyển động của hạt mài khô trong bình chứa đáy phẳng 46

(H2.11) Vùng trạng thái hạt mài trong thùng chứa 47

(H2.12) Hạt mài tồn đọng trong thùng chứa đáy phẳng 48

(H2.13) Quan hệ giữa hệ số cản và góc hợp thành của bộ trộn 49

(H2.14) Quan hệ tương ứng giữa độ sâu với áp suất môi trường .50

(H2.21) Hệ truyền chuyển động gá cắt 55

(H2.22) Hệ truyền chuyển động gá cắt 55

(H3.1) Tín hiệu đo của bộ đo tua bin cho lưu lượng dòng tổng 56

(H3.2) Bộ chuyển đổi FFT phân tích tín hiệu đo 57

(H3.3) Xác định tín hiệu đo qua tần số bơm cao áp 57

(H3.4) Sơ đồ đo lưu lượng hạt mài bằng cân định lượng 59

(H3.5) Thí nghiệm kiểm tra lưu lượng hạt mài 60

(H3.6) Chiều sâu rãnh cắt đạt được với các loại hạt mài khác nhau 62

(H3.7) So sánh tuổi thọ vòi phun khi sử dụng các loại hạt mài 62

(H3.8) Kích thước vòi phun “Suspension” 64

(H3.9) Ảnh hưởng của vòi phun đến chùm tia và vị trí bị mài mòn của vòi phun 64

(H3.10) Đồng hồ đo áp suất buồng tạo áp 65

Bảng 3.5 Thông số vật liệu 66

(H3.11) Mẫu thí nghiệm 66

(H3.12) Hình dạng vết cắt trên mẫu thí nghiệm 67

(H3.13) Cách đo giá trị min, max của chiều sâu rãnh cắt 68

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Từ bao đời nay con người đã biết khai thác năng lượng từ nước để phục vụ cho

sinh hoạt và đời sống như vận chuyển gỗ, cối giã gạo bằng sức nước để xây dựng

nhà máy phát điện, thủy lợi…Đặc biệt việc sử dụng dòng tia nước có áp suất đã

khởi sinh ra công nghệ tia nước áp lực cao Từ năm 1932 Công nghệ tia nước áp

suất cao (TNASC) được bắt đầu ứng dụng trong các ngành khai thác đá, khai thác

than và đào hầm Từ năm 1980 cùng với sự phát triển công nghệ gia công bằng tia

như tia Laser, tia lửa điện, tia Plasma, công nghệ tia nước áp suất cao đã chứng

minh được vị trí quan trọng không thể thay thế được trong nhiều ngành gia công

Công nghệ tia nước áp suất cao được ứng dụng trên hai lĩnh vực chính là làm sạch

và cắt vật liệu

2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực làm sạch, với ưu thế về môi trường và nguyên liệu sẵn có,

phương pháp làm sạch thông dụng trước đây như làm sạch vỏ tàu trước khi sơn

bằng phương pháp phun cát, xỉ, đồng gây ô nhiễm môi trường và nguồn nguyên liệu

đắt tiền Trong lĩnh vực cắt vật liệu, nhờ những tính chất lý học như ít sinh nhiệt khi

gia công, không gây tia lửa điện, không làm thay đổi cấu trúc vật liệu gia công,

công nghệ tia nước áp suất cao đã trở thành phương pháp gia công không thể thay

thế được trong một số lĩnh vực công nghiệp như cắt phá bom, cắt dỡ bình chứa xăng

dầu, hóa chất có khả năng gây cháy nổ Đặc biệt phương pháp cắt bằng TNASC còn

có thể gia công trong môi trường dưới mặt nước, nên đã được ứng dụng vào các

lĩnh vực như :

- Thay thế, sửa chữa chân giàn khoan ngoài biển

- Sửa chữa, tháo dỡ các chi tiết trong nhà máy điện hạt nhân

- Sửa chữa, tháo dỡ các công trình cầu cống, đập dưới nước

Nhằm tìm hiểu thêm về công nghệ cắt kim loại bằng tia nước áp suất cao và xem

xét đánh giá các yếu tố ảnh hưởng, nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành

sản xuất, với sự giúp đỡ của PGS TS Tăng Huy, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy

– Viện cơ khí ĐHBK Hà Nội thì tác giả đã lựa chọn đề tài :

“Nghiên cứu phương pháp cắt kim loại bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt

mài”

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Không phải phương pháp gia công nào cũng đều thích nghi khi gia công dưới

mặt nước Tại các độ sâu khác nhau, áp suất của môi trường tạo ra các điều kiện ảnh

hưởng đến quy trình gia công Việc nghiên cứu các thông số ảnh hương đến quá

trình gia công dưới mặt nước giúp chúng ta ứng dụng công nghệ tia nước áp suất

cao dưới mặt nước có hiệu quả cao hơn Đặc biệt với các tính chất ưu việt như

không sinh nhiệt, gây nổ, công nghệ TNASC đã trở thành công nghệ không thể thay

thế được trong gia công dưới mặt nước như cắt phá bể dầu, ống dẫn dầu, cắt bom

mìn, lò hạt nhân

Các thông số ảnh hưởng chính trong gia công là thông số thiết bị như áp suất bơm,

lưu lượng, đường kính vòi phun, lượng hạt mài, loại hạt mà và thông số gia công

như vận tốc gia công, khoảng cách gia công, môi trường gia công, số lần gia công

Tất cả các thông số ảnh hưởng trực tiếp nên chiều sâu rãnh cắt hoặc năng suất gia

công Việc tính toán các thông số gia công cho từng trường hợp giúp chúng ta có

được hiệu suất gia công tối ưu, mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

