Trong bài viết này, nhóm tác giả phân tích và mô phỏng trường nhiệt khi hàn ống thép A53 bằng quá trình hàn OT. Phương pháp mô phỏng số với sự hỗ trợ của phần mềm SYSWELD được sử dụng để mô phỏng trường nhiệt hàn.
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG SỰ CHUYỂN PHA VÀ TRƯỜNG NHIỆT KHI HÀN ỐNG THÉP A53 BẰNG QUÁ TRÌNH ORBITAL – TIG A STUDY ON PHASE TRANSITION AND TEMPERATURE FIELD SIMULATI ON DURING WELDING A53 STEEL TUBE OF ORBITAL – TIG PROCESS Ngô Hữu Mạnh, Mạc Văn Giang Email: manh.nh.1981@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 16/8/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 27/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/9/2018 Tóm tắt Quá trình hàn Orbital – TIG (OT) phức tạp thường áp dụng để thực hàn nối đường ống cố định Sự phân bố nhiệt hàn OT có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn Trong báo này, nhóm tác giả phân tích mơ trường nhiệt hàn ống thép A53 q trình hàn OT Phương pháp mơ số với hỗ trợ phần mềm SYSWELD sử dụng để mô trường nhiệt hàn Đây sở để triển khai thực nghiệm ứng dụng cơng nghệ hàn OT vào q trình sản xuất Việt Nam Từ khóa: Hàn orbital; GTAW; hàn ống tự động; chuyển pha; trường nhiệt abstract Orbital - TIG welding process is complex and is often applied to weld the connection of the fixed pipe lines The heat distribution of OT welding has strong influence to quality of the weld In this paper, the authors analyze and simulate temperature fields during welding A53 steel pipe by OT process Numerical simulation with the support of SYSWELD software is used to simulate temperature fields This is the basis for applying OT welding technology to the production process in Vietnam Keywords: Orbital welding; GTAW; pipe auto welding; phase transitions; temperature fields ĐẶT VẤN ĐỀ Quá trình hàn sửa chữa đường ống cố định lĩnh vực dầu khí, hóa chất, nhiệt điện, dược phẩm, cấp thoát nước, xử lý nước thải,… gặp nhiều khó khăn Q trình hàn gặp nhiều khó khăn phải thực vị trí khơng thuận lợi hàn loại vật liệu khác [1] Quá trình hàn phải thực ngồi cơng trường, vị trí khác khơng gian (dưới lòng đất, nước khơng), khơng gian tiếp cận vị trí hàn bị hạn chế Bên cạnh đó, hàn nối ống vị trí khó thực khơng gian, u cầu tay nghề thợ hàn cao (thường 5G 6G) làm tăng chi phí nhân cơng chi phí sản xuất dẫn đến làm giảm tính cạnh tranh doanh nghiệp Người phản biện: PGS TS Lê Thu Quý TS Trần Hải Đăng Hiện giới, số hãng sản xuất Lincoln (Mỹ), Polysoude (Pháp),… nghiên cứu, chế tạo thiết bị hàn Orbital để cung ứng cho thị trường Việc ứng dụng thiết bị hàn Orbital tự động hàn nối ống giúp nâng cao lực sản suất, chất lượng sản phẩm, đảm bảo an toàn cho người lao động thực vị trí hàn khơng thuận lợi khơng gian Ở Việt Nam, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu sâu công nghệ thiết bị hàn Orbital Năm 2011, Hoàng Văn Châu [9] nghiên cứu thiết bị hàn ống đường kính lớn trạng thái khơng quay Hiện nay, thiết bị hàn Orbital chủ yếu nhập Việt Nam từ nước có cơng nghiệp phát triển để ứng dụng vào trình hàn đường ống cố định Số lượng thiết bị hàn Orbital sử dụng hạn chế Một phần chưa tiếp cận với công nghệ hàn này, mặt khác, thiết bị hàn Orbital phức tạp chi phí đầu tư lớn Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 45 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Trong trình hàn, vật hàn bị nung nóng cục nhiệt độ cao [2] Sự giãn nở vật liệu bị nung nóng nguồn nhiệt hàn bị hạn chế vùng có nhiệt