Nghiên ứu quy trình ông nghệ hế tạo đường ống dẫn dầu

Đề tài có thu n l i là đã kế thậ ợ ừa được kết quả nghiên cứu trước đây vềnghiên cứu thăm dò về các tư th ế trong không gian của mối hàn, đã thu thập được một số chế độ công nghệ cho một

Trang 2

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

-

Họ và tên: NGUYỄN VĂN NGỌ

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH C NG NGH Ô Ệ CHẾ TẠO

ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU

Chuyên ngành : Công nghệ hàn

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC : CÔNG NGHỆ HÀN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS NGUYỄN TIẾN DƯƠNG

Hà Nội - Năm 2011

Trang 3

Học viên: Nguyễn Văn Ngọ LU N VĂN CÔNG NGH HÀN Ậ Ệ

1

Trang

Chương 2 Công nghệ chế ạ t o đư ờng ống dẫn dầu 17

2.1 Nghiên cứu, lựa chọn vật liệu cơ bản

2.1.1 Chọn vật liệu cơ b n đ chế ạo ống dẫn dầả ể t u 17

2.1.3 Tính toán, lựa chọn các kích thước cơ bản của ống 18

Trang 4

Chương 3 Công nghệ ắ l p đ t đư ặ ờng ống dẫn dầu 53

3.2 Công nghệ ắp đặ ệ ố l t h th ng ống lớn 55 3.3 Công nghệ ắp đặ ệ ố l t h th ng ống nhỏ 57

3.5.3 Phương pháp ểm tra ằng chụp tia bức xạ ki b

Chương 4 Côn g nghệ ử lý nhiệt sau khi hàn x 64

4.2 Cơ sở lý thuyết tính toán chế độ gia nhiệt 65

4.3.1 Thiết bị ử x lý nhiệt nung nóng bằng khí đốt 69 4.3.2 Thiết bị ử lý nhiệt nung nóng bằng điện trở x 69 4.3.3 Thiết bị ử lý nhiệt nung nóng bằng x

Trang 5

3

4.4 Th t ứ ự các bước công nghệ ử lý nhiệ x t 70

4.6 An toàn lao động và bảo vệ môi trường 71

Chương 5 Mô phỏng hàn ống bằng phần mềm ANSYS 73

Trang 6

4

Tôi là Nguyễn Văn Ngọ, học viên l p Cao h c Công nghớ ọ ệ hàn – Khoá 2009, Trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà N i Sau haộ i năm họ ậc t p nghiên cứu, được s giúp ự

đỡ ủ c a các th y cô giáo vàầ đặc biệt là sự giúp đỡ ủa c TS Nguyễn Tiến Dương đã đi

đến cu i chố ặng đường đ k t thúc khoá hể ế ọc Tôi đã quyết định chọn đ tài t t ề ốnghiệp là: “Nghiên cứu quy trình công ngh ch t o đư ng ng d n d u” ệ ế ạ ờ ố ẫ ầ

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu c a cá nhân Tủ ôi dưới s ựhướng d n c a TS Nguy n Tiẫ ủ ễ ến Dương và ch tham kh o các tài liỉ ả ệu đã được li t ệ

kê, ngo i trạ ừ các s li u, các bảố ệ ng biểu, đ th , công thồ ị ức đã được trích d n trong ẫtài li u tham kh o, n i dung công b còn l i trong luệ ả ộ ố ạ ận văn là của chính tác giả đưa

ra N u sai, tác gi xin hoàn toàn ch u trách nhiế ả ị ệm

Hà Nội, ngày….tháng 12năm 2011

H c viên ọ

Nguyễn Văn Ngọ

Trang 7

5

DANH M C CÁC KÝ HI U, CÁC CH Ụ Ệ Ữ VIẾT TẮT

d

Φ - Đường kính dây hành

U - Điện áp hồ quang h

I - Cường độ dòng điện hànd

V - Tốc độ cấp dây hành

V - Tốc độ hàn kh

Q - Lưu lượng khíkh

δ - Độ dãn dài tương đối của vật liệu

ψ - Độ co thắt tương đối của vật liệu

γ - T trỷ ọng vật liệu k

a - Độ dai va đập của vật liệu

Trang 8

6

DANH M C CÁC B Ụ ẢNG

B ng 2.1ả Thành phần hóa học của thép A53B 17

B ng 2.2ả Cơ tính của thép A53B chiều dày 1 ÷20 mm 4 17

B ng 2.3ả Kích thước phôi thép tấm theo tiêu chuẩn JISG 3193-1990 20

B ng 2.6 Thuả ốc hàn S717×M12K cho thép cacbon thấp 28

B ng 2.9ả Thành phần hóa học của que hàn phụ 29

B ng 2.11ả Tương quan giữa đường kính dây hàn và mật độ dòng điện 31

B ng 2 2ả 1 Tương quan giữa đường kính dây hàn và hệ ố s A 32

B ng 2 4ả 1 Quy trình chế ạ ống lớn đường kính từ 530 ÷ t o 1020mm

Bảng 2.15 Bảng thông số ỹ k thuật của máy hàn tự động dưới lớp thuốc 49

B ng 2.16ả Các thông số ỹ k thuật của máy hàn TIG 51

Trang 9

7

DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ , Đ TH Ồ Ị

Trang Hình 1.1 Thiết bị hàn trong khí bảo vệ COR 2 R của Falkewitch 13 Hình 1.2 Một số ệ ố h th ng thi t b hàn cế ị ủa (Nh t) ậ 14 Hình 1.3 Đồ gá định tâm trong của hãng Mathey Dearmen (Mỹ) 15