Mục đích của thí nghiệm là tìm hiểu được công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao

dưới mặt nước Trong mỗi loại vật liệu thì ứng với mỗi độ sâu khác nhau dưới mặt

nước cho ta các thông số gia công vận tốc cắt, khoảng cách cắt, áp suất bơm và lưu

lượng hạt mài tối ưu nhất

4 Ý nghĩa của đề tài

- Nghiên cứu công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao dưới mặt nước, khả năng

cắt và năng suất cắt trong từng thông số gia công

- Xác định ảnh hưởng của các thông số thiết bị, thông số công nghệ đến quá

trình cắt, qua đó đưa ra hàm tối ưu cho mỗi thông số gia công

- Nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu dưới nước đến các thông số gia công, qua đó

đưa ra quy trình tối ưu các thông số gia công tại mỗi độ sâu tương ứng

- Nghiên cứu quy trình trộn hạt mài dạng có áp suất để điều chỉnh chính xác lưu

lượng hạt mài và áp dụng trong gia công dưới mặt nước

- Bước đi đầu tiên, đón đầu để triển khai công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao

dưới nước, theo phương pháp trộn hạt mài có áp

5 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được chia thành 4 chương, cuối luận văn là kết luận chung và

kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm :

+ Phần mở đầu

+ Chương 1 : Tổng quan về công nghệ tia nước áp suất cao

+ Chương 2 : Thiết bị thí nghiệm cắt bằng tia nước áp suất cao dưới nước

+ Chương 3 : Xây dựng mô hình thực nghiệm cắt bằng TNASC dưới nước

+ Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo

+ Tài liệu tham khảo

+ Phần phục lục

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 1.1 Công nghệ tia nước áp suất cao

Dựa trên nguyên lý tạo thành tia, tia nước áp suất cao (Waterjetting) được chia

thành hai loại tia : tia nước thuần khiết (Pure waterjet – WJ) và tia nước trộn hạt mài

(Abrasive waterjet – AWJ) Căn cứ theo phương pháp trộn, tia nước có trộn hạt mài

chia thanh 2 loại là tia nước trộn hạt mài không áp (Abrasive Water Suspension Jet

– AWSJ) Tia nước đó có trộn hạt mài có áp được tạo nên bởi 3 nguyên tắc chính là

bơm trực tiếp, bơm gián tiếp và nguyên lý “Bypass” (Hình 1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại tia nước áp suất cao

Trong hình (H1.2) ta có thể thấy được tính năng, công dụng của 3 loại tia nước

áp suất cao : tia nước thuần khiết, tia nước trộn hạt mài không áp và tia nước trộn

Nguyên lý

“Bypass”

Bơm trực tiếp

Tia nước thuần khiết

Tia nước trộn hạt mài không áp

Tia nước trộn hạt mài có áp

Không ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất lý học vật liệu

Phương cắt Phương gia công tren mọi hướng đều, sắc

1.1.1 Tia nước áp suất cao thuần khiết

a Nguyên lý gia công

Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nước ở

áp suất cao để gia công vật liệu Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm Đường

kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt được là 1,5mm Phương pháp này còn được gọi là gia

công bằng thuỷđộng lực học Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình

(H1.3) Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nước áp suất cao

Đầu tiên nước từ thùng cấp nước đi qua bộ lọc và hòa trộn Sau đó nhờ ống dẫn

chất lỏng đi qua bộ khuyếch đại để tăng áp đến đầu phun Tại đầu phun tia nước

được phun ra mạnh hay yếu là nhờ van tiết lưu Van này được điều khiển bởi một

bộ điều khiển Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có áp suất rất lớn (thường từ 100 -

400 MPa), tốc độ tia nước từ 400 - 1000m/s Với áp suất này, khi tia nước chạm vào

bề mặt vật liệu gia công nó tạo nên áp lực lớn hơn độ bền nén của vật liệu, bề mặt

vật liệu bị nát ra và tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi tiết gia công Vậy

tia nước tạo đóng vai trò như một cái cưa cắt một vết hẹp trên vật liệu

b Các thông số công nghệ

Các thông số gia công quan trọng trong gia công bằng tia nước bao gồm :

khoảng cách gia công, đường kính lỗ vòi phun, áp suất nước và tốc độ cắt Khoảng

cách gia công là khoảng cách giữa đầu vòi phun và bề mặt gia công Thông thường

khoảng cách này là nhỏ để tia nước phân tán tới mức tối thiểu trước khi kịp đập vào

