NGHIÊN cứu, THIẾT kế, CHẾ tạo THIẾT bị tự HÀNH MANG đầu dò KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG ỐNG sử DỤNG kỹ THUẬT SIÊU âm

Kiểm tra siêu âm là phương pháp kiểm tra không phá h y được sử dụng rộng rãi, công việc kiểm tra khuyết tật và ăn mòn dùng đầu siêu âm tổ hợp pha PA đang được ng dụng rộng rãi các nước t

M C L C

L I CAM K T i

L I C M N ii

TÓM T T iii

ABSTRACT iv

DANH M C CÁC HÌNH xi

DANH M C B NG BI U xv

CH NG 1:GI I THI U 16

1.1 Tính c ấp thiết c a đề tài 17

1.2 ụ nghĩa khoa học và thực tiễn c a đề tài 17

1.2.1 ụ nghĩa khoa học 18

1.2.2 ụ nghĩa thực tiễn 18

1.3 M ục tiêu nghiên c u c a đề tài 18

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên c u 18

1.4.1 Đối tượng nghiên c u c a đề tài 18

1.4.2 Ph ạm vi nghiên c u 18

1.5 Phương pháp nghiên c u 19

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 19

1.5.2 Các phương pháp nghiên c u cụ thể 19

1.6 K ết cấu c a luận văn 19

CH NG 2: TỔNG QUAN 20

2.1 Phân lo ại ống thép theo công nghệ 20

2.1.1 ng thép đúc 20

2.1.2 ng thép hàn 21

2.2.1 ng inox ( ống thép không gỉ) 21

2.2.2 ng thép tròn đen 22

2.2.3 ng thép m ạ kẽm 22

2.3 Các lo ại mối hàn ống 23

2.4 Khuy ết tật mối hàn 24

2.4.1 N t 25

2.4.2 R ỗ khí 27

2.4.3 L ẫn xỉ 28

2.4.4 Không ng ấu 29

2.4.5 L ẹm chân và chảy loang 30

2.4.6 Khuy ết tật về hình dạng 30

2.5 Khuy ết tật ăn mòn kim loại 31

2.5.1 C ấu tạo c a kim loại và ảnh hưởng c a nó đến quá trình ăn mòn 31

2.5.2 S ự ăn mòn kim loại 31

2.6 Thi ết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại 35

2.6.1 Trong nước 35

2.6.2 Ngoài nước 36

2.7 Các t ồn tại và định hướng nghiên c u: 38

CH NG 3: C S LÝ THUY T 39

3.1 Ki ểm tra phá h y 39

3.1.1 Ki ểm tra thử kéo kim loại đắp 39

3.1.2 Ki ểm tra thử độ dai va đập 39

3.1.3 Ki ểm tra thử độ c ng 39

3.1.4 Ki ểm tra thử phá gãy mối hàn 39

3.2 Ki ểm tra không phá h y (NDT)Non-Destructive-Testing 39

3.2.1 Ki ểm tra bằng thị giác và quang học 41

3.2.2 Ki ểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu (Penetrant Testing - PT) 42

3.2.3 Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ 43

3.2.4 Ki ểm tra bằng bột từ 44

3.2.5 Ki ểm tra bằng truyền âm 45

3.2.6 Phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy 45

3.2.7 Ki ểm tra bằng siêu âm 46

3.2.8 Siêu âm Phased Array (PA) 48

CH NG4: YểU C U VÀ PH NG ÁN THI T K 58

4.1 Phân tích đối tượng thiết kế 58

4.1.1 Thi ết bị kiểm tra mòn 58

4.1.2 Thi ết bị kiểm tra mối hàn nối ống 59

4.2 Phương án chọn lựa thiết kế cho cơ cấu kẹp và dẫn động 60

4.2.1 Phương án thiết kế cho cơ cấu kẹp 60

4.2.2 Phương án chuyển động dọc ống 64

4.3 Phương án thiết kế cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống 68

4.3.1 Phương án 1 68

4.3.2 Phương án 2 70

4.3.3 So sánh và l ựa chọn phương án chuyển động tròn quanh ống 71

4.4 Phương án chọn lựa thiết kế cho cơ cấu đo mối hàn đường ống 71

4.4.1 Phân tích k ẹp, lực áp đầu dò vào ống 71

4.4.2 Phương án thiết kế cụm mang đầu dò siêu âm kiểm tra đường hàn 72

4.5 Phương án thiết kế cụm mang đầu dò siêu âm kiểm tra mòn 73

4.6 Thi ết kế cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò 74

4.7 Thi ết kế cơ cấu cụm bánh xe từ 75

4.8 Thi ết kế hộp động cơ 76

4.9 L ựa chọn phương án thiết kế khung sườn 76

4.9.1 Phương án 1: Sử dụng bộ kẹp kết hợp bánh xe từ 76

4.9.2 Phương án 2: Sử dụng 2 bộ kẹp ở 2 đầu 77

4.10 Phương án chọn lựa thiết kế đo mối hàn vòng ống 78

4.10.1 Xác định sai lệch c a đầu dò so với mối hàn 78

4.10.2 Phân tích l ựa chọn thiết bị phản hồi vị trí: 80

4.11 Thi ết kế thiết bị đo mối hàn vòng ống 82

4.12 Phương án tháo lắp vòng định vị 82

4.12.1 C ấu tạo chốt tháo lắp nhanh (locking pin) 82

4.12.2 Phương án 1: Dùng bu lông để tháo lắp 84

4.12.3 Phươngán 2: Dùng 04 chốt tháo lắp nhanh 84

4.12.4 Phương án 3: Dùng chốt định vị kết hợp với 01 chốt tháo lắp nhanh 85

4.12.5 So sánh các phương án và lựa chọn 86

CH NG 5: CH T O THI T B 87

5.1 Ch ế tạo bộ kẹp 87

5.2 Ch ế tạo cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống 88

5.3 Ch ế tạo cơ cấu chuyển động dọc ống 89

5.4 Ch ế tạo cơ cấu mang đầu dò 89

5.5 Ch ế tạo cơ cấu cụm bánh xe từ 90

5.6 Ch ế tạo cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò 91

5.7 Ch ế tạo hộp động cơ 91

5.8 Thi ết bị đo mối hàn vòng ống 92

5.8.2 Quy trình ki ểm tra, đánh giá thực nghiệm 93

5.9 Thi ết bị đo sử dụng cụm bánh xe từ 94

CH NG 6: KI M TRA VÀ ĐÁNH GIÁ THI T B 95

6.1 Chu ẩn bị thiết bị đo 95

6.1.1 B ộ quét và thiết bị 95

6.1.2 Đầu dò và nêm 95

6.1.3 Ch ất tiếp âm 95

6.1.4 Chu ẩn 95

6.2 Chu ẩn bị bề mặt đo 96

6.3 Ki ểm tra và vận hành thiết bị 96

6.3.1 Vùng ki ểm tra 96

6.3.2 Kim lo ại cơ bản 96

6.3.3 Hi ệu chỉnh (Transfer correction) 96

6.3.4 T ốc độ quét 97

6.3.5 Ki ểm tra với đầu dò PA 97

6.3.6 Ki ểm tra thiết bị 97

6.3.7 N t ngang 97

6.3.8 Tiêu chu ẩn chấp nhận 98

6.3.9 Xu ất hình ảnh báo cáo 98

6.4 Th ử nghiệm 99

6.4.1 Th ực nghiệm xác định lực c a lò xo 99

6.4.2 Th ực nghiệm xác định sai số vòng c a đầu dò 101

6.4.3 Th ực nghiệm xác định sai số dọc trục 102

6.5 Th ực nghiệm đo với Omni Scan và đầu dò 102

6.5.1 Th ử nghiệm với mối hàn vòng ống 103

6.5.2 Th ử nghiệm ăn mòn 106

CH NG 7 K T LU N ậ KI N NGH 109

7.1 K ết luận 109

7.2 Ki ến nghị 109

TÀI LI U THAM KH O 110

PH L C 112

8.1 K ết cấu tổng thể c a cơ cấu 112

8.2 Tính toán cơ khí 112

8.2.1 Tính toán b ộ truyền bánh răng 112

8.2.2 Tính toán b ộ truyền đai 114

DANH M C T VI T T T

DAC Digital to Analogue Converter MPI Magnetic Particle Inspection NDT Non - Destructive Testing NDE Non - Destructive Evaluation NDI Non - Destructive Inspection LPI Liquid Penetran Inspection

