1BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.05/06-10
BÁO CÁO TỔNG KẾT
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

Tên Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống
có đường kính lớn ở trạng thái không quay.”

Mã số: KC.05.09/06-10 Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công Thương

Chủ nhiệm đề tài: TS. Hoàng Văn Châu 8492

(ký tên) (ký tên và đóng dấu khi gửi lưu trữ)
TS. Trần Việt Hùng

Hà Nội - 2010

3

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ
__________________
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà nội, ngày 20 tháng 4 năm 2010.
BÁO CÁO THỐNG KÊ
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I. THÔNG TIN CHUNG
1. Tên Đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối
ống có đường kính lớn ở trạng thái không quay.

Mã số: KC.05.09/06-10


II. TÌNH HÌNH THỰC HIỆN
1. Thời gian thực hiện Đề tài:
- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 12/ năm 2007 đến tháng 5/ năm 2010
- Thực tế thực hiện: từ tháng tháng 12/ năm 2007 đến tháng 5/ năm 2010
- Được gia hạn (nếu có):
- Lần 1 từ tháng…. năm…. đến tháng…. năm….
- Lần 2 ….
2. Kinh phí và sử dụng kinh phí:
a) Tổng số kinh phí thực hiện: 2.700 tr. đ, trong đó:
+ Kính phí hỗ trợ từ SNKH: 2.700 tr. đ.
+ Kinh phí từ các nguồn khác: 0 tr. đ.
+ Tỷ
lệ và kinh phí thu hồi đối với dự án (nếu có): -
b) Tình hình cấp và sử dụng kinh phí từ nguồn SNKH:
Theo kế hoạch Thực tế đạt được
Số
TT
Thời gian
(Tháng, năm)
Kinh phí
(Tr.đ)
Thời gian
(Tháng, năm)
Kinh phí
(Tr.đ)
Ghi chú
(Số đề nghị
quyết toán)
1 29.01.2008 840

5 Chi khác 460 460 0 444 444 0

Tổng cộng
2.700 2.700 0 2.635 2.635 0
- Lý do thay đổi (nếu có):

3. Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện Đề tài:
(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn,
phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn
bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)
Số
TT
Số, thời gian ban
hành văn bản
Tên văn bản Ghi chú
1 Số 1551/QĐ-
BKHCN, ngày
01.8.2007
Quyết định về việc phê duyệt
các tổ chức, cá nhân trúng
tuyển chủ trì thực hiện các đề
tài, dự án SXTN năm 2007
(đợt I) thuộc Chương trình
“Nghiên cứu, phát triển và
ứng dụng công nghệ cơ khí
chế tạo” mã số KC.05/06-10

2 Số 2808/QĐ-
BKHCN, ngày
27.11.2007

tham gia
chủ yếu
Sản phẩm
chủ yếu
đạt được
Ghi
chú*
1
Bộ môn Hàn và
Công nghệ kim
loại - Trường
Đại học Bách
khoa Hà Nội
Bộ môn Hàn và
Công nghệ kim
loại - Trường Đại
học Bách khoa
Hà Nội
Thu thập tài
liệu, tính toán
thiết kế.
Báo cáo
chuyên đề

2
Nhà máy chế
tạo cơ khí Sông
Đà - Công ty
Sông Đà 9-
TCT Sông Đà

Ghi
chú*
1
TS. Hoàng Văn
Châu
TS. Hoàng Văn
Châu
Chủ nhiệm Đề tài,
điều hành chung.
Kết quả, báo cáo
tổng hợp ĐT.

2
KS. Nguyễn
Đình Sao
KS. Nguyễn
Đình Sao
Thiết kế điện, điều
khiển, lập trình phục
vụ cho thiết kế, chế
tạo, thử nghiệm hệ
thống thiết bị.
Thiết bị điện, điều
khiển, lập trình hệ
thống thiết bị.

3
KS. Phạm Thanh
Hoài
KS. Phạm

KTV. Khương
Văn Thiềng
Kỹ thuật viên hàn,
vận hành hệ thống
thiết bị, đồ gá.
Vận hành hệ thống
thiết bị, đồ gá.

