nghiên cứu, 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ DUY TUẤN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÁT HIỆN KHUYẾT TẬT VÀ ĂN MÒN ĐƯỜNG ỐN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ DUY TUẤN

NGHIÊN CỨU, 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

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 605204

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013

S KC 0 0 4 1 4 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ DUY TUẤN

NGHIÊN CỨU, 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

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 605204

Hướng dẫn khoa học:

TS LÊ CHÍ CƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Lê Duy Tuấn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 26 – 06 - 1986 Nơi sinh: Thanh Hóa

Quê quán: Thiệu Giao, Thiệu Hóa, Thanh Hóa

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí Trường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM

Địa chỉ liên lạc: 12, Nguyễn Văn Bảo, Phường 4, Quận Gò Vấp, Tp.HCM

Điện thoại cơ quan:083.8940390 Điện thoại riêng: 0937.747.171

Ngành học: Công nghệ kỹ thuật cơ khí

Tên luận án tốt nghiệp: Thiết kế, mô phỏng động máy phay

Bảo vệ luận án tốt nghiệp: Năm 2009

Người hướng dẫn: Ths Châu Minh Quang

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2011 đến 10/2013

Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Ngành học: Công Nghệ ChếTạo Máy

Tên luận văn: Nghiên cứu, 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

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 18/10/2013 Trường ĐHSPKT.TpHCM

Người hướng dẫn: TS Lê Chí Cương

5 Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh, B1 (khung Châu Âu)

6 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Từ 11 /2009 - đến nay Trường ĐH Công Nghiệp Tp HCM Giảng viên

IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

Người khai ký tên

Lê Duy Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 11 năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Duy Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu, 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”, tôi

đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của quý thầy, cô các chuyên gia, các công ty, bạn

bè và gia đình Tôi xin cảm ơn:

Xin cảm ơn chân thành đến thầyTS Lê Chí Cương đã dành nhiều thời gian quan tâm, truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hướng dẫn, định hướng, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn chân thành đến thầyPGS TS Đặng Thiện Ngônđã giành nhiều thời gian truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích, giúp đỡ tận tình, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn quý thầy, cô Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho tôi trong thời gian tôi học tập và nghiện cứu tại trường

Xin cảm ơn anh Nguyễn Trọng Quốc Khánh - Giám đốc công ty TNHH Giải pháp kiểm định Việt (Visco) đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Xin cảm ơn anhLê HoàngThông -Giám đốc công ty TNHH cơ khí Hiệp Lực đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Xin gửi lời cảm ơn đếncác thầy, cô bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí Trường

ĐH Công Nghiệp Tp HCM, các đồng nghiệp ở các trường bạn, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên giúp tôi hoàn thành khóa học của mình

Xin cảm ơn gia đình đã luôn ở bên tôi

Xin chân thành cảm ơn

TÓM TẮT

Ngày nay với sự phát triển kinh tế và xã hội, nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng Nguồn năng lượng có sẵn từ thiên nhiên đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia Nguồn năng lượng dồi dào có trữ lượng lớn hiện nay đó là dầu khai thác từ các mỏ khí Nước ta có trữ lượng dầu khí tương đối lớn nhưng chủ yếu chỉ bán nguyên liệu thô nên có giá trị không cao Hiện nay nhiều tổ hợp nhà máy lọc dầu đang được hình thành nhằm đảm bảo, chủ động nguồn năng lượng quốc gia

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 chủ 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 Việc kiểm tra và kiểm định chất lượng và khuyết tật của đường ống

có nhiều phương pháp Một trong số đó là những phương pháp kiểm tra không phá hủy NDT được ứng dụng nhiều như chụp ảnh phóng xạ, bột từ, dòng điện, rò rỉ, siêu âm, thẩm thấu, quang học, truyền âm, siêu âm tổ hợp pha… Hiện tại có rất nhiều phương pháp kiểm tra như kiểm tra mối hàn giáp mối, kiểm tra dọc ống bằng tay hoặc tự động, kiểm tra ăn mòn, kiểm tra bồn chứa xăng dầu Tuy nhiên tất cả các thiết bị kiểm tra chủ yếu nhập từ nước ngoài nên chi phí rất cao Phương pháp kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) là phương pháp mới nhất cho kết quả chính xác, nhanh, hình ảnh màu 3 chiều vẫn chưa được ứng dụng nhiều ở nước ta