PA Phased Array

UI Untrasonic Inspection

VT Visual Test

PT Penetrant Test

MT Magnetic particle test

ET Eddy Current Test

RT Radiographic Test

UT Ultrasonic Test AET Acoustic Emission Testing

LT Leak Testing API Amrican Petreleun Instiute

GB Great Britain ASME American Society of Mechanical Engineers ASTM American Society for Testing and Materials UT-PA Ultrasonic Test Phase Array

DANH M C CÁC HÌNH

Hình 2.2: ng thép không gỉ [2] 21

Hình 2.3: ng thép tròn đen [3] 22

Hình 2.4: ng thép mạ kẽm [3] 23

Hình 2.5:Mối hàn dọc ống [4] 23

Hình 2.6:Mối hàn ngang ống [5] 24

Hình 2.7:Mối hàn xoắn ống [6] 24

Hình 2.8:Các khuyết tật c a mối hàn [7] 25

Hình 2.9:Các kiểu n t trong mối hàn [8] [9] 26

Hình 2.10: nh chụp n t mối hàn [10] 27

Hình 2.11:Khuyết tật rỗ khí 27

Hình 2.12:Các vị trí tồn tại rỗ khí [11] 28

Hình 2.13:Khuyết tật lẫn xỉ [11] 28

Hình 2.14:Khuyết tật xỉ hàn 29

Hình 2.16:Hình chụp khuyết tật không ngấu 30

Hình 2.17:Khuyết tật lẹm chân(cháy chân), chảy loang (tràn) 30

Hình 2.18:Các sai lệch hình dạng c a mối hàn 31

Hình 2.19:Dạng mòn các kim loại theo thời gian [20] 32

Hình 2.20:Dạng ăn mòn đều [13] 33

Hình 2.21:Dạng ăn mòn không đều [13] 33

Hình 2.23:Dạng ăn mòn giữa các tinh thể [13] 34

Hình 3.1:Các phương pháp kiểm tra không phá h y [17] 40

Hình 3.2:Các phương pháp kiểm tra ch yếu 40

Hình 3.3:Sử dụng borescopes kiểm tra [17] 41

Hình 3.4:Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu 42

Hình 3.5:Chụp phim đường hàn 43

Hình 3.6:Sử dụng hạt huỳnh quang ướt để kiểm tra vết n t gần lỗ tra dầu 44

Hình 3.7:Sử dụng hạt huỳnh quang ướt để kiểm tra các vết n t c a trục 44

Hình 3.8:Thiết bị kiểm tra bột từ 45

Hình 3.9:Kiểm tra bằng dòng diện xoáy 46

Hình 3.10:Nguyên lý siêu âm kiểm tra khuyết tật vật liệu [20] 47

Hình 3.11:Các loại máy siêu âm khuyết tật TOKIMEC [20] 47

Hình 3.12:Thiết bị siêu âm Phased Array 49

Hình 3.13:Thành phần cơ bản c a hệ thống Phased Array [21] 49

Hình 3.14:Đầu dò Phased Array [22] 50

Hình 3.15:Mặt cắt đầu dò Phased Array [22] 50

Hình 3.16:Các dạng đầu dò Phased Array c a hãng olympus NDT [21] 51

Hình 3.17:Các loại nêm đầu dò Phased Array [22] 51

Hình 3.18:Sự tạo thành chùm tia và thời gian trễ cho sự phát và nhận chùm tia 52

Hình 3.19:Điều khiển các chùm tia siêu âm [22] 53

Hình 3.20:Khẩu độ hiệu dụng [22] 53

Hình 3.21:Quét tuyến tính với chùm tia thẳng và hình ảnh A scan [22] 54

Hình 3.22:Quét tuyến tính với chùm góc và hình ảnh A scan [22] 54

Hình 3.23:Hình ảnh sóng thẳng A-scan [22] 55

Hình 3.24:Hình ảnh A-scan c a chùm tia góc [22] 55

Hình 3.25:Hiển thị B-scan [22] 56

Hình 3.26:Mặt Cắt B-scan [22] 56

Hình 3.27:Hình ảnh C-scan thông thường hiển thị vị trí lỗ [22] 56

Hình 3.28:Hình ảnh C-scan tổ hợp pha hiển thị vị trí lỗ [22] 57

Hình 3.29:Hình ảnh C-scan kiểm tra đường hàn [22] 57

Hình 3.30:Hình ảnh S-scan ở góc quét -300đến 300 [22] 57

Hình 4.1:Các chuyển động cần có c a thiết bị 58

Hình 4.2:Thiết bị dùng mâm cặp 3 chấu [23] 60

Hình 4.3:Bộ kẹp cố định 61

Hình 4.4:Bộ kẹp cố định trên ống 62

Hình 4.6:Cơ cấu tay quay cho bộ kẹp 64

Hình4.7:Xi lanh khí nén dẫn hướng 64

Hình 4.8:Bộ truyền đai và thanh trượt bi 65

Hình 4.9:Bộ trục vít và thanh trượt bi 65

Hình4.10:Thiết kế cơ cấu sử dụng 2 thanh trượt 67

Hình 4.11:Thiết kế cơ cấu sử dụng 3 thanh trượt 67

Hình 4.12:Cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống theo phương án 1 68

Hình 4.13:Chi tiết cụm bánh xe phương án 1 69

Hình 4.14:Cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống theo phương án 2 70