6
PGS.TS. Nguyễn
Thúc Hà
PGS.TS.
Nguyễn Thúc
Hà
Chủ nhiệm nhánh đề
tài: nghiên cứu công
nghệ, xây dựng bộ cơ
sở dữ liệu điều khiển
hệ thống thiết bị hàn
ống, nghiên cứu trạng
thái ứng suất và biến
dạng, xử lý nhiệt sau
khi hàn ống đường
kính lớn.
Bộ cơ sở dữ liệu
điều khiển hệ
thống thiết bị hàn
ống.
Nghiên cứu trạ
ng

thử nghiệm hệ thống
thiết bị triển khai áp
dụng vào sản xuất.
Đồ gá định vị và
hệ thống thiết bị
hàn. Triển khai áp
dụng vào sản xuất.

9
KS. Trần Quốc
Khánh

KS. Trần Quốc
Khánh

Tham gia chế tạo đồ
gá và thiết bị hàn, thử
nghiệm hệ thống thiết
bị, triển khai áp dụng
vào sản xuất.
Đồ gá định vị và
hệ thống thiết bị
hàn. Triển khai áp
dụng vào sản xuất.

10
KS. Nguyễn Văn
Tấn
KS. Nguyễn
Văn Tấn

9/2008, kinh phí: 162 tr.đ.
, thăm Hiệp hội Kỹ sư Hàn
Nhật, số lượng: 4 người.

2 Đoàn vào: Đoàn Nhật vào, 2
người, 30 tr. đ.
Đoàn vào: Đại diện Hội Kỹ
sư Hàn Nhật, tháng 4/2009,
kinh phí: 30 tr.đ., số lượng: 3 8
người.
- Lý do thay đổi (nếu có):

7. Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:
Số
TT
Theo kế hoạch
(Nội dung, thời gian, kinh phí, địa
điểm )
Thực tế đạt được
(Nội dung, thời gian, kinh
phí, địa điểm )
Ghi chú*
1
+ Hội thảo 1: Công nghệ hàn tự
động trong xây lắp thủy điện.
+ Thời gian: 2008.
+ Kinh phí: 20 tr. đ.

TT
Các nội dung, công việc
chủ yếu
(Các mốc đánh giá chủ yếu)
Theo kế
hoạch
Thực tế
đạt được
Người,
cơ quan
thực hiện
1
Xây dựng thuyết minh chi tiết
được duyệt của Đề tài.
9/2007
÷12/2007
9/2007
÷12/2007
Viện NCCK
2
Nội dung 1: Nghiên cứu tính toán,
thiết kế hệ thống thiết bị hàn tự
động nối ống đường kính lớn từ
20 inch ( 529 mm ) đến 240 inch
(6.096 mm), chiều dày thành ống
14-30 mm ở trạng thái không quay
cho các công trình thủy điện vừa
và nhỏ bao gồm: đồ gá định tâm
theo mặt ngoài của ống, đồ gá
định tâm bên trong ống, cụm thiết

7/2008
÷12/2008
7/2008
÷12/2008
Viện NCCK,
Nhà máy chế
tạo cơ khí
Sông Đà -
Công ty Sông
Đà 9-TCT
Sông Đà
4
Nội dung 3: Nghiên cứu lý
thuyết quy hoạch thực nghiệm và
áp dụng xác định chế độ công
nghệ hàn nối ống đường kính lớn
ở trạng thái không quay, xây
dựng Bộ cơ sở dữ liệu về chế độ
công nghệ hàn bao gồm: điện áp
hàn U, dòng điện hàn I, tốc độ
hàn V phù hợp với vị trí hàn
trong hệ tọa độ cực theo chu vi
đường ống hàn.
1/2009
÷ 6/2009
1/2009
÷ 6/2009
Viện NCCK,
Bộ môn Hàn
và Công nghệ

÷ 5/2010
10/2009
÷ 5/2010
Viện NCCK,
Nhà máy chế
tạo cơ khí
Sông Đà -
Công ty Sông
Đà 9-TCT
Sông Đà
- Lý do thay đổi (nếu có):

III. SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN
1. Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:
a) Sản phẩm Dạng I:
Số
TT
Tên sản phẩm và
chỉ tiêu chất lượng
Đơn
vị đo
Số lượng
Theo kế
hoạch
Thực tế
đạt được

10
chủ yếu
1

Theo kế
hoạch
Thực tế
đạt được
Ghi chú

1 Bộ tài liệu tính toán thiết kế
và quy trình chế tạo hệ thống
thiết bị hàn tự động nối ống
đường kính lớn ở trạng thái
không quay.
- Bộ bản vẽ thiết
kế theo yêu cầu
TCVN.
- Thiết kế được
thực hiện và ấn
loát bằng công
cụ AUTOCAD.
- Bộ bản vẽ thiết
kế theo yêu cầu
TCVN.
- Thiết kế được
thực hiệ
n và ấn
loát bằng công
cụ AUTOCAD.