bề mặt

Khoảng cách gia công điển hình là 3,2mm Kích thước của lỗ vòi phun ảnh

hưởng đến độ chính xác của quá trình cắt lỗ vòi Vòi phun nhỏ được sử dụng trên

những vật liệu mỏng Đối với những vật liệu dày hơn thì cần có những tia phun dày

hơn và áp suất cao hơn Tốc độ cắt thường vào khoảng từ 5 - 500 mm/s tùy theo độ

dày của chi tiết gia công Phương pháp gia công tia nước thường được tự động hoá

bằng hệ thống CNC hay người máy công nghiệp Phạm vi gia công : từ 1,6 - 305

+ Có khả năng tự động hóa và người máy hóa rất cao

+ Chí phí thấp

+ Gia công đạt độ chính xác cao, bề mặt phẳng

+ Không ảnh hưởng nhiệt

+ Có thể cắt bất cứ vật liệu nào

+ Ít lãng phí chất thải sau gia công

+ Môi trường gia công trong sạch

Phạm vi ứng dụng

+ Gia công cắt : phương pháp gia công bằng tia nước được ứng dụng

trong các ngành hàng không, thực phẩm, nghệ thuật đồ họa, công nghiệp ôtô, giày dép, cao su, nhựa, đồ chơi, gỗ, luyện kim, giấy, chế tạo máy…

+ Làm sạch bề mặt trong ngành xây dựng và chế tạo máy Một số vật

liệu được cắt bằng tia nước là : các tông, thảm, lie (làm nút chai), giấy, plastic, sản phẩm gỗ, cao su, da, giấy, lá kim loại mỏng, gạch, vật liệu composite… Tùy loại vật liệu mà chiều dày cắt lên đến 25mm

và cao hơn So với các phương pháp khác, cắt bằng tia nước có năng suất cao và sạch, nên nó cũng được dùng trong công nghệ thực phẩm

để cắt và thái mỏng sản phẩm Khi đó người ta sử dụng dung dịch chất lỏng là cồn, glyxêrin hoặc dầu ăn

Công nghiệp Ứng dụng

Hàng không Tẩy mở, cao su và dầu thủy lực trên đường băng, khớp nối,

máy bay Nhôm Bụi quặng nhôm ở các máy cán, bộ lọc, nồi nấu, bể chứa,

Xi măng Xe bồn, thùng, sàn, tường, lò quay, nền lò, bộ tiền gia nhiệt

Xây dựng Bê tông, nhựa đường, xi măng hoặc aspholt trên các

phương tiện vận chuyển và máy móc, thiết bị, cốt liệu ở đập, cầu thang, kênh, cống thoát, nước xi măng

Quá trình

hóa học

Hóa chất từ các chùm ống, ống nồi hơi, bộ trao đổi nhiệt, tec, ống, bồn, van, bộ hóa hơi, lò phản ứng và lò thiết bị, tấm điện phân…

Xưởng đúc Sự bóc tách oxit kim loại, chất lưu bám, vật đúc, lò nấu và

dụng cụ khuấy, rót

Xa lộ Bùn, mỡ, nhựa đường, xi măng hoặc aspholt trên các

phương tiện vận chuyển và máy móc, nhựa đường và matit trên bê tông, khe hở giãn nở, vật sơn, ống dây điện ngầm, iột sơn cũ, và chuẩn bị rào chắn trước khi sơn

Chế tạo máy Làm sạch vật liệu và chi tiết, chuẩn bị bề mặt, làm sạch tấm

che, giá đỡ, vật liệu hình thành do bám dính

Hàng hải Hà, sinh vật biển, tẩy sơn và gỉ trên thân tàu, sàn, boong

tàu, dằn tàu, khoang chứa, téc, nồi hơi và làm sạch dưới nước các ống nền

Luyện kim Vảy cán, gì và tẩy mối hàn từ thùng mới, ống và téc, làm

sạch chi tiết, làm cùn cạnh sắc

Mỏ Tổ máy lớn và làm sạch trước bảo dưỡng giảm chắn, lưỡi

vét, hệ thống chuyển tải

Đô thị Cống và ống thoát, thiết bị vệ sinh và xe rác, bình chứa và

phục chế nhà, tường hỏng hoặc bị bào mòn

Nhà máy Làm sạch trước, tẩy chất bẩn hoặc thiết bị trước khi bảo

ống xoắn Hóa dầu Vảy và chất lưu bám trên các bộ trao đổi nhiệt, lò phản

ứng, tec, tháp làm mát, ống và thiết bị Dược phẩm Hóa chất ở nồi, ống, ống dẫn, máy trộn, bộ trao đổi nhiệt,

lò phản ứng, lọc và máy cô Bãi ống Đánh gỉ trước khi sơn lại, làm sạch sơn và dầu ở mối ren,

bùn khoan và mảnh vụn trong lòng Nhà máy điện Tro bay từ bộ tiền gia nhiệt, xỉ từ dầu đốt, xyclon, nồi hơi

và bộ siêu gia nhiệt Bột giấy

tinh luyện

(Kim loại)