Hình 4.15:Chi tiết cụm bánh xe phương án 2 71

Hình 4.16:Đặt đầu dò so với mối hàn [24] 71

Hình 4.17:Khoảng cách lớn nhất c a nêm so với mặt cong 0,5mm 71

Hình 4.18:Hướng đặt đầu dò siêu âm tổ hợp pha [24] 72

Hình 4.19:Cụm mang đầu dò phương án 1 72

Hình 4.20:Cụm mang đầu dò phương án 2 72

Hình 4.21:Bộ kẹp dùng thanh trượt với lò xo 73

Hình 4.22:Cụm chi tiết xoay 74

Hình 4 23:Cụm chi tịnh tiến 74

Hình 4.24:Cụm chi tiết trượt 75

Hình 4.25:Cơ cấu cụm bánh xe từ 75

Hình 4.26:Hộp động cơ 76

Hình 4.27:Phương án thiết kế bộ kẹp kết hợp với bánh xe từ 76

Hình 4.28:Cơ cấu mang đầu dò sử dụng 2 bộ kẹp ở hai đầu 77

Hình 4.29:Cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn 78

Hình 4.30:Laser đường thẳng 79

Hình 4.31:Camera quan sát 79

Hình 4.32:Encoder gắn trên động cơ 80

Hình 4.33:Hình dáng thước quang 81

Hình 4.34:Thiết kế thiết bị đo mối hàn vòng ống 82

Hình 4.35:Chốt tháo lắp nhanh [25] 83

Hình 4.36:Nguyên lí hoạt động c a chốt tháo lắp [25] 83

Hình 4.37:Phương án dùng bu lông để tháo lắp 84

Hình 4.38:Phương án dùng chốt tháo lắp 85

Hình 4.39:Phương án dùng chốt định vị kết hợp với chốt tháo lắp 85

Hình 5.2:Thanh nối 88

Hình 5.3:Tấm đỡ 88

Hình 5.4:Cơ cấu chuyển động dọc ống 89

Hình 5.5:Cơ cấu giữ đầu dò 89

Hình 5.6:Cơ cấu cụm bánh xe từ 90

Hình 5.7:Cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò 91

Hình 5.8:Hộp động cơ 92

Hình 5.9:Thiết bị kiểm tra OMNISCAN c a hãng OLYMPUS 92

Hình 5.10:Lắp đầu dò siêu âm vào cụm đầu dò 93

Hình 6.1:Sơ đồ thiết bị đo 95

Hình 6.2:Bộ phận kẹp đầu dò sử dụng lò xo ép và lực kế kiểm tra 99

Hình 6.3:Bộ phận kẹp đầu dò, thước kẹp, máy tiện, đồng hồ so 101

Hình 6.4:Các vị trí đặt đầu dò bắt đầu thử nghiệm vòng 101

Hình 6.5:Bộ phận tiến hành thử nghiệm 102

Hình 6.6:Các vị trí đặt đầu dò bắt đầu thử nghiệm dọc 102

Hình 6.7:Máy phân tích, hiển thị dữ liệu và đầu dò siêu âm tổ hợp pha 103

Hình 6.8:Mẫu hiệu chuẩn đầu dò và mẫu kiểm tra mối hàn đường ống 103

Hình 6.9:Đầu dò và nêm nghiêng góc 55 độ 103

Hình 6.10:Kết quả thu được lần đo th 1 104

Hình 6.11:Kết quả thu được lần đo th 2 104

Hình 6.12:Kết quả thu được lần đo th 3 105

Hình 6.13:Kết quả thu được lần đo th 4 105

Hình 6.14:Đầu dò và nêm nghiêng góc 0 độ 106

Hình 6.15:Hiệu chỉnh calib đầu dò với mẫu chuẩn và encoder 106

Hình 6.16:Lựa chọn hướng di chuyển kiểm tra 107

Hình 6.17:Kết quả thu được trên Omni Scan Mx2 107

Hình 6.18:Kết quả thu được sau khi đo 107

Hình 6.19:Qúa trình đo và thử nghiệm 108

DANH M C B NG BI U

B ng 4.1:So sánh các phương án chuyển động tròn 63

B ng 4.2:So sánh các phương án chuyển động dọc ống 66

B ng 4.3:So sánh và lựa chọn phương án thanh trượt bi kết hợp truyền động đai 68

B ng 4.4:So sánh và lựa chọn phương án chuyển động tròn quanh ống 71

B ng 4.5:So sánh và lựa chọn phương án cụm mang đầu dò 73

B ng 4.6:So sánh và lựa chọn phương án kết cấu khung sườn 78

B ng 4.7:So sánh lựa chọn cảm biến xác định sai lệch so với mối hàn 80

B ng 4.8:So sánh phương án lựa chọn thiết bị đo 81

B ng 4.9:So sánh các phương án tháo lắp nhanh 86

B ng 5.1:Danh mục các chi tiết trong bộ kẹp 87

B ng 5.2:Danh mục các chi tiết trong cụm chuyển động tròn quanh ống 88

B ng 5.3:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu chuyển dộng dọc ống 89

B ng 5.4:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu mang đầu dò 89

B ng 5.5:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu cụm bánh xe từ 90

B ng 5.6:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò 91

B ng 6.1:Kết quả thực nghiệm xác định lực lò xo 100

B ng 8.1:Các thông số bộ truyền đai răng gờ hình thang [26] 115

B ng 8.2:Thông số kỹ thuật c a máy chính Omniscan 117

B ng 8.3:Thông số kỹ thuật Module Phased Array 117

B ng 8.4:Thông số kỹ thuật ở chế độ phasor CV 118

B ng 8.5:Thông số kỹ thuật ở chế độ phasor DM 119

B ng 8.6:Thông số nêm đầu dò 120

CH NG 1:GI I THI U

Khoa học siêu âm có lịch sử phát triển từ thế kỷ 19 với các tên tuổi lớn như: Lamb, Rayleigh, Curie, Lippman, Lebedev, Sokolov… và cho đến nay vẫn liên tục phát triển Ngành khoa học siêu âm này đã trở thành các kỹ thuật kiểm tra siêu âm hiện đại với nhiều ng dụng trong cuộc sống đã xuất phát từ đại dương như trong các nỗ

lực tìm kiếm phát hiện tàu ngầm trong chiến tranh thế giới lần th nhất, thảm hoạ tàu Titanic,…

Sau thế chiến th hai, trong khi nghiên c u các công trình bị phá h y, người ta

nhận thấy rằng nguyên nhân gây ra phá h y là do sự xuất hiện c a các vết n t trong kết cấu và chúng có ảnh hưởng đáng kể Từ đó đã hình thành ngành cơ học phá h y (Fracture Mechanics) với việc khảo sát lý thuyết và thực nghiệm về các vết n t Ngành

cơ học này đã phát triển rất nhanh, với những công trình nghiên c u c a Irwin, David Broeke Paris,… về trường ng suất ở lân cận đáy vết n t; sự mở rộng, sự lan truyền

c a vết n t với các dạng khác nhau

Ngày nay với sự phát triển không ngừng về kinh tế, công nghệ thì nhu cầu năng lượng ngày càng cao Nguồn năng lượng chính hiện tại ch yếu khai thác từ thiên nhiên các mỏ ngoài biển vì vậy đường ống đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển để đảm bảo nguồn năng lượng An toàn trong quá trình khai thác, vận chuyển

và lưu trữ đặt ra rất nhiều yêu cầu như chất lượng c a các đường ống phải đảm bảo an toàn nên chúng ta phải thường xuyên kiểm tra để từ đó phát hiện những khuyết tật phòng ngừa

Đường ống ngoài biển sẽ rất dễ bị xâm thực bởi tác nhân bên ngoài và môi chất bên trong làm cho nó dễ bị ăn mòn dẫn đến đường ống bị gỉ Môi trường bên trong ống phụ thuộc trực tiếp vào thành phần môi chất truyền dẫn trong ống có tính xâm

thực cao hay thấp Vận tốc, nhiệt độ môi chất truyền dẫn cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ ăn mòn Các hợp chất lắng đọng tạo nên các hiện tượng gỉ sét trong ống tạo điều kiện cho sự phát triển c a quá trình ăn mòn Ĕn mòn là một trong những nguyên nhân chính gây ra hư hỏng đường ống

Vấn đề được đặt ra là cần xác định chính xác vị trí c a các vết n t và phân tích

ng xử động c a chi tiết để từ đó có khả năng dự báo trình trạng làm việc hiện tại c a chi tiết, kết cấu Trên cơ sở đó sẽ đề xuất các giải pháp ngăn ngừa kịp thời các tai nạn, thiệt hại có thể xảy ra

Kiểm tra khuyết tật và ăn mòn thường khó có thể phát hiện được nếu không cắt

hoặc tháo rời Khuyết tật và ăn mòn làm ảnh hưởng đến cấu trúc, chiều dày nguyên bản c a kim loại nếu không được phát hiện trong thời gian dài rất nguy hiểm Hư hỏng

đường ống sẽ dẫn tới tổn thất về kinh tế và ô nhiễm môi trường Vì vậy, quá trình kiểm tra khuyết tật và ăn mòn ống dẫn rất được quan tâm

Kiểm tra siêu âm là phương pháp kiểm tra không phá h y được sử dụng rộng rãi, công việc kiểm tra khuyết tật và ăn mòn dùng đầu siêu âm tổ hợp pha (PA) đang được

ng dụng rộng rãi các nước trên thế giới nhưng ở nước ta thì vẫn còn ít đặc biệt là ng

dụng thiết bị để kiểm tra tự động thay thế cho con người

bảo dưỡng cũng được quan tâm đầu tư Một trong các kỹ thuật đó là kỹ thuật kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) rất được quan tâm vì cho kết quả nhanh, chính xác thay

thế phương pháp chụp ảnh phóng xạ có nhiều nguy hiểm với s c khoẻ con người Tuy nhiên, việc ng dụng các thiết bị kiểm tra siêu âm tổ hợp pha để đo kiểm đánh giá chất lượng ống ở Việt Nam còn nhiều hạn chế do:

- Phương pháp siêu âm tổ hợp pha chưa được ng dụng nhiều ở nước ta.Các thiết bị siêu âm tổ hợp pha hiện tại được mua hoàn toàn từ nước ngoài

- Chưa có nhiều nghiên c u trong nước về ng dụng thiết bị siêu âm tổ hợp pha

để kiểm tra khuyết tật và ăn mòn

- Chưa có các thiết bị đồ gá chuyên dùng hỗ trợ công việc đo kiểm

- Chi phí đầu tư thiết bị kiểm tra tương đối cao

Để góp phần vào việc ng dụng các thiết bị kiểm tra siêu âm tổ hợp pha cho việc kiểm tra đánh giá chất lượng ống, đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tự

hành mang đầu dò kiểm tra chất lượng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm’’ đã được

triển khai nghiên c u Đề tài được thực hiện nhằm đáp ng được phần nào nhu cầu

thực tiễn và giúp ng dụng, làm ch công nghệ kiểm tra, đánh giá chất lượng ống ở

Việt Nam ngày một rộng rãi hơn

1.2 ụ nghƿa khoa h c và th c ti n c a đ tài

Hiện nay ở nước ta, các dự án xây dựng nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, nhà máy đóng tàu được đầu tư với số lượng ngày càng tăng Một trong các biện pháp để đảm

bảo được chất lượng và tiến độ công trình, các phương pháp kiểm tra không phá h y (NDT) đã và đang được áp dụng rộng rãi để đánh giá chất lượng các hệ thống đường ống, các kết cấu hàn,… Phương pháp siêu âm truyền thống (UT) đã được sử dụng rộng rãi để kiểm tra khuyết tật trong nhiều thập kỷ qua nhằm đáp ng nhu cầu kiểm tra đánh

giá Gần đây, phương pháp siêu âm tổ hợp pha (PA) cho kết quả nhanh và chính xác hơn UT đã được kiểm ch ng và ng dụng khá rộng rãi nước ta, việc ng dụng siêu

âm tổ hợp pha (PA) chưa nhiều nên việc tiến hành nghiên c u đề tài để tìm hiểu khả năng, phạm vi áp dụng kiểm tra và tiến hành chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò siêu

âm tổ hợp pha (PA) để kiểm tra khuyết tật nhanh chóng có các ý nghĩa sau:

1.2.1 ụ nghƿa khoa h c

- Đề xuất được nguyên lý, kết cấu thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng ống

- Xác định được qui trình đo kiểm và đánh giá chất lượng ống

1.2.2 ụ nghƿa th c ti n

- Làm ch được công nghệ siêu âm khuyết tật hàn và kiểm tra ăn mòn ống

- Giảm giá thành sản phẩm khi mua sản phẩm cùng tính năng từ nước ngoài

- Đưa việc kiểm tra thành tự động

- Đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực siêu âm tại Việt Nam

1.3 M c tiêu nghiên c u c a đ tài

- Chế tạo thiết bị mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha để kiểm tra đánh giá chất lượng ống

- Thiết lập qui trình sử dụng và vận hành c a thiết bị

1.4 Đ i t ng và ph m vi nghiên c u

1.4.1 Đ i t ng nghiên c u c a đ tài

- Các loại ống thép dùng trong công nghiệp có kích thước

- Các dạng khuyết tật hàn và khuyết tật mòn

- Siêu âm tổ hợp pha

- Thiết bị kiểm tra khuyết tật và ăn mòn đã có

- Cách th c phân tích, đánh giá kết quả kiểm tra

1.4.2 Ph m vi nghiên c u

Phạm vi nghiên c u c a đề tài là:

- ng thép có đường kính từ 25 mm tới 250 mm (1 inch – 12 inches)

- Các loại khuyết tật hàn, khuyết tật ăn mòn đường ống như:

 Khuyết tật hàn ở mối hàn giáp mối ống: n t, rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu

 Khuyết tật ăn mòn ống dẫn: ăn mòn đều, ăn mòn không đều

- Các loại đầu dò siêu âm, thiết bị đo siêu âm được nhập ngoại, không nghiên

c u, chế tạo

- Thiết bị tự hành được thiết kế, chế tạo và ng dụng để đo mối hàn giáp mối

thẳng và độ mòn c a ống

1.5 Ph ng pháp nghiên c u

1.5.1 C sở ph ng pháp lu n

- Nghiên c u đi từ phân tích lý thuyết, nguyên lý từ đó đưa ra yêu cầu thiết kế

- Dựa vào yêu cầu thiết kế đề xuất các phương án thiết kế thiết bị tự hành, từ đó

lựa chọn phương án khả thi nhất

- Từ phương án thiết kế được chọn tiến hành chế tạo thiết bị, thử nghiệm đánh giá thiết bị

1.5.2 Các ph ng pháp nghiên c u c th

a) Ph ng pháp lý thuy t

Tổng hợp các tài liệu sách, bài báo, các tiêu chuẩn để so sánh, tìm hiểu nguyên lý

c a đầu dò, loại kiểm tra ăn mòn, phân tích các nguyên lý, các chuyển động, phạm vi

ng dụng từ đó đưa ra nhiều phương án lựa chọn và yêu cầu tính toán, thiết kế

1.6 Kết cấu của luận văn

Kết cấu luận văn tốt nghiệp gồm 6 chương:

- Chương 1: Trình bày giới thiệu

- Chương 2: Trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên c u

- Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết

- Chương 4: Trình bày yêu cầu và phương án thiết kế

- Chương 5: Trình bày quá trình chế tạo và thử nghiệm thiết bị

- Kết quả và kiến nghị

- Phụ lục

CH NG 2: TỔNG QUAN

ng thép là một thành phần quan trọng trong phổ sản phẩm ngành thép Căn

c vào công nghệ sản xuất và hình dáng phôi sử dụng chế tạo, người ta lại chia ống thép ra làm 2 loại là ống thép đúc (phôi tròn) và ống thép hàn (phôi tấm, lá) [1]

2.1 Phân lo i ng thép theo công ngh

2.1.1 ng thép đúc

Căn c vào công nghệ chế tạo ta có ống thép đúc cán nóng và ống thép đúc cán nguội ng thép đúc cán nguội lại gồm ống tròn và ống hộp với các thành phần và tính năng như sau:

- GB/T8162-1999 (ống đúc kết cấu): ch yếu dùng trong kết cấu thông thường và kết cấu máy Nguyên liệu ch yếu (mác thép) là: thép cacbon 20, thép 45, thép hợp kim Q345, 40Cr, 20 CrMo, 30-35 CrMo, 42CrMo,…

- GB/3087-1999 (ống đúc dùng trong lò áp lực thấp và vừa): ch yếu dùng trong công nghiệp lò luyện và ống dẫn dung dịch áp lực thấp và vừa trong

lò thông thường Tiêu biểu là loại thép số 10, 20

- GB/5310-1995 (ống dùng trong lò cao áp): ch yếu 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): ch 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): ch 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 lò 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 - API) công bố trên toàn thế giới Trong

đó ống lồng là loại ống dùng để lồng vào trong giếng khoan dầu, ống dùng làm thành giếng Thép ch yếu dùng là J55, N80, P110

- API SPEC 5L-2000: loại ống được sử dụng trên toàn thế giới do hiệp hội

dầu mỏ Mỹ công bố Loại thép ch yếu sử dụng là: B, X42, X65, X70

2.1.2 ng thép hàn

Phôi nguyên liệu ch yếu sử dụng là thép tấm và thép lá Căn c vào công nghệ hàn mà chia ra thành ống hàn lò, ống hàn điện và hàn tự động Căn c vào hình th c hàn chia làm 2 loại ống hàn là ống hàn thẳng và ống hàn xoắn, căn c vào hình dáng đầu hàn chia ra làm hàn tròn và hàn dị hình (vuông, vát…) Căn c 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): ch 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

- GB/T14291-1992 (ống hàn dẫn dung dịch khoáng sản): ch yếu dùng ống hàn thẳng dẫn nước thải trên núi Nguyên liệu ch yếu là Q235A, thép B