Từ những vấn đề thực trạng trên, đề tài sẽ tập trung tìm hiểu về phương pháp kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) và thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra mối hàn và thiết bị kiểm tra ăn mòn đường ống sử dụng đầu siêu âm tổ hợp pha cho các đường ống dẫn từ 90mm trở lên

SUMMARY

Today with the growth of economy and society, energy demand is increasing The source of power available from nature plays an important role in the growth to each country An abundant resource with large reserves comes from oil which is currently exploited from oil mine Our country has huge available oil reserves but mostly selling raw oil so that getting low value Currently lots of combination refinery units are established to make sure, gain initiative for country‟s energy

Pipelines are used a lot in these system, play an important role in the transportation, transmission, storage should be required high quality Defects mainly affect pipelines are weld between the pipes and corrosion due to environmental factors inside and outside to the thickness of pipes The inspection and testing the quality and defects of pipelines have many methods One of these methods are non-destructive testing NDT which are widespread such as radiography, magnetic powder, electric current, leakage, ultrasonic, optical, acoustic, ultrasonic phase array Currently there are many testing methods such as testing weld joint, testing along the pipe by hand or automatic, testingcorrosion, testing gasoline tank However, all of testing equipmentsare importedso the cost is very high Ultrasonic testing phase array (UT-PA) method is a new method giving accurate results, faster, 3-D color images has not been applied popularly in our country

From the above situation, this topic will focus on learning about Ultrasonic Testing Phase Array (UT-PA) method and designing, manufacturing of weld testing equipment and corrosion testing equipment using ultrasound phase array for pipelines from 90mm above