Than cốc, vảy, cacbon và polymoe ở bộ trao đổi nhiệt, ống dẫn, ống và té

Cao su Latex, mủ cao su, cặn nước ở thùng phản ứng, téc chứa,

chuyển tải, bộ trao đổi nhiệt, con lăn cao su, ống dẫn

Nhà máy cưa Lóc vỏ cây

Cán thép Than cốc từ bộ trao đổi nhiệt, nồi hơi, lò nấu, máy rót và

thùng Chuẩn bị

bề mặt

Gỉ, sơn, vật đúc, phun cát ướt, phun hạt mài hòa tan

Giếng nước Lấy đi các bẩn bám và chất lắng đọng ở lưới, hộp sỏi hở

Bảng 1.1 Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước 1.1.2 Cắt bằng tia nước có hạt mài (AWJC)

a Nguyên lý gia công :

Để tăng khả năng cắt bằng tia nước nhằm cắt các vật liệu cứng như thép, thủy

tinh, bê tông hay vật liệu composite, … người ta thêm vào tia nước những hạt mài

Vì thế phương pháp này được gọi là gia công tia nước có hạt mài Nguyên lý của

phương pháp này cũng như gia công tia nước nhưng khác ở chổ là trong quá trình

hình thành tia nước áp suất cao thì cho thêm vào dòng hạt mài Vận tốc rất cao của

dòng tia khi đi qua lỗ phun sẽ tạo chân không để hút các hạt mài từ ống chứa hạt

mài, sau đó, hạt mài sẽ trộn với nước trong ống trộn Việc cấp hạt mài trong quá

trình gia công quyết định năng suất gia công

Đối với gia công tia nước có hạt mài, khi thêm những hạt mài vào tia nước sẽ

làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung một số thông số và những thông số

này phải được điều khiển Những thông số thêm vào cho quá trình là loại hạt mài,

cỡ hạt và tốc độ dòng chảy Các loại vật liệu hạt mài thường được sử dụng là

Al2O3, SiO2 và garnet, các cỡ hạt khoảng từ 60 đến 100 Lượng mài được thêm

vào trong tia nước xấp xỉ khoảng 0,3 kg/phút sau khi thoát ra vòi phun Đường kính

lỗ của vòi khoảng từ 0,25 - 0,63 mm Sở dĩ kích cỡ hơn một chút so với sự gia công

bằng tia nước là để có được tốc độ dòng chảy cao hơn và năng lượng nhiều hơn vì

bên trong nó có chứa hạt mài.Áp suất nước trong gia công bằng tia nước có hạt mài

giống trong gia công bằng tia nước Khoảng cách cho phép phải ít hơn để giảm đến

mức tối thiểu hiệu quả phân tán của chất lỏng cắt mà hiện giờ có chứa những hạt

mài Khoảng cách cho phép điển hình là khoảng ¼ hay ½ khoảng cách trong gia

công tia nước

Phương pháp gia công tia nước hay tia nước có hạt mài có thể sử dụng thay thế

cho các phương pháp gia công tia laser hay tia plasma nếu yêu cầu không có ảnh

hưởng nhiệt tại đường cắt vật liệu

(H1.5) Nguyên lý gia công bằng TNASC có trộn hạt mài

(H1.6) Các phương pháp trộn hạt mài với TNASC

1.1.2.1 Tia nước có trộn hạt mài không áp dạng (Injektor)

Để tạo tia nước có áp suất cao có hạt mài theo phương pháp này phải cần có

khoảng trộn Hạt mài khô được chứa trong thùng chứa và dẫn đến khoang trộn bằng

hệ thống định lượng qua vít tải, băng tải hoặc sàng rung Hạt mài được tia nước hút

vào khoang trộn do chênh lệch áp và hòa chung cùng dòng tia nước, ở đây hạt mài

được tăng tốc cùng vận tốc của dòng nước và bắn ra ngoài sau khi đi qua ống dẫn

hội tụ (H1.5) Do lực hút hạt mài bởi chênh lệch áp nên độ dài của ống dẫn hạt mài

là giới hạn Vì vậy trong phương pháp trộn hạt mài không áp người ta phải bố trí

thùng chứa hạt mài không quá xa với khoảng trộn Để giảm tối thiểu sự mài mòn

trong ống hội tụ, người ta phải chỉnh độ đồng trục của vòi phun và ống hội tụ, đồng

thời độ đồng trục của ống hội tụ và trục của tia nước

(H1.7) Phương pháp trộn hạt mài không áp

Do quá trình trộn hở, hạt mài được cấp liên tục từ đường dẫn nên tia AWIJ bao

gồm: nước, hạt mài và không khí Trong phương pháp trộn hạt mài không áp, cấu

trúc của tia nước áp suất cao phụ thuộc vào các thông số : áp suất bơm, đương kính

dầu phun, chiều dài lăng kính, loại hạt mài và lưu lượng hạt mài

1.1.2.2 Tia nước trộn hạt mài có dạng “huyền phù”

Trong phương pháp tia nước trộn hạt mài có áp (AWSJ) hạt mài đã được trộn

với nước trong bình nén và được tăng tốc cùng với áp suất dòng nước khi qua đầu

phun

* Các phương pháp tạo TNASC trộn hạt mài có áp

Có 3 nguyên lý tạo ra tia nước trộn hạt mài có áp : bơm trực tiếp, bơm gián tiếp,