- GB/T142980-1994 (ống hàn điện đường kính lớn dẫn dung dịch áp lực

thấp) Ch yếu dùng dẫn nước, khí, không khí và các mục đích khác Nguyên liệu ch yếu là Q235A

- GB/T12770-1991 (ống hàn không gỉ dùng trong kết cấu cơ khí): ch yếu dùng trong các kết cấu cơ khí, xe hơi, xe đạp, đồ gia dụng, khách sạn Nguyên liệu ch yếu là thép 0Cr13, 1Cr17, 00Cr19Ni11, 1Cr18Ni9,…

- GB/T12771-1991 (ống hàn không gỉ dùng dẫn dung dịch): Mác thép ch yếu là 0Cr13, 0Cr19Ni9, 00CrNi11, 00Cr17, …

Hình 2.2: ng thép không gỉ [2]

Kích thước c a ống thép không gỉ được giới hạn đường kính từ 13.72 mm tới

508 mm theo bảng tiêu chuẩn ống thép không gỉ ATSM A312 / 778 JIS G3459 [14]

2.2.2 ng 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

- 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 xuất làm việc : 16kg/cm2

- Công dụng: cấp thoát nước, phòng cháy chữa cháy, xử lý môi trường

- Đường kính ngoài khoảng từ 21 610

Hình 2.4: ng thép mạ kẽm [3]

2.3 Các lo i m i hàn ng

Hàn là quá trình công nghệ sản xuất các kết cấu không tháo được từ kim loại,

hợp kim và các vật liệu khác nhau Bằng phương pháp hàn ta có thể liên kết được hầu

hết các kim loại và hợp kim với chiều dày bất kỳ Có thể hàn các kim loại và hợp kim không đồng nhất Trong công nghiệp hàn ống thường có ba loại cơ bản đó là: mối hàn dọc ống, mối hàn ngang ống và mối hàn xoắn ống (hình 2.5, hình 2.6, hình 2.7)

Hình 2.5: Mối hàn dọc ống [4]

Hình 2.6:Mối hàn ngang ống [5]

Hình 2.7: Mối hàn xoắn ống [6]

Đường ống được dùng rất nhiều trong hệ thống, đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển, truyền tải, lưu trữ nên yêu cầu chất lượng phải luôn đảm bảo Khuyết tật ảnh hưởng đến đường ống ch yếu là khuyết tật mối hàn nối giữa các đường ống và khuyết tật ăn mòn do môi trường với tác nhân bên trong và bên ngoài làm bề dày ống không đảm bảo

2.4 Khuy t t t m i hàn [8]

Khuyết tật c a mối hàn là những sai lệch về hình dạng và kích thước và tổ ch c kim loại c a kết cấu hàn so với tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu kỹ thuật nó có tác dụng xấu làm giảm độ bền và khả năng làm việc c a kết cấu Trong quá trình hàn do điều

kiện kỹ thuật, cơ tính vật liệu, trình độ tay nghề người thợ mà các đường ống thép

hoặc ống thép không gỉ sẽ bị một số loại khuyết tật phổ biến

Hình 2.8: Các khuyết tật c a mối hàn [7]

2.4.1 N t

N t là một dạng khuyết tật nghiêm trọng nhất trong liên kết hàn, khi chi tiết hàn

bị n t thì sau một thời gian làm việc vết n t bị lan rộng ra và làm hỏng kết cấu Thường khuyết tật n t được phân loại theo nhiệt độ, theo kích thước, theo hình dạng

- Theo nhiệt độ vết n t xuất hiện ta phân ra hai loại:

độ quá cao ( trên 10000C)

10000C

- Theo kích thước vết n t có thể phân ra hai loại:

thô cực đại

- Theo hình dạng vết n t xuất hiện ta phân ra ba loại:

trong liên kết hay tốc độ nguội cao ngoài ra còn do liên kết hàn không hợp lý và

bố trí mối hàn chưa hợp lý

do mối hàn quá nhỏ so với liên kết

nhiều tạp chất hoặc hồ quang không được bảo vệ tốt

Các nguyên nhân gây n t mối hàn:

- Sử dụng vật liệu hàn chưa đúng

- Tồn tại ng suất dư trong liên kết hàn

- Tốc độ làm nguội cao

- Liên kết hàn không hợp lý

- Bố trí các mối hàn chưa hợp lý

- Mối hàn quá nhỏ so với liên kết

- Hồ quang không được bảo vệ tốt

- Vị trí kết thúc hồ quang bị lõm, tồn tại nhiều tạp chất

1 vết n t hố; 2 vết n t mặt trên; 3 vết n t vùng ảnh hưởng nhiệt;

4 vết n t tách lớp ở thép vật liệu cơ bản(ở sát mối hàn);

5 vết n t dọc đường hàn;

6 vết n t ở gốc mối hàn; 7 vết n t mặt đáy mối hàn ; 8 vết n t ăn sâu;

9 vết n t chân mối hàn; 10 vết n t ngang mối hàn;

11 vết n t dưới mối hàn;

12 vết n t ở giữa bề mặt giáp danh mối hàn và thép cơ bản;

13 vết n t ở kim loại mối hàn

Hình 2.9: Các kiểu n t trong mối hàn [8] [9]

Hình 2.10: nh chụp n t mối hàn [10]

2.4.2 R ỗ khí

Rỗ khí sinh ra do hiện tượng khí trong kim loại không kịp thoát ra ngoài trước khi kim loại đông đặc Rỗ khí có thể sinh ra ở bên trong hoặc bề mặt mối hàn hoặc có

thể nằm ở ranh giới giữa kim loại cơ bản và kim loại đắp

Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng rỗ khí:

- Hàm lượng cacbon trong kim loại cơ bản hoặc trong vật liệu hàn quá cao

- Vật liệu hàn bị ẩm, bề mặt chi tiết hàn bị bẩn, dính sơn, dầu mỡ, gỉ, hơi nước…

- Chiều dài cột hồ quang lón, tốc độ hàn quá cao

- Dùng vật liệu hàn có hàm lượng cacbon thấp

Hình 2.11: Khuyết tật rỗ khí

1 bên trong mối hàn; 2 bề mặt mối hàn; 3 Ranh giới giữa kim loại cơ

bản và kim loại đắp; 4 Phân bố, tập trung hoặc nằm rời rạc trong mối hàn

Hình 2.12 :Các vị trí tồn tại rỗ khí [11]

2.4.3 L n x

Lẫn xỉ cũng là một dạng khuyết tật phổ biến trong quá trình hàn Hiện tượng trên

là do xỉ hàn và tạp chất có thể tồn tại trong mối hàn hoặc nằm trên bề mặt mối hàn, đôi khi chúng còn nằm giáp ranh giữa kim loại mối hàn và phần kim loại cơ bản hay giữa các lượt hàn Sự lẫn xỉ làm ảnh hưởng lớn đến cơ tính c a mối hàn như (độ dẻo, tính

chịu va đập, giảm khả năng làm việc c a mối hàn)

Sự tạo xỉ trong mối hàn là do dòng điện hàn quá nhỏ, không đ nhiệt lượng để cung cấp cho kim loại nóng chảy và xỉ khó thoát lên khỏi vũng hàn, mép hàn chưa được làm sạch hoặc khi hàn đính hay hàn nhiều lớp chưa gõ sạch xỉ, góc độ hàn chưa

hợp lý và tốc độ hàn quá lớn, làm nguội mối hàn quá nhanh

1 Xỉ hàn và tạp chất tồn tại trong mối hàn; 2 Xỉ hàn nằm trên bề mặt mối hàn; 3 Xỉ hàn nằm giáp ranh giữa kim loại mối hàn và phần kim loại cơ bản; 4 Xỉ hàn nằm giữa các lượt hàn

Hình 2.13: Khuyết tật lẫn xỉ [11]

cực hàn chuyển động không đúng theo trục mối hàn

Hình 2.15: Khuyết tật hàn không ngấu [10]