2 Quy trình công nghệ lắp ráp,
kiểm tra, vận hành hệ thống
thiết bị hàn tự động nối ống.

dụng theo yêu
cầu TCVN.
- Bộ tài liệu
hướng dẫn sử
dụng theo yêu
cầu TCVN.

4 Quy trình công nghệ sử dụng
hệ thống thiết bị hàn tự động
nối ống đường kính lớn ở
trạng thái không quay.
- QTCN hoàn
chỉnh bao gồm
tất cả các
nguyên công
theo yêu cầu
trong xây lắp
thuỷ điện.
- QTCN khả thi
được áp dụng
trong sản xuất
và được cơ sở
sản xuất chấp
thuận bằng văn
bản.
- QTCN hoàn
chỉnh bao gồm
t
ất cả các
nguyên công

Nội dung thông
tin khoa học
công nghệ có
tính mới, các
kết luận khoa
học có giá trị cả
về lý thuyết và
thực tiễn.
05 bài
Nội dung thông
tin khoa học
công nghệ có
tính mới, các
kết luận khoa
học có giá trị cả
về lý thuyết và
thực tiễn.

Hội nghị
KHCN Cơ khí
chế tạo toàn
quốc lần 1,
2009: 3 bài, lần
2, 2010: 2 bài

- Lý do thay đổi (nếu có):

d) Kết quả đào tạo:
Số lượng
Số

Ghi chú
(Thời gian kết
thúc)
1
Hệ thống thiết bị hàn tự
động nối ống đường
kính lớn ở trạng thái
không quay
01 01 5.2010
2
Quy trình công nghệ hàn
tự động nối ống đường
kính lớn ở trạng thái
không quay

01 01 5.2010
- Lý do thay đổi (nếu có):

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế
Số
TT
Tên kết quả
đã được ứng dụng
Thời gian
Địa điểm
(Ghi rõ tên, địa
chỉ nơi ứng dụng)
Kết quả
sơ bộ
1

Hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống đường kính lớn ở trạng thái
không quay đã được ứng dụng để hàn đường ống áp lực cho Công trình thủy
điện Nậm Khánh tại huyện Bắc Hà, tỉnh Lào Cai.
Hiệu quả: nhờ quá trình tự động hóa việc cấp dây hàn, tự động dịch
chuyển theo quỹ đạo theo đúng tốc độ hàn mà có thể định vị chính xác rãnh
hàn và hồ quang
ổn định, tăng năng suất lao động 3-4 lần so với hàn thủ công
bằng que hàn tay, chất lượng mối hàn ổn định không phụ thuộc vào tay nghề
của người thợ hàn.

3. Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:
Số
TT
Nội dung
Thời gian
thực hiện
Ghi chú
(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ
trì…)
I Báo cáo định kỳ
Lần 1 15.9.2008
Thiết kế tổng thể hệ thống thiết bị hàn.
Thiết kế chi tiết xây dựng Bộ tài liệu thiết kế
theo yêu cầu TCVN cho các cụm thiết bị và chi
tiết của hệ thống thiết bị hàn.
Thiết lập Quy trình công nghệ chế tạo các thiết
bị của Hệ thống hàn tự động.
Lần 2 15.3.2009
Chế tạo và lắp ráp các thiết bị.
Lần 3 15.9.2009