Hình 3.1 Đồ gá định tâm ngoài khi hàn ống 53

Hình 3.4 Mô hình đồ gá hàn ng lố ớn vớ ối ng nhỏ 55 Hình 3.5 L ắp đặt đường ống trên mặt đất 56

Hình 3.7 Mô hình lắp đặ ống trên biểt n 57

Hình 3.9 Hàn ng nhố ỏ và ng lớố n v i nhauớ 58 Hình 3.10 Gia cố ống bằng hàn các gân tăng cứng 59

Trang 10

8

Hình 5.2 Xác định các đoạn chia lướ ủi c a mô hình 75

Hình 6.2 Đồng hồ đo chỉ ố ực trong quá trình thử ủa máy vạn thăng s l c 86 Hình 6.3 Kiểm tra hình d ng và chạ ế độ hàn của phôi ống 87 Hình 6.4 Mặt cắt ngang m i hàn sau khi tố ẩm thực 88

Trang 11

9

L ỜI GIỚI THIỆ U

S ự phát triển của công nghiệp dầu – khí, nhất là công nghiệp khí đốt đồng nghĩa vớ ựi s phát tri n c a các h thể ủ ệ ống đường ngố , đây là phương tiệ ẻ ền r ti n và an toàn nh t Hi n nay, trên thấ ệ ế giới đã có nhiều phương tiện v n chuy n thay th ậ ể ế

những tuyế ống, đườn ng ống nhưng những đường ống, tuyế ống vẫn giữ ị trí nhất n v

định Tuy v y, v n có nhi u vậ ẫ ề ấn đề đặ t ra cho hệ ống đườ th ng ng, tuy n ố ế ống như

vấn đề ề chính trị, xã hội, môi trường và vấn đề v công ngh …Các h th ng tuy n ệ ệ ố ếống, đường ống đượ ắc l p đ t ngặ ầm dưới đáy biển hay tr i dài trên diả ện rộng hoặc bị chồng chéo lên nhau…, tạo môi trường thoát nhi t l n, đ ệ ớ ộan toàn thấp,…

Trong các Đề tài nghiên c u vứ ề tuy n ế ống, đường ống thường đi sâu vào vấn

đề công ngh , an toàn, riêng vệ ấn đề thi t k chúng ta ch ế ế ỉ quan tâm đến b dày, chi u ề ềdài tuyế ống vì nó liên quan đến n hai vấn đề ớ l n trên Vấn đề đặt ra là: Nhiệt độ dòng s n phả ẩm, các tác động của môi trường ảnh hưởng tr c tiự ếp như thế nào đ n ếchất lượng tuyến đường ng ố

Trong quá trình thi t k và v n hành các tuyế ế ậ ến đường ng d n d u – khí, ố ẫ ầ

việc duy trì cho dòng chất lưu chuyển động là một yêu cầu quan trọng hàng đầu và

đó cũng là chức năng của h th ng n đ nh nhi t Yêu cệ ố ổ ị ệ ầu này được tính toán ngay

t ừ giai đoạn thiết kế và kéo dài trong suốt quá trình phát triển, đảm bảo các chỉ tiêu

v ề công nghiệ , thương mại và dân sinhp

Trang 12

10

Do th i gian không dài và nh ng hờ ữ ạn chế ề ặ v m t ki n thế ức nên trong Đề tài

n ày chỉ nghiên cứ đến một số ấn đề cơ bản trong quy trình công nghệ chế ạ và u v t o quy trình lắp đặ đườt ng ống dẫn dầu

Trong quá trình thực hiện Đề tài em đã nhận được sự hướng dẫ , giúp đỡnnhiệt tình của Thầy TS Nguyễn Tiến Dương cùng các Thầy, Cô trong bộ môn Hàn

& Công ngh kim loệ ại Em xin chân thành cảm ơn

i, ngày….tháng 12 2011

H c viên ọ

Nguyễn Văn Ngọ

Trang 13

11

1.1 Cơ sở nghiên c u và mục đích của luận văn ứ

Nh ng ữ ống thép đường kính lớn có vai trò vô cùng quan tr ng trong nọ ền công nghi p dệ ầu khí, dùng để vận tải dầu khí Phầ ớn l n các đư ng ốờ ng dẫn dầu đ u ề

là loại có đường kính lớn Các đường ống này được chế ạ t o bằng phương pháp hàn

Để có th ti n hành xây d ng các h thể ế ự ệ ống đường ng d n d u, ta c n ph i nghiên ố ẫ ầ ầ ảcứu tính toán các loại tải trọng tác dụng lên đường ng và nghiên c u quy trình ố ứcông nghệ ch tế ạo đường ng đ ố ể đảm bảo cho hệ ống đườ th ng ống làm vi c an toàn ệtrong m t kho ng th i gian dài Hộ ả ờ ệ th ng đườố ng ng dẫố n dầu chịu nhi u loề ại tải trọng: Áp suất của dầu trong ống, khối lượng của ống, áp suất do nước biển gây ra trên ống, vận tốc dòng chảy, Kết quả ủa đề tài sẽ ợ giúp hiệu quả cho việc thiết c tr

k ế và lắp đặt hệ ố th ng đường ống dẫn dầu phục vụ cho các giàn khoan d u khí, các ầnhà máy s n xu t và tinh chả ấ ế ầ d u