độ thấp bị gá kẹp [3] Điều dẫn đến xuất ứng suất nhiệt tức thời vật hàn ứng suất dư sau vật hàn làm nguội Việc xác định trường nhiệt hàn đóng vai trò quan trọng việc xác định ứng suất dư, biến dạng hàn tổ chức tế vi vùng liên kết hàn Vì vậy, mơ số phương pháp tốt để phân tích trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng q trình hàn Q trình mơ phần mềm SYSWELD cho phép nhận kết sát thực, rút ngắn thời gian nghiên cứu giảm chi phí thực nghiệm đó: af, ar, b c thơng số hình học XÂY DỰNG MƠ HÌNH kết mơ xác, hình ảnh mô nguồn nhiệt khối ellipsoid kép; QR hàm mật độ nguồn nhiệt Goldak cộng [5] mối tương quan kích thước nguồn nhiệt kích thước bể hàn, đồng thời cho nhận giá trị thích hợp cho af, ar, b c cách đo trực tiếp thơng số hình học bể hàn 2.2 Chia lưới gá kẹp Liên kết hàn ống chia lưới với mật độ lưới tăng dần tiến đến gần mối hàn Sự gia tăng mật độ lưới vùng mối hàn cho phép nhận rõ nét Mơ hình chia lưới trình diễn 2.1 Mơ hình nguồn nhiệt Trong q trình hàn nối ống OT, nguồn nhiệt hồ quang xác định theo công thức sau [4]: P =η ⋅ U h ⋅ I hh (1) hình đó: Uh: điện áp hồ quang (V); Hình Mơ hình chia lưới liên kết ống Ih: cường độ dòng điện hàn (A); η: hiệu suất hồ quang hàn (0,6÷0,9) Goldak cộng [5] đưa mơ hình nguồn nhiệt có mật độ phân bố ellipsoid kép xác định cách phối hợp hai khối bán ellipsoid khác để tạo thành nguồn nhiệt Liên kết ống định vị kẹp chặt hai đầu Thời gian kẹp chặt trì suốt q trình mơ để đảm bảo ống trạng thái cố định giống thực tế Hình Vị trí kẹp chặt liên kết ống 2.3 Vật liệu Hình Mơ hình nguồn nhiệt hàn [5] Mật độ nguồn nhiệt điểm (x, y, z) bên khối ellipsoid (phía trước hồ quang hàn) biểu diễn phương trình sau [4, 5]: (2) Vật liệu ống thép đúc, đường kính ngồi ống 100 mm, chiều dày thành ống mm theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6] Đây loại thép sử dụng phổ biến Việt Nam, giới Ống vát mép chữ V, góc vát 30o, chiều dài đoạn 250 mm Với điểm (x, y, z) bên khối ellipsoid thứ hai (phía sau hồ quang hàn), mật độ nguồn nhiệt biểu diễn phương trình sau [4, 5]: (3) Hình Các thơng số liên kết hàn 46 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Thành phần tính vật liệu mô tả bảng Các lớp hàn thực theo đường chu vi ống Chiều đường hàn hình Bảng Thành phần hóa học ống thép theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6] %C 0,25 %Mn %S %P 0,95 ≤0,045 ≤0,05 %Cr 0,4 %Ni 0,4 %Mo 0,15 Bảng Cơ tính ống thép theo tiêu chuẩn ASTM A 53 [6] Giới hạn bền Giới hạn chảy Độ giãn dài (MPa) (MPa) (%) > 415 > 240 > 20 Hình Trình tự thực đường hàn Dây hàn KC-28 (tiêu chuẩn AWS A5.18 ER70S-6) hãng KISWEL (Hàn Quốc) sử dụng làm vật liệu bổ sung cho trình hàn Bảng Thành phần hóa học dây hàn KC-28 [7] %C %Mn %Si %P %S 0,07 1,53 0,86 0,012 0,007 Bảng Cơ tính dây hàn KC-28 [7] Q trình hàn thực tự động để hàn hết chu vi ống Sau hàn xong đường hàn thứ I, tiếp tục thực đường hàn thứ II đường hàn phủ thứ III Khi thực đường hàn, đầu hàn dao động ngang với biên độ phù hợp để đảm bảo chiều rộng mối hàn KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Sự chuyển pha Giới hạn Giới hạn Độ giãn Độ dai va đập bền (MPa) chảy (MPa) dài (%) IV -30oC (J) > 400 > 480 > 22 ≥ 27 Khi nguồn nhiệt dịch chuyển theo quỹ đạo đường hàn, trường phân bố nhiệt độ tức thời ứng suất nhiệt xuất liên kết hàn 2.4 Chế độ hàn Các thơng số chế độ hàn có ảnh hưởng lớn đến cơng suất nguồn nhiệt, hình dạng, kích thước chất lượng mối hàn Vì vậy, việc phân tích xác