MỤC LỤC

TRANG

Chương 1:GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 3

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 3

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 4

1.5.2.1 Phương pháp lý thuyết 4

1.5.2.2 Phương pháp thực nghiệm 4

Chương 2:TỔNG QUAN 5

2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ 5

2.1.1 Ống thép đúc 5

2.1.1.1 Khái quát về quy trình công nghệ 5

2.1.1.2 Phân loại ống đúc dựa vào mục đích sử dụng 5

2.1.2 Ống thép hàn 6

2.3.1 Mối hàn dọc ống (mối hàn dọc trục) 9

2.3.2 Mối hàn ngang ống (mối hàn hướng kính) 10

2.3.3 Mối hàn xoắn ống 10

2.4 Khuyết tật mối hàn 10

2.4.1 Định nghĩa 10

2.4.2 Phân loại khuyết tật mối hàn 10

2.4.2.1Nứt 10

2.4.2.2Rỗ khí 12

2.4.2.3Lẫn xỉ 12

2.4.2.4Không ngấu 13

2.4.2.5Lẹm chân và chảy loang 13

2.4.2.6Khuyết tật về hình dạng 14

2.5 Khuyết tật ăn mòn kim loại 14

2.5.1 Cấu tạo của kim loại và ảnh hưởng của nó đến quá trình ăn mòn 14

2.5.2 Sự ăn mòn kim loại 15

2.5.2.1 Phân loại ăn mòn [17] 15

2.5.2.2Quá trình ăn mòn 15

2.5.2.3 Các dạng ăn mòn bề mặt 16

2.6 Kiểm tra không phá hủy (NDT) 18

2.7 Các nghiên liên quan đến đề tài 20

2.7.1 Các nghiên cứu trong nước 20

2.7.2 Các nghiên ngoài nước 21

2.8 Thiết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại 21

2.8.1 Máy quét bằng tay MODEL 4020 của hãng WesDyne NDE 21

2.8.2 HydroFORM của hãng Olympus 22

2.8.4 Manual One-Axis Scanner của hãng Olympus (HSMT- Compact Weld Inspection) 24

Chương 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26

3.1 Các phương pháp kiểm tra 26

3.1.1 Kiểm tra bằng thị giác và quang học (VT) 26

3.1.2 Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic test) 26

3.1.3 Chụp phim (RT) 27

3.1.4 Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu (PT) 28

3.1.5 Kiểm tra bằng bột từ (MT) 29

3.1.6 Kiểm tra bằng truyền âm (AE) 31

3.1.7 Kiểm tra rò rỉ (LT) 31

3.1.8 Siêu âm tổ hợp pha (UT - PA) 31

3.1.8 Lựa chọn phương pháp kiểm tra 32

3.2.4 Hình ảnh thu được 44

3.2.4.1Hiển thị dạng A-Scan 44

3.2.4.2Hiển thị dạng B-Scan 45

3.2.4.3Hiển thị dạng C-Scan 45

3.2.4.4Hiển thị dạng S-Scan 46

Chương 4:YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 47

4.1 Phân tích đối tượng thiết kế 47

4.2 Phương án chọn lựa thiết kế 48

4.2.1 Phương án chuyển động tròn quanh ống 48

4.2.1.1Phướng án 1: Bánh xe từ 48

4.2.1.2Phương án 2: dùng cùm cố định quanh ống 48

4.2.2 Phương án chuyển động dọc ống 49

4.2.2.1 Phướng án1: Xi lanh khí nén 49

4.2.2.2 Phương án 2: vít me kết hợp với bộ truyền đai 50

4.2.2.3 Phương án 3: Bộ truyền trục vít me kết hợp thanh trượt 51

4.2.2.4 So sánh các phương án và lựa chọn 51

4.2.3.1 Phướng án 1: Dùng loadcell cảm biến lực ép đầu đò vào ống 53

4.2.3.2 Phương án 2: Dùng lò xo 53

4.2.3.4 So sánh các phương án và lựa chọn 54

4.2.4 Xác định sai lệch của đầu dò so với mối hàn 54

4.2.4.1 Phương án 1: Sử dụng cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn 54

4.2.4.2 Phương án 2: Dùng đèn laser đường 55

4.2.4.3 Phương án 3: Dùng Camera 56

4.2.4.4 So sánh các phương án và lựa chọn 56

4.2.5.1 Phướng án 1: Dùng Encoder 57

4.2.5.2 Phương án 2: Dùng thước quang 57

4.2.5.3 So sánh các phương án và lựa chọn 58

4.2.6.1 Phướng án 1: Dùng 3 kẹp hình tam giác 58

4.2.6.2 Phương án 2: Dùng 4 kẹp hình chữ nhật 59

4.2.6.3 So sánh các phương án và lựa chọn 60

4.2.7 Chất tiếp âm 60

4.2.8 Lựa chọn bộ điều khiển 60

4.2.9 Lựa chọn phương án thiết kế 61

Chương 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU 63

5.1 Tính toán, thiết kế cơ cấu 63

5.1.1 Tính toán cơ khí 63

5.1.1.1 Tính toán bộ truyền đai 63

5.1.1.2 Tính toán bộ truyền xích 65

5.1.1.3 Tính toán lò xo 69

5.1.1.4 Tính toán, kiểm nghiệm bền trục 71

5.1.2 Thiết kế phần mạch 75

5.1.2.1 Khối mạch điều khiển và nút nhấn 76

5.1.2.2 Khối công suất điều khiển động cơ 77

5.1.2.3 Sơ đồ kết nối các bộ phận 78

5.2 Quá trình chế tạo 80

5.2.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí: 80

5.2.2 Chế tạo các mạch điều khiển: 82

5.2.3 Lắp ráp 83

Chương 6:QUI TRÌNH KIỂM TRA, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 85

6.1 Qui trình kiểm tra 85

6.1.1 Phạm vi áp dụng 85

6.1.2 Định nghĩa và viết tắt thuật ngữ 86

6.1.2.1 Định nghĩa 86

6.1.2.2 Viết tắt 86

6.1.2.3 Tham chiếu tiêu chuẩn 86

6.1.2.4 Nhân sự 87

6.1.2.5 Thời gian kiểm tra 88

6.1.2.6 Chuẩn bị thiết bị đo 88

6.1.2.7 Chuẩn bị bề mặt đo 89

6.1.2.8 Kiểm tra và vận hành thiết bị 89

6.1.2.9 Sửa chữa và kiểm tra lại 91

6.1.2.10 Xuất hình ảnh báo cáo 91

6.2 Thử nghiệm 92

6.2.1 Thực nghiệm xác định lực của lò xo 92

6.2.2 Thực nghiệm xác định sai số vòng của đầu dò 94

6.2.3 Thực nghiệm xác định sai số dọc trục 96

6.3 Thực nghiệm đo với Omni Scan và đầu dò 97

6.3.1 Thử nghiệm với mối hàn vòng ống 98

6.3.1.1 Các thông số lựa chọn thí nghiệm 98

6.3.1.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 98

6.3.2 Thử nghiệm ăn mòn 103

6.3.2.1 Các thông số lựa chọn thí nghiệm 103

6.3.1.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 103

Chương 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

7.1 Kết luận 106

7.2 Kiến nghị 107

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

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

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Qui trình công nghệ thép đúc 5

