(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ
MANG ĐẦU CẮT PLASMA CẮT ỐNG THÉP KHÔNG GỈ

GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRỌN
SVTH: TRẦN VĂN HUY
MSSV: 11144046

SKL004273

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


BỘ MƠN CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu
cắt plasma cắt ống thép không gỉ ”

Giảng viên hƣớng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
MSSV:

Lớp:
Khố:

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Sinh viên thực hiện:TRẦN VĂN HUY
Lớp:

Ngành đào tạo:
1.
2.

Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ

Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Đầu cắt plasma, máy cắt plasma sẵn có;
- Thép khơng gỉ là loại SS201, SS304 có đƣờng kính từ 4 – 6 inch
- Thiết bị dễ dàng gá lắp và dễ vận hành

3. Nội dung chính của đồ án:
- Tìm hiểu về các loại đầu cắt plasma hiện có trên thị trƣờng, thiết bị plasma sẵn có tại
phịng thí nghiệm cùng các loại thiết bị mang đầu cắt plasma;
- Phân tích, đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các loại thiết bị mang đầu cắt plasma sẵn có;
- Đề xuất nguyên lý của thiết bị mang đầu cắt plasma;
- Đề xuất phƣơng án thiết kế cho thiết bị mang đầu cắt plasma;
- Tính tốn, thiết kế hoàn chỉnh cụm thiết bị mang đầu cắt plasma;
- Nếu điều kiện cho phép tiến hành chế tạo thiết bị;

- Tập bản vẽ thiết kế các chi tiết, bản vẽ lắp;
- Tập thuyết minh.
5. Ngày giao đồ án: 10/09/2015
6. Ngày nộp đồ án: 10/01/2016



TRƢỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

Đƣợc phép bảo vệ …………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

i


LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không
gỉ ’’
- GVHD: THS. TRẦN VĂN TRỌN
- Họ tên sinh viên: TRẦN VĂN HUY
- MSSV: 11144046
Lớp: 111441A
- Địa chỉ sinh viên: Đức Thuận – Tánh Linh – Bình Thuận
- Số điện thoại liên lạc: 0976.076.573

- Email:
- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):
- Lời cam kết: “ Em xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình do
chính em nghiên cứu và thực hiện. Em khơng sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được
cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, em xin chịu
hoàn tồn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2016
Ký tên
Trần Văn Huy

ii


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp
đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong thời gian thực hiện đề tài“
Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ”, em đã nhận
đƣợc rất nhiều sựgiúp đỡ của quý thầy, cô giáo, các chuyên gia, bạn bè và gia đình.
Qua quá trình thực hiện đồ án, em đã hocc̣ đƣợc rất nhiều kiến thức chuyên mơn bổ ich ́ ,
nhìn nhận ra những thiếu sót và kinh nghiệm thực tế mà em chƣa có, góp phần tạo nên sự tự tin
trong công việc sau khi ra trƣờng.
Xin kinh́ gửi lời cảm ơn đếnQuý Thầy, Cô giáo Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.
HCM, Khoa Cơ khiC
́ h ế tạo máy đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng,
chuyên môn cho chúng em trong suốt thời gian chúng em học tập và nghiên cứu tại trƣờng.

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn, thầy ThS. Trần Văn
Trọn đã dành nhiều thời gian quan tâm, hƣớng dẫn, định hƣớng, truyền đạt cho em những kiến
thức khoa học quý báu và động viên em trong quá trình thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Đình Sen, giảng viên bộ môn Thực hành nghề

HànTrƣờng Cao Đẳng Nghề Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu đã quan tâm giúp đỡ em trong q trình
làm thực hành, thí nghiệm.
Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để em yên tâm học tập trong suốt thời
gian vừa qua.

TP.HCM, ngày 10 tháng 01 năm
2016
Sinh viên thực hiện
Trần Văn Huy

iii


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA CẮT ỐNG THÉP
KHÔNG GỈ
Bài thuyết minh đồ án bao gồm các phần sau:
-

Tìm hiểu thép khơng gỉ dạng ống và phƣơng pháp cắt bằng hồ quang plasma;

Phân tích, đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các loại thiết bị mang đầu cắt plasma sẵn
có;
-

Đề xuất nguyên lý và phƣơng án thiết kế của thiết bị mang đầu cắt plasma;

-

Tính tốn thiết kế hồn chỉnh cụm thiết bị mang đầu cắt plasma;

Sau khi nghiên cứu và thực hiện, em đã hồn thành mơ hình thiết kế cụm thiết bị mang
đầu cắt plasma, đã mô phỏng đƣợc chuyển động cắt ống thép trên phần mềm Creo
Parametric 3.0, tuy nhiên mô hìnhthiết kế trên phần mềm cịn nhiều hạn chế nhƣ tính thẩm
mỹ chƣa đạt đƣợc tốt nhất, thiết kế cơ khí chƣa đƣợc tối ƣu…Vì thế, để nâng cao tính hồn
thiện, tạo ra mơ hình hóa sản phẩm đạt chất lƣợng cao cần nghiên cứu và phát triển đồ án
hơn nữa.

ABSTRACT
RESEARCH AND DESIGN PLASMA CUTTING EQUIPMENT TO BRING FIRST
STAINLESS STEEL PIPE CUTTING
The report projects include the following:
-

Research tubular stainless steel and method for plasma arc cutting

Analyze and evaluate the advantages and disadvantages of various types of
equipment available to bring plasma cutting;
-

Proposal for principles and design options of equipment bearing plasma cutting;

-

Calculation of complete design instrument cluster carries plasma cutting;

After studying and performing, I have completed the design model cluster brings plasma
cutting equipment, has simulated moving cutting steel tube on Creo Parametric 3.0 software,
however the pattern design on software longer limitations as aesthetic yet to reach the best
mechanical design is not optimal ... Therefore, to improve the completeness, modeling

creates high-quality product research and development to map further projects.

Sinh viên thực hiện
Trần Văn Huy

iv


LỜI CAM KẾT

1.2

1.3
1.4

1.5

1.6

2.1.
2.1.1
2.1.2.
2.2.

v


2.2.3

Ống thép không gỉ............................................................................................................................ 9

2.3. Sơ lƣợccác loại ống thép không gỉ thông dụng nhất................................................................................. 9
2.3.1

Ống thép không gỉ loại SS 201...................................................................................................... 9

2.3.2

Ống thép không gỉ loại SS 304.................................................................................................... 10

2.4.Công nghệ cắt ống thép không gỉ bằng hồ quang plasma (cắt plasma)............................................... 11
2.4.1

Khái niệm về plasma...................................................................................................................... 11

2.4.2

Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma................................................................................... 13

2.4.3

Đặc điểm của phƣơng pháp cắt plasma.................................................................................... 13

2.4.4

Ứng dụng của phƣơng pháp cắt plasma.................................................................................... 14

2.4.5

Ƣu, nhƣợc điểm phƣơng pháp cắt plasma.............................................................................. 14

2.4.6

Máy cắt plasma............................................................................................................................... 15

2.4.7

Nguyên lý hoạt động của máy cắt plasma................................................................................ 16

2.4.8

Chọn khí sử dụng trong cắt plasma............................................................................................ 18

2.4.9

An toàn lao động khi sử dụng máy cắt plasma........................................................................ 20

2.5.Nguyên lý hoạt động của mỏ cắt plasma..................................................................................................... 22
CHƢƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................................................. 25
3.1. Các loại đầu cắt plasma trên thị trƣờng..................................................................................................... 25
3.2.Các loại thiết bị mang đầu cắt plasma......................................................................................................... 25
3.3. Quá trình khảo sát và thực nghiệm cắt thép ống ở Trƣờng Cao Đẳng Nghề Bà Rịa Vũng Tàu. . 28

3.3.1

Chuẩn bị quá trình cắt.................................................................................................................... 28

3.3.2

Quá trình cắt..................................................................................................................................... 29

3.3.3

Kết quả thu đƣợc............................................................................................................................ 30

3.3.4

Đánh giá kết luận............................................................................................................................ 31

CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT NGUYÊN LÝ VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ.............................................. 33
4.1. Phân tích đối tƣợng theo yêu cầu đề tài................................................................................................. 33
4.2. Đề xuất các phƣơng án thiết kế cụm thiết bị mang đầu cắt plasma................................................ 33
4.2.1. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt di chuyển dọc ống.................................................... 34
4.2.2. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt di chuyển vng góc ống........................................ 35
4.2.3. Phƣơng án thiết kế cơ cấu điều chỉnh góc cắt vát....................................................................... 36
4.2.4. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt chuyển động quay tròn quanh ống....................... 39

vi


4.2.4.1 Phƣơng án không sử dụng đối trọng................................................................................... 40
4.2.4.2 Phƣơng án sử dụng đối trọng................................................................................................ 40
CHƢƠNG 5: TÍNH TỐN, THIẾT KẾTHIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA............................ 42
5.1.

Kết cấu tổng thể của cụm thiết bị mang đầu cắt plasma................................................................ 42

5.2.

Tính tốn thiết kế.................................................................................................................................... 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................................49

vii


DANH MỤCHÌNH ẢNH
Hình 2.1. Quy trình cơng nghệ thép hàn................................................................................................................... 7
Hình 2.2. Ống thép trịn đen........................................................................................................................................ 8
Hình 2.3. Ống thép mạ kẽm......................................................................................................................................... 9
Hình 2.4. Ống thép khơng gỉ....................................................................................................................................... 9
Hình 2.5. Khí Plasma.................................................................................................................................................. 12
Hình 2.6. Ngọn lửa plasma........................................................................................................................................ 12
Hình 2.7. Sự hình thành plasma trong tự nhiên.................................................................................................... 13
Hình 2.8. Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma.............................................................................................. 13
Hình 2.9. Máy cắt plasma 100I................................................................................................................................. 17
Hình 2.10. Máy cắt plasma CNC............................................................................................................................. 18
Hình 2.11. Mỏ cắt và vật cắt...................................................................................................................................... 22
Hình 2.12. Điện cực duy trì tia plasma................................................................................................................... 22
Hình 2.13. Dịng khí phun ra..................................................................................................................................... 23
Hình 2.14. Khí thổi bị ion hóa.................................................................................................................................. 23
Hình 2.15. Sự hình thành hồ quang mồi................................................................................................................. 23
Hình 2.16. Hồ quang plasma làm nóng chảy kim loại........................................................................................ 24
Hình 3.1. Một số loại đầu cắt plasma...................................................................................................................... 25
Hình 3.2. Thiết bị cắt plasma cầm tay..................................................................................................................... 25
Hình 3.3. Đầu cắt plasma đƣợc gắn trên robot..................................................................................................... 26
Hình 3.4. Đầu cắt plasma đƣợc gắn trên máy đột dập........................................................................................ 27
Hình 3.5. Đầu cắt plasma trên các máy CNC........................................................................................................ 27
Hình 3.6. Phơi ống thép khơng gỉ............................................................................................................................. 28

Hình 3.7. Máy cắt Plasma Elettro 74 tại xƣởng bộ môn Hàn Trƣờng Cao Đẳng Nghề BRVT................28
Hình 3.8. Động cơ điểu khiển tốc độ quay ống trên hệ thống dẫn hƣớng bởi con lăn................................ 30
Hình 3.9. Thực hành cắt ống thép không gỉ bằng máy cắt plasma Elettro 74............................................... 30
Hình 3.10. Phoi sau khi cắt........................................................................................................................................ 31
Hình 3.11.Bề mặt mép ống sau khi cắt lần 1......................................................................................................... 31
Hình 3.12. Bề mặt mép ống sau khi cắt lần 2........................................................................................................ 31
Hình 4.1. Hình ảnh phân tích đối tƣợng cần thiết kế.......................................................................................... 33
Hình 4.2. Bộ truyền trục vít me đai ốc bi............................................................................................................... 34
Hình 4.3. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động dọc ống................................................................ 35
Hình 4.4. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động vng góc ống................................................... 36
Hình 4.5. Sơ đồ động của mâm chia tròn đơn giản.............................................................................................. 37
Hình 4.6. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động xoay điều chỉnh góc cắt.................................. 38
Hình 4.7. Cơ cấu mang đầu cắt plasma quay tròn quanh ống........................................................................... 39

viii


Hình 4.8. Phƣơng án khơng sử dụng đối trọng.................................................................................................... 40
Hình 4.9. Phƣơng án sử dụng đối trọng................................................................................................................. 41
Hình 5.1. Kết cấu tổng thể cụm thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma........................................................... 42

DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ
Bảng 4.2.1 So sánh 2 phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt plasma quay trịn quanh ống..................29
Bảng 3.5.1 Thơng số máy cắt Plasma Elettro 74 tại xƣởng Hàn Trƣờng Cao Đẳng Nghề BRVT..........41

ix


CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU
Từ cuối thế kỉ XIX, vật lý, hóa học và các mơn khoa học khác phát trển rất mạnh. Năm

1802, nhà bác học Nga V.V. Pêtơrop đã tìm ra hiện tƣợng hồ quang điện và chỉ ra khả năng sử
dụng nhiệt của nó để làm nóng chảy kim loại. Năm 1882 kỹ sƣ Bê-na-đớt đã dùng hồ quang
cực than để hàn, cắt kim loại. Năm 1888, ông Sla-vi-nốp đã áp dụng cực điện nóng chảy – cực
kim loại vào hồ quang điện.
Năm 1900-1902 trong công nghiệp đã sản xuất đƣợc các bít Can-xi (CaC 2) và sau đó
hàn khí, cắt khí đã ra đời.
Các phƣơng pháp cắt thông thƣờng (cắt ô-xy, cắt hồ quang điện ) chỉ cho phép cắt thép
cacbon thấp, không thể cắt đƣợc gang, thép hợp kim cao (trên 5%Cr), nhôm, đồng và các hợp kim
của chúng, vì sau khi ơ-xy hóa lớp đầu, nhanh chóng trên bề mặt kim loại chỗ bắt đầu cắt tạo nên
màng ơ-xýt khó chảy hoặc có độ nhớt cao Cr 2O3, Al2O3, SiO2… màng ô-xýt này làm cho q trình
ơ-xy hóa khơng tiếp tục đƣợc và bị ngắt mà muốn cắt đƣợc phải dùng phƣơng pháp cắt bằng ơ-xy
thuốc. Q trình cắt bằng ơ-xy thuốc dựa trên cơ sở đẩy bột thuốc vào vùng phản ứng để có thể hịa
tan hay làm nóng chảy ơ-xýt khó chảy và đẩy chúng khỏi rãnh cắt. Điều kiện cần thiết là thuốc phải
tự cháy trên mặt kim loại cắt đã đƣợc nung nóng do đó khoảng cách giữa bép cắt và mặt kim loại
phải tƣơng đối lớn, khoảng cách đó phụ thuộc chiều dày kim loại và phƣơng pháp đẩy thuốc. Khi
cắt thép không gỉ chiều dày dƣới 100mm khoảng cách đó 15-40mm. Nhiệt lƣợng của ngọn lửa
nung nóng khơng những nung nóng kim loại cắt mà cịn cả thuốc nữa nếu cơng suất của ngọn lửa
đó khơng đủ. Thuốc đẩy vào rãnh cắt sẽ không cháy hết làm cho q trình cắt có thể khơng bắt đầu
đƣợc, hoặc khơng ổn định. Trên thực tế công suất ngọn lửa nung nóng trong phƣơng pháp cắt o-xy
thuốc lớn hơn phƣơng pháp ô-xy thƣờng 15-20%, khối lƣợng xỷ tạo thành khá nhiều do đó lƣợng
tiêu hao ơ-xy cũng phải nhiều để đẩy xỷ ra khỏi rãnh cắt. Do đó bép cắt phải dùng lớn hơn một số
phƣơng pháp cắt bằng ô-xy thƣờng.

Cắt bằng hồ quang là lợi dụng sức nóng của cột hồ quang để thổi kim loại nóng chảy và
lợi dụng sức thổi của hồ quang để cắt đứt kim loại nóng chảy tạo thành đƣờng cắt.
Mặt cắt do hồ quang cắt ra sần sùi, đồng thời đƣờng cắt cũng rộng. Do đó cắt hồ quang
nói chung thƣờng dùng để cắt kim loại khơng thể cắt bằng ơ-xy đƣợc, ví dụ nhƣ gang, đồng,
thép không gỉ v.v…
Các phƣơng pháp cắt đặc biệt (cắt o-xy dùng bột kim loại, cắt điện và điện o-xy, cắt ôxy-dây kim loại) cũng không đảm bảo mạch cắt bằng phẳng và năng suất cao.

1


Vào năm 1923 một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí đƣợc gọi là
Plasma. Trong trạng thái này, các khí trở nên dẫn điện do kết quả của sự ion hố của các
ngun tử khí. Do đó nó đƣợc biểu thị tƣơng ứng với trạng thái thứ tƣ của vật chất.
Để đƣa đến trạng thái i-on hóa của các khí, cần phải có một nguồn năng lƣợng thích
hợp nhất đó là nhiệt của hồ quang điện. Bởi vậy có thể coi plasma là một dạng hồ quang đặc
biệt mà nhiệt độ của nó đƣợc nâng cao rất nhiều. Trong kỹ thuật ngƣời ta còn gọi nó là hồ
quang khuếch đại (tăng cƣờng). Với hồ quang plasma sẽ đáp ứng đƣợc các mục đích kỹ thuật,
đặc biệt là trong hàn, cắt kim loại.
Với khả năng tác dụng kỹ thuật đặc biệt này nên công nghệ, thiết bị cắt plasma đã thu
hút rất nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất, rất nhiều tài liệu kỹ thuật, nhiều đề tài nghiên cứu
khoa học liên quan đến nó đƣợc công bố với số lƣợng tăng cao hàng năm về cả lý thuyết cũng
nhƣ vấn đề thực tiễn sản xuất, phạm vi ứng dụng của plasma ngày càng đƣợc mở rộng. Ở các
nƣớc có nền cơng nghiệp phát triển nhƣ: Anh, Pháp, Mỹ , Đức.. đã ứng dụng công nghệ cắt
plasma vào các ngành đóng tàu, gia cơng đƣờng ống, xây dựng nhà máy điện nguyên tử, chế
tạo máy, hóa chất trong ngành luyện kim.
Tới năm 1955 khó khăn khi cắt thép hợp kim, nhôm, đồng và bất cứ kim loại và hợp kim
nào đã đƣợc giải quyết nhờ hãng Linder (Mỹ) đƣa ra đƣợc quá trình cắt Heli-Arc và khi
phƣơng pháp này phổ biến thì lấy tên Cắt bằng tia plasma (cắt plasma). Cho đến nay thì việc
nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ cắt Plasma, ứng dụng thiết bị năng lƣợng Plasma
và nguồn cung cấp vẫn không ngừng đƣợc nghiên cứu cải tiến và phát triển, các thế hệ máy
mới liên tục đƣợc ra đời nhằm nâng cao chất lƣợng cắt, tốc độ cắt, nâng cao độ an tồn, giảm
độc hại trong q trình cắt cũng nhƣ khả năng ghép nối chúng vào hệ thống sản xuất linh hoạt
FMS. Máy cắt Plasma điều khiển chƣơng trình số ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong gia
công tấm.
Cắt plasma đƣợc phát triển vào năm 1960 và năm 1980 nổi lên nhƣ một phƣơng pháp
hữu hiệu cho cắt các tấm thép lá và thép tấm.Nó tạo ít phơi vụn và bề mặt chế tạo chính xác
hơn, sạch hơn, nên nó sớm đƣợc phát triển rộng rãi.Với sự phát triển của máy công cụ, công

nghệ CNC đƣợc áp dụng vào cắt plasma trong nhƣng năm sau 1980 đến năm 1990, mang lại
sự linh hoạt và chính xác hơn trƣớc.
Trong những năm gần đây máy cắt kim loại NC, CNC đã đƣợc nhập nhiều vào Việt
Nam và hiện nay đang đƣợc hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu, các công ty liên
doanh, các trƣờng đào tạo cán bộ kỹ thuật, các trƣờng đào tạo nghề nhƣng hiệu quả khai thác
các máy còn hạn chế.
2


Thiết nghĩ, nghiên cứu công nghệ cắt kim loại bằng plasma và khả năng ứng dụng trong
thực tế sản xuất từ đó nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị mang đầu cắt plasma để cắt thép ống
không gỉ cũng là một vấn đề quan trọng.
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Thép dạng ống nói chung và thép khơng gỉ dạng ống nói riêng có vai trị rất quan trọng
trong các cơng trình xây dựng, thủy điện, dầu khí, giao thơng, hố chất, thực phẩm…Trải qua
gần một thế kỷ ra đời và phát triển, ngày nay thép không gỉ đã đƣợc dùng rộng rãi trong mọi
lĩnh vực dân dụng và công nghiệp với hơn 100 mác thép khác nhau.
Ống thép nói chung và ống thép khơng gỉ nói riêng hiện nay đƣợc sử dụng nhiều trong
các cơng trình xây dựng từ nhà cửa, nhà xƣởng… đến những cơng trình lớn của đất nƣớc nhƣ
trong hoạt động vận chuyển các dung dịch trong các khu công nghiệp, vận chuyển nƣớc từ nhà
máy đến các hộ dân, trong hoạt động khai thác dầu mỏ, khí đốt,... sự thơng dụng của ống thép
đã trở nên phổ biến với từng ngƣời dân. Ở nƣớc ta hiện tại nhu cầu sử dụng ống thép không gỉ
trong sản xuất và đời sống là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu đó phơi thép ống khơng gỉ phải đƣợc
tạo ra một cách nhanh chóng, liên tục. Việc gia công cắt ống thép với thiết bị sử dụng hiện tại
đƣợc mua hoàn toàn từ nƣớc ngoài do chúng ta chƣa làm chủ đƣợc vì một số lý do sau:
-

Phƣơng pháp cắt plasma chƣa đƣợc ứng dụng nhiều ở nƣớc ta.

-

Chƣa có nhiều nghiên cứu trong nƣớc về thiết bị cắt plasma.

-

Chi phí đầu tƣ thiết bị cắt ống thép tƣơng đối cao.

Qua đó, ta thấy các nghiên cứu về phƣơng pháp cắt ống bằng công nghệ plasma và giải
quyết bài tốn tìm ra thiết bị mang đầu cắt ln có ý nghĩa lớn trong việc đảm bảo năng suất
cắt thép ống, chất lƣợng bề mặt ống thép sau khi cắt.
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.2.1 Ý nghĩa khoa học
-

Đề xuất đƣợc nguyên lý, kết cấu của thiết bị mang đầu cắt ống thép khơng gỉ.

Xác định đƣợc qui trình cắt plasma cắt ống thép không gỉ và đánh giá chất lƣợng ống
sau khi cắt.
1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn
Làm chủ đƣợc công nghệ cắt hồ quang plasma để tăng năng suất cắt kim loại dạng ống
và hạn chế khuyết tật khi cắt, kiểm tra đánh giá chất lƣợng bề mặt cắt.
Tạo cơ sở để tối ƣu hóa các thơng số đầu vào cho quy trình cắt ống thép bằng cơng
nghệ cắt hồ quang plasma.
3


-

Cơ sở phát triển quy trình cắt plasma thành tự động.

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma với các loại đầu cắt và máy cắt plasma đã
có sẵn.
-

Thiết lập qui trình sử dụng và vận hành của thiết bị.

1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài
- Các loại ống thép dùng trong công nghiệp. Đặc biệt là các loại ống thép không gỉ
SS201 và SS304
-

Các phƣơng pháp cắt ống thép không gỉ

-

Công nghệ cắt ống thép bằng phƣơng pháp cắt hồ quang plasma.

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
-

Ống thép khơng gỉ có đƣờng kính từ 100 mm tới 150 mm (4 inches – 6 inches).

Các loại máy cắt plasma và các loại thiết bị mang đầu cắt sẵn có trên thị trƣờng và
trong phịng thí nghiệm
-

Vật liệu ống cắt, cơ tính, chế độ cắt…

Sử dụng phần mềm creo 3.0 trong thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma và mơ phỏng
chuyển động q trình cắt.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận
-

Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, nguyên lý từ đó đƣa ra yêu cầu thiết kế.

Dựa vào yêu cầu thiết kế dùng phần mềm mơ phỏng đƣa ra nhiều phƣơng án từ đó lựa
chọn phƣơng án tốt nhất.
Từ phƣơng án thiết kế đƣợc chọn tiến hành chế tạo thiết bị, thử nghiệm đánh giá
thiết
bị.
1.5.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể
1.5.2.1 Phƣơng pháp lý thuyết
Tổng hợp các tài liệu sách, bài báo, các tiêu chuẩn để so sánh, tìm hiểu nguyên lý của
đầu cắt, phân tích các nguyên lý, các chuyển động, phạm vi ứng dụng từ đó đƣa ra nhiều
phƣơng án lựa chọn và u cầu tính tốn, thiết kế.
1.5.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm


4


kết

Dùng phƣơng pháp thử và sai để có các số liệu hồn chỉnh trong phần thiết kế và

cấu.

Phân tích, đánh giá kết cấu thiết kế bằng các phần mềm mô phỏng để xác định kết cấu
khả thi nhất.
Dựa vào thiết kế đề xuất chế tạo nguyên mẫu thiết bị, sau đó đƣa vào thử nghiệm để
hồn chỉnh thiết kế, xác định qui trình vận hành và đánh giá chất lƣợng ống.
1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm 5 chƣơng:
Chƣơng 1: Trình bày giới thiệu.
Chƣơng 2: Trình bày tổng quan
Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng 4: Trình bày đề xuất nguyên lý và đề xuất phƣơng án thiết kế
Chƣơng 5: Trình bày tính tốn, thiết kế
Kết luận và kiến nghị

