Nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ và máy uốn lốc PLC để chế tạo ống thép bằng phương pháp hàn

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

.......................................

Nguyễn Khắc Văn

Nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ và máy
uốn lốc PLC để chế tạo ống thép bằng phương
pháp hàn
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

HÀ NỘI – 2010


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo
PGS.TS. Phạm Văn Nghệ cùng toàn thể các thầy, cô trong bộ môn gia công áp lực
và viện đào tạo sau đại học, viện cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Em đã
hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học.
Nhân dịp hoàn thành luận văn cao học Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các
thầy, cô giáo trong bộ môn, viện và nhà trường Đại học Bách khoa Hà nội đã tận
tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành khóa học.

Cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình các kỹ thuật Công ty Ống thép Minh NgọcHưng Yên
Xin chân thành cám ơn các thầy phản biện đã đóng góp những ý kiến quí báu
và bổ ích để bản luận văn được hoàn thiện.
Ngày 20 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Nguyễn Khắc Văn

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
-1-


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ và máy uốn
lốc PLC để chế tạo ống thép bằng phương pháp hàn”
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Văn Nghệ.
Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
Lớp: Cao học Công nghệ Cơ khí
Chuyên ngành: Công nghệ cơ khí,
Khoá học 2008 – 2010,
Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, không nhờ, thuê, mua
hay dowload Luận văn của người khác.
Kết quả nghiên cứu trong Luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được công
bố trong công trình nghiên cứu nào.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các

thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những cam đoan trên.
Ngày 20 tháng 10 năm 2010
Học viên

Nguyễn Khắc Văn

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
-2-


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

DANH MUC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 - Hình ảnh ống thép tròn và vuông………………………………… 4
Hình 1.2- Kết cấu cầu………………………………………………………. 6
Hình 1.3- Khung, mái nhà công nghiệp và dân dụng……………………
7
Hình 1.4- Kết cấu dàn không gian………………………………………
7
Hình 1.5- Kết cấu khung xe………………………………………………
8
Hình 1.6- Các sơ đồ công nghệ chế tạo ống hàn thẳng……………………
9
Hình 1.7- Cơ cấu tách bavia trong…………………………………………
11
Hình 1.8- Sơ đồ công nghệ sản xuất ống thép xoắn………………………… 13

Hình 1.9- Máy uốn 3 trục và máy 4 trục…………………………………
13
Hình 1.10- Sơ đồ máy uốn lốc chuyên dùng sản xuất ống………………
15
Hình 1.11- Máy cán tấm …………………………………………………
18
Hình 1.12- Máy xẻ băng thép……………………………………………
18
Hình 1.13- Máy cấp phôi dạng cuộn………………………………………… 19
Hình 1.14- Giàn trữ băng…………………………………………………… 19
Hình 1.15- Máy cán uốn tạo hình…………………………………………
20
Hình 1.16- Bộ phận hàn cao tần……………………………………………
21
Hình 1.17- Cụm giá cán định kính…………………………………………
21
Hình 1.18. Bộ phận cắt ống………………………………………………… 22
Hình 1.19. Dàn xuống ống…………………………………………………. 22
Hình 2.1- Sơ đồ công nghệ sản xuất ống thep hàn ………………………… 25
Hình 2.2- Kết cấu của giá ngang…………………………………………… 27
Hình 2.3- Kết cấu giá trục đứng……………………………………………
28
Hình 2.4 - Mặt cắt ngang một số sản phẩm uốn ống điển hình……………… 31
Hình 2.5 - Mặt cắt ngang một số sản phẩm uốn dị hình…………………
32
Hình 2.6 - Hệ số Ks phụ thuộc vào chiều dày So…………………………
51
Hình 2.7- Trục ngang trên giàn máy cán…………………………………… 52
Hình 2.8 - Khung giá cán............................................................................... 53
Hình 2.9- Cặp quả cán giá cán I ………………………………………

57
Hình 2.10 - Cặp quả cán giá cán III ………………………………………
58
Hình 2.11 - Cặp quả cán giá cán V ……………………………………
59
Hình 2.12 - Cặp quả cán giá cán VII ………………………………………
60
Hình 2.13 - Cặp quả cán giá cán IX ………………………………………
62
Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
-3-


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hình 2.14 - Cặp quả cán giá cán XI …………………………………………
Hình 2.15 - Cặp quả cán giá cán XIII………………………………………
Hình 2.16 - Cặp quả cán giá XIV……………………………………………
Hình 2.17- Quả cán của giá trục đứng II……………………………………
Hình 2.18- Quả cán của giá trục đứng IV…………………………………..
Hình 2.19- Quả cán của giá trục đứng VI…………………………………..
Hình 2.20- Quả cán của giá trục đứng IIX………………………………….
Hình 2.21- Quả cán của giá trục đứng X……………………………………
Hình 2.22- Quả cán của giá trục đứng XII………………………………….
Hình 2.23 - Con lăn ép hàn…………………………………………………
Hình 2.24 - Quá trình hình thành biên dạng ống……………………………
Hình 2.25 - Tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng…………………………
Hình 2.26 - Các bước tính toán bằng mô phỏng……………………………

Hình 2.27 - Biểu đồ cơ tính vật liệu……………………………………..