Hình 2.2: Qui trình công nghệ thép hàn 6

Hình 2.3: Ống thép không gỉ 7

Hình 2.4: Ống thép tròn đen 8

Hình 2.5: Ống thép mạ kẽm 9

Hình 2.6: Mối hàn dọc trục 9

Hình 2.7: Mối hàn hướng kính 10

Hình 2.8: Mối hàn xoắn ống 10

Hình 2.9: Các kiểu nứt trong mối hàn 11

Hình 2.10: Khuyết tật rỗ khí 12

Hình 2.11: Khuyết tật lẫn xỉ 12

Hình 2.12: Khuyết tật hàn không ngấu 13

Hình 2.13: Khuyết tật lẹm chân(cháy chân), chảy loang (tràn) 13

Hình 2.14: Các sai lệch hình dạng của mối hàn 14

Hình 2.15: Dạng mòn các kim loại theo thời gian 16

Hình 2.16: Dạng ăn mòn đều 16

Hình 2.17: Dạng ăn mòn không đều 17

Hình 2.18: Dạng ăn mòn không đều 17

Hình 2.19: Dạng ăn mòn không đều 18

Hình 2.20: Các phương pháp kiểm tra không phá hủy 19

Hình 2.21: Các phương pháp kiểm tra chủ yếu 20

Hình 2.22: Thiết bị đo kiểm bằng tay 21

Hình 2.23: Thiết bị kiểm tra ăn mòn ống 22

Hình 2.24: Thiết bị kiểm tra ăn mòn tấm phẳng 23

Hình 2.25: Thiết bị kiểm tra mối hàn bằng tay 24

Hình 3.1: Borescopes có gắn máy ảnh 26

Hình 3.2: Sử dụng sborescope kiểm tra 26

Hình 3.3: Kiểm tra bánh răng 26

Hình 3.4: Chụp mối hàn bằng tia X 27

Hình 3.5: Quá trình kiểm tra thẩm thấu của chi tiết 29

Hình 3.6: Bộ kit kiểm tra bằng bột từ 30

Hình 3.7: Phương pháp kt siêu âm thường (UT), siêu âm Phased Array (UT - PA) 31

Hình 3.8: Phương pháp kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) 32

Hình 3.9: Sơ đồ của thiết bị kiểm tra khuyết tật tự động 33

Hình 3.10: Đầu dò tổ hợp pha là sự kết hợp nhiều đầu dò siêu âm 34

Hình 3.11: Cấu tạo bên trong đầu dò tổ hợp pha 34

Hình 3.12: Các dạng đầu dò tổ hợp pha 35

Hình 3.13: Kích thước bên trong đầu dò 36

Hình 3.14: Sự hình thành chùm tia siêu âm thông thường 36

Hình 3.15: Sự hình thành chùm tia siêu âm tổ hợp pha 36

Hình 3.16: Sử dụng độ trễ khác nhau áp dụng lên từng nhóm biến tử, chùm tia có thể được điều khiển theo ý muốn 37