Theo nguyên lý bơm trực tiếp, hạt mài được trộn lẫn cùng nước và bơm trực tiếp từ

bơm cao sáp ra vòi phun Nguyên lý này lần đầu được áp dụng năm 1965 trong khi

cắt phá chân giàn khoan bằng thép dầy tới 25mm dưới mặt nước với áp suất bơm là

690 bar Ngày nay nguyên lý này không được áp dụng nữa do tính mài mòn cao của

hạt mài trong quá trình bơm

Với nguyên lý bơm gián tiếp, hạt mài được trộn với nước không áp thành dạng

huyền phù “Suspension”, dung dịch trộn hạt mài được đưa vào bình chứa và nén

trực tiếp bằng piston tới vòi phun Nguyên lý này được thử nghiệm với áp suất

3790 bar tại Mỹ và được ứng dụng để khoan các đường ống dẫn dầu dưới biển Tuy

nhiên nhược điểm của nguyên lý này là khả năng định lượng và phân phối đều hạt

mài trong dung dịch trộn, để khắc phục nhược điểm này, nhiều nghiên cứu còn đưa

thêm hạt Polyme vào trong dung dịch trộn để giảm khả năng mài mòn và định

lượng hạt mài

Cách tạo ra tia WASJ thứ ba là nguyên lý nhánh “Bypass” Hạt mài được trộn trong

thùng nén có áp và được nối với đường dẫn chính có áp qua nhánh chia “Bypass”

Lượng dung dịch có hạt mài được trộn với dòng tia nước chính qua một van định

lượng, nguyên lý này hiện tại được sử dụng đến áp suất 2000 bar trong nghiên cứu

Nguyên lý nhánh bắt được ứng dụng từ năm 1986, sau một năm đã được đăng ký

bản quyền và đặc biệt được phát triển nghiên cứu, ứng dụng ở Châu Âu (nguyên lý

DIAJET, SICURJET – Anh ) và Châu Á Ưu điểm của nguyên lý này là có thể điều

chỉnh định lượng hạt mài trong dung dịch huyền phù tương đối chính xác, qua đó

chất lượng khi gia công ổng định, hiệu suất cao hơn

(H1.10) Các nguyên tắc trộn hạt mài dạng huyền phù vào dòng tia chính

Trong nguyên lý trộn “Bypass” một số thí nghiệm có trộn thêm hạt Polyme để giảm

mài mòn của hạt mài, tăng tuổi thọ của vòi phun, tăng chất lượng bề mặt gia công vì

vật việc ứng dụng tia nước áp suất cao cũng được đưa vào trong gia công tinh chế

hàng thủ công mỹ nghệ đòi hỏi chất lượng bề mặt cao

1.1.2.3 So sánh tính năng giữa hai phương pháp trộn hạt mài

Phương pháp trộn hạt mài không áp

(Abrasive Water Injecttion Jet-AWIJ)

Phương pháp trộn hạt mài có áp (Abrasive Water Suspension Jet-

AWSJ)

+ Hạt mài được tia nước hút vào

khoang trộn do chênh lệch áp và bắn ra

ngoài sau khi đi qua ốg dẫn hội tụ (hạt

mài được tăng tốc sau đầu phun)

+ Hạt mài đã được trộn với nước trong bình nén và được tăng tốc cùng với áp suất trong dòng nước khi qua đầu phun

+ Do quá trình trộn hở, hạt mài

được cấp liên tục từ đường dẫn nên tia

AWIJ bao gồm : nước chiếm khoảng

3,6%, hạt mài khoảng 4%, và không khí

khoảng 94%

+ Khoảng cách ống dẫn từ bình

chứa hạt mài đến đầu trộn là giới hạn

(không quá 20m)

+ Quá trình gia công liên tục do

hạt mài được cấp hở từ ngoài vào

+ Chiểu sâu cắt thấp hơn so với

phương pháp AWSJ

+ Thành phần tia AWSJ chỉ gồm có nước 95% và hạt mài khoảng 5%, đó cũng là nguyên nhân chính dẫn đến hiệu suất + Bình nén có thể nằm cách

xa vòi phun (đến 6000m) + Quá trình gia công không liên tục vì phải trộn nước trong bình nén

+ Chiều sâu cắt cao hơn

1.2 Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao dưới mặt nước

1.2.1 Sự hình thành TNASC trong không khí

Tia nước áp suất cao là một dòng tia có vận tốc cực lớn được tạo ra khi nước

được đẩy qua một vòi phun có tiết diện nhỏ dưới áp suất rất cao Có thể gọi là tia

nước vận tốc cao, vì tốc độ là thông số chính của dòng tia

Tia nước áp suất cao ra khỏi đầu phun được chia thành 3 vùng chính : vùng tia

liên tục, vùng tạo giọt và vùng hòa sương Tại phạm vi bắt đầu của vùng liên tục, áp

suất động bằng hằng số theo hướng dòng chảy Nó tạo ra một tia xoáy toàn bộ, đặc

chắc Sau dòng xoáy, xuất hiện các thành phần vận tốc vuông góc với hướng luồng

chính Tiết diện của “ống tia” thay đổi theo từng vị trí Do có ma sát với môi trường

xung quanh và sự khử áp của các phần tử khí trong dòng tia làm cho kích cỡ của tia

tăng lên Khoảng cách từ đầu vòi phun càng tăng lên thì tia càng mở rộng ra

Để có thể nhìn thấy cấu trúc của tia, đường phân lớp của tia được biểu diễn ở

H1.11 Tại vùng liên tục, tốc độ của tia bằng hằng số theo chiều dọc trục Ở đây

50% của tia nước được tách ra thành giọt và những “quả cầu chất lỏng” Tại vùng

tạo giọt, những “quả cầu chất lỏng” tiếp tục tách ra thành những giọt nhỏ Tốc độ

dọc sẽ giảm dần và giảm mạnh ở phạm vi hóa sương Tia sẽ tiếp tục bắn ra xa và tạo

ra trạng thái cuối cùng là hóa sương (tốc độ coi như bằng 0)