Hình 2.16: Hình chụp khuyết tật không ngấu

2.4.5 L ẹm chân và ch y loang

Lẹm chân là phần bị lẹm thành rãnh dọc theo ranh giới giữa kim loại cơ bản và kim loại đắp, lẹm chân làm giảm tiết diện làm việc c a liên kết, tạo sự tập trung ng

suất cao và có thể dẫn đến sự h y c a kết cấu trong quá trình sử dụng

Chảy loang là hiện tượng kim loại lỏng chảy loang trên bề mặt c a liên kết hàn, chảy loang tạo ra sự tập trung ng suất, làm sai lệch hình dạng c a liên kết hàn

Nguyên nhân gây ra hiện tượng lẹm chân và chảy loang là do: góc nghiêng que hàn không hợp lý, cường độ dòng điện hàn quá cao

Hình 2.17: Khuyết tật lẹm chân(cháy chân), chảy loang (tràn)

Hình 2.18: Các sai lệch hình dạng c a mối hàn Trong công nghiệp dầu khí, ống dẫn nhiên liệu cho các nhà máy các khuyết tật hàn như n t, ngậm xỉ, thiếu ngấu cạnh là các dạng khuyết tật hàn phổ biến và chúng cũng là các dạng khuyết tật được quan tâm đến trong đề tài

2.5 Khuy t t t ăn mòn kim lo i

Ĕn mòn kim loại là hiện tượng tự ăn mòn và phá huỷ bề mặt dần dần c a các vật liệu kim loại do tác dụng hoá học hoặc tác dụng điện hoá giữa kim loại với môi trường bên ngoài [12]

2.5.1 C u t o c a kim lo i và nh h ởng c a nó đ n quá trình ăn mòn

Cấu tạo c a kim loại có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình ăn mòn kim loại điều

kiện bình thường kim loại và hợp kim đều ở trạng thái rắn, có ánh kim, dẫn nhiệt, dẫn điện, tính công nghệ tốt… Kim loại có cấu tạo mạng tinh thể, các nguyên tử được sắp xếp theo một th tự nhất định Giữa chúng có khoảng cách Các ion nguyên tử trong kim loại không chuyển động hỗn loạn mà nó chỉ dao động xung quanh một vị trí cân

bằng Mối liên kết trong kim loại về bản chất thì giống mối liên kết cộng hoá trị Nhưng có điểm khác là các điện tử hoá trị trong kim loại không chỉ dùng riêng cho 1

cặp liên kết đ ng gần nhau màdùng chung cho toàn bộ khối kim loại Các điện tử hoá

trị sau khi tách khỏi nguyên tử kim loại thì chuyển động hỗn loạn, nó đi từ quỹ đạo c a nguyên tử này sang quỹ đạo c a nguyên tử khác tạo thành lớp mây điện tử Mối liên kết đặc biệt đó gọi là liên kết kim loại Tuy nhiên trong kim loại còn tồn tại dạng liên kết cộng hoá trị Hai dạngnày có khả năng chuyển hoá cho nhau

2.5.2 S ăn mòn kim lo i

Khái niệm gỉ kim loại chỉ dùng cho sự ăn mòn sắt hay hợp kim trên cơ sở sắt với

sự tạo thành sản phẩm ăn mòn ch yếu gồm hydroxyt bị hydrat hoá Khả năng phát sinh ăn mòn phụ thuộc nhiều yếu tố c a vật liệu kim loại, tính chất môi trường, nhiệt

độ, thời gian, áp lực

- Ĕn mòn trong khí : ôxy, khí sunfuarơ, khí H2S…

- Ĕn mòn trong không khí : ăn mòn trong không khí ướt, ăn mòn trong không khí ẩm, ăn mòn trong không khí khô

- Ĕn mòn trong đất

- Ĕn mòn trong chất lỏng (kiềm, axit, muối,…)

Dạng ăn mòn xâm thực là do sự chuyển động tiếp xúc giữa các bề mặt vật rắn

với dòng chuyển động c a các chất lỏng, chất khí (ăn mòn hoá học)

Dạng ăn mòn do tiếp xúc với các môi chất như axit, bazơ và có tác nhân điện

gọi là ăn mòn điện hoá

Kim loại đen: như thép, gang bị ăn mòn mạnh nhất

b) Quá trình ăn mòn

Ĕn mòn hoá học là sự ăn mòn kim loại do tác dụng đơn thuần c a phản

ng hoá học giữa vật liệu kim loại với môi trường xung quanh có ch a chất xâm thực (O2, S2, Cl2…) Hay nói cách khác là quá trình ăn mòn hoá học xảy ra trong môi trường khí và trong các môi trường các chất không điện ly dạng lỏng (ch yếu là ăn mòn các thiết bị, ống dẫn các nhiên liệu lỏng lẫn các hợp chất sunfua… Các chất không điện ly: crôm lỏng, lưu huỳnh nóng chảy, dung môi

hữu cơ như benzen, nhiên liệu lỏng: dầu hoả, xăng, dầu khoáng…

Hình 2.19: Dạng mòn các kim loại theo thời gian [20]

1- Tốc độ ăn mòn hoá học, chiều dầy lớp gỉ tăng tuyến tính theo thời gian

2- Quá trình ăn mòn xảy ra chậm hơn

3-, 4- Quá trình ôxy hoá xảy ra rất nhanh nhưng tạo nên lớp oxit rất bền vững, tốc độ ôxy hoá hầu như không tăng theo thời gian

Là quá trình xảy ra khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện phân t c là môi trường dẫn điện (dung dịch chất điện ly còn gọi là chất điện giải) Ĕn mòn điện hoá là sự ăn mòn do phản ng điện hoá xảy ra ở 2 vùng khác nhau trên bề

mặt kim loại Quá trình ăn mòn điện hoá có phát sinh dòng điện tử chuyển động trong kim loại và dòng các ion chuyển động trong dung dịch điện ly theo một hướng nhất định từ vùng điện cực này đến vùng điện cực khác c a kim loại

Tốc độ ăn mòn điện hoá xảy ra khá mãnh liệt so với ăn mòn hoá học

c) Các d ng ăn mòn b mặt

Dạng ăn mòn này rất phổ biến với những đặc điểm sau: tốc độ ăn mòn ở

mọi chỗ trên bề mặt gần bằng nhau

Hình 2.20: Dạng ăn mòn đều [13]

Dạng ăn mòn này xảy ra ưu tiên tại một số phần diện tích bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn Hiện tượng ăn mòn cục bộ này cũng rất

phổ biến và rất đa dạng, có thể chia thành các loại sau:

- Ĕn mòn tiếp xúc (Corrosion Ganvanic)

- Sự ăn mòn kim loại do sự chênh lệch khí

Hình 2.21: Dạng ăn mòn không đều [13]

+ Ĕn mòn lỗ, ăn mòn điểm (Pitting corrosion)

Ĕn mòn lỗ là một dạng ăn mòn cục bộ tạo ra các lỗ có kích thước nhỏ,

độ sâu c a lỗ có thể lớn hơn đường kính c a nó Dạng ăn mòn này xảy ra trên các kim loại, hợp kim có màng thụ động (Al, Ni, Ti, Zn, thép không gỉ) hoặc có các lớp ph bảo vệ bị xuyên th ng

Hiện tượng ăn mòn này thường xảy ra khi môi trường ăn mòn có ch a các chất oxi hoá (NO3, NO2, CrO4) đồng thời có mặt các chất hoạt hoá Cl, Br, I (ví dụ môi trường nước biển)

Hình dạng các lỗ do ăn mòn gây ra phụ thuộc vào bản chất các lớp ph

Hình 2.22: Dạng ăn mòn điểm [13]

Hình 2.23: Dạng ăn mòn giữa các tinh thể [13]

- Ĕn mòn ranh giới: hiện tượng ăn mòn ranh giới có liên quan đến sự

tồn tại c a các pha dị thể tại biên giới các hạt trong hợp kim đa tinh thể

- Ĕn mòn n t do ng suất: là do sự n t gãy bởi ng suất kéo và môi trường ăn mòn gây ra