1.2 T ổng quan về ệ ố h th ng đư ng ng ờ ố

1.2.1 Tình hình nghiên cứ u trong nư ớc

Trong các công trình nghiên cứu trong nước, các đề tài trước đây có liên quan

một phần tới đề tài này là:

- Đề tài nghiên cứu khoa h c và phát tri n công nghọ ể ệ ấp Nhà nướ c c giai đoạn 2001 2005, mã s- ố KC.05.09: “ Nghiên c u công ngh hàn t ng ứ ệ ự độtrong không gian nhi u chiề ều có điều khiển theo chương trình số ph c vụ ụ

việc hàn vỏ ầu thuỷ và thiết bị hoá dầu” do TS Hoàng Văn Châu làm t

Ch nhiủ ệm đề tài Trong khuôn khổ Đề tài, các nhóm tác giả đã thu được

một số ết quả nghiên cứu về công nghệ k hàn tự động trong không gian nhiều chiều có sử ụng đầu dò quỹ đạo đường hàn bằng Laser và điều dkhiển PLC thông số chế độ công ng ệ hàn phụ h thuộc vào tư thế hàn trong không gian và có thể ứng d ng cho m t sụ ộ ố tư th hàn ng ế ố

Trang 14

12

- Đề tài nghiên cứu khoa h c và phát tri n công nghọ ể ệ ấp Nhà nướ c c giai đoạn 2007 2010, mã s- ố KC.05.09/06-10: “ Nghiên c u thi t kứ ế ế ch tế ạo hệ

thống thiết bị hàn tự động nố ống đường kính lớ ở ạng thái không quay i n tr

phục vụ việc hàn chế ạ t o các đường ống thủy điện” do TS Hoàng Văn Châu làm Chủ nhiệm đềtài Trong khuôn khổ Đềtài, các nhóm tác giả đã thu được m t s k t qu nghiên c u v ộ ố ế ả ứ ề công nghệ hàn tự động trong môi trường khí b o v n i các ả ệ ố ống có đường kính l n tr ng thái không quay ớ ở ạTính m i cớ ủa đ ềtài là việc áp dụng công ngh hàn tệ ự động để ả s n xuấ ốt ng có đường kính tương đố ới l n và s k t h p nhiự ế ợ ều phương pháp hàn trong quá trình chế

tạo và lắp đặt hệ ống đườ th ng ống để đảm bảo tạo hình dạng phù hợp cho mối nối hàn

Khó khăn lớn nh t c a đ tài hi n nay m t quy trình công nghệấ ủ ề ệ ộ ch t o ế ạđường ng d n d u ố ẫ ầ ở VN là chưa có một cách đ y đ …Ngoài ra, trên tuy n ng có ầ ủ ế ốchiều dài lớn và vị trí lắp đặt khó khăn ng cũ ảnh hưởng nhiều đến chất lượng và năng suất hàn

Đề tài có thu n l i là đã kế thậ ợ ừa được kết quả nghiên cứu trước đây vềnghiên cứu thăm dò về các tư th ế trong không gian của mối hàn, đã thu thập được

một số chế độ công nghệ cho một số tư thế hàn ổn đị , đã có sự đánh giá cầnh n thi t ế

v ề nguyên vật liệu được sử ụng trong hàn ố d ng Các Đề tài nêu trên đã thực hiệ ởn các giai đoạn trước có đ c p t i về ậ ớ ấn đề công ngh v hàn ệ ề ống, nhưng còn hạn ch ế

- Ghép n i bố ằng các mặt bích: Các đoạn ống được ghép nối với nhau thông qua các mặt bích được hàn ch t vào thân ống và để đảặ m bảo độ kín cho

Trang 15

13

các mối ghép người ta thường dùng các loại gioăng giữa hai m t bích c a ặ ủhai đoạ ống Phương pháp này có nhược điển m là lãng phí vật tư và sức lao động, các m i ghép nở ố ối không có được chất lượng như mong muốn

- Ghép bằng ren: Phương pháp này chỉ dùng cho các đường ống rất

nh ỏ Trong quá trình lắp ghép cần phải taro ren nên r t phấ ức tạp, mấ ất t rnhiều công sức nhưng hiệu quả không được cao

Trong m t sộ ố các phân xưởng còn có phương pháp hàn nối các đoạ ốn ng có

độ dài nh bỏ ằng phương pháp hàn tự động dướ ới l p thu c vớ ống quay và đầố i u hàn

c ố định Đặc điểm của phương pháp hàn này là mối hàn có chất lượng cao, đáp ứng nhu c u vầ ề ự độ t ng hoá, gi i phóng sả ức lao động cho công nhân Tuy nhiên, chỉ có

th ể áp dụng được trong nhà xưởng, không áp dụng được ở ngoài công trường thi công các tuyến đường ống l n và dài vì trong quá trình hàn ng phớ ố ải quay được 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế ớ gi i, nh ng vữ ấn đề cơ giới hoá, tự động hoá vào quá trình hàn nối

h thệ ống đường ống và đã được ti n hành nghiên c u phát triế ứ ển ứng d ng vào sụ ản

xu t ấ cách đây nửa thế ỷ k

Trong quá trình thiết kế chế ạo các hệ ống thiết bị hàn nối ống, tại Mỹ, Nga vào

đầu những năm 1960, lần đầu tiên đã ứng d ng H th ng thi t b hàn t ng trong ụ ệ ố ế ị ự độmôi trường khí b o v COả ệ R 2 R với cơ cấu xích dẫn hướng c a Falkewitch v i hai đ u ủ ớ ầhàn trên m t xe (Hình ộ 1.1)

