5. Cấu trúc luận văn
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
(H1.13) 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 sốảnh hưởng đến quá trình tạo ra TNASC 1.3.1. Các thông sốảnh 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.
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 sốảnh 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
Chi ề u sâ u r ãnh c ắ t
(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 2mm đến vật liệu cắt. Vận tốc cắt v Chi ề u sâu rã nh c ắ t Chi ề u sâ u rã nh c ắ t
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
Inconel 0,6 Thủy tinh 7
Thép không rỉ 1,0 Marmor 6
Stellite 1,1 Granit 5
Gang đúc 1,3 Bê tông 5 ÷ 6
Thép xây dựng 1,4 Hợp kim nhôm 1,7
Chì 8,4
Bảng 1.3. Xác định các hệ số vật liệu 1.4. Công nghệ cắt bằng TNASC dưới nước
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.
CHƯƠNG II : THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TNASC DƯỚI NƯỚC 2.1. Chuyển động hạt mài trong hệ thống ống dẫn
Theo quy tắc chung của hệ thống thiết bị thí nghiệm gồm 3 phần chính : thiết bị tạo áp, thiết bị trộn hạt mài và hệ thống gia công. Dòng tia nước được tạo ra sau bơm cao áp được chia thành 2 nhánh, dòng chính tiếp tục nén qua đường ống dẫn tới vòi phun, dòng nhánh được chia qua van tiết lưu vào bình chứa hạt mài và hòa lại dòng chính qua bộ trộn. Để có được quá trình gia công tối ưu, phải đảm bảo
được quỹ đạo chuyển động của hạt mài trong quá trình trộn vào dòng tia chính lý
tưởng nhất không làm tổn hao năng lượng trong quá trình trộn. Chuyển động của hạt mài phụ thuộc vào vận tốc dòng chính sau khi qua bộ trộn, bộ trộn được thiết kế sao cho trong quá trình hòa nhập của dòng nhánh với hạt mài vào dòng chính ít tổn hao năng lượng nhất. Trong quá trình chuyển động hạt mài nhờ động năng của dòng tia nên quá trình tham gia chuyển động ngang lớn hơn rất nhiều chuyển động dọc, chuyển động dọc chỉ xuất hiện trong quá trình động năng yếu và trong quá trình hạt mài lắng đọng.
Chuyển động ngang : Quá trình chuyển động ngang của một vật chất tham gia trong ống dẫn chỉ xuất hiện khi :
Dòng chất lỏng trong trạng thái chuyển động rối
Hạt chất lỏng trong trạng thái tham gia của quần thể dòng hạt
Vận tốc dòng chỉ chỉ ra giới hạn vận tốc mà tại vận tốc đạt được này sẽ làm thay đổi