5. Cấu trúc luận văn
1.3. Các thông số công nghệ của phương pháp cắt bằng 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 quỹ đạo chuyển động của hạt rắn. Các lớp hạt trôi thành dòng chỉ xuất hiện khi vận tốc đạt trên giới hạn. Khi vận tốc chia đạt đến tốc độ giới hạn hạt rắn được chuyển động theo hình thức “nhảy” từng đoạn trong lòng ống dẫn. Chuyển động nhảy được chuyển về xu hướng tĩnh nhờ lực quán tính của vật rắn. Lực quán tính được xác
Có nghĩa là lực quán tính là hàm số của 4 đại lượng đường kính của hạt mài, vận tốc chìm của hạt mài WS , mật độ của nước và tỷ lệ vận tốc .
Với những tác động đồng thời của gia tốc, lực cản và trọng lượng tạo ra chuyển đổng nhảy của hạt mài. Đối với hạt mài có trọng lượng lớn, nó sẽ được tách rời khỏi dòng chuyển động và di chuyển chậm hơn so với hạt mài có kích thước nhỏ. Khi vận tốc giới hạn dòng giảm xuất hiện chuyển động lăn, trượt của hạt mài trong đường ống. Tiếp tục giảm vận tốc dòng, xuất hiện những lớp hạt mài ở trạng thái chìm nằm yên dưới lớp lăn trượt. Lớp lắng đọng dầy lên dần nếu vận tốc dòng giảm và đến một giới hạn dòng quá nhỏ có thể làm tắc ống dẫn.
(H2.1) Hình ảnh hạt mài trong ống dẫn
Dòng tia chuyển động theo đường ống thẳng đứng :
Chuyển động của hạt mài trong đường ống thẳng đứng phụ thuộc vào vận tốc dòng tia nước, trọng lượng của hạt mài và lực cản trong môi trường nước. Vận tốc tương
đối của hạt mài wr được tính bằng hiệu số của vận tốc trung bình dòng chảy và
vận tốc hạt mài wp
Với vận tốc hạt mài wp = 0 khi hạt mài ở trạng thái lơ lửng thì vận tốc tương đối của hạt mài bằng vận tốc dòng tia.
Về lý thuyết tồn tại khoảng không tập trung các hạt mài chuyển động. Hệ số tập trung CR được xác định bằng tỷ lệ giữa lưu lượng hạt mài và lưu lượng vùng tập trung. Hệ số chuyển động vùng tập trung CT bằng tỷ lệ của lưu lượng hạt mài trên đơn vị tiết diện và tổng lưu lượng của hạt mài và dòng trên đơn vị tiết diện
CR = VP VR = VP VF +VP (2.3) CT = V&P & VF +V&P (2.4) Từ 2 công thức trên ta có : w= ′ws 1− CR Cmax ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 1−CT CR 2.5( )
Trong đó w′ là vận tốc chìm của hạt mài và Cmax là hệ số tập trung lớn nhất của dòng hạt mài
Với mật độ nước là ρw =1kg/dm3 và mật độ hạt mài là ρp =4kg / dm3ta có được
w=4,8.103
m3 m/s qua đó ta cũng tính được vận tốc dòng chảy nhỏ nhất theo
phương ống dẫn thẳng đứng là wmin =0, 024m/s. Với vận tốc giới hạn của dòng chảy giúp ta xác định được điều kiện thí nghiệm trong trường hợp ống dẫn theo phương thẳng đứng.
2.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Hệ thống thiết bị thí nghiệm theo hình vẽ gồm 3 phần chính : - Thiết bị tạo áp
(H2.2) Hệ thống thiết bị thí nghiệm 2.2.1. Thiết bị tạo áp
Thiết bị tạo áp trong hệ thống thiết bị thí nghiệm là bơm 3 pit tông, đường kính xi lanh 15mm của hãng Hammelmann – CHLBĐ. Bơm được hoạt động nhờ động cơ điện công suất 55 KW với số vòng quay lớn nhất là 200Mpa và lưu lượng là 12 lít/phút. Áp suất bơm được đặt trực tiếp qua bảng điều khiển trên bơm, tín hiệu
được chuyển qua bộ biến tần thay đổi tốc độ quay mô tơ và tạo ra áp suất mong
muốn. Ngoài ra bơm được nối với hệ thống điều khiển giúp ta có thể điều khiển, đặt áp suất tại vị trí thí nghiệm, vì trong phòng thí nghiệm bơm thường được bố trí cách xa vị trí là thí nghiệm để tránh ồn.
(H2.3) Bơm cao áp hãng Hammelmann – CHLB Đức
(H2.4) Bơm cao áp của Mỹ
Hệ thống truyền động trục khuỷu cũng là phát minh riêng trong thiết kế bơm của hãng Hamelmann, hệ thống bánh răng truyền nghiêng làm giảm tối thiểu lực dọc trục trong truyền động đảm bảo chính xác và tuổi thọ cho bơm. Hai đầu trục khuỷu được bố trí 2 ổ đỡ tạo ra tải trọng đồng đều cả 2 bên (H2.5)
(H2.5) Hệ thống trục khuỷu
Đặc biệt trong kết cấu của bơm Hammelmann là đầu bơm được thiết kế ít chi tiết, ít sử dụng đến gioăng qua đó giảm thiểu các chi tiết mài mòn, đảm bảo tuổi thọ cho bơm và độ chính xác bền vững (H2.6).
(H2.6) Đầu bơm
Kết cấu thanh gioăng dầu bơm dễ lắp ráp, có hệ thống chống xoay đảm bảo độ bền sử dụng và chống lực moment xoắn.
Hệ thống gioăng trong bơm cũng được thiết kế đặc biệt có thể chịu được nhiệt độ cao và tránh bị rò rỉ. Hệ thống gioăng không tiếp xúc với xi lanh (thiết kế đã được