1 Động cơ 3 Đầu hàn 5 Con lăn dẫn hướng

2 Lô dây hàn 4 Xich 6 B cộ ấp dây 7 Bộ c ấp dây

Hình 1.1 Thiết bị hàn trong khí bảo vệ COR 2 R của Falkewitch

Trang 16

Cùng với sự phát tri n lể ớn mạnh của công nghệ tin, điều khiển tự động hoá trong những năm gần đây, lĩnh vực hàn ống tiếp tục có sự thay đổi về thiết bị và công nghệ

Tại Châu Á, Nhật Bản đã nghiên cứu một hệ thống thiết bị hoàn chỉnh và

đồng b v hàn n i ng không quay bao g m các nguyên công t gá lộ ề ố ố ồ ừ ắp định tâm, hàn, ch p X ray, siêu âm, x lý nhi t khụ - ử ệ ử ứng suất dư đến phử ọ b c các lớp b o vệ ả

với tên gọi là hệ ống SPREAD và đưa vào ản xuất (Hình th s 1.2)

Hình 1.2 Một số ệ ống thiết bị hàn (Nhậ h th t) Đây cũng là một công trình nghiên c u thuứ ộc loại m i nh t trên thớ ấ ế giới vềhàn tự động nố ống đười ng kính lớ ở ạn tr ng thái không quay

Trang 17

15

Một trong những vấn đề ực tiễn đặt ra cho việc hàn tự th động nố ống không i quay là vi c th c hi n gá lệ ự ệ ắp các đoạ ốn ng tại công trường Công việc này rất quan

trọng khi hàn tự động vì vừa cần đảm bảo độ đồng tâm, thẳng cần thiết cho tuyến

ống, v a cừ ần đảm b o khe h ả ở cho phép đố ới v i m i hàn t ng các tư th khác ố ự độ ở ếnhau trên chu vi ống

Đồ gá lắp và định tâm ống được phân làm hai loại:

- Đồ gá định tâm bên ngoài ống

- Đồ gá định tâm bên trong ống

Đồ gá định tâm bên ngoài ống thông thường dùng thu l c và chia làm ba ỷ ự

loại: Loại dùng dây xích, loại vành ẹp và loại lồng k

Đồ gá định tâm bên trong ng chia làm hai lo i: lo i thu l c và lo i dùng khí ố ạ ạ ỷ ự ạnén

Đi đầu trong lĩnh vực ch t o các đ ế ạ ồ gá định tâm là Hãng Mathey Dearman của Mỹ với các chủng lo i đ gá đ nh tâm trong cho ạ ồ ị ống có đường kính t 20 inchừ (529 mm) đến 60 inch (1.524 mm) và đồ gá định vị ngoài cho ống đến 6.100 mm (Hình 1.3)

Hình 1.3 Đồ gá định tâm trong của Hãng Mathey Dearman (Mỹ)

Chức năng quan trọng của các đ gá định tâm trong và ngoài là đảm bảo cho ồhai đầ ốu ng khi ghép n i tố ạo nên độ đồ ng phẳng theo đường sinh, kh c phắ ục được

độ ô-van theo chu vi ng và c ố ố định được khe h công ngh hàn c n có theo thi t k ở ệ ầ ế ế

để đả m b o chả ất lượng m i hàn n i ố ố

Trang 18

16

1.3 T ổng quan về các Tiêu chuẩn liên quan

Có nhi u tiêu chuề ẩn liên quan đến công nghệ, vật liệu và thi t bế ị hàn đường

ống Ta có thể ể k ra m t ộ vài tiêu chuẩn sau đây thường hay được áp dụng:

• ISO (International Organization for Standardization),

• AWS (American Welding Society),

• JIS (Japanese Industrial Standards),

• API (American Petroleum Institute),

• ASTM (American Society FOR Testing and Materials),

• ANSI (American National Standards Institute),

Trên cơ sở các tài li u t ng quan, Tiêu chuẩn và các thông tin thu được như ệ ổ

sơ đồ ả, b n v , hình minh ho v thi t b hàn ẽ ạ ề ế ị ống đường kính nh ỏ và đường kính l n ớ

của các nư c trong khu vực và trên thế ới, Đề tài đã chọn giải pháp tính toán thiết ớ gi

k ế quy trình hàn ống bằng phương pháp hàn MAG trong môi trường khí b o v ả ệ

COR 2 R, sử ụ d ng tối đa nguyên vậ ệt li u trong n c, ti n hành thí nghiướ ế ệm, đo đạc sau đó

áp d ng thụ ực tế Phương pháp nghiên cứu đượ c lựa chọn và đề ra là:

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và ứng dụng hàn thửnghiệm trên mẫu thử sau đó đưa ra quy trình tối ưu để áp dụng vào thực

t ế

- Ki m ể tra đánh giá chất lư ng mối hàn bằng các kợ ỹ thu t kiểậ m tra phá huỷ

và ki m tra ể không phá hủy

Trang 19

17

2.1 Nghiên cứu, lựa chọn vật liệu cơ bả n và các kích thư c cơ ớ

bản của ống

2.1.1 Chọn vật liệ u cơ b n đ chế ạ ống ẫn dầ ả ể t o d u

••••• Yêu cầu đố ớ ậ ệi v i v t li u cơ bản

- Có khả năng chống ăn mòn hoá học trong môi trường không khí ẩm

- Có chỉ tiêu về cơ tính đáp ứng yêu cầu thiết kế như: Giới hạn bền, giới

hạn chảy, đ dai va đậộ p, đ dãn dài tương đốộ i,…

- Có tính công nghệ ốt về t tính hàn và tính gia công áp lực

T ừ các yêu cầu trên ta chọn vật liệu là thép: A53B (Tiêu chu n ASTM: A53 ẩ - 01)

σR c R ( MPa )

Độ dãn dài tương đối

δR S R ( % )

Độ dai va chạm aR K R

/J.cmP -2 + 20P

Trang 20

18

2.1.2. Tính hàn của vật liệ u cơ b ản

Như ở trên ta đã lập lu n l a ch n v t li u cơ bảậ ự ọ ậ ệ n cho ng hàn là thép A53B ốTheo định nghĩa của h i hàn M (AWS ), tính hàn là kh ộ ỹ ả năng hàn được c a ủvật liệu cơ bản trong điều ki n ch tệ ế ạo đã quy định trước nh m t o ra k t c u thích ằ ạ ế ấ

hợp với thiết kế ụ ể và có tính năng thích hợp với mục đích sử ụng.Về ặt thực c th d m

tiễn, tính hàn được thể ện thông qua 3 nhóm ch tiêu là : hi ỉ

- Các chỉ tiêu tính toán (liên quan đến ch nhi t) thông qua gi n đ phân ế độ ệ ả ồ

hu cỷ ủa Austenis trong vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại mối hàn

- Các chỉ tiêu v lành lề độ ặn (liên quan đến khả năng hình thành nứt)

- Các chỉ tiêu v m t tính ch t ề ặ ấ

CR E Rđặc trưng cho tính chất của vật liệu, biểu hiện tính hàn của nó (theo [8]):

2 13 15 4 5 5 6

P Cu Ni Mo V Cr Mn C

E

Ta th y Cấ R E R= 0,36 < 0,45

Do vậy ta không c n phầ ải sử ụ d ng các biện pháp công nghệ đặ c biệt

2.1.3. Tính toán, lựa chọn các kích thước cơ bản của ống

1) Ống lớn

Chọn đường kính ống sơ bộ là: D = 1020 mm = 40 inch,

Chiều dày đường ống sơ bộ là: t = 15 mm [15]

Trang 21

V iớ : P_ Áp suất tác động lên thành ống l nớ , (MPa)

D_ Đường kính ngoài của ống l n (mm) ớ ,

Trang 22

20

D

t P

n

180

144 10 2

đặt, đ m b o yêu c u kả ả ầ ỹ thuật và tính kinh tế

2.2 Công nghệ chế ạ t o ố ng l n ớ

2.2.1 Phôi hàn ống

Trong công nghệ sản xuất ống có hai phương pháp:

- Sản xuất ống không hàn bằng phương pháp cán nóng, cán nguội

- Sản xuất ống hàn bằng phương pháp hàn

Ưu thế của phương pháp sản xuất ống hàn so với phương pháp không hàn:

- Dây chuyền sản xuất ống hàn dễ tự động hóa hơn

- Vốn đầu tư cho sản xuất ống hàn ít hơn

- Ống hàn không thua kém ống không hàn về độ bền vững

- Đối với những ống có đường kính lớn ( ˂ 530 mm) thì chỉ có thể chế tạo D thông qua phương pháp hàn hoặc đúc ly tâm Tuy nhiên, công nghệ đúc ly tâm đòi hỏi chi phí rất lớn cho máy móc và năng lượng

Vì thế ta chọn phương pháp: Sản xuất ống bằng phương pháp hàn Phôi hàn là thép tấm có chiều rộng, chiều dày và chiều dài được quy định theo tiêu chuẩn JISG

3193 – 1990 và được cho trong bảng sau:

Chiều dài ( mm ) Chiều rộng ( mm ) Chiều dày ( mm )

Trang 23

21

- Trong bảng 2.3 ta chọn phôi có kích thước phù hợp với kích thước bàn cắt của máy cắt CNC và phù hợp với kích thước phôi ống

- Phôi sẽ được cắt theo chiều dài tấm, được mô tả trong hình 1 2

Hình 2 .1 Kích thước phôi và vị trí cắt phôi

2.2.2 Cắt phôi

Phôi là những tấm thép lớn được cắt thành những tấm có kích thước như bảng 2.4

40T 40T40T

Đường kính ống (mm) Chiều rộng tấm (mm) Chiều dày tấm (mm)