- Ĕn mòn mỏi: các kim loại chịu tải trọng động có thể bị gãy do một tải trọng nhỏ hơn tải trọng cực đại mà chúng chịu đựng được trong điều kiện tĩnh Hiện tượng đó gọi là sự mỏi và dẫn đến các vết n t do mỏi

- Ĕn mòn chọn lọc: ví dụ hoà tan kẽm trong hợp kim đồng thau bằng dung dịch axit H2SO4 loãng Sau một thời gian ngâm mẫu, kẽm bị hoà tan và còn lại một khối đồng xốp Sự ăn mòn như vậy gọi là sự ăn mòn chọn lọc

- Ĕn mòn mài mòn: khi kim loại bị vật thể rắn tác động lên bề mặt kim loại làm cho các hạt bụi kim loại tách ra khỏi bề mặt c a sự mài mòn Mài mòn có thể gây ra do dòng chảy c a chất lỏng tác động lên bề mặt vật rắn

- Ĕn mòn do ma sát: thường gặp tại chỗ ghép nối c a vòng bi trên một

trục

Trong công nghiệp dầu khí, ống dẫn nhiên liệu cho các nhà máy các khuyết tật hàn như n t, ngậm xỉ, thiếu ngấu cạnh là các dạng khuyết tật hàn phổ

biến và chúng cũng là các dạng khuyết tật được quan tâm đến trong đề tài

2.6 Thi ết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại

2.6.1 Trong nước

trong nước, luận văn “Nghiên c u, thiết kế, chế tạo thiết bị phát hiện khuyết

tật và ăn mòn đường ống dẫn sử dụng đầu dò siêu âm tổ hợp pha” c a tác giả Lê Duy

ăn mòn đường ống Tuy nhiên, đề tài chỉ mới đề xuất được phương án kết cấu mang tính chất nguyên lý và không sử dụng được trong thực tế Kết cấu thiết bị có các hạn

chế sau:

- Chuyển động vòng quanh ống dựa trên vành dẫn hướng tròn được định vị bằng cơ cấu lò xo lên bề mặt ngoài c a ống nên không chính xác Lần quét sau c a đầu dò không trùng với lần quét trước

- Vành dẫn hướng tròn là một khối được lắp vào ống kiểm tra theo kiểu lồng nên sẽ không cho phép kiểm tra ống đang vận hành khi không có một đầu

tự do

- Phải có vành dẫn hướng riêng cho từng kích cỡ ống

- Khi thực hiện kiểm tra mòn ở vị trí bên dưới ống, do s c nặng c a phần thiết bị mang đầu dò nên đầu dò bị hở không đảm bảo khoảng cách và khả năng tiếp xúc với ống để thực hiện đo kiểm

- Kết cấu cơ cấu cơ khí thô và nặng, thiếu tính thẩm mĩ

- Khi kiểm tra mối hàn ghép ống, nếu đường hàn không thẳng thiết bị không

có khả năng bám theo đường hàn

2.6.2 N goƠi n c

a) Máy quét b ằng tay MODEL 4020

Máy quét bằng tay MODEL 4020 c a hãng WesDyne NDE sử dụng bộ quét tay theo hai phương trục X và Y, có bộ mã hóa để xác định vị quét để đưa tới hệ

Chỉ có thể kiểm tra trên bề mặt phẳng lớn, không kiểm tra được trên các mặt

cong Sai lệch lặp lại còn lớn, nãng suất kiểm tra thấp do chỉ dùng một đầu dò nên độ chính xác chưa cao Ngoài ra, model 4020 sử dụng đầu hút chân không thường nên không ổn định khi đo

b) HydroFORM c a hãng Olympus

Thiết bị Hydro form c a hãng Olympus dùng để kiểm tra ăn mòn đường kính ống tròn lớn hơn 98 mm kết hợp với bộ OmniScan ® để hiển thị hình ảnh thu về phân tích với các ưu điểm sau:

- Khớp nối linh hoạt thay thế dễ dàng với các đường kính khác nhau

- Dùng tay chỉnh vị trí đầu dò sau mỗi lần quét

- Tốc độ quét nhanh 100 mm/s và chuyển động theo hai trục X, Y một trục tự động, một trục bằng tay

- Hướng quét vòng tròn gắn tối đa được 4 đầu dò

- Bề rộng đường quét lớn 60 mm/lần giúp kiểm tra nhanh hơn

- Khoảng cách cánh tay hoạt động từ 400 mm dưới 800 mm

- Khóa chuyển động ngang để đảm bảo trong quá trình quét

- Có nút ch c năng khởi động, dừng và lưu điều chỉnh bằng tay nhanh

- Độ phân giải encoder: X = 10 xung/ mm, Y = 1000 xung/ mm

+ Nhược điểm:

- Vận hành bằng tay nên tốc độ không ổn định, do đó phụ thuộc tay nghề công nhân dẫn đến ảnh hưởng tới độ chính xác

- Bề mặt kiểm tra phải rộng lớn

- Chỉ kiểm tra ăn mòn

d) Manual One-Axis Scanner c a hãng Olympus (HSMT- Compact Weld Inspection)

+ Ch ức năng:

- Kiểm tra mối hàn trên bề mặt ống và mặt phẳng với 4 đầu dò quét đường kính lớn hơn 100 mm Tùy chỉnh được vị trí bánh xe, có encoder độ phân giải 12 xung/mm, tích hợp bộ phân phối nước Bánh xe nam châm được

- Bơm nước tự động giúp sóng siêu âm kiểm tra tốt hơn

- Có thước điều chỉnh khoảng cách đầu dò so với mối hàn

+ Nhược điểm:

- Chỉ kiểm tra khuyết tật trên mối hàn

- Kiểm tra trên khoảng đường ống kích thước vừa

- Vận hành bằng tay nên phụ thuộc tay nghề công nhân

2.7 Các tồn tại và định hướng nghiên cứu:

Các thiết bị nước ngoài kể trên còn một số hạn chế như chỉ kiểm tra một khuyết

tật như ăn mòn, mối hàn dọc, mối hàn vòng ống riêng biệt Thiết bị kiểm tra bằng tay còn chiếm đa số nên phụ thuộc nhiều vào tay nghề c a người vận hành

Nước ta hình thành nhiều nhà máy tổ hợp lọc, khai thác dầu khí nên nhu cầu

kiểm tra rất cao mà phải nhập thiết bị máy móc chi phí cao

ng dụng công nghệ kiểm tra siêu âm tổ hợp pha vào việc kiểm tra chất lượng chưa rộng rãi

Từ những hạn chế và tồn tại đề tài sẽ phát triển thiết bị có thể đo được nhiều dạng khuyết tật trên nhiều loại đường ống khác nhau và ng dụng công nghệ siêu

âm tổ hợp pha để cho kết quả nhanh, rõ ràng nhất, hình ảnh màu 3 chiều

CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Có hai phương pháp để kiểm tra, đánh giá chất lượng mối hàn là kiểm tra phá

h y và kiểm tra không phá h y [14], [15],[16]

3.1 Ki ểm tra phá hủy

Chi tiết mẫu bị phá h y để kiểm tra các yếu tố sau:

- Kiểm tra định lượng để xác định các cơ tính như trị số về độ bền , độ

c ng…

- Kiểm tra về định tính để đánh giá chất lượng liên kết

Có các phương pháp để kiểm tra phá h y như sau:

3.1.1 Ki ểm tra thử kéo kim loại đắp

Mục đích : Để kiểm tra tính năng c a vật liệu hàn ( que hàn, dây hàn…)

3.1.2 Ki ểm tra thử độ dai va đập

Mục đích thử: xác định m c năng lượng hấp thụ trong mẫu thử bị phá h y

3.1.3 Kiểm tra thử độ cứng

Mục đích: xác định độ c ng c a mối hàn

3.1.4 Ki ểm tra thử phá gãy mối hàn

Mục đích: phá gãy liên kết hàn tại vị trí mối hàn để xem xét bề mặt gãy

3.2 Ki ểm tra không phá hủy (NDT)Non-Destructive-Testing

Kiểm tra không phá h y là việc sử dụng các phương pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc ở bề mặt vật kiểm mà không làm tổn hại đến

khả năng sử dụng c a chúng

Các phương pháp kiểm tra NDT áp dụng cho kiểm tra đánh giá chất lượng ống Phương pháp kiểm tra ch yếu:

Hình 3.1: Các phương pháp kiểm tra không phá h y [17]

- 1 Kiểm tra bằng truyền âm (Acoustic Emission Testing - AET)

- 2 Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu hay thấm màu (Penetrant test - PT)

- 3 Dòng xoáy điện (Eddy Current Test - ET)

- 4 Kiểm tra bằng bột từ (Magnetic particle test – MT)

- 5 Chụp ảnh b c xạ hay còn gọi là chụp phim (Radiographic test – RT)

- 6 Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic test – UT)

- 7 Kiểm tra rò rỉ (Leak Testing - LT)

- 8 Kiểm tra bằng thị giác và quang học (Visual Test - VT)

Hình 3.2: Các phương pháp kiểm tra ch yếu

Trong đó các biện pháp số 5 và 6 (RT và UT) được sử dụng để phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong chiều dày kết cấu còn biện pháp số 1, 2, 3, 4, 7, 8 (AET, PT, ET, MT, UT, LT và VT) sử dụng khi cần kiểm tra các khuyết tật nằm trên

bề mặt hay lớp dưới bề mặt

3.2.1 Ki ểm tra bằng thị giác và quang học

Phương pháp kiểm tra bằng thị giác và quang học là một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả c a phương pháp kiểm tra không phá h y

Kiểm tra bằng thị giác t c là sử dụng đôi mắt c a kỹ thuật viên để tìm khuyết

tật trên đối tượng cần kiểm tra Yêu cầu quan trọng trong phương pháp này là phải có đ độ sáng và tầm nhìn cho kỹ thuật viên kiểm tra Kỹ thuật viên sẽ sử

dụng thiết bị bổ trợ đơn giản như đèn sách tay, kính lúp, gương… Để thực hiện

việc kiểm tra từ phía bên trong vật liệu,cần phải có hệ thống các thấu kính ánh sáng như borescopes, cho phép kiểm tra được những bề mặt từ xa Các hệ thống này được gắn thêm các máy ảnh cho phép ghi nhận lại các kết quả để giữ lại lâu dài.Phương pháp này có thể kiểm tra từ m c độ đơn giản đến ph c tạp [18]

- Các ng dụng c a phương pháp kiểm tra bằng thị giác và quang học [18]

 Kiểm tra điều kiện bề mặt c a vật thể kiểm tra

 Kiểm tra sự liên kết c a các vật liệu ở trên bề mặt

 Kiểm tra hình dạng c a chi tiết

 Kiểm tra các dấu hiệu rò rỉ

 Kiểm tra các khuyết tật bên trong

Hình 3.3: Sử dụng borescopes kiểm tra [17]

3.2.2 Ki ểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu (Penetrant Testing - PT)

Kiểm tra thẩm thấu là phương pháp kiểm tra không phá h y đa năng và được sử dụng để phát hiện các bất liên tục trên bề mặt c a phần lớn các vật liệu

rắn, không xốp Hiệu quả c a phương pháp này được quyết định bởi kiến th c

và kỹ năng c a người thực hiện Bên cạnh đó cũng còn có các yếu tố khác như bước làm sạch, vật liệu kiểm tra và quy trình thực hiện Phương pháp thẩm thấu được sử dụng ch yếu để phát hiện các bất liên tục trên bề mặt [18]

Các chất thấm lỏng được sử dụng trong phương pháp này là chất thấm nhuộm màu nhìn thấy được và chất thấm huỳnh quang Quá trình kiểm tra bằng chất thấm nhuộm màu nhìn thấy được thì được thực hiện dưới ánh sáng trắng bình thường, quá trình kiểm tra bằng chất thấm huỳnh quang được thực hiện dưới ánh sáng đen (tia cực tím hay tử ngoại) trong điều kiện phòng tối [18]

Hình 3.4: Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu

- u đi m [18]:

 Rất nhạy với những khuyết tật nằm trên bề mặt

 Thiết bị và vật nh tương đối rẻ tiền

 Quá trình thực hiện tương đối đơn giản

 Không phụ thuộc vào hình dạng vật kiểm

 Vật kiểm tra là sắt từ hay không sắt từ nhưng vật liệu không xốp

- Nh c đi m [18]:

 Các khuyết tật phải hở ra trên mặt

 Vật liệu được kiểm tra phải không xốp

 Quá trình thực hiện kiểm tra bằng chất thẩm thấu lỏng khá bẩn

 Các kết quả c a phương pháp này khó giữ được lâu

 Giá thành kiểm tra tương đối cao

3.2.3 Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ

Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh b c xạ được dùng để xác định khuyết tật bên trong c a nhiều loại vật liệu nhờ khả năng hấp thụ tia b c xạ khác nhau c a các cấu trúc bên trong c a vật thể Một phim chụp ảnh b c xạ thich hợp được đặt phía sau vật cần kiểm tra và được chiếu bởi một chùm tia X

hoặc tia  (gamma) đi qua nó Cường độ c a chùm tia X hoặc  khi đi qua vật

thể bị hấp thụ thay đổi tùy theo cấu trúc bên trong c a vật thể Sau khi rửa phim

đã chụp sẽ hiện ra hình ảnh bóng, được gọi là ảnh chụp b c xạ c a sản phẩm Sau đó phim được giải đoán để có được những thông tin về khuyết tật bên trong

sản phẩm [18]

Hình 3.5: Chụp phim đường hàn

- u đi m [18]:

 Thực hiện được với tất cả loại vật liệu

 Kiểm tra được sai hỏng bên trong cấu trúc vật liệu, lắp ráp sai các chi tiết

 Có độ tin cậy cao

 nh chụp nhìn thấy được và lưu trữ hình ảnh lâu dài

 Có thiết bị để kiểm tra chất lượng phim chụp

- Nh c đi m [18]:

 Khó thực hiện khi kiểm tra vật có hình dạng ph c tạp

 Phải tiến hành hai phía c a vật cần kiểm tra

 Giới hạn chiều dày kiểm tra

 Độ nhạy kiểm tra giảm theo chiều dày c a vật cần kiểm tra

 Không thể phát hiện khi có khuyết tật tách lớp và khuyết tật dạng phẳng

 Phải bảo đảm an toàn b c xạ khi sử dụng tia X và Gamma

 Giá thành cao so với phương pháp NDT khác

 Khó tự động hóa

 Có tay nghề cao trong việc giải đoán ảnh trong phim

3.2.4 Kiểm tra bằng bột từ

Phương pháp kiểm tra bằng bột từ được áp dụng cho các vật liệu dễ nhiễm

từ Phương pháp này có thể phát hiện các rạn n t bề mặt dù rất nhỏ và các khuyết tật ngay sát dưới bề mặt Trong phương pháp này, vật thể kiểm tra trước hết cho nhiễm từ bằng cách cho một nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện,

hoặc cho dòng điện chạy qua trực tiếp hoặc chạy xung quanh vật thể kiểm tra

Từ trường cảm ng vào trong vật kiểm tra gồm có các đường s c từ Nơi nào

có khuyết tật sẽ làm rối loạn đường s c, một vài đường s c này sẽ đi ra và đi vào vật thể Những điểm đi ra và đi vào này tạo ra những cực từ trái ngược nhau Khi những bột từ tính nhỏ được rắc lên bề mặt vật thể kiểm tra thì những

cực từ này sẽ hút các bột từ tính để tạo thành chỉ thị nhìn thấy được gần giống như kích thước và hình dạng c a khuyết tật [18]

Hình 3.6: Sử dụng hạt huỳnh quang ướt để kiểm tra vết n t gần lỗ tra dầu

Hình 3.7: Sử dụng hạt huỳnh quang ướt để kiểm tra các vết n t c a trục