định giá trị thông số chế độ hàn giúp điều tiết công suất nguồn nhiệt hàn để nhận mối hàn có hình dạng chất lượng tốt Trong thông số chế độ hàn, tác giả tính tốn xác định năm thơng số cường độ dòng hàn (Ih), điện áp hàn (Uh), tốc độ hàn (Vh), đường kính dây hàn (d), lượng đường (q) Giá trị thơng số chế độ hàn trình bày bảng Hình Biểu đồ nhiệt kim loại mối hàn Dưới tác động nguồn nhiệt hồ quang, kim loại chuyển dần từ trạng thái rắng sang trạng thái lỏng Ở nhiệt độ 1517oC, kim loại mối hàn chuyển hoàn toàn sang trạng thái lỏng Bảng Chế độ hàn ống Đường d q hàn (A) Ih (V) Uh (mm/s) Vh (mm) (J/mm) Thứ I 90 30 1,0 1,0 240 Thứ II 100 32 0,6 1,0 400 Thứ III 110 35 0,5 1,0 616 2.5 Trình tự hàn Ống có chiều dày mm nên hàn hồn thiện ba lớp hàn Mỗi lớp hàn gồm đường hàn Hình Biểu đồ chuyển pha kim loại mối hàn 1517oC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 47 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Trong thời điểm trước đó, nhiệt độ 1500oC, tổ chức kim loại mối hàn tồn hai pha lỏng với tỉ lệ 27,87%, lại pha rắn Ferrite 72,13% Khi nguội, chuyển pha phụ thuộc lớn vào tốc độ làm nguội Khi tốc độ nguội lớn, kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn nhanh Vì vậy, tồn pha ngắn Hình Biểu đồ chuyển pha kim loại mối hàn 1500oC Quá trình chuyển pha bị ảnh hưởng lớn nguồn nhiệt hàn Công suất nguồn nhiệt tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt hàn định đến tốc độ chuyển pha kim loại mối hàn Hình 11 Biểu đồ chuyển pha CCT kim loại mối hàn Tốc độ truyền nhiệt kim loại ảnh hưởng tới ứng suất nhiệt sinh trình hàn Chất lượng mối hàn liên kết hàn bị phụ thuộc lớn yếu tố Vì vậy, phân tích ảnh hưởng yếu tố cho phép dự đoán xác định giá trị tốt để nhận chất lượng mối hàn tốt Hình Sự chuyển pha kim loại mối hàn Sự chuyển hóa Austenite nguội diễn 900oC; pha Pearlite (690oC), Bainite (606oC), Ferrite (838oC), Martensite (428oC) Quá trình chuyển pha theo nhiệt độ thời gian (TTT) mơ tả hình 10 Hình 12 Biểu đồ ứng suất kéo sinh nguồn nhiệt hàn 3.2 Sự phân bố nhiệt Hình 10 Biểu đồ chuyển pha TTT kim loại mối hàn 48 Khi thực đường hàn thứ I, vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng theo thời gian trình truyền nhiệt Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng vô hướng tuyến tính Vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng hai phía hai ống dịch chuyển theo nguồn nhiệt Chiều rộng thay đổi dịch chuyển nguồn nhiệt hàn Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC chuyển biến pha, ứng suất kim loại sinh trình hàn Hình 13 Sự phân bố nhiệt hàn đường thứ I Đường hàn thứ II thực sau đường hàn thứ I kết thúc Lúc này, vùng ảnh hưởng nhiệt mở rộng đường hàn thứ I nguồn nhiệt dư đường hàn trước Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng nhiệt đường hàn thứ II khơng q lớn bị giới hạn tốc độ truyền nhiệt kim loại Hình 16 Sự phân bố nhiệt hàn ống Ở đường hàn tương ứng với chế độ hàn xác định bảng 5, mức độ ảnh hưởng nhiệt lên hai ống khác Phân tích biểu đồ thấy rằng, vị trí so với chân mối hàn, nhiệt truyền ống thép hàn đường hàn khác Ở đường hàn sau, nhiệt truyền ống lớn công suất nhiệt đường hàn lớn nguồn nhiệt dư đường hàn trước Hình 14 Sự phân bố nhiệt hàn đường thứ II Đường hàn thứ III thực sau đường hàn thứ II kết thúc Vùng ảnh hưởng nhiệt tiếp tục mở rộng so với đường hàn thứ II lượng nhiệt dư công suất nguồn nhiệt đường hàn thứ III lớn hơn, tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt lại