Hình 3.17: Sự hình thành chùm tia phát 37

Hình 3.18: Sự hình thành chùm tia thu 37

Hình 3.19: Điều khiển các chùm tia siêu âm 38

Hình 3.20: Khẩu độ hiệu dụng hình thành từ các tinh thể 38

Hình 3.21: Góc giới hạn điều khiển chùm tia siêu âm 39

Hình 3.22: Quét tuyến tính các biến tử kích hoạt khác nhau 40

Hình 3.23: Quét hình quạt với nhiều góc khác nhau 40

Hình 3.24: Quét chùm âm hội tụ động 41

Hình 3.25: Các luật phát của đầu dò 41

Hình 3.26: Các chế độ quét thường dùng 41

Hình 3.27: Thông số đặc trưng của nêm 42

Hình 3.28: Xác định độ sâu và góc phát qua nêm 42

Hình 3.29: Luật phát đầu dò qua nêm 43

Hình 3.30: Quy ước đặt tên đầu dò và nêm 43

Hình 3.31: Nêm tùy biến cho đầu dò 43

Hình 3.32: Hiển thị dạng A-Scan 45

Hình 3.33: Hiển thị dạng B-Scan 45

Hình 3.34: Hiển thị dạng C-Scan 46

Hình 3.35: Hiển thị dạng S-Scan 46

Hình 4.1: Các chuyển động cần có của thiết bị 47

Hình 4.2: Thiết bị dùng bánh xe từ 48

Hình 4.3: Cùm cố định trên ống 48

Hình 4.4: Xi lanh khí nén dẫn hướng 49

Hình 4.5: Bộ truyền đai và thanh trượt bi 50

Hình 4.6: Bộ trục vít và thanh trượt bi 51

Hình 4.7: Đặt đầu dò so với mối hàn 52

Hình 4.8: Khoảng cách lớn nhất của nêm so với mặt cong 0,5mm 52

Hình 4.9: Hướng đặt đầu dò siêu âm tổ hợp pha 52

Hình 4.10: Cảm biến lực Loadcell của Toledo 53

Hình 4.11: Bộ kẹp dùng thanh trượt với lò xo 53

Hình 4.12: Cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn 54

Hình 4.13: Đèn laser đường 55

Hình 4.14: Camera dò mép hàn 56

Hình 4.15: Encoder gắn trên ống 57

Hình 4.16: Hình dáng thước quang 57

Hình 4.17: Sơ đồ gắn bộ kẹp hông tam giác 59

Hình 4.18: Sơ đồ gắn bộ kẹp hông hình chữ nhật 59

Hình 4.19: Kết cấu tổng thể thiết bị kiểm tra mối hàn vòng ống 61

Hình 4.20: Kết cấu tổng thể thiết bị kiểm tra ăn mòn ống 62

Hình 5.1: Sơ đồ động của thiết bị 63

Hình 5.2: Bộ truyền động đai 63

Hình 5.3: Bộ truyền động xích 65

Hình 5.4: Sơ đồ phân bố 72

Hình 5.5: Biểu đồ nội lực trục I 73

Hình 5.6: Biểu đồ nội lực trục II 74

Hình 5.7: Sơ đồ khối mạch điều khiển 75

Hình 5.8: Sơ đồ chân với chip loại cắm 40 chân 75

Hình 5.9: Sơ đồ chức năng của chip Pic 76

Hình 5.10: Sơ đồ nguyên lý bàn phím điều khiển 76

Hình 5.11: Sơ đồ mạch in bàn phím điều khiển và LCD 76

Hình 5.12: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn và khối điều khiển 77