Các phôi sau khi cắt sẽ được đưa lên băng truyền và được hàn liên tiếp với nhau thành dải dài vô tận, dải này sẽ được gia công trên máy tạo hình hàn để tạo – thành ống và sau đó được cắt thành những đoạn ống tiêu chuẩn (dài 10m) để thuận tiện cho việc vận chuyển

2.2.3 Quy trình sản xuất ống lớn

Trong các nhà máy lớn thường chế tạo ống hàn theo quy trình sau:

- Tạo hình phôi ống

Trang 24

22

- Hàn ống

- Cán tăng kính (cán định hình) ống hàn

Ba khâu trên được tiến hành đồng thời, liên tục trên các máy chuyên dùng

Việc tạo hình ống cho phôi được thực hiện trên các máy trục liên tục, máy nén và trên các máy tạo hình dạng ổ lót

Các mép biên của phôi sau khi đã tạo hình được liên kết với nhau bằng các phương pháp hàn: Hàn điện, hàn hồ quang,…

Để sản xuất các cỡ ống hàn khác nhau người ta thường sử dụng các phương pháp sản xuất sau:

- Hàn điện (Hàn điện trở dòng một chiều và xoay chiều, hàn cao tần, hàn cảm ứng v.v…)

- Hàn dưới lớp thuốc các ống đường kính lớn đường hàn xoắn, thẳng

- Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ

Một trong những khâu chính trong quá trình sản xuất ống hàn là quá trình tạo hình – uốn tấm phôi thẳng thành ống hình trụ Quá trình tạo hình được thực hiện ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ nung nóng sơ bộ ó hai phương pháp tạo hình: C

- Tạo hình nóng

- Tạo hình nguội

Tạo hình nóng được sử dụng trong phương pháp hàn lò liên tục (Một dạng của hàn điện trở tiếp xúc), tạo hình nguội được sử dụng cho mọi quá trình hàn ống bằng điện Từ các phương pháp tạo hình khác nhau mà cho ta sản phẩm là ống đường hàn thẳng và ống đường hàn xoắn Tuy nhiên ống đường hàn xoắn có những ưu điểm so với ống đường hàn thẳng như sau:

- Ống sản xuất từ các băng kim loại chiều rộng không lớn nên rất kinh tế

- Ống đường hàn xoắn bền vững hơn ống đường hàn thẳng do ứng suất phân

bố đều theo mọi phương còn trên các ống đường hàn thẳng ứng suất tập trung theo một phương (trên đường hàn) nên dễ bị phá hủy trong trạng thái làm việc

Trang 25

23

Để sản xuất ống có đường kính lớn (530 ÷ 2540 mm) với đường hàn xoắn người ta sử dụng hai hệ sơ đồ tạo lỗ hình:

- Đưa tấm phôi từ trên xuống (Hình 2 a) 2 -

- Đưa tấm phôi từ dưới lên (Hình 2.2- b)

a)

Trang 26

24

Hình 2.3 Sơ đồ máy tạo hình trục quay

Trên máy tạo hình dạng trục quay sử dụng phương pháp uốn hình trên máy uốn tấm Thiết bị của nó bao gồm giá máy 4 trục uốn và khung máy con lăn (hình 2.3) Các trục uốn định vị cứng trên giá đỡ và cả hệ thống đó chuyển động được dọc theo đường tâm ống Trục uốn trên định vị cứng trục uốn dưới do các cơ cấu đinh , vít điều chỉnh vị trí có thể lên xuống hoặc sang phải sang trái Tốc độ cuốn ống bằng tốc độ hàn được tính ở phần tiếp theo

O

1 2

Trang 27

2.4 Phương pháp hàn

Phương pháp hàn để chế tạo ống

Do mối hàn rất dài nên các mối hàn đều được thực hiện ở vị trí hàn sấp và hàn nhiều lớp Mối hàn tạo ống sẽ được thực hiện trong nhà máy hương P pháp hàn

có thể sử dụng là: Hàn hồ quang tay, hàn tự động, bán tự động Đặc điểm cơ bản

của các phương pháp hàn đó như sau:

- Hàn hồ quang tay: Là phương pháp hàn vạn năng, linh động và có thể hàn

ở mọi vị trí trong không gian, đầu tư nhỏ Chỉ thích hợp với các mối hàn có chiều dày nhỏ và trung bình chất lượng không yêu cầu cao, phù hợp với , hình thức sản xuất đơn chiếc

Nhược điểm: năng suất thấp và chất lượng không ổn định (phụ thuộc nhiều vào trình độ và trạng thái của người thợ hàn)

- Hàn tự động dưới lớp thuốc: Năng suất cao (gấp 5 10 lần so với hàn hồ – quang tay), tiết kiệm năng lượng, chất lượng mối hàn tốt và ổn định Hạn chế đối với các mối hàn có quỹ đạo phức tạp, ngắn hoặc phải thực hiện ở các tư thế khác tư thế hàn trần và ngang Đầu tư về thiết bị cao hơn so với phương pháp hồ quang tay Thích hợp với chiều dày trung bình và chiều dày lớn

- Hàn bán tự động dưới lớp thuốc hoặc trong môi trường khí bảo vệ: Có các đặc điểm ở mức cao hơn so với hàn hồ quang tay nhưng thấp hơn so với hàn tự động

Trang 28

vệ kim loại nóng chảy cao, không có kim loại bắn tóe, có thể hàn hầu hết các kim loại, có thể hàn kim loại không đồng nhất với nhau