Chủ nhiệm Chương trình, TS. Trần Việt Hùng:
- Báo cáo cần chỉnh sửa theo thực tế và bám sát
TM ĐT.
- Cần đăng ký sớm giải pháp hữu ích.
- Cần đẩy nhanh tiến độ (chậm 6 tháng).
- Chưa có báo cáo đoàn ra, đoàn vào, kế hoạch
mua sắm.
- Nhật ký ĐT cần in và ghi chép thường xuyên.
- Chú ý vấn đề hàn phía dưới ống.
Lần 3 30.11.2009
Chủ nhiệm Chương trình, TS. Trần Việt Hùng:
- Báo cáo cần chỉnh sửa theo mẫu mới và chuẩn
xác các số liệu. Thiếu đoàn ra, nhật ký ĐT.
- Kinh phí cần báo cáo chi tiết.
- Cần đẩy nhanh tiến độ (chậm 5 tháng).
Lần 4 07.5.2010
Chủ nhiệm Chương trình, TS. Trần Việt Hùng:
- Về cơ bản ĐT hoàn thành đúng tiến độ, có
khả năng nghiệm thu đúng hạn.
- Về tài chính: Đã quyết toán hơn 80% kinh phí
được cấp.
- Đề nghị VP CCT gửi giấy xác nhận kinh phí.
III Nghiệm thu cơ sở 15.6.2010 Chủ nhiệm đề tài
(Họ tên, chữ ký)
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
Chương I. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước
1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
1.3. Tổng quan về các Patent công bố trên thế giới
1.4. Tổng quan về các Tiêu chuẩn liên quan
1.5. Kết luận chương 1.
Chương II. Thiết kế tổng thể hệ thống thi
ết bị
2.1. Nguyên lý thiết kế tổng thể
2.2. Chức năng các bộ phận cấu thành
2.3. Yêu cầu kỹ thuật chính của các cụm thiết bị
2.3.1. Xe hàn
2.3.2. Bộ cấp dây hàn
2.3.3. Cơ cấu dao động đầu hàn
2.3.4. Bộ cấp khí bảo vệ
Trang
6
7
8
9
13
13
19
23

2.4.6. Định vị đầu hàn
2.4.7. Đồ gá định tâm ống hàn
2.5. Tính toán thiết kế xe hàn.
2.5.1. Chọn động cơ điện
2.5.2. Phân phối tỉ số truyền
2.5.3. Tính toán bộ truyền trong hộp giảm tốc
2.6. Thiết kế đường ray và xe hàn nối ống không quay.
2.7. Tính toán đồ gá định tâm.
2.7.1. Nguyên lý hoạt động.
2.7.2. Tính lực nắn tròn ống.
2.7.3. Tính lực đẩy trên các thanh và lực củ
a Piston.
2.7.4. Tính lực bền các chốt và thanh truyền lực.
30
30
31
31
32
32
33
34
34
34
35
35
36
36
37
38
65

2.9.7. Gi
ải thích các sơ đồ.
2.9.8. Cơ sở tính và chọn PLC
2.10. Tính toán hệ thống thủy lực.
2.10.1. Chức năng, nguyên lý hoạt động.
2.10.2. Tính toán hệ thống thủy lực.
Chương III. Công nghệ xử lý nhiệt sau khi hàn.
3.1. Nh÷ng vÊn ®Ò chung.
3.2. C¬ së lý thuyÕt tÝnh to¸n chÕ ®é gia nhiÖt.
85
85
86
87
89
97
101
103
106
108
110
110
111
112
115
118
118
120
124
124
125

4.5. Đặc điểm công nghệ hàn tự động các mối nối ống ở trạng thái
không quay.
4.6. Quá trình nghiên cứu.
4.7. Thiết lập Quy trình công nghệ hàn tự động trong khí bảo vệ cho
đờng ống áp lực thủy điện.
125
126
127
129
129
129
129
130
130
130
131
133
133
134
135
139
145
147
154

BÁO CÁO TỔNG KẾT
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống có đường kính lớn ở trạng thái không quay „


BO CO TNG KT
ti: Nghiờn cu thit k ch to h thng thit b hn t ng ni ng cú ng kớnh ln trng thỏi khụng quay
______________________________________________________________________

ti Nghiờn cu khoa hc v Phỏt trin cụng ngh KC.05.09/06-10
6

DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT
d
- đờng kính dây hàn.
U
h
- điện áp hồ quang.
I
BÁO CÁO TỔNG KẾT
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống có đường kính lớn ở trạng thái không quay „
______________________________________________________________________

Đề tài Nghiên cứu khoa học và Phát triển công nghệ KC.05.09/06-10
7 ______________________________________________________________________