Hình 5.13: Sơ đồ mạch in khối nguồn và khối điều khiển 77

Hình 5.14: Sơ đồ nguyên lý khối công suất động cơ 77

Hình 5.15: Sơ đồ mạch in khối công suất động cơ 78

Hình 5.16: Sơ đồ kết nối các các bộ phận 78

Hình 5.17: Sơ đồ nối encoder, đầu dò với Omni Scan 79

Hình 5.18: Lưu đồ giải thuật điều khiển 80

Hình 5.19: Cùm kẹp ống và bộ phận kẹp đầu dò sau chế tạo 80

Hình 5.20: Bộ phận kẹp bên hông cùm và bộ đỡ nâm châm sau chế tạo 81

Hình 5.21: Bộ phận kiểm tra mối hàn sau chế tạo 81

Hình 5.22: Bộ phận kiểm tra ăn mòn sau chế tạo 81

Hình 5.23: Bộ phận kiểm tra mối hàn hoàn chỉnh 81

Hình 5.24: Phím điều khiển và màn hình hiển thị LCD 82

Hình 5.25: Khối nguồn và bộ điều khiển 82

Hình 5.26: Khối công suất điều khiển động cơ 82

Hình 5.27: Sơ đồ trình tự lắp ráp 83

Hình 5.28: Lắp cùm kẹp vào ống dùng chốt định vị và êke 83

Hình 5.29: Lắp cụm đo ăn mòn hoặc đo mối hàn vào khung 83

Hình 5.30: Lắp cụm giữ đầu dò và đầu dò 84

Hình 5.31: Lắp các bộ phận lên cùm và vận hành thử 84

Hình 5.32: Thiết bị hoàn chỉnh sau khi chế tạo 84

Hình 6.1: Sơ đồ tổng quát qui trình kiểm tra 85

Hình 6.2: Sơ đồ thiết bị đo 88

Hình 6.3: Xử lý file sau khi quét để báo cáo 92

Hình 6.4: Bộ phận kẹp đầu dò và lực kế 93

Hình 6.5: Lò xo và bộ kẹp đầu dò 93

Hình 6.6: Bộ phận kẹp đầu dò, thước kẹp, máy tiện, đồng hồ so 95

Hình 6.7: Các vị trí đặt đầu dò bắt đầu thử nghiệm vòng 95

Hình 6.8: Bộ phận tiến hành thử nghiệm 96

Hình 6.9: Các vị trí đặt đầu dò bắt đầu thử nghiệm dọc 97

Hình 6.10: Máy phân tích, hiển thị dữ liệu và đầu dò siêu âm tổ hợp pha 98

Hình 6.11: Mẫu hiệu chuẩn đầu dò và mẫu kiểm tra mối hàn đường ống 98

Hình 6.12: Đầu dò và nêm nghiêng góc 550 98

Hình 6.13: Hiệu chỉnh calib đầu dò với mẫu chuẩn và encoder 99

Hình 6.14: Điều chỉnh đầu dò so với mối hàn 99

Hình 6.15: Chọn lựa luật phát của đầu dò 99

Hình 6.16: Bộ kẹp và đầu dò gắn vào bộ quét 100

Hình 6.17: Điều chỉnh khoảng cách từ mối hàn tới đầu dò 100

Hình 6.18: Quá trình vận hành đo 100

Hình 6.19: Kết quả thu được trên Omni Scan Mx2 100

Hình 6.20: Kết quả thu được lần đo thứ 1 101

Hình 6.21: Kết quả thu được lần đo thứ 2 101

Hình 6.22: Kết quả thu được lần đo thứ 3 102

Hình 6.23: Kết quả thu được lần đo thứ 4 102

Hình 6.24: Đầu dò và nêm nghiêng góc 00 103

Hình 6.25: Hiệu chỉnh calib đầu dò với mẫu chuẩn và encoder 103

Hình 6.26: Lựa chọn hướng di chuyển kiểm tra 104

Hình 6.27: Quá trình vận hành đo 104

Hình 6.28: Kết quả thu được trên Omni Scan Mx2 105

Hình 6.29: Kết quả thu được sau khi đo 105

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Các dự án lọc dầu tại Việt Nam 2

Bảng 3.1: Chọn nêm và đầu dò theo ứng dụng 43

Bảng 4.1: So sánh các phương án chuyển động tròn 49

Bảng 4.2: So sánh các phương án chuyển động dọc ống 51

Bảng 4.3: So sánh các phương án lựa chọnkẹp, lực áp đầu dò vào ống 54

Bảng 4.4: So sánh lựa chọn cảm biến xác định sai lệch so với mối hàn 56

Bảng 4.5: So sánh phương án lựa chọn thiết bị đo 58

Bảng 4.6: So sánh các phương án chuyển động dọc ống 60

Bảng 4.7: So sánh các bộ điều khiển 60

Bảng 5.1: Thông số lò xo 70

Bảng 5.2: Sơ đồ chân đấu nối Encoder với Omni Scan 79

Bảng 6.1: Kết quả thực nghiệm xác định lực lò xo 94

Bảng 6.2: Kết quả thực nghiệm sai số vòng của đầu dò 95

Bảng 6.3: Kết quả thực nghiệm sai số dọc của đầu dò 97

Chương 1

GIỚI THIỆU

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 chủ 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, lưu trữ đặt ra rất nhiều yêu cầu như chất lượng của 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 của quá trình ăn mòn Ăn mòn là một trong những nguyên nhân chính gây ra hư hỏng đường ống

Kiểm tra khuyết tật và ăn mòn thường khó thể phát hiện được nếu không cắt hoặc tháo dời Khuyết tật và ăn mòn làm ảnh hưởng đến cấu trúc, chiều dày nguyên bản của kim loại nếu không được phát hiện trong thời gian dài rất nguy hiểm Hư hỏng đường ống dẫn tới tổn thất về kinh tế, 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 hủy được sử dụng rộng rãi, công việc kiểm tra khuyết tật và ăn mòn dùng đầu siêu âm tổ hợp pha (PA) đang được ứng dụng rộng rãi các nước trên thế giới nhưng nước ta vẫn còn ít đặc biệt là ứng dụng thiết bị để kiểm tra tự động thay thế cho con người

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Đường ốngdẫn có vai trò rất quan trọng trong các công trình xây dựng, thủy điện, dầu khí, giao thông, hoá chất, thực phẩm…Ở nước ta hiện tại ngành công nghiệp dầu khí đang phát triển mạnh mẽ, để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao của đất nước thì nhu cầu kiểm tra, kiểm định, đảm bảo chất lượng đường ống trong quá trình lắp đặt, vận hành, vận chuyển, bảo dưỡngthì việc lựa chọn phương pháp nhanh, chính xác như kiểm tra dùng đầu dò siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) đặc biệt rất quan

tâm, thiết bị sử dụng hiện tại để kiểm tra mua hoàn toàn từ nước ngoài do chúng ta chưa làm chủ được vì một số lý do sau:

- Phương pháp siêu âm tổ hợp pha chưa được ứng dụng nhiều ở nước ta

- Chưa có nhiều nghiên cứu trong nước về thiết bị kiểm tra khuyết tật và ăn mòn

- Có rất nhiều dự án lọc dầu nên nhu cầu kiểm tra, đảm bảo chất lượng đường ống rất lớn

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

Vì thế trước xu thế và nhu cầu đặt ra đề tài: “Nghiên cứu,thiết kế, chế tạo

thiết bị phát hiện khuyết tật và ăn mòn ống dẫn sử dụng đầu dò siêu âm tổ hợp pha’’ do học viên lựa chọn có tính cấp thiết và khả năng ứng dụng ở Việt Nam

Bảng 1.1: Các dự án lọc dầu tại Việt Nam

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hiện nay ở nước ta, các công trình xây dựng nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, các ngành công nghiệp đóng tàu , số lượng các dự án đầu tư ngày càng tăng Để đáp ứng được chất lượng và tiến độ công trình, các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) đã và đang được áp dụng rộng rãi, rất hiệu quả.Phương pháp siêu âm truyền thống (UT) được sử dụng rộng rãi để kiểm tra khuyết tật trong nhiều thập kỉ qua nhưng để đáp ứng nhu cầu kiểm tra kết quả nhanh và chính xác hơn thì phương pháp siêu âm tổ hợp pha (PA) đã được kiểm chứng Ở nước ta việc ứng dụng siêu âm tổ hợp

pha (PA) chưa nhiều nên đề tài giới thiệu và tìm hiểu khả năng, phạm vi áp dụng kiểm tra và tiến hành chế tạo thiết bị kết hợp đầu dò siêu âm tổ hợp pha (PA) để kiểm tra khuyết tật nhanh chóng với chi phí đầu tư không cao mà vẫn đảm bảo chất lượng và

nắm bắt công nghệ kiểm tra tiên tiến trên thế giới

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Chế tạo thiết bị mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha

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

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

- Các loại ống thép dùng trong công nghiệp

- Các dạng khuyết tật hàn và ăn mòn

- Siêu âm tổ hợp pha

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

- Qui trình hướng dẫn sử dụng và đánh giá thiết bị kiểm tra

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

- Ống thép có kích thước đường kính từ 21.3 mm tới 355.6 mm

- Các loại khuyết tật và ăn mòn đường ống

+ Khuyết tật mối hàn giáp mối ống dẫn: nứt, rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu, lẹm chân và chảy loang, khuyết tật về hình dạng

+ Khuyết tật ăn mòn ống dẫn: ăn mòn đều, ăn mòn không đều, ăn mòn lựa chọn, ăn mòn giữa các tinh thể

- Kiểm tra trên những ống lộ thiên có đường kính 114mm

- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, chuyển động, ổn định của thiết bị

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

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

- Dựa vào yêu cầu thiết kế dùng phần mềm mô phỏng đưa ra nhiều phương án

từ đó lựa chọn phương án tốt nhất

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

giá thiết bị

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

1.5.2.1 Phương pháp lý thuyết

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

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

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

- Thử nghiệm mô phỏng dựa vào phần mềm thiết kế 3D để trực quan

1.6 Kết cấu của luận văn

Kết cấu luận văn tốt nghiệp gồm 7 chương:

Chương 1 trình bày giới thiệu

Chương 2 trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu

Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết để giải quyết vấn đề

Chương 4 trình bày các yêu cầu và phương án thiết kế

Chương 5 trình bày tính toán, thiết kế chế tạo

Chương 6 trình bày qui trình kiểm tra,thử nghiệm và đánh giá

Chương 7 trình bày kết quả và kiến nghị để phát triển đề tài

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ

Ống thép là một thành phần quan trọng của sản phẩm ngành thép Căn cứ vào công nghệ sản xuất và hình dáng phôi sử dụng chế tạo, người ta lại chia ra thành 2 loại lớn ống thép đúc ( phôi tròn) và ống thép hàn ( phôi tấm, lá).[18]

Cán nguội: phôi tròn > nung nóng > khoét lỗ > chỉnh đầu > giảm lửa > rửa axit > phun dầu (mạ đồng) > cán nguội nhiều lần > ống phôi > xử lý nhiệt