Kích thước của phạm vi ban đầu : XC = 73÷135Do, Do-đường kính đầu phun

Chiều dài vùng liên tục (ở đó tốc độ dọc trục không đổi) : Xb = 3,55XC Tác động

phá hủy của tia thay đổi theo hướng dọc trục cũng như hướng kính Bề mặt của chi

tiết nhận một tác động gần như tĩnh bởi lõi của tia ngay sau đầu phun, chỉ có xung

Khi khoảng cách tiếp tục tăng, do ma sát tăng lên (tốc độ giảm đi), hạt chất lỏng trở

nên nhỏ dần và tiết diện tác động lớn lên đã dẫn đến biên độ của tải trọng động vật

liệu giảm đi ở những chỗ mà khoảng cách phun lớn

1.2.2 Cấu trúc của dòng tia nước ASC trong lòng nước :

Khi dòng tia nước áp suất cao trong lòng nước, nó chịu ảnh hưởng của áp suất

môi trường và xuất hiện một vùng chuyển đổi giữa dòng tia và vùng xâm thực xuất

hiện do áp suất môi trường thay đổi

Do tác động của áp suất môi trường sẽ làm giàm vận tốc VX trong khoảng

cách x từ vòi phun Môi trường tĩnh của lòng nước bị phá vỡ qua vận tốc của dòng

tia Trong quá trình hòa trộn dòng tia trong lòng nước vận tốc của dòng tia Trong

quá trình hòa trộn dòng tia trong lòng nước vận tốc dòng tia được giảm dần theo

khoảng cách và bề rộng của dòng tia Các hạt mài sau khi rời khỏi vùng lõm (phạm

vi ban đầu) sẽ bị hãm lại và giảm dần động năng Đặc biệt là những hạt mài chuyển

động do va chạm vào thành ống vòi phun sẽ bị lệch theo trục y không tham gai quá

trình bóc tách trong khoảng cách ngắn

(H1.12) Sơ đồ cấu trúc của một tia chất lỏng

(H1.13) Dòng tia và phân chia vận tốc dòng tia trong môi trường nước

Ở độ sâu khác nhau, tương đương áp suất môi trường nước khác nhau, ảnh hưởng

đến sự xâm thực của tia nước trên bề mặt vật gia công khác nhau, dẫn đến năng suất

gia công và chiều sâu rãnh cắt khác nhau Sự xâm thực xuất hiện do các bọt khí bị

phá vỡ trong lòng chất lỏng Sự phá vỡ của bọt khí xấm thực có kết cấu và hướng

khác nhau Sự xuất hiện bọt khí xâm thực phụ thuộc vào số lượng phân chia các

“hạt mầm” trong nước Thí nghiệm hình thành xâm thực trong tia nước áp suất cao

qua vòi phun đường kính dD = 1,0 mm với các áp suất môi trường khác nhau cho ta

các hệ số xâm thực khác nhau H1.13 cho ta thấy sự hình thành các dòng xâm thực

ảnh hưởng ngoài đường kính vòi phun, nhiệt độ, còn ảnh hưởng rất lớn vào áp suất

của môi trường

(H1.14) Dòng tia bị xâm thực

Khi gia công bằng tia nước áp suất cao theo phương pháp trộn hạt mài có áp dưới

nước xuất hiện khoảng giữa tia và khoảng xung quanh một vùng hỗn hợp, nơi xuất

hiện ứng suất trượt lớn nhất và dòng chảy rối có vận tốc lớn (H1.13) Hạt mài trong

vùng hỗn hợp ít bị phanh lại nên trong khoảng cách lớn tạo ra bề rộng vết cắt lớn

hơn Vùng tạo bọt xâm thực phụ thuộc vào hình dáng của vòi phun Hình dạng của

vòi phun phải thích ứng để vùng xâm thực tạo ra sau khi dòng tia qua vòi phun và

qua đó vận tốc V0 không bị ảnh hưởng đến áp suất môi trường

1.3 Các thông số công nghệ của phương pháp cắt bằng TNASC

1.3.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo ra TNASC

Các thông số ảnh hưởng chính đến quá trình cắt bao gồm : Thông số thiết bị,

tính vật liệu gia công và thông số gia công

Thông số thiết bị gồm áp suất bơm, đường kính vòi phun dsd, hình dạng vòi phun,

lưu lượng hạt mài và loại hạt mài Mục đích của thiết bị là tạo ra năng lượng cho

các hạt mài, có vận tốc lớn bắn ra khỏi vòi phun trong môi trường là nước

Thông số vật liệu bao gồm loại vật liệu, hình dạng và chất lượng vật liệu Thông số