Nhược điểm: Hàn TIG thường bị ảnh hưởng của gió, hình dạng và góc độ của đầu điện cực W ảnh hưởng đến bề rộng và độ sâu ngấu của mối hàn

+ Hàn MAG (GMAW) là hàn hồ quang trong môi trường khí hoạt tính, điện cực nóng chảy Phương pháp hàn MAG được sử dụng phổ biến để tự động hóa quá trình gia công và tăng năng suất hàn, cho năng suất cao hơn nhiều so với hàn hồ quang tay, nó được sử dụng để hàn các loại vật liệu như: thép cacbon thấp, thép có độ bền cao, thép không gỉ, mối hàn đẹp, bóng không phải gõ xỉ, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp Cũng giống như hàn TIG thì hàn MAG cũng chịu ảnh hưởng của gió, kim loại hay bị bắn tóe…

Để đảm bảo kinh tế, năng suất và chất lượng trên cơ sở phân tích các ưu khuyết điểm của từng phương pháp hàn, đặc điểm công nghệ của kết cấu hàn và tính khả thi trong điều kiện công nghệ ở Việt Nam, ta chọn phương pháp hàn: Hàn

tự động dưới lớp thuốc để hàn các đường xoắn của ống và được thực hiện trong phân xưởng Quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc cho tính ổn định rất cao Sự ổn định đó được đảm bảo là nhờ có mật độ điện cao, áp suất dư trong các bóng khí và các phần tử tích điện trong thuốc hàn Sự ổn định của quá trình hàn cho phép dùng dòng điện xoay chiều, hàn bằng dòng điện xoay chiều bảo đảm cho mối hàn ăn sâu vào kim loại cơ bản, xong hình dạng mối hàn không được mịn như khi hàn một

Trang 29

1) Vật liệu hàn cho hàn tự động dưới lớp thuốc

Hàn tự động dưới lớp thuốc là một quá trình phức tạp Trong quá trình này, tại vũng hàn, kim loại dây hàn, thuốc hàn và khí tạo thành trong quá trình nóng chảy lớp thuốc, đều tham gia vào quá trình hàn Thành phần và chất lượng lớp thuốc ảnh hưởng tới chất lượng và hình dạng mối hàn Vì vậy cần đảm bảo:

- Sự ổn định cho quá trình hàn

- Không có vết nứt trong kim loại mối hàn khi kim loại kết tinh lại

- Không có rỗ khí trong kim loại mối hàn

- Cơ tính của kim loại mối hàn và kim loại cơ bản

Trang 30

28

Thành phần hoá học của kim loại mối hàn

(%) ( Do dây hàn bổ xung ) Cơ tính của kim loại mối hàn

Giới hạn chảy (N/mmP

2

P

)

Giới hạn bền (N/mmP

2

P

)

Độ dãn dài (%)

Độ dai

va chạm (J)

Mác

Thành phần hoá học của kim loại

mối hàn (%)( Do thuốc hàn bổ xung )

Cơ tính của kim loại mối hàn

Giới hạn chảy (N/mm2)

Giới hạn

b n ề(N/mm2)

Độ dãn dài (%)

Độ dai

va chạm ( J)

S717×

M12K 0,07 0,35 1,4 0,012 0,010 470 560 33

-510C

90

Trang 31

- Đặc tính dây hàn: Thích hợp cho hàn góc hàn giáp mối ở mọi tư thế.,

Trang 32

Hình 2.5 Kích thước mối hàn giáp mối, hàn hai bên

Ngoài ra, khi thực hiện hàn ngoài công trường để nối các ống lớn lại với nhau thành hệ đường ống thì ta thực hiện vát mép một bên và có khe hở

Hình 2.6 Kích thước mối vát mép ống của liên kết ống lớn

Trang 33

31

2) Ống nhỏ

Do ống nhỏ có chiều t = 10 mm, nên ta cũng thực hiện vát mép như ống lớn

Hình 2.7 Kích thước mối vát mép của ống của liên kết ống nhỏ

Khi hàn ống lớn với ống nhỏ ta cũng phải thực hiện vat mép một phía và gia

cố thêm gân tăng cứng (Được trình bày ở phần chương sau)

2.7 Chế độ hàn

2.7.1. Chế độ hàn cho hàn ống lớn

1) Chế độ hàn cho hàn tự động dưới lớp thuốc

- Chiều sâu chảy lớp thứ nhất: hR 1 R= t/2 + 2 = 1 /2 + 2 = 9,5 (mm) 5

- Chọn sơ bộ đường kính dây: d = 3 mm

- Cường độ dòng hàn: I = ( 80 ÷ 100 )hR 1 R (2.3) ⇒⇒ I = ( 80 ÷ 100 ).9,5 760 95= ÷ 0 (A)

Id

Trang 34

32

Tốc độ hàn: Để đảm bảo điều kiện kết tinh tốt của vũng hàn, tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng của vũng hàn phải không đổi Theo lý thuyết truyền nhiệt, ta có: v.I = A = const

3025

hm

3

÷

=

±+

- Hệ số ngấu : ψR n R = k’.(19 – 0,01.I).d.(U/I) (2.6)

