Trang chủ
Tin tức - Sự kiện Tin Khoa học & công nghệ Chế tạo thành công khớp giãn nở dạng sóng bằng thép hợp kim đàn hồi kích thước lớn
Tin nổi bật
Chế tạo thành công khớp giãn nở dạng sóng bằng thép hợp kim đàn hồi kích thước lớn
Quy trình công nghệ chế tạo khớp giãn nở có thể ứng dụng để chế tạo rất nhiều loại khớp có kích thước và vật liệu khác nhau, thay thế nhập ngoại trong điều kiện trang thiết bị tại Việt Nam.
Trên thế giới có nhiều công ty đã thiết kế chế tạo khớp giãn nở cung cấp cho các nhà máy công nghiệp trên thế giới cũng như cho các nhà máy tại Việt Nam. Xu hướng thiết kế, chế tạo hiện nay của các công ty nước ngoài là thay thế các khớp vải bằng các khớp giãn nở dạng sóng bằng thép hợp kim do các ưu điểm về độ bền và tuổi thọ. Tuy nhiên, các doanh nghiệp nước ngoài chỉ cung cấp các catalog để cho các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam chọn và mua. Ở trong nước cũng chưa có cơ sở nào nghiên cứu tính toán thiết kế cụ thể, chính vì vậy việc việc kiểm soát công nghệ - chế tạo cũng như việc làm chủ thiết kế là hết sức cần thiết.
Do đó, các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu cơ khí (Narime) đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp giãn nở dạng sóng bằng thép hợp kim đàn hồi có kích thước lớn (2m÷5m), làm việc trong môi trường có nhiệt độ và áp suất để cung cấp cho các nhà máy nhiệt điện”. Đây là đề tài cấp Bộ Công Thương do KS. Đỗ Thành Trung (Narime) làm chủ nhiệm. Đề tài được thực hiện nhằm lập quy trình công nghệ chế tạo khớp giãn nở với kích thước lớn bằng vật liệu kim loại. Đồng thời, xây dựng được quy trình lắp đặt vận hành khớp giãn nở trong các nhà máy nhiệt điện.
Hình ảnh khớp giãn nở sử dụng trong hệ thống ống dẫn (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Xác định kết cấu khớp giãn nở
Trong quá trình thực hiện, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu, xác định cấu tạo, nguyên lý hoạt động chung của khớp giãn nở. Theo đó, khớp giãn nở có 3 bộ phận cơ bản gồm: Bộ phận kẹp chặt làm kín đường ống trong hệ thống ống; Bộ phận ống lót để dẫn môi chất đi qua: được hàn cố định vào một đầu khớp giãn nở và có thể trượt dọc ống khi ống lò xo ngoài co giãn; Bộ phận múi sóng inox: có cấu tạo tiết diện kiểu lò xo như ống mềm. Dưới tác động của nhiệt độ, kim loại cục bộ của khớp giãn nở bị giãn dài và biến dạng nhiệt, nhưng do hình dạng của nó, chiều dài chung của khớp giãn nở không thay đổi.
Mục đích chính của khớp giãn nở là giảm tiếng ồn, sự rung động và chấp nhận tất cả các chuyển động nhiệt có hướng. Tiếng ồn và rung được được giảm bằng cách tạo ra sự không liên tục giữa các vật liệu ống, khớp giãn nở có tác dụng làm giảm các tần số nhiễu loạn này và hấp thụ năng lượng, giảm thiểu việc truyền tiếng ồn, độ rung và ứng suất vào đường ống hoặc thiết bị lân cận.
Kết cấu tính toán khớp nối (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Trên cơ sở các nghiên cứu, nhóm thực hiện đề tài đã thiết kế khớp giãn nở dạng sóng với với các thông số cơ bản: kích thước dài 4008 mm rộng, 1008mm cao 300mm, vật liệu SUS304, chiều dài từ điểm cố định ống đến khớp giãn nở là 12 mét. Nhiệt độ của ống dẫn bên trong có bảo ôn bằng bông gốm Ceramic. Theo thống kê thực tế tại Công ty Nhiệt điện Cao Ngạn có lúc quá nhiệt do hệ thống khống chế nhiệt gặp lỗi, nhiệt độ tại khớp giãn nở lên đến 300ºC. Các thông số thiết kế đều đáp ứng các yêu cầu co giãn của hệ thống đường ống.
Do khớp giãn nở có kết cấu tương đối phức tạp, đồng thời mô hình 3-D cần thiết phải được xây dựng chính xác. Do đó mô hình khớp giãn nở được xây dựng trên phần mềm vẽ 3D chuyên dụng là phần mềm Solidworks và sử dụng phần mềm Ansys Workbench liên kết với phần mềm Solidworks để mô phỏng đánh giá tải trọng, ứng suất và độ bền mỏi của khớp giãn nở. Giá trị mô phỏng chu kỳ làm việc của khớp giãn nở lớn nhất đạt xấp xỉ 1.106 tại các cạnh sườn của múi sóng, và giá trị nhỏ nhất tại vị trí các mối hàn – nơi tập trung ứng suất. Khớp giãn nở có nguy cơ hỏng cao nhất là tại các vị trí góc của khớp giãn nở.