63
64
65
66
66
67
67
68
68
69
70
79
80
81

Hình 2.28- Mô phỏng uốn lốc ống…………………………………………
Hình 2.29. Ứng suất và biến dạng trên giá cán thứ I……………………….
Hình 2.30. Ứng suất và biến dạng trên giá cán thứ V và VII………………
Hình 2.31. Ứng suất và biến dạng trên giá cán thứ VII và IX……………..
Hình 2.32. Ứng suất và biến dạng trên giá cán thứ XI và XIII……………
Hình 2.33 Ứng suất và biến dạng trên giá cán thứ XIV…………………..
Hình 3.1- Sơ đồ nguyên lý hàn ống bằng phương pháp điện trở……………
Hình 3.2- Sơ đồ nguyên lý hàn cảm ứng……………………………………
Hình 3.3. Vòng cảm ứng và con lăn ép khi hàn ống thép tròn

82
83
83

84
84
85
87
88
89

Hình 3.4- Sơ đồ nguyên lý hàn cao tần tiếp điện tiếp xúc…………………
Hình 3.5- Sơ đồ nguyên lý hàn cao tần tiếp điện cảm ứng từ………………
Hình 3.6- Sơ đồ tiếp điện bằng phương pháp tiếp xúc………………………
Hình 3.7- Dạng liên kết………………………………………………………
Hình 3.8- Mối quan hệ giữa vận tốc với chiều dày ống và công suất………
Hình 3.8- Giá trị hiệu chỉnh theo đường kính ống…………………………
Hình 3.10- Cách bố trí cuộn cảm và thanh feriste……………………………
Hình 3.11- Sơ đồ khối tổng quát……………………………………………
Hình 3.12 - Sơ đồ mạch lực của lò cao tần………………………………
Hình 3.13- Khối nguồn cung cấp……………………………………………

91
92
92
96
97
97
100
101
102
103

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn

-4-


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hình 3.14- Sơ đồ khối van điều khiển………………………………………
Hình 3.15- Máy biến áp tăng áp…………………………………………
Hình 3.16- Sơ đồ mạch chỉnh lưu điốt………………………………………
Hình 3.17- Sơ đồ mạch lọc…………………………………………………
Hình 3.18- Sơ đồ mạch dao động……………………………………………
Hình 3.19- Sơ đồ máy biến áp nung………………………………………
Hình 3.20- Sơ đồ mạch tải…………………………………………………
Hình 3.21- Sơ đồ biến áp đồng pha…………………………………………
Hình 3.22- Sơ đồ điều khiển…………………………………………………
Hình 3.23- Sơ đồ khối mạch tạo xung………………………………………
Hình 4.1- Vỏ ống phóng tia X loại định hướng……………………………
Hình 4.2- Vỏ ống phóng tia X loại toàn phương……………………………
Hình 4.3- Cấu trúc của phim chụp ảnh………………………………………
Hình 4.4- Sơ đồ nguyên tắc kiểm tra………………………………………
Hình 4.5 - Thép hộp 40x80…...……………………………………………
Hình 4.6- Cách bố trí phim và nguồn………………………………………
Hình 4.7- Giản đồ quan hệ giữa thời gian với chiều dày và hiệu điện thế…

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
-5-

104
104

105
105
106
106
107
108
109
111
113
114
114
115
116
118
118


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ỐNG THÉP HÀN
1.1. Sản phẩm ống thép hàn ………………………………………
1.1.1. Chủng loại và đăc tính kỹ thuật của ống thép …………………………

1.1.2. Hình dạng và quy cách …………………………………………………
1.1.3. Nhu cầu và lĩnh vực sử dụng ống thép …………………………………
T 1.2 .Tổng quát về công nghệ sản xuất ống thép hàn trên thế giới……………
1.3. Dây chuyền công nghệ sản xuất ống thép hiện có ở Việt Nam…
1.4. Hướng nghiên cứu………………………………………………………..
Chương 2. TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ỐNG THÉP HÀN
2.1. Phân tích và chon phương án công nghệ …………………………………
2.1.1. Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất ống thép hàn ……………………
2.1.2. Lắp đặt,hiệu chỉnh và vận hành dây chuyền sản xuất ống thép…………
2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình uốn lốc profil………………………………
2.2.1. Các dạng profil điển hình……………………………………………….
2.2.2. Ứng suất và biến dạng………………………………………………….
2.2.3. Chiều dài vùng ăn phôi vào……………………………………………
2.2.4. Xác định lực và momen uốn……………………………………………
2.2.5. Xác định năng lượng trong quá trình uốn lốc…………………………
2.2.6. Tính toán số lượng giá cán lốc…………………………………………
2.2.7. Tính lực, mô men và công suất dẫn động cho máy…………………
2.3. Kết cấu giá cán……………………………………………………………
2.3.1. Quả cán.....................................................................................................
2.3.2. Trục cán....................................................................................................
2.3.3. Khung giá cán …………………………………………………………..
2.4. Xác định các thông số công nghệ của quá trình cán ống…………………
2.4.1. Xác định khoảng cách giữa các giá cán; Tính toán dải phôi ……………
2.4.2. Tính toán thiết kế khuôn tạo hình………………………………………
2.4.2.1. Đường kính quả cán…………………………………………………..
2.4.2.2. Kích thước trục tạo hình ……………………………………………..
2.4.3. Sơ đồ hình thành biên dạng ống………………………………………..
2.5. Lực ép tạo hình biến dạng và công suất động cơ ………………………..
2.5.1. Xác định lực ép và mô men uốn tạo hình………………………………
2.5.2. Tính toán vận tốc dài của băng phôi …………………………………..

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
-6-

1
2
2
2
3
5
8
13
20
24
24
24
26
31
31
32
36
37
42
45
47
51
51
51
52
53

53
56
56
57
70
71
71
74


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

2.5.3. Tính toán công suất động cơ……………………………………………

75

2.6.Mô phỏng quá trình uốn lốc ………………………………………………

79

2.6.1. Đặc điểm của tính toán công nghệ bằng phương pháp mô phỏng……..

79

2.6.2. Các bước của tính toán công nghệ bằng phương pháp mô phỏng……..

79

2.6.3. Ứng dụng phần mềm mô phỏng số DEFORM………………………...

81

2.6.3.1. Vật liều mô phỏng uốn lốc…………………………………………..

81

2.6.3.2. Mô phỏng quá trình uốn lốc bằng phần mềm mô phỏng số DEFORM

82

2.6.3.3. Kết luận

85

Chương 3 CÔNG NGHỆ HÀN ỐNG BẰNG DÒNG CAO TẦN
3.1. Các phương pháp hàn trong sản xuất ống thép……………………………
4.1.1. Phương pháp hàn điện trở ………………………………………………
3.1.2. Phương pháp hàn cảm ứng ……………………………………………..
3.1.3. Phương pháp hàn trong môi trường khí trơ……………………………..
3.1.4. Phương pháp hàn cao tần……………………………………………….
3.2. Công nghệ hàn cao tần……………………………………………………
3.2.1. Vật liệu cơ bản …………………………………………………………
3.2.2. Dạng liên kết……………………………………………………………
3.2.3. Chế độ hàn …………………………………………………………….
3.3. Thiết bị hàn cao tần………………………………………………………
3.3.1. Giới thiệu sơ lược về thiết bị hàn cao tần………………………………
3.3.2. Sơ đồ khối tổng quát……………………………………………………
3.3.3. Chức năng của các khối…………………………………………………

3.3.4. Hệ thống điều khiển…………………………………………………….
Chương 4 TIÊU CHUẨN VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG ỐNG THÉP
HÀN
4.1. Tiêu chuẩn ống thép hàn………………………………………………….
4.1.1. Các tiêu chuẩn Việt Nam về ống kim loại ..............................................
4.1.2. Tiêu chuẩn quốc tế và các tiêu chuẩn tương đương về ống kim loại…..
4.2. Các phương pháp kiểm tra ống thép hàn...................................................
4.2.1. Kiểm tra quan sát bằng mắt ……………………………………………
4.2.2. Kiểm tra mối hàn bằng chụp ảnh phóng xạ bằng tia X…………………
4.2.3. Quy trình kiểm tra chất lượng mối hàn ………………………………
Kết luận………………………………………………………………………
Tài liệu tham khảo

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
-7-

86
86
86
87
88
88
95
95
95
96
100
100
101
103

107
111
111
111
112
112
112
113
115
120
122


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

MỞ ĐẦU
Sự phát triển của một quốc gia có nền công nghiệp hiện đại và tự chủ đòi hỏi
phải có một ngành sản xuất thép nói chung và sản xuất ống thép nói riêng phải đủ
mạnh mới có thể đáp ứng được nhu cầu phát triển, bởi ống thép được sử dụng trong
hầu hết các ngành công nghiệp với khối lượng vô cùng lớn như: ngành xây dựng,
cầu đường, luyện kim, khai khoáng, mỏ, công nghiệp dầu khí và trong các ngành
công nghiệp khác…
Do sự phát triển của công nghệ, quy trình sản suất ống hàn từng bước được
hoàn thiện, nó có thể cho ra những sản phẩm có chất lượng cao không thua kém gì
ống sản xuất theo phương pháp không hàn. Hơn nữa vốn đầu tư cho dây chuyền ống
hàn là không cao bởi vậy ngày này phương pháp sản xuất ống thép bằng phương
pháp hàn càng được nhà nước và các công ty đầu tư và xây dựng phát triển rộng rãi.
Tuy nhiên việc làm chủ thiết bị vẫn còn có những hạn chế, đặc biệt khi các

cặp quả cán tạo hình sản phẩm bị mòn, hỏng hiện tại chúng ta vẫn phải nhập về để
thay thế do vậy tốn nhiều chi phí. Mặt khác do đặc điểm công nghệ mỗi khi thay đổi
đường kính ống, chiều dầy tương đối (S/d) thì phải thay đổi các cặp quả cán cả về
kích thước lẫn biên dạng. Vì vậy vấn đề nghiên cứu công nghệ sản xuất ống thép
hàn là rất cần thiết.
Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn và trong tương lai, đề tài Luận văn
là:"Nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ và máy uốn lốc PLC để chế tạo ống
thép bằng phương pháp hàn" hy vọng giải quyết được những vẫn đề cơ bản còn tồn
tại trong các dây chuyền sản xuất ống thép.
Thời gian thực hiện đề tài được sự hướng dẫn tận tình của hướng dẫn khoa
học PGS.TS Phạm Văn Nghệ và sự nỗ lực của bản thân tôi đã hoàn thành nhiệm vụ
của đề tài. Nhưng do kiến thức còn hạn chế chắc chắn trong tính toán, thiết kế
không tránh khỏi những khiếm khuyết. Rất mong được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến.
Em xin chân thành cảm ơn !

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
-8-


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT THÉP ỐNG HÀN
1.1. Sản phẩm thép ống hàn.
1.1.1. Chủng loại và đặc tính kỹ thuật của thép ống.
Ống thép là một sản phẩm quan trọng của ngành thép. Căn cứ vào công nghệ
sản xuất và hình dáng phôi sử dụng chế tạo, người ta lại chia ra thành 2 loại: ống
thép cán (phôi tròn) và ống thép hàn (phôi tấm, lá).
- Ống thép cán:

Căn cứ vào công nghệ chế tạo ta chia thành 2 loại chính gồm ống thép cán
nóng và ống thép cán nguội.
Căn cứ vào mục đích sử dụng ta chia ống thép thành các loại sau:
+ GB/T8162-1999 Loại ống dùng trong kết cấu thông thường và kết cấu
máy. Nguyên liệu chủ yếu (Mác thép) là: Thép cacbon 20, thép 45, thép hợp kim
Q345, 40Cr, 20CrMo, 30-35CrMo, 42CrMo, v.v..
+ GB/3087-1999 Loại ống dùng trong công nghiệp lò luyện và ống dẫn
dung dịch áp lực thấp và vừa trong lò thông thường.
+ GB/5310-1995 Ống thép dùng làm ống dẫn dung dịch, ống nước trong
trạm thuỷ điện và lò chịu nhiệt trạm điện hạt nhân, mác thép tiêu biểu là 20G,
12Cr1MoVG, 15CrMoG…
+ GB/5312-1999 dùng trong công nghiệp đóng tàu, chủ yếu là ống chịu áp
cấp I,II dùng trong máy qua nhiệt, tiêu biểu là thép 360, 410, 460…
+ GB/1479-2000 ống dẫn thiết bị hoá chất áp lực cao, chủ yếu dùng dẫn
dung dịch áp lực cao trong thiết bị hoá chất, tiêu biểu là thép 20, 16Mn, 12CrMo,
12Cr2Mo.
+ GB9948-1988 Dùng làm ống dẫn trong công nghệ lọc dầu, khí...Mác thép
sử dụng: 20,12CrMo,1Cr19Ni11Nb.
+ API SPEC5CT-1999( ống dẫn dầu) : Loại ống thông dụng do Hiệp hội dầu
mỏ Mỹ( Amrican Petreleun Instiute , gọi tắt API) công bố trên toàn thế giới . Trong

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
-9-


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

đó :ống lồng: Là loại ống dùng để lồng vào trong giếng khoan dầu, ống dùng làm

thành giếng.
+ API SPEC 5L-2000: Loại ống được sử dụng trên toàn thế giới do hiệp hội
dầu mỏ Mỹ công bố.
- Ống thép hàn:
Căn cứ vào hình thức hàn chia làm 2 loại ống hàn là ống hàn thẳng và ống
hàn xoắn.
Căn cứ vào hình dáng mặt cắt ngang của sản phẩm chia ra làm ống thép hàn
tròn và ống thép hàn vuông và ống thép hàn dị hình.
Căn cứ vào nguyên liệu và mục đích sử dụng chia ra các loại:
- Ống thép đen hàn: Dùng chế tạo kết cấu dàn không gian, dàn giáo xây
dụng, mái nhà dân dụng….
- Ống hàn mạ kẽm áp lực thấp: Chủ yếu dùng dẫn nước, khí, không khí, khí
chưng, các loại dung dịch áp lực thấp và các mục đích khác. Loại thép dùng là
Q235A.
- Ống hàn dẫn dung dịch khoáng sản: Chủ yếu dùng ống hàn thẳng dẫn nước
thải trên núi. Nguyên liệu chủ yếu là Q235A, thépB.
- Ống hàn điện đường kính lớn dẫn dung dịch áp lực thấp. Chủ yếu dùng dẫn
nước, khí, không khí và các mục đích khác.
- Ống hàn không gỉ dùng trong kết cấu cơ khí: Chủ yếu dùng trong các kết
cấu cơ khí, xe hơi , xe đạp ,đồ gia dụng, khách sạn. Nguyên liệu chủ yếu là thép
0Cr13, 1Cr17, 00Cr19Ni11, 1Cr18Ni9,….
- Ống hàn không gỉ dùng dẫn dung dịch: Mác thép chủ yếu là 0Cr13,
0Cr19Ni9, 00CrNi11, 00Cr17, ….
1.1.2. Hình dạng và Quy cách.
- Theo tiết diện ngang có các loại: ống tròn, vuông, chữ nhật …

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 10 -

Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hình 1.1. Hình ảnh ống thép tròn và vuông

Bảng 1.1 Quy cách ống thép

- Quy cách ống thép dùng trong công nghiệp và dân dụng.

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 11 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

1.1.3. Nhu cầu và lĩnh vực sử dụng ống thép
1.1.3.1. Nhu cầu sản lượng sử dụng ống thép.
Cùng với sự hội nhập của Việt Nam vào nền kinh tế thế giới, hàng loạt các
nghành công nghiệp của chúng ta đang phát triển rất mạnh nhằm đáp ứng nhu cầu
phát triển của đất nước và hội nhập vào nền kinh tế thế giới, do đó nhu cầu sử dụng
và ứng dụng về sản phẩm ống thép là rất lớn.
Bên cạnh việc sử dụng ống thép đúc vào các lĩnh vực chế tạo thiết bị và các
đường dẫn đòi hỏi áp lực cao; dùng trong công nghiệp lò luyện và ống dẫn dung
dịch áp lực thấp và vừa trong lò thông thường, dùng làm ống dẫn dung dịch , ống
nước trong trạm thuỷ điện và lò chịu nhiệt trạm điện hạt nhân, dùng trong công
nghiệp đóng tàu, dùng dẫn dung dịch áp lực cao trong thiết bị hoá chất, dùng làm
ống dẫn dung dịch trong lò luyện dầu khí, dùng trong kết cấu thông thường và kết

cấu máy ….Việc sử dụng ống thép hàn vào các lĩnh vực dẫn dầu, dẫn nước, dẫn khí,

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 12 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

dùng dẫn các loại dung dịch áp lực thấp, dùng trong các kết cấu cơ khí, xe hơi , xe
đạp , đồ gia dụng, khách sạn… Đặc biệt việc sử dụng ống thép hàn thay thế kết cấu
Bê tông cốt thép bằng các kết cấu dầm, giàn cho các mái nhà dân dụng, công
nghiệp, xây dựng cầu đường, khu vui chơi giải trí và các sân vận động …nhu cầu sử
dụng sản phẩm ống thép hàn vô cùng lớn.
Hiện tại chúng ta mới chỉ đáp ứng được một phần còn lại là vẫn phải nhập
khẩu của các nước. Hiệp hội các nhà máy thép ống dự đoán rằng việc sử dụng năng
lực của các ngành công nghiệp thép ống của đất nước sẽ tăng lên 80% trong những
năm tới.
1.1.3.2. Lĩnh vực sử dụng ống thép
Ống thép là một thành phần quan trọng của sản phẩm ngành thép, là nguồn
nguyên vật liệu không thể thiếu được của các ngành công nghiệp nó được sử dụng
rộng rãi trong ngành xây dựng và công nghiệp.

Hình 1.2. Kết cấu cầu

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 13 -

Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hình 1.3. Khung, mái nhà công nghiệp và dân dụng

Hình 1.4. Kết cấu dàn không gian

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 14 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hình 1.5. Kết cấu khung xe
1.2. Tổng quát về công nghệ sản xuất ống thép hàn trên thế giới.
Tổ hợp hàn ống bao gồm dây chuyền chuẩn bị dải băng (gỡ ra, sửa đúng, làm
sạch,…), tạo phôi ống, hàn ống, lỗ hình, cắt và sau đó nếu cần thiết thì gia công tinh
(hình 1.6)
- Sơ đồ a sản lượng rất thấp nên chỉ có tính chất giới thiệu. Hệ thống bao
gồm các máy hàn giáp mối và thiết bị tạo vòng.
- Sơ đồ b được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp sản xuất ống. Sơ đồ
này có thể chế tạo được các ống có đường kính 6÷259mm. Quá trình sản xuất ống là
liên tục, điều đó được đảm bảo bằng các dây chuyền chuẩn bị dải phôi bởi các máy
hàn nối và tạo vòng dự trữ dải phôi để đảm bảo dây chuyền có thể làm việc liên tục
khi lấy thêm dải phôi và hàn nối. Sơ đồ b có các nhược điểm: cần diện tích lớn, cần
các dải phôi có chiều dày chiều rộng khác nhau đối với mỗi loại ống và để thay các
trục cán phải dừng toàn bộ tổ hợp khá lâu.

- Những nhược điểm kể trên được loại trừ khi sử dụng sơ đồ c. Người ta sử
dụng 2÷3 kích thước dải, từ đó chúng được tạo hình và hàn thành ống có chiều dày
và đường kính theo kích thước tiêu chuẩn đã cho. Sau khi hàn tiến hành cắt ống
theo chiều dài 60 - 100m, rồi làm nóng nhanh và giảm kích thước bằng cách kéo
Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 15 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

qua các máy giảm tiết diện.Việc đưa vào quá trình kéo làm thay đổi tiết diện cho
phép nhận được các ống có đường kính và chiều dày khác nhau mà không cần thay
đổi kích thước phôi ban đầu. Việc chuyển sang đường kính khác được thực hiện khá
nhanh bằng cách thay cụm giá đỡ trục cán của máy giảm tiết diện. Năng suất của tổ
hợp c hơn năng suất của tổ hợp theo sơ đồ b từ 30 - 40%. Nhược điểm của sơ đồ
công nghệ c là có sự chênh lệch chiều dày giữa các đầu của ống dẫn đến làm tiêu
hao kim loại.
- Sự chênh lệch chiều dày giữa các đầu của ống trong thực tế được loại trừ ở
sơ đồ d bằng cách đặt vào hệ máy thay đổi tiết diện một đường dây tạo hình và hàn.
5

A

1

2

1

2

7

6

4

3

B

10

9

8

3

1

1

2

2

8

9

8

9

10

10

3

3

7

4
5

4

C

6

5

12

4

7

6

11

5

6

11

D

Hình 1.6- Các

sơ đồ công nghệ chế tạo ống hàn thẳng.

1.Cuộn phôi gỡ ra

7.Dao cắt

2.Sửa đúng, chỉnh nắn.

8.Cắt đứt

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 16 -

12

7


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

3.Làm sạch

9.Nối mép

4.Tạo hình

10.Bộ phận bù tốc độ.

5.Hàn

11.Gia nhiệt

6.Lỗ hình hiệu chuẩn

12. Định hình.

* Đặc điểm của sơ đồ công nghệ sản xuất ống A20-102
Sơ đồ công nghệ hoàn chỉnh nhất (Sơ đồ d Hình 1.6). Giàn tổ hợp làm ra các
ống có đường kính từ 20mm đến 102mm, chiều dày 1 ÷ 5mm. Thiết bị của giàn máy
gồm các bộ phận chính sau:

1, Dây chuyền chuẩn bị dải có các con lăn; bộ uốn và tháo dỡ, sửa đúng, cắt,
máy hàn nối và bộ làm vòng;
2, Dây chuyền hàn định hình gồm máy tạo hình liên tục, thiết bị hàn ống,
máy hiệu chuẩn lỗ hình và máy cắt ống dao bay;
3, Các hệ thống theo dõi, máy giảm tiết diện, cưa bay và giàn con lăn ra
ngoài;
4, Bộ phận làm lạnh với thiết bị thả nổi hình trống và bộ phận chia tách;
5, Các bộ phận sửa tinh ống, toàn hệ sửa đúng, xén mặt, các máy làm sạch,
đóng dấu cùng quá trình thử thuỷ lực, tất cả kết hợp lại thành dòng được vận chuyển
bằng tự động.
Tách bỏ bavia bên trong khi sản xuất ống hàn điện. Khi hàn áp lực kim loại
sẽ thừa sẽ chảy ra tạo thành rìa xờm (bavia) ở bề mặt ngoài và trong. Sự có mặt của
bavia gây hạn chế khả năng sử dụng của ống thép hàn, để tách bỏ bavia là một trong
những nguyên công quan trọng. Bavia bên ngoài, như đã nhận xét được tách bằng
dao bào đặt sau giá hàn.
Nhiệm vụ khó khăn hơn là tách bavia trong, vì không kiểm tra được và khó
khăn về mặt kỹ thuật khi đặt dụng cụ cắt bên trong. Bavia trong được tách bằng
dụng cụ riêng: gấp mép bằng con lăn ở nhiệt độ hàn 500 ÷ 6000C, đốt cháy trong
môi trường ôxy.

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 17 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hình 1.7- Cơ cấu tách bavia trong.
Trên hình 1.7 trình bày cấu tạo của cơ cấu tách bavia trong. Tách bavia trong

được tì vào thành trong của ống bằng con lăn 1. Trục con lăn được kẹp chặt trong
con trượt 2 dịch chuyển trong thân 3 và khi cắt bavia con trượt ép dao vào bề mặt
trong của ống. Dầu qua hệ thống lỗ 4 được đưa vào buồng làm việc (các lỗ 4 trong
thanh của cơ cấu tách bavia). Khi hệ thống thuỷ lực ngừng, lò xo 5 đẩy dầu từ
buồng làm việc và gom con lăn đỡ dưới vào thân, thanh tách bavia nhả ra. Dao 6
được kẹp chặt trong thân giữa các con lăn đỡ trên 7 và 8. Các con lăn hạn chế chiều
sâu cắt trong ống, nhờ vậy mà bavia trong được cắt đi với độ chính xác cao. Con lăn
8 đặt trong đĩa xích 9 để khía cà bavia. Bavia đã cắt được đưa qua cửa 10 và được
đẩy ra khỏi ống. Thân 3 kẹp chặt thanh feriste 11. Để giảm ảnh hưởng của thanh
tách bavia trong quá trình nóng mép thanh ferite được làm từ thép không nhiễm từ.
Trong thanh ferite có khe cho vòng ferite 12 để giảm mất mát công suất trong biến
áp hàn. Điều này cho phép sử dụng cụm tách bavia để tách bavia trong khi hàn ống
bằng dòng hàn cao tần. Thanh tách bavia được kẹp chặt nhờ trụ đặt trên giá đỡ trục
của máy định hình. Cấu tạo của trụ cho phép chỉnh thanh tách bavia theo hướng bất
kỳ.
Nhược điểm của kết cấu tồn tại theo sự cuốn bavia bằng con lăn là thời gian
làm việc của ổ lăn nhỏ và cuốn bavia không đều theo chiều dài của ống khi chiều
cao bavia quá 0,5mm.
Một trong những phương pháp mới là phương pháp đốt cháy bavia bên trong
khi hàn. Từ hai vòi phun đặt trong ống ngược với hướng chuyển động của ống phun
ra luồng ôxy dưới góc nghiêng 600. Vòi phun tách bavia được đặt cách nguồn hàn

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 18 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

80 ÷ 100mm đạt nhiệt độ 13000C ÷ 14000C. Bavia bị cháy dưới tác động của buồng
ôxy và nhiệt độ cao. Để đảm bảo đốt cháy đều cần phải ôxy hoá liên tục bavia bên
trong, muốn vậy tốc độ đốt cháy bavia phải tương ứng với tốc độ hàn ống. Khi
không đủ ôxy sẽ làm đốt cháy ống không đều và khi thừa ôxy - làm nguội kim loại
cháy dẫn đến phá huỷ quá trình đốt.
Để tránh tạo nên bavia trong lớn thì mép phôi phải được chuẩn bị như thế
nào để khe hở giữa bề mặt ngoài của mép nhỏ hơn khe hở giữa các bề mặt trong,
tức là mép ngoài khép kín. Muốn vậy phải vát mép, hoặc phải tạo hình mép trong ví
dụ qua lỗ hình kín.
* Sơ đồ công nghệ sản xuất ống thép hàn đường kính cỡ lớn:
Ống hàn đường kính lớn sử dụng rộng rãi trong công nghiệp dầu khí. Các
đường ống dẫn dầu, ứng dụng trong sản xuất cọc nhồi bê tông là phương tiện vận tải
chính chuyển vận dầu khí từ nơi sản xuất tới các địa phương tiêu thụ. Mặt khác ống
hàn đường kính lớn còn trang bị cho các hệ thống dẫn nước, khí nén, và hơi dưới áp
suất nhỏ. Ống đường hàn thẳng với đường kính ≤ 820mm chế tạo từ ống phôi do 1
tấm thép uốn thành và bằng một đường hàn thẳng. Ống đường hàn thẳng > 820mm
chế tạo từ 2 tấm thép (2 đường hàn thẳng). Sản xuất ống đường kính 920, 1020 và
1220mm từ 1 tấm thép rộng (Các tấm thép đó được sản xuất trên máy cán tấm). Cho
nên không được hiệu quả và kinh tế, vì để cán được tấm có dải rộng như thế thiết bị
cán rất phức tạp và chi phí đầu tư máy cán như vậy rất lớn.
Ống đường hàn xoắn chế tạo từ ống phôi do một băng thép uốn xoắn vít.
Phương pháp uốn - hàn xoắn so với phương pháp uốn - hàn thẳng có hai ưu điểm
sau:
1. Ống sản xuất từ các băng kim loại chiều rộng không lớn, rất kinh tế;
2. Ống đường hàn xoắn bền vững hơn ống đường hàn thẳng do ứng suất rất
đều theo mọi phương. Trên các ống đường hàn thẳng ứng suất yếu nhất tập trung
theo một phương nên dễ bị phá huỷ trong trạng thái làm việc.

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 19 -

Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

1

2

3

4

5

6

7

8

Hình 1.8- Sơ đồ công nghệ sản xuất ống thép có đường hàn xoắn.
1.Cuộn phôi gỡ ra

5.Bộ phận bù tốc độ (tạo vòng)

2.Sửa đúng, chỉnh nắn.

6.Cắt mép

3.Cắt đầu, đuôi

7.Tạo hình và hàn ống dạng xoắn

4.Hàn đầu mút các trục hàn nhỏ

8.Cắt ống

1.3. Dây chuyền sản xuất ống thép hàn hiện có ở Việt Nam.
Hiện nay, ở Việt Nam sản phẩm ống thép sản xuất trong nước đã có vai trò
thiết thực cho các công trình xây dựng cũng như phục vụ việc sản xuất đồ gia dụng,
thiết bị ngành giáo dục, ... dần thay thế các sản phẩm nhập ngoại.
Tuy nhiên các nhà máy cán ống hàn của chúng ta có quy mô vừa và nhỏ,
công nghệ chủ yếu là nhập ngoại. Sản phẩm chủ yếu là cán các ống thép ống dẫn
nước, làm khung xe đạp, xây dựng, trang trí, chân bàn ghế…. như ở công ty cán ống
Đài-nam thuộc công ty Hoà - Phát hoặc ở Công ty liên doanh ống thép Vinapipe…
Dựa vào việc khảo sát nhu cầu về ống thép trên thị trường cho thấy rằng: các
ngành công nghiệp nhẹ, ngành xây dựng, cầu đường có nhu cầu về ống thấp nhưng
vẫn phải thường xuyên phải nhập ống hàn với kích thước trung bình từ Trung Quốc
về. Các cơ sở sản xuất ống trong nước không đáp ứng đủ cho nhu cầu thép ống
trong nước.

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 20 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

1.3.1. Công nghệ sản xuất ống thép hàn
Trong sản xuất ống hàn, phôi ban đầu là dải băng , tấm và lá kim loại.Qui trình
sản xuất ống hàn cơ bản bao gồm ba khâu chính: Tạo hình, hàn ống, cán định hình
ống hàn.
a.Tạo hình
Một trong những khâu chính trong quá trình sản xuất ống hàn là quá trình tạo
hình .Đó là quá trình uốn tấm phôi phẳng thành ống hình trụ. Quá trình tạo hình đó
so với quá trình tạo hình của ống không hàn đòi hỏi tiêu phí năng lượng ít hơn. Đó
là ưu điểm về kinh tế của quá trình tạo ống hàn. Quá trình tạo hình thực hiện ở nhiệt
độ kim loại bình thường.
Tạo hình phôi ống có thể trên máy cuốn đơn giản (3 hoặc 4 trục) với đường
kính ống đa dạng mà không cần thay đổi trục cuốn nhưng chỉ cuốn được phôi có
chiều dài ngắn.

Hình 1.9. Máy uốn 3 trục và máy 4 trục

Tạo hình phôi ống trên máy nhiều trục chuyên dùng cuốn được phôi có chiều
dài vô hạn.

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 21 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hình 1.10 - Sơ đồ máy uốn lốc dọc sản xuất ống

b. Hàn đường sinh ống.
Trong quy trình công nghệ sản xuất ống hàn, khấu hàn là một trong những
khâu quan trọng của dây truyền. Có thể nói chất lượng của ống thành phẩm phụ
thuộc nhiều vào chất lượng của mối hàn. Các khâu tạo hình và cán định kính cho
phép chúng ta tạo hình ống từ băng kim loại và định kích thước ống nằm trong miền
dung sai cho phép. Do vậy, ứng với mỗi phương pháp tạo hình, hình dạng trục tạo
hình mà ta chọn phương pháp hàn cụ thể sao cho phù hợp với phương pháp đó. Việc
lựa chọn phương pháp hàn phụ thuộc vào một số chỉ tiêu sau :
-

Phương pháp tạo hình.

-

Kiểu trục tạo hình

-

Vận tốc tạo hình.

-

Các yêu cầu kỹ thuật của ống thành phẩm.

-

Công suất của nhà máy.

-

Vốn đầu tư ban đầu cho thiết bị cần thiết để sản xuất.

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 22 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

*Phương pháp hàn điện cao tần :
Phương pháp hàn điện cao tần 450 đến 500 KHz dựa trên nguyên tắc: Dòng
điện ở tần cao không chuyển động theo hướng điện trở nhỏ nhất mà theo hướng cảm
ứng từ nhỏ nhất. Phương pháp hàn điện trở cao tần sử dụng hiệu ứng gần và hiệu
ứng bề mặt để nung nóng mép băng kim loại. Hiệu ứng gần xuất hiện khi có dòng
điện có tần số tới vài chục đến vài nghìn KHz chạy qua dây dẫn. Dưới tác dụng của
từ trường xoay chiều, trên phần ống phôi được tạo hình xuất hiện dòng điện xoáy
Vicre. Các đường dẫn điện trong những vùng gần nhau của dây dẫn và mép phôi
ống cần nung ở bất kỳ thời điểm nào cũng trái ngược nhau về hướng và tác dụng lên
nhau một lực hút. Chính vì vậy, mà điện trường tập trung cao nhất tại vùng tiếp xúc
đó. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng hiệu ứng gần. Hiệu ứng bề mặt là hiện tượng
điện tích tập trung chủ yếu trên bề mặt phôi. Hai hiện tượng trên là cơ sở lý luận để
xây dựng phương pháp hàn cao tần.
* Phương pháp hàn cảm ứng :
Phương pháp hàn cảm ứng được ứng dụng để sản xuất ống dẫn nước, ống
dẫn khí và ống kết cấu có đường kính từ 21,5 đến 219 mm. Để nung nóng mép biên
phôi ống người ta sử dụng cuộn cảm ứng thẳng với đường dẫn từ để tăng mật độ từ
thông.
Các mép biên phôi ống đặt sát cuộn cảm ứng từ. Từ thông được tạo bởi dòng
qua cuộn cảm tạo nên dòng cảm ứng chạy dọc theo hai mép biên phôi ống mà

không chạy qua khe hở giữa hai mép biên phôi ống chưa hàn. Nhờ vậy kim loại ở
mép biên phôi ống được nung tới nhiệt độ hàn.
* Phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí trơ :
Khi trong môi trường khí trơ, cầu hồ quang được tạo nên giữa que hàn không
chảy và mép ống được bảo vệ bằng khí argông hoặc gelia. Máng hàn tạo nên chỉ do
kim loại của mép ống nóng chảy. Do có tác dụng lực của cầu hồ quang, kim loại
lỏng chuyển động về phía ngược hướng với chuyển động của que hàn. Tất cả kim
loại lỏng đều có chu kỳ nhiệt độ như nhau và được nung nóng nên không lớn hơn

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 23 -


Luận văn thạc sỹ

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

nhiệt độ hàn. Tại đây kim loại lỏng chảy mạnh và chuyển động về phía sau. Nhiệt
độ kim loại lỏng tăng lên. Phía sau của máng mất nhiệt nhiều hơn lượng nhiệt dẫn
tới nên nhiệt độ kim loại giảm và bắt đầu kêt tinh lại. luồng khí trơ dẫn đi lượng
nhiệt đáng kể góp phần vào làm tăng nhiệt độ làm lạnh kim loại.
Phương pháp này thường dùng cho sản xuất ống φ15 đến φ426 và chiều dày
thành ống 0,5 đến 5 mm. Đây là phương pháp thương để dùng sản xuất ống thép
hợp kim cao, nhưng vận tốc hàn thấp 0,5 ữ 1,5 m/phút và chỉ sản xuất được ống có
đường kính nhỏ dến trung bình.
* Phương pháp hàn PLASMA :
Plasma là loại khí ion hoá cao, nó bao gồm các điện tích dương (ion) và điện
tích âm (điện tử). Plasma được tạo nên bằng con đường ion hoá, nhiệt năng, phóng
xạ, phá huỷ nguyên tử. Trong khi chuyển động, sự va chạm của các điện tử với ion,
nguyên tử sinh ra nhiệt rất lớn. Dựa trên đặc điểm toả nhiệt của plasma, người ta

đưa ra phương pháp hàn plasma.
* Hàn điện trở :
Nguyên lý phương pháp hàn điện trở là nung nóng mép biên phôi ống hàn
bằng dòng điện có tần số 50 đến 700 Hz. Phương pháp này được áp dụng để hàn
ống có đường kính tới 530 mm từ các loại thép các bon C15, C20 ...và một số thép
hợp kim khác. Vận tốc hàn phụ thuộc nhiều vào tần số dòng điện, với dòng có tần
số 50 đến 700 Hz vận tốc hàn có thể đạt tới 20 đến 75 m/phút. Dòng điện dẫn tới
phôi ống bằng phương pháp tiếp xúc qua các điện cực hình vành khăn. Các điện cực
đó là bộ phận chính của máy biến thế hàn quay. Vành điện cực cùng với các trục
hàn tạo thành lỗ hình kín. Dưới tác dụng của áp lực từ phía dưới trục hàn và vành
điện cực, các mép phôi ống tiến sát lại gần nhau. Vành điện cực truyền tới phôi ống
dòng điện có hiệu điện thế vài vôn, cường độ dòng thì tới vài chục nghìn ampe. Nhờ
vậy, hai mép ống được nung nóng mạnh, trục hàn và vành điện cực gây một áp lực
lớn lên phôi kim loại khiến cho hai mép ống hoà lẫn với nhau và tạo thành mối hàn.
c/ Cán định hình ống thép hàn

Học viên thực hiện: Nguyễn Khắc Văn
- 24 -