gia công gồm môi trường gia công (không khí, nước), vận tốc gia công, số lần cắt

trùng lặp, khoảng cách gia công và góc gia công

1.3.1.1 Áp suất

Quá trình cắt phá vật liệu xảy ra từ một ngưỡng áp suất nhất định PO phụ thuộc

vào loại vật liệu khác nhau Với hàng loạt thí nghiệm khác nhau, ngiời ta đã xác

định được áp suất nước tỉ lệ thuận với chiều sâu, chiều rộng rãnh cắt và năng suất

cắt Với phương pháp trộn hạt mài có áp, với áp suất bơm từ 20-35Mpa đã có thể

dạt được chiều sâu rãnh cắt tới 25mm đối với thép và Granit Với vận tốc cắt khác

nhau và lưu lượng hạt mà thay đổi người ta có thể xác định được áp suất cắt khởi

điểm cho mỗi loại vật liệu khác nhau

(H1.16) Kích thước vòi phun

Với áp suất bơm không đổi, đường kính vòi phun xác định lưu lượng tia nước

có chứa hạt mài qua vòi phun Với lưu lượng dòng tia không đổi, khi đường kính

vòi phun tăng thì chiều sâu, bề rộng rãnh cắt cũng tăng dẫn đến năng suất cắt tăng

1.3.1.3 Kích thước vòi phun

Kích thước của vòi phun được tiêu chuẩn hóa theo nhiều kiểu vòi phun khác

nhau Với mỗi kiểu vòi phun có dải đường kính vòi phun thay đổi từ 0,2-2,5mm,

kiểu vòi phun được xác định bởi R và đường kính đầu vào (H1.15) là một kiểu vòi

phun với R20 và đường kính đầu vào 8mm

Chiều dài vòi phun theo tiêu chuẩn nằm trong khoảng từ 15-20mm và có đầu vào

đường kính 8mm tạo độ cong đến đường kính vòi phun bởi cung bán kính 20mm

Trên lý thuyết khi đường kính vòi phun không đổi (ứng với một kiểu vòi phun) thì

chiều dài vòi phun sẽ tỷ lệ nghịch với chiều sâu rãnh cắt

1.3.1.4 Hạt mài

Kích thước hạt mài và loại hạt mài ảnh hưởng đến chiều sâu rãnh cắt, thí

nghiệm cắt Granit với kích thước hạt mài từ 383-515 và chiều sâu rãnh cắt tăng

khi đường kính hạt mài tăng

Ảnh hưởng của đường kính hạt mài và độ hạt mài còn phụ thuộc vào loại vật liệu

Thí nghiệm cho thấy rằng với các loại vật liệu khác nhau (thép, thủy tinh) chịu ảnh

hưởng các loại hạt mài khác nhau Với vật liệu giòn thì độ sắc cạnh của hạt mài làm

ảnh hưởng lớn đến chiều sâu cắt Trong gia ccông thép thì hạt mài là đá thạch anh

chỉ đạt 60% năng suất so với loại hạt mài đặc biệt có độ cứng cực lớn, nhưng hạt

mài độ cứng lớn lại làm nhanh mòi vòi phun Thí nghiệm về sử dụng lại hạt mài sau

khi cắt cho thấy có thể sử dụng lại tới 5 lần, tuy nhiên phải chọn lựa rất công phu do

sau mỗi lần cắt, kích thước hạt mài bị phá vỡ nên trong thực tế việc sử dụng lại hạt

mài hầu như không được áp dụng

(H1.17) Kích thước hạt mài

1.3.1.5 Lưu lượng hạt mài :

Hình 1.17 miêu tả ảnh hưởng lưu lượng hạt mài đến chiều sâu rãnh cắt, chiều sâu

rãnh cắt tăng khi lưu lượng hạt mài tăng đến một giá trị giới hạn cực đại, sau đó

chiều sâu rãnh cẳ ngừng tăng và có phần giảm do giá trị lưu lượng hạt mài quá cao

ảnh hưởng đến dòng tia

1.3.2 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình cắt bằng TNASC

1.3.2.1 Tốc độ dịch chuyển

Chiều sâu rãnh cắt giảm khi vận tốc cắt tăng lên Năng suất cắt tỷ lệ thuận với

vận tốc cắt và cực đại đạt giá trị vận tốc cắt tối ưu (H1.18)

Lưu lượng hạt mài mp

(H1.19) Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều sâu rãnh cắt 1.3.2.2 Khoảng cách cắt