> kiểm tra áp lực > đánh dấu > nhập kho

2.1.1.2 Phân loại ống đúc dựa vào mục đích sử dụng

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

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

- API SPEC 5L-2000: loại ống được 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

2.1.2 Ống thép hàn

Hình 2.2: Qui trình công nghệ thép hàn [18]

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 tròn và hàn dị hình (vuông, 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 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): chủ yếu dùng ống hàn thẳng dẫn nước thải trên núi Nguyên liệu chủ yếu là Q235A, thép B

-GB/T142980-1994 (ống hàn điện đường kính lớn dẫn dung dịch áp lực thấp) Chủ yếu dùng dẫn nước, khí, không khí và các mục đích khác Nguyên liệu chủ yếu là Q235A

-GB/T12770-1991 (ống hàn không gỉ dùng trong kết cấu cơ khí): chủ yếu dùng trong các kết cấu cơ khí, xe hơi, xe đạp,đồ gia dụng, khách sạn Nguyên liệu chủ yếu

Thép không gỉ hay còn gọi là inox là một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu

10,5% crôm,nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn như thép thông thường khác

Thành phần hóa học chính của thép không gỉ bao gồm crôm, niken, mô-lip-đen,

ni tơ, carbon Thép không gỉ được phân làm 4 loại chính: Austenitic, Ferritic, Austenitic-Ferritic (Duplex), Martensitic

Hình 2.3: Ống thép không gỉ

- Kích thước của ống thép không gỉ giới hạn về đường kính từ 10.3mm tới 323.9mm được tra theo các bảng: bảng 1.1 phụ lục

2.2.2 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

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

2.3.2 Mối hàn ngang ống (mối hàn hướng kính)

2.4.2 Phân loại khuyết tật mối hàn

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 sau:

2.4.2.1 Nứt

Nứt là một khuyết tật nghiêm trọng vì khi chi tiết bị nứt thì sau một thời gian làm việc vết nứt bị lan rộng ra và phá hủy chi tiết

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

+ Nứt nóng: xuất hiện trong quá trình kết tinh của liên kết hàn khi nhiệt độ khá

cao ( trên 1000 độ C)

+ Nứt nguội: xuất hiện sau khi kết thúc quá trình hàn nhiệt độ dưới 1000 độ C

- Theo kích thước vết nứt :

+ Vết nứt thô cực đại: có thể gây phá hủy kết cấu ngay khi làm việc

+ Nứt tế vi: Vết nứt này sẽ phát triển rộng dần ra tạo thành các vết nứt thô cực

đại

- Theo hình dạng:

+ Nứt dọc: do sử dụng vật liệu hàn chưa đúng, tồn tại ứng suất dư trong liên

kết, tốc độ nguội cao, liên kết hàn không hợp lý, bố trí mối hàn chưa hợp lý

+ Nứt ngang: do sử dụng vật liệu chưa hợp lý, tốc độ nguội cao, mối hàn quá

nhỏ so với liên kết

+ Nứt ở vùng kết thúc hồ quang: do vị trí kết thúc hồ quang bị lõm chứa nhiều

tạp chất, hồ quang không được bảo vệ tốt

a) liên kết hàn giáp mối b) liên kết hàn góc

Hình 2.9: Các kiểu nứt trong mối hàn [5],[11]

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

4 vết nứt tách lớp ở thép vật liệu cơ bản(ở sát mối hàn); 5 vết nứt dọc đường hàn;

6 vết nứt ở gốc mối hàn; 7.vết nứt mặt đáy mối hàn ; 8 vết nứt ăn sâu;

9 vết nứt chân mối hàn; 10 vết nứt ngang mối hàn; 11 vết nứt dưới mối hàn;

12 vết nứt ở giữa bề mặt giáp danh mối hàn và thép cơ bản; 13 vết nứt ở kim loại

mối hàn

2.4.2.2 Rỗ 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 chính do 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 lớn, tốc độ hàn quá cao

Hình 2.10: Khuyết tật rỗ khí [13]

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 hoặc năm rời rạc trong mối hàn

Hình 2.11: Khuyết tật lẫn xỉ [11]

1 xỉ hàn và tạp chất có thể tồn tại trong mối hàn; 2 nằmtrên bề mặt mối hàn; 3 chỗ

giáp ranh giữa kim loại mối hàn và phần kim loại cơ bản; 4 hoặc giữa các lượt hàn

2.4.2.4 Không ngấu

Hàn không ngấu là