chậm đường hàn trước Hình 17 Sự phân bố nhiệt ống thép A53 thực đường hàn Khi hàn OT, trình dịch chuyển theo đường chu vi ống dao động ngang đầu hàn tự động hóa nên phân bố nhiệt hàn ổn định Sự phân bố nhiệt ổn định hai phía ống cho phép nhận mối hàn có chất lượng cao hơn, hình dạng mối hàn hơn, phân bố ứng suất ổn định Đây lợi Hình 15 Sự phân bố nhiệt hàn đường thứ III Phân tích thấy rằng, phân bố nhiệt hai ống thép hàn đường I, II III ổn định Ở thời điểm, trường nhiệt độ tương ứng với nút xác định Điều cho phép phân tích, dự đốn xác định xu hướng nguồn nhiệt, lớn để nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ hàn OT vào thực tế sản xuất việt Nam KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả phân tích, mơ q trình chuyển pha trường nhiệt hàn ống thép A53 trình hàn Orbital - Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 49 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TIG phần mềm SYSWELD Qua nghiên cứu này, nhóm tác giả đưa số kết luận sau: Kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng nhiệt độ 1517oC Sự chuyển pha tồn pha kim loại mối hàn phụ thuộc vào công suất nguồn nhiệt, tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt tốc độ truyền nhiệt vật liệu Sự chuyển hóa Austenite nguội diễn 900oC; pha Pearlite 690oC, Bainite 606oC, Ferrite 838oC, Martensite 428oC Khi hàn OT, dịch chuyển đầu hàn tự động hóa nên phân bố nhiệt mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt hai phía ống ổn định Đây sở để nhận mối hàn liên kết hàn có chất lượng tốt ứng dụng vào thực tế sản xuất to the ASME Bioprocessing Equipment (BPE) Standard Stainless Steel America Conference [2] Nguyễn Tiến Dương (2008) Mô trình truyền nhiệt hàn NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Zienkiewicz O C (1997) The Finite Element Method Mc Graw-Hill Company, London [4] Nguyen, N.T., Ohta, A., Matsuoka, K., Suzuki, N., and Maeda, Y (1999) Analytical solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3-D moving heat sources Welding Journal Research Supplement, 265-274 [5] J Goldak, M Bibby, J Moore and B Patel (1996) Computer Modling of Heat Flow in Welds USA [6] John E Bringas (2004) Handbook of comparative world steel standards ASTM DS67B, 3rd edition, USA [7] Kiswel electrodes cataloge (2010) Kiswel welding consumables Kiswel, Korea [8] Hoàng Văn Châu (2011) Nghiên cứu thiết kế chế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Barbara K Henon, Ph.D (2008) Considerations for Orbital Welding of Corrosion Resistant Materials 50 tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống có đường kính lớn trạng thái khơng quay Đề tài khoa học công nghệ, mã số 2011-24-294, Viện Nghiên cứu Cơ khí (Narime) Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 ... đường hàn thứ II lượng nhiệt dư công suất nguồn nhiệt đường hàn thứ III lớn hơn, tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt lại chậm đường hàn trước Hình 17 Sự phân bố nhiệt ống thép A53 thực đường hàn Khi hàn. .. nguồn nhiệt, lớn để nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ hàn OT vào thực tế sản xuất việt Nam KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả phân tích, mơ q trình chuyển pha trường nhiệt hàn ống thép A53. .. lớn nguồn nhiệt hàn Công suất nguồn nhiệt tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt hàn định đến tốc độ chuyển pha kim loại mối hàn Hình 11 Biểu đồ chuyển pha CCT kim loại mối hàn Tốc độ truyền nhiệt kim