Ngoài ảnh hưởng của hình dạng vòi phun, khi khoảng cách cắt tăng thì chiều

sâu rãnh cắt giảm do năng lượng bị tiêu hao vì ma sát trong môi trường gia công

Ảnh hưởng của khoảng cách cắt trong phạm vi ban đầu không lớn Trong gia công

dưới mặt nước, khoảng cách cắt ảnh hưởng rõ rệt hơn khi gia công trong môi trường

không khí, ảnh hưởng khoảng cách cắt biểu hiện rõ rệt ngay từ những khoảng cách

Với góc cắt khác nhau ảnh hưởng đến chiều sâu rãnh cắt Các thí nghiệm cho

thấy kết quả, trong quá trình cắt góc 900 đạt hiệu quả cao nhất khi cắt Bởi vậy yếu

tốc góc cắt chỉ được quan tâm trong các thí nghiệm làm sjach bề mặt, trong thí

nghiệm cắt góc cắt luôn được chọn tối ưu là 900

1.3.2.4 Môi trường xung quanh

Môi trường ảnh hưởng đến quá trình cắt do ma sát của hạt mài khi chuyển động

với các phần từ cấu trúc lên môi trường Trong môi trường không khí, áp suất, mật

độ không khí gây ảnh hưởng đến cấu trúc của tia nước Trong môi trường nước, độ

sâu của nước (áp suất môi trường), mật độ ảnh nước ảnh hưởng đến cấu trúc của tia

nước gây ảnh hưởng đến năng suất gia công Ngoài ra cũng có một vài trường hợp

người ta sử dụng tia nước áp suất cao trong môi trường dầu, hóa chất Đặc biệt ảnh

hưởng của quá trình gia công trong môi trường dưới nước và không khí đã được nêu

ở mục 1.2

1.3.2.5 Vật liệu cắt, chất lượng vật liệu

Để xác định ảnh hưởng chiều sâu rãnh cắt cho các vật liệu khác nhau người

ta chọn các hệ số vật liệu cho từng loại vật liệu Hệ số vật liệu được chọn trên cơ sở

vật liệu là thép không gỉ và có tỷ lệ chiều dày vật liệu/đường kính vòi phun nhỏ hơn

50

(H1.21) Ảnh hưởng của góc cắt

Cắt

Đâm Quét

0

Vật liệu dai Vật liệu giòn

Các thí nghiệm đã chứng minh khả năng cắt bằng tia nước áp suất cao dưới mặt

nước Theo kết quả thí nghiệm cắt thép tại độ sâu 300mm với đường kính vòi phun

1mm Kết quả thí nghiệm so sánh năng suất cắt giữa cắt trong môi trường không khí

và cắt trong môi trường dưới nước không chênh lệch lớn khi cắt áp suất bơm từ

15-30MPa, vận tốc cắt từ 75-150mm/phút và mật độ hạt mài 18-48% Với khoảng cách

cắt lớn hơn 10mm năng suất cắt khi cắt dưới nước giảm nhanh và với khoảng cách

cắt 25mm chiều sâu rãnh cắt khi gia công dưới mặt nước chỉ đạt một nửa so với

chiều sâu cắt trong môi trường không khí

Phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao dưới nước còn được ứng dụng

trong sửa chữa giàn khoan dầu và các công trình dưới biển Công ty Stolt Seaway

S.A đã sử dụng phương pháp trộn hạt mài có áp với áp suất bơm 35-69 Mpa để ứng

dụng trong các công trình dưới biển Khi sửa chữa cho giàn khoan dầu của BP

Magnus ở độ sâu 182m, cách đáy biển 4m, người ta đã cắt để thay thế thanh giằng

dầy 45mm và dài 700mm Tại Nauy người ta đã cắt ống dẫn dầu đường kính

400mm, thành ống dày 11-19mm dưới độ sâu 110m để phủ lớp Polypropylen bảo

vệ thành ống dẫn

áp suất bơm 33MPa, cắt ống dẫn có chiều dày thành ống 24,7mm, 5mm phủ bitum

và bao bọc bởi 100mm bê tông Thiết bị đã cắt thành công liên tục chiều dài ống

3500mm tại các độ sâu 150, 320, 500 và 600m

1.5 Kết luận

Từ nhiều năm qua nhiều thí nghiệm nghiên cứu đã chứng minh khả năng gia

công bằng tia nước áp suất cao dưới mặt nước Bằng nhiều dụng cụ, thiết bị khác

nhau để gia công ở độ sâu thật dưới nước hay tự tạo trong phòng thí nghiệm cho ra

các kết quả đều có giá trị trong ứng dụng công nghiệp Đặc biệt với sự ra đời của

phương pháp trộn hạt mài có áp đã giải quyết được mối băn khoăn lớn nhất từ trước

đến nay cho việc gia công ở độ sâu dưới nước hơn 20m, do phương pháp này ít bị

ảnh hưởng tới độ dài của ống dẫn từ bình trộn đến vòi phun Khả năng gia công

dưới mặt nước đã giúp cho việc ứng dụng công nghệ tia nước áp suất cao được mở

rộng trên nhiều ngành công nghiệp quan trọng như thay thế và sửa chữa các gian

khoan dầu dưới biển, các công trình ngầm dưới biển, lò phản ứng hạt nhân là những

vấn đề còn gặp rất nhiều khó khăn trong sửa chữa và thay thế từ trước đến nay

Phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao còn có khả năng ít gây nhiệt và

không gây nổ nên được đặc biệt quan tâm trong việc gia công các tàu chở dầu, ống

dẫn dầu và các ông trình dễ gây cháy nổ Hiện nay có rất nhiều dự án lớn tập trung

nghiên cứu ứng dụng công nghệ tia nước áp suất cao để tháo dỡ lò phản ứng hạt

nhân trong các nhà máy điện hạt nhân