Vì hàn bằng dòng 1 chiều cực nghịch và mật độ dòng điện j = 50(A/mm2) nên: k’ = 0,367.j0,1925 = 0,367.500,1925= 0,78

Thay số vào ta được: ψR n R = 0,78.(19 – 0,01.800).5 36/800) 1,93 ( ≈

Ta thấy hệ số ngấu nằm trong khoảng giá trị tối ưu ( từ 1,3 ÷ 2 )

Như vậy chế độ công nghệ hàn đã tính ở trên là hoàn toàn thoả mãn

- Công suất của hồ quang hàn :

q = 0,24.UR h R.IR h R η (2.7)

q = 0,24.36.800.0,95 = 6566 (cal/s)

Trang 35

33

V ới η_Là hiệu suất nhiệt của hồ quang hàn

- Năng lượng đường : qR d R = q/vR h R= 6566/0,97 = 6769 (cal/cm)

- Tính lại chiều sâu chảy khi hàn phía thứ nhất :

6769.0156,0

d h d

h

I F

v

α γ

Với IR h R 8= 00 A

αR d R _ Hệ số đắp, tra theo hình 2.8 được αR d R = 13,5( g/Ah)

γ _ Khối lượng riêng của kim loại, γ = 7,8 ( g/cm3 )

vR h R _ Vận tốc hàn, vR h R = 35 ( m/h )

Hình 2.8 Sự phụ thuộc của αR d Rvào chế độ hàn a) Dòng điện 1 chiều cực nghịch; b) Dòng điện xoay chiều

Trang 36

34

c) Dòng điện 1 chiều cực thuận; d) 2 ÷ 6 _ Đường kính dây hàn

Thay vào công thức trên tính được:

35.8,7

800.5,

d

F f tgc

b

βµ

  (2.11) Với f = 6,5 mm, β = 350 và µ = 0,73 (Hệ số chiều cao mối hàn) Ta có:

1

39, 5 6, 5 35

0, 760,73.17, 7

2 , 10

1

1 = =

= c

Trang 37

Do phôi có chiều dày t = 15 (mm),

Tuy nhiên để đảm bảo chất lượng mối hàn nên ta chọn:

Đường kính que hàn phụ theo tiêu chuẩn ASME chương IX, lấy d = 2,4 mm Cường độ dòng điện hàn tính theo công thức: I = k.d (2 3) 1 Trong đó: k _ Hệ số thực nghiệm, k = 35 ÷ 50, lấy k = 50

Suy ra: I = 50.2,4 = 120 (A)

Điện áp hàn: UR h R = a + b.lR hq R

Trong đó: a _ Điện áp rơi trên Anốt và Catốt, a = 15 ÷ 20 V

b _ Điện áp rơi trên một đơn vị chiều dài hồ quang

FR 1 R = (6÷8)d = (6÷8)2,4 =(14,4 ÷19,2) mm2

Chọn FR 1 R =15 mm2Với lớp thứ n, để tính gần đúng ta coi diện tích tiết diện ngang của các lớp sau FR n Rlà như nhau F: R n R= (8÷12)d = (19,2 ÷ 28,8)

Trong đó: FR d R là tổng diện tích tiết diện ngang kim loại đắp của mối hàn nhiều lớp

Trang 38

Năng lượng đường : q R d R = q/vR h R = 518/0,38 = 1364 (cal/cm)

Tuy nhiên, ta chỉ sử dụng một lớp hàn lót khi hàn TIG

3) Chế độ hàn cho hàn MAG

Chọn sơ bộ các thông số hàn :

+ c = 3 mm + b = 11 mm + h = 6 mm Phôi có chi u dày t = 1ề 5 (mm), ta có

- Đường kính dây hàn: Chọn d = 2 mm

- Với đường kính dây d = 2 mm theo bảng 5.10 T138 [8]

có khoảng giá trị của mật độ dòng điện tối đa: j = (65 ÷ 200) (A/mm2),

chọn j = 150 (A/mm2)

- Cường độ dòng điện hàn tính theo công thức:

) ( 471 201

65 (

2 14 , 3

4

2 2

A j

d

(2.14) Khi đó: IR h R 4= 00 A

Trang 39

3

÷

=

±+

=

−

Lấy UR h R= 35 (V)

Trang 40

Hình 2.10 Hình vẽ mối hàn giáp mốikhi hàn MAGc: Chiều cao phần lồi, c = 2 mm; α: Góc vát mép, α= 60o f: Chiều cao vát mép, f = 15 – 1,6 = 1 ,4 mm 3

Thay số vào ta được:

)(155]41)35(.4,13[2.3

215.1)35(.4,

16 155

= +

−

= nLấyn = 5 , như vậy số lớp hàn cần thiết là n = 5

Khi n = 5 ta tính lại FR n Rtừ công thức (2.16) ta có

F F

)/(72,0)/(8,258,26.8,7

400.5,13

scmh

mF

Iv

n

h d

γ α

αR d R_ Hệ số đắp, tra theo hình 2.8 được αR d R = 13,5( g/Ah)

Tiêu đề	Nghiên Cứu Quy Trình Công Nghệ Chế Tạo Đường Ống Dẫn Dầu
Tác giả	Nguyễn Văn Ngọ
Người hướng dẫn	PGS. TS Nguyễn Tiến Dương
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Hàn
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	106
Dung lượng	10,52 MB