Đề tài Nghiên cứu khoa học và Phát triển công nghệ KC.05.09/06-10
8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang
Hình 1.1. Thiết bị hàn trong khí bảo vệ CO
2
của Falkewitch. 12
Hình 1.2. Thiết bị hàn Styk (Nga). 13
Hình 1.3. Thiết bị hàn đường ống bằng công nghệ hàn áp lực. 14
Hình 1.4. Hệ thống thiết bị hàn SPREAD (Nhật) 15
Hình 1.5. Thiết bị hàn ống của SUMITOMO METAL INDUSTRIES. 15
Hình 1.6. Đồ gá định tâm trong của Hãng Mathey Dearman (Mỹ). 16
Hình 2.1. Sơ đồ tính trục I. 51
Hình 2.2. Sơ đồ tính trục trung gian II. 54
Hình 2.3. Biểu đồ moment trục trung gian II. 55
Hình 2.4. Sơ đồ chọ
n ổ trục I. 61
Hình 2.5. Sơ đồ chọn ổ trục II. 63
Hình 2.6. Mô hình tính dầm. 66
Hình 2.7. Sơ đồ lực của xe hàn. 60
Hình 2.8: Sơ đồ tính lực khi α = 0
0
70
Hình 2.9: Sơ đồ tính lực khi α=90
0

kính lớn ở trạng thái không quay ta có thể thấy rằng xu hướng cơ khí hoá tự
động hoá quá trình hàn ngày càng phát triển cùng với việc ứng dụng thành tựu
của công nghệ tin học tự động hóa ngày một rộng rãi hơn.
Các công trình nghiên c
ứu của các nhà khoa học Nhật Bản [4,5] là một
trong những hướng tiên tiến, đã giải quyết được vấn đề dò tự động đường hàn
bằng camera kỹ thuật số, lập trình và điều khiển được chế độ công nghệ hàn
với sự trợ giúp của máy tính cho tất cả các tư thế hàn khác nhau trên quỹ đạo
mối hàn ống. Đây là một vấn đề còn hạn chế trong nghiên cứ
u ứng dụng ở
Việt Nam.
Một vài công trình đã nghiên cứu trước đây của các tác giả Việt Nam
[10,11] còn chưa đi sâu vào bản chất công nghệ và chỉ mới được coi là các
thử nghiệm ban đầu trong điều kiện PTN nên chưa có kết quả khả quan.
Vì vậy nhóm Đề tài đã đặt ra mục tiêu là thực hiện việc nghiên cứu tính
toán, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thiết bị hàn tự
động nối ống đường kính lớn
ở trạng thái không quay từ 20 inch (529 mm) đến 240 inch (6.096 mm) trong
lĩnh vực thủy điện và dầu khí.
Chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống thiết bị hàn cho đường ống thủy điện
có đường kính tiêu chuẩn 72 inch (1.829 mm) và 100 inch (2.540 mm) với
chiều dày thành ống từ 14-30 mm bao gồm: thiết bị hàn, thiết bị dẫn hướng xe

BÁO CÁO TỔNG KẾT
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống có đường kính lớn ở trạng thái không quay „
______________________________________________________________________


gia, Đề tài đã hoàn thiện mục tiêu nghiên cứu cụ thể đề ra bao gồm:

BÁO CÁO TỔNG KẾT
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống có đường kính lớn ở trạng thái không quay „
______________________________________________________________________

Đề tài Nghiên cứu khoa học và Phát triển công nghệ KC.05.09/06-10
11
1. Nghiên cứu tính toán, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thiết bị hàn tự động
nối ống đường kính lớn ở trạng thái không quay từ 20 inch (529 mm)
đến 240 inch (6.096 mm) trong lĩnh vực thủy điện và dầu khí.
2. Chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống thiết bị hàn cho đường ống thủy điện
có đường kính tiêu chuẩn 72 inch (1.829 mm) và 100 inch (2.540 mm)
với chiều dày thành ống từ 14-30 mm bao gồm: thiết bị
hàn, thiết bị
dẫn hướng xe hàn, đồ gá định tâm ống bằng thủy lực, có các chỉ tiêu và
tính năng kỹ thuật tương đương với thiết bị cùng loại của các nước
trong khu vực.
3. Xây dựng Bộ tài liệu thiết kế và cơ sở dữ liệu chế độ công nghệ hàn tự
động nối ống đường kính lớn ở trạng thái không quay và Thiết lập Quy
trình công nghệ hàn tự
động nối ống không quay đạt các yêu cầu của
TCVN, ứng dụng trong lĩnh vực thuỷ điện vừa và nhỏ ở Việt Nam.

Xuất phát từ các mục tiêu đó, Đề tài đã xây dựng lên các nội dung
nghiên cứu theo từng giai đoạn cụ thể như sau:
1. Nội dung 1: Nghiên cứu tính toán, thiết kế hệ thống thiết bị hàn tự động