Mô hình 3D khớp giãn nở (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Xây dựng quy trình công nghệ
Theo KS Đỗ Thành Trung, mỗi nhà sản xuất khớp giãn nở chữ nhật có các bước khác nhau cho quy trình tạo hình uốn của họ. Tuy nhiên, đều có chung một loạt các bước cơ bản mà tất cả các nhà sản xuất sử dụng. Quá trình bắt đầu với một cuộn kim loại tấm lớn có thể rộng từ 25mm đến 1200mm với độ dày từ 0,3mm đến 6 mm. Trước khi một quá trình cán cuốn khớp giãn nở được tiến hành, nó phải được chuẩn bị cho quá trình này.
“Sản phẩm khớp giãn nở được tạo thành từ tôn Sus304, có 2 lớp, mỗi lớp dày 1mm, tổng chiều dày là 2mm, lốc thành tôn sóng có 2 lớp được áp sát vào nhau (không có khe hở giữa 2 lớp). Khi tính toán biên dạng, lấy mặt phân cách giữa 2 lớp làm cơ sở tính toán cho biến dạng tại các nguyên công. Sản phẩm được hình thành từ tấm tôn có đường sinh thẳng, bán kính cong của biên dạng ρi là ∞; góc prôfin γ i = 0˚ qua các bước biên dạng đến nguyên công cuối cùng có bán kính biên dạng ρi = 20; góc prôfin γ i = 90˚.” chủ nhiệm đề tài cho biết.
Quy trình cán uốn (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Để chế tạo khớp giãn nở, nhóm nghiên cứu thực hiện quy trình chế tạo múi sóng inox bằng phương pháp cán uốn với kích thước cơ bản của tôn sóng inox hai lớp dày 1mm, cao 70mm. Múi sóng sau khi được cán uốn, được cắt đúng kích thước, vát góc 45 độ sau đó được gá hàn các tấm trên đồ gá để đảm bảo các múi sóng được vuông góc và trùng múi sóng với nhau. Cuối cùng, bọc bông gốm, hàn các chi tiết cố định múi sóng và kiểm tra chất lượng khớp giãn nở.
Hiệu quả kinh tế và tính ứng dụng cao
Sau hơn 1 năm thực hiện (từ tháng 4 năm 2021 đến tháng 12 năm 2022), đề tài đã hoàn thành và đưa vào vận hành 01 khớp giãn nở kích thước 4008x1008x300 để đưa vào ứng dụng tại hệ thống quạt gió cấp 2 Nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn; và 04 khớp giãn nở kích thước 5200x5200x600 đưa vào ứng dụng tại hệ thống đường khói lò hơi của Nhà máy nhiệt điện Uông Bí. Đồng thời, xây dựng quy trình công nghệ chế tạo khớp giãn nở dạng sóng có tiết diện phần lắp ghép hình chữ nhật có kích thước các cạnh từ 2÷5 (m).
Hoàn thiện cơ bản các bước trong lắp ráp (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Các sản phẩm của đề tài đều đáp ứng được tiêu chuẩn Việt Nam và điều kiện làm việc trong thực tiễn, đạt được chỉ tiêu kỹ thuật tương đương các sản phẩm ngoại nhập đang sử dụng tại nhà máy nhiệt điện. Đạt tỷ lệ nội địa hóa cao phù hợp với khả năng gia công chế tạo trong nước. Cụ thể, tỷ lệ nội địa hóa: Phần thiết kế đạt 80%; chế tạo thiết bị: 100%; lắp đặt, chạy thử, bảo hành: 100%.
Qua việc đã đưa vào vận hành thành công 05 sản phẩm ứng dụng cho thấy hiệu quả kinh tế và tính ứng dụng của đề tài là rất lớn, được các nhà máy đánh giá cao về tiến độ cũng như giá thành (chỉ khoảng 75% so với nhập ngoại). Đề tài cũng đã tạo điều kiện cho các cơ sở gia công chế tạo trong nước có khả năng tự làm chủ trong việc thiết kế chế tạo khớp giãn nở kích thước lớn phục vụ cho các nhà máy công nghiệp.
Khớp giãn nở hoặc ống giãn nở (Piping Expansion Joints or Expansion Bellows) điển hình bao gồm một hoặc nhiều khớp giãn nở bằng kim loại (phổ biến nhất là thép không gỉ) hoặc từ các vật liệu như cao su, vải hoặc nhựa như Polytetrafluorine-ethylene (PTFE). Trong khi các vật liệu như cao su, nhựa và vải có những hạn chế của chúng, kim loại là vật liệu linh hoạt nhất trong tất cả các vật liệu. Kim loại thích hợp để sử dụng ở nhiệt độ cao, có đặc tính cường độ cao và chống ăn mòn.
Khớp giãn nở bằng kim loại được thiết kế để hấp thụ các thay đổi về kích thước của hệ thống ống thép và ống dẫn một cách an toàn. Những thay đổi có thể là giãn nở và co lại vì nhiệt, rung động do máy móc quay, biến dạng áp suất, lệch vị trí trong quá trình lắp đặt hoặc xây dựng các công trình