5


CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN
Thép ống là một thành phần quan trọng của sản phẩm ngành thép. Căn cứ vào cơng nghệ
sản xuất và hình dáng phơi sử dụng chế tạo, ngƣời ta lại chia ra thành 2 loại lớn gồm: ống thép
đúc (phơi trịn) và ống thép hàn ( phôi tấm, lá).
2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ
2.1.1 Ống thép đúc
Căn cứ vào công nghệ chế tạo chia ra gồm ống thép đúc cán nóng và ống thép đúc cán
nguội, ống thép đúc cán nguội lại gồm ống trịn và ống hộp với các thành phần và tính năng
nhƣ sau:
-

GB/T8162-1999 (ống đúc kết cấu): chủ yếu dùng trong kết cấu thông thƣờng và kết cấu

máy. Nguyên liệu chủ yếu (mác thép) là: thép cacbon 20, thép 45, thép hợp kim Q345, 40Cr,

20 CrMo, 30-35 CrMo, 42CrMo v.v..
GB/3087-1999 (ống đúc dùng trong lò áp lực thấp và vừa) : chủ yếu dùng trong cơng
nghiệp lị luyện và ống dẫn dung dịch áp lực thấp và vừa trong lị thơng thƣờng. Tiêu biểu là
loại thép số 10, 20
GB/5310-1995 (ống dùng trong lò cao áp ): chủ yếu dùng làm ống dẫn dung dịch, ống
nƣớc 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 cơng 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 (ống đúc dùng trong dầu khí). Dùng làm ống dẫn dung dịch trong lị
luyện 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 tồn thế giới. Trong đó: ống lồng
là loại ống dùng để lồng vào trong giếng khoan dầu, ống dùng làm thành giếng. Thép
chủ yếu dùng là
J55,N80, P110.
API SPEC 5L-2000: loại ống đƣợc sử dụng trên toàn thế giới do hiệp hội dầu mỏ Mỹ
công bố. Loại thép chủ yếu sử dụng là: B, X42, X65, X70.

6


2.1.2 Ống thép hàn

Hình 2.1. Quy trình cơng nghệ thép hàn

Phôi nguyên liệu chủ yếu sử dụng là thép tấm và thép lá. Căn cứ vào công nghệ hàn mà
chia ra thành ống hàn lò, ống hàn điện và hàn tự động. 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 đầu hàn chia ra làm hàn
trịn và hàn dị hình (vng, vát…). Căn cứ vào nguyên liệu và mục đích sử dụng chia ra các
loại:
GB/T3092-1993, GB/T3091-1993 (ống hàn mạ kẽm áp lực thấp): chủ yếu dùng dẫn
nƣớc, khí, khơng khí, khí chƣng, các loại dung dịch áp lực thấp và các mục đích khác. Loại
thép dùng là Q235A.
GB/T14291-1992 (ống hàn dẫn dung dịch khoáng sản): chủ yếu dùng ống hàn thẳng
dẫn nƣớc thải trên núi. Nguyên liệu chủ yếu là Q235A, thép B.
GB/T142980-1994 (ống hàn điện đƣờng kính lớn dẫn dung dịch áp lực thấp) . Chủ yếu
dùng dẫn nƣớc, khí, khơng khí và các mục đích khác. Nguyên liệu chủ yếu là Q235A.
-

GB/T12770-1991 (ống hàn khơng 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, ….

GB/T12771-1991 ( ống hàn không gỉ dùng dẫn dung dịch) : Mác thép chủ yếu là
0Cr13, 0Cr19Ni9, 00CrNi11, 00Cr17, ….
2.2 Phân loại ống thép theo vật liệu
7


2.2.1 Ống thép tròn đen
Vật liệu: ST44/ST52, E355/16MN, P265GH, P245/265TR1, P245/265TR1,
Q2355
-

Tiêu chuẩn: ASME, API 5L, ASTM A106GR.B, ASTM A53GR.B

-

Độ dày: 2.8mm 9.5mm

-

Đƣờng kính phủ ngồi: 21.3 mm 355.6 mm.

-

Chiều dài: 5m 14m.

-

Áp suất làm việc: 16kg/cm

2

Công dụng: đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp xăng, dầu, khí hóa
lỏng, gas, cơng nghệ hạt nhân...

Hình 2.2. Ống thép trịn đen
2.2.2 Ống thép mạ kẽm
-

Chất liệu : Thép A106/A53

-

Tiêu chuẩn : ASTM - GB/T 3091

-

Tiêu chuẩn độ dày : SCH5, SCH10, SCH40, SCH80, XXS…

-

Chiều dài: 5m, 14 m.

-

Kích cỡ : 10.3mm, 609.6mm

-

Áp suất làm việc : 16kg/cm

-

Cơng dụng: cấp thốt nƣớc, phịng cháy chữa cháy, xử lý mơi trƣờng

-

Đƣờng kính ngoài khoảng từ21610

2

8

Hình 2.3. Ống thép mạ kẽm
2.2.3 Ống thép khơng gỉ (inox)
Thép khơng gỉ hay cịn gọi là inox là một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% Crơm,
nó ít bị biến màu hay bị ăn mịn nhƣ thép thơng thƣờng khác.
Thành phần hóa học chính của thép khơng gỉ bao gồm crôm, niken, mô-lip-đen, nitơ,
carbon. Thép không gỉ đƣợc phân làm 4 loại chính: Austenitic, Ferritic, Austenitic-Ferritic
(Duplex), Martensitic.

Hình 2.4. Ống thép khơng gỉ
Kích thƣớc của ống thép khơng gỉ giới hạn về đƣờng kính từ 13.72 mm tới 508 mm
đƣợc tra theo bảng tiêu chuẩn ống thép không gỉ ATSM A312 / 778 JIS G3459
Hiện nay, hai loại thép không gỉ thông dụng nhất là SS201 và SS304, thuộc loại
Austenitic.
2.3. Sơ lƣợc các loại ống thép không gỉ thông dụng nhất
2.3.1. Ống thép không gỉ loại SS 201 (Inox 201)
Nhƣ đã biết, thì Inox là một loại thép có chứa hơn 11% Chrom, chính vì điều này đã
9


tạo cho Inox một lớp màng tự bảo vệ chống lại sự ăn mòn. Còn Niken đƣợc biết đến nhƣ là
yếu tố chính mang lại sự ổn định cho pha Austenitic và khả năng gia công tuyệt vời cho Inox.
Trong Inox 201, thì ngƣời ta sử dụng Magan nhƣ là nguyên tố chính để thay thế Niken
theo tỉ lệ 2:1. Chúng ta có thể thấy theo thành phần hóa học nhƣ sau:
+ Inox 201: 4.5% Niken và 7.1% Mangan
Trong tình hình giá của Niken tăng liên tục thì những dịng Inox chứa hàm lƣợng
Niken thấp, giá cả thấp và ổn định mang lại sự hấp dẫn thực sự. Và Inox 201 là một lựa chọn
phù hợp, mác Inox ngày càng đƣợc dần chiếm đƣợc nhiều thị trƣờng, những nơi mà Inox
304 và Inox 201 là lựa chọn chủ yếu. Inox 201 có giá cả thấp và ổn định là do dùng Magan để
thay thế cho Niken. Chính điều này làm cho Inox 201 có nhiều tính chất tƣơng tự Inox 304 và

có đƣợc bề ngồi giống nhƣ Inox 304.
2.3.2. Ống thép không gỉ loại SS 304 (Inox 304)
Inox 304 là loại Inox phổ biến và đƣợc ƣa chuộng nhất hiện nay trên thế giới. Inox 304
chiếm đến 50% lƣợng thép khơng gỉ đƣợc sản xuất trên tồn cầu. Và ở Úc thì con số này dao
động từ 50%-60% lƣợng thép không gỉ đƣợc tiêu thụ. Inox 304 đƣợc sử dụng trong hầu hết
các ứng dụng ở mọi lĩnh vực. Bạn có thể thấy inox 304 ở mọi nơi xung quanh cuộc sống hàng
ngày của bạn nhƣ: Xoong, chảo, nồi, thìa, nĩa, bàn, ghế, đồ trang trí…
Loại Inox 304L là loại inox có hàm lƣợng Carbon thấp (Chữ L ký hiệu cho chữ Low,
trong tiếng Anh nghĩa là thấp). 304L đƣợc dùng để tránh sự ăn mòn ở những mối hàn quan
trọng. Cịn loại Inox 304H là loại có hàm lƣợng Carbon cao hơn 304L, đƣợc dùng ở những
nơi đòi hỏi độ bền cao hơn. Cả Inox 304L và 304H đều tồn tại ở dạng tấm và ống, nhƣng
304H thì ít đƣợc sản xuất hơn.
Tính chống ăn mịn:
Inox 304 đã thể hiện đƣợc khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của mình khi đƣợc tiếp
xúc với nhiều loại hóa chất khác nhau. Inox 304 có khả năng chống gỉ trong hầu hết ứng dụng
của ngành kiến trúc, trong hầu hết các mơi trƣờng của q trình chế biến thực phẩm và rất dễ
vệ sinh. Ngồi ra, Inox 304 cịn thể hiện khả năng chống ăn mịn của mình trong ngành dệt
nhuộm và trong hầu hết các Acid vô cơ.
Khả năng chịu nhiệt:
Inox 304 thể hiện đƣợc khả năng oxi hóa tốt ở nhiệt độ 870 độ C, và tiếp tục thể hiện
đƣợc lên đến nhiệt độ 925 độ C Trong những trƣờng hợp yêu cầu độ bền nhiệt cao, thì ngƣời
ta yêu cầu vật liệu có hàm lƣợng carbon cao hơn. Ví dụ: Theo tiêu chuẩn AS1210 Pressure
Vessels Code giới hạn khả năng chịu nhiệt của 304L là 425 độ C, và cấm sử dụng những inox
10


304 với hàm lƣợng carbon 0.04% hoặc cao hơn trên nhiệt độ 550 độ C.
Inox 304 thể hiện khả năng dẻo dai tuyệt vời khi đƣợc hạ đến nhiệt độ của khí hóa
lỏng và ngƣời ta đã tìm thấy những ứng dụng tại những nhiệt độ này.
Cơ tính và tính chất vật lý:

Giống nhƣ các loại thép trong dòng Austenitic, thì từ tính của Inox 304 là rất yếu và
hầu nhƣ là khơng có. Nhƣng sau khi làm việc trong mơi trƣờng có nhiệt độ thấp, thì từ tính
lại rất mạnh (điều này đi ngƣợc lại với q trình tơi).
Ngồi ra, Inox 304 chỉ có thể đƣợc tăng cứng trong mơi trƣờng có nhiệt độ thấp. Ứng
suất đàn hồi cao nhất mà Inox 304 có thể đạt đƣợc là 1000MPa, điều này còn đƣợc ảnh
hƣởng bởi các yếu tố nhƣ số lƣợng và hình dạng của vật liệu.
Tơi là phƣơng pháp chính để sản xuất ra Inox 304. Ngƣời ta sẽ gia nhiệt lên đến 1010
độ C – 1120 độ C, và sau đó sẽ làm lạnh đột ngột bằng cách nhúng vào nƣớc lạnh.
Khả năng gia cơng
Inox 304 có khả năng tạo hình rất tốt, nó có thể dát mỏng mà không cần gia nhiệt. Điều
này làm cho Inox này độc quyền trong lĩnh vực sản xuất các chi tiết Inox.
Ví dụ: chậu rửa, chảo, nồi… Ngồi ra, tính chất này còn làm cho Inox 304 đƣợc ứng
dụng làm dây thắng trong công nghiệp và các phƣơng tiện nhƣ ô tô, xe máy, xe đạp…
Inox 304 thể hiện khả năng hàn tuyệt vời, loại inox này phù hợp với tất cả các kỹ thuật
hàn (trừ kỹ thuật hàn gió đá). Khả năng cắt gọt của Inox 304 kém hơn so với các loại thép
Carbon, khi gia công vật liệu này trên các máy cơng cụ, thì phải u cầu tốc độ quay thấp,
quán tính lớn, dụng cụ cắt phải cứng, bén và không quên dùng nƣớc làm mát.
Việc gia công cắt gọt các ống thép với các biên dạng hình học khác nhau trên ống thép
có chiều dài, độ dày ống khác nhau và chất lƣợng bề mặt ống cắt là một vấn đề lớn cần thiết
nghiên cứu.
Đặt vấn đề: Làm thế nào để cắt ống thép không gỉ với bề dày tƣơng đối lớn (≥ 6 mm)
Nhƣ chúng ta đã biết, đối với các ống thép inox có độ dày thành ống ≥ 6 mm thì chúng
ta khơng thể cắt đƣợc bằng các loại cƣa cầm tay hoặc cắt bằng gió đá (hỗn hợp khí oxi –
axetilen). Với công nghệ hiện nay, để đảm bảo năng suất cắt mang tính kinh tế thì một
phƣơng pháp hữu hiệu đó là cắt bằng hồ quang plasma. Vậy plasma là gì? Tại sao có thể cắt
bằng plasma? Quy trình cắt ra sao?
2.4. Công nghệ cắt ống thép không gỉ bằng hồ quang plasma (cắt plasma).
2.4.1. Khái niệm về plasma
11

Plasma - “Dạng vật chất thứ tƣ”
Ba trạng thái đầu tiên của vật chất là: chất rắn, chất lỏng và chất khí.
Khi bổ sung nhiệt lƣợng vào khí, khí bị ion hóa. Sự ion hóa khí là sự biến đổi trạng
thái cuối cùng. Khí ở trạng thái dẫn điện đƣợc gọi là plasma.
Trạng thái thứ tƣ của vật chất đƣợc gọi là PLASMA. Khí ion hóa với các đặc tính của
nó là cơ sở chủ yếu để các hệ thống plasma hoạt động.

Hình 2.5. Khí plasma
Plasma là tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lƣợng tƣơng đƣơng các ion dƣơng và
các điện tử và có vài đặc tính của khí nhƣng khác với khí là có tính dẫn điện tốt”. Sự ion hóa
khí tạo ra các điện tử tự do và các ion dƣơng giữa các nguyên tử khí. Khi điều này xảy ra, khí
trở thành dẫn điện với khả năng mang dịng điện. Nhƣ vậy, plasma hình thành - đó là hình
thái phong phú nhất của vật chất trong vũ trụ.

Hình 2.6. Ngọn lửa plasma
Một ví dụ của plasma đƣợc thấy trong tự nhiên là hiện tƣợng tia chớp thƣờng hay xảy
ra khi bầu trời có mƣa giông. Giống nhƣ tia plasma phát ra từ mỏ plasma, tia chớp phóng từ
vị trí này sang vị trí khác, giữa hai đám mây tích điện. Trong khơng gian hình thành tia chớp,
12


các loại khí trong khơng trung là khí ion hóa, trở nên dẫn điện.

Hình 2.7. Sự hình thành plasma trong tự
nhiên 2.4.2. Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma
Cắt bằng Plasmalà một q trình trong đó để cắt thép và các kim loại khác ở các độ dày
cắt khác nhau sử dụng mỏ cắt plasma. Trong phƣơng pháp này khí trơ ( hoặc khơng khí nén )
đƣợc thổi qua vịi phun với áp suất ccao, cung thời điểm dòng hồ quang điện cũng truyền qua
dịng khí này từ vịi phun đến bề mặt vật cắt, chuyển một phần khí sang thành Plasma. Plasma

có nhiệt độ cao làm nóng chảy kim loại vật cắt, khí thổi với áp suất cao đủ để thổi kim loại
nóng chảy ra khỏi mặt cắt.

Hình 2.8. Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma
2.4.3. Đặc điểm của phƣơng pháp cắt plasma
Plasma gồm các ion đƣợc gia tốc lớn nên có động năng rất mạnh. Nhiệt độ của tia
plasma rất lớn (10000°C) do tập trung năng lƣợng cao nên có thể làm nóng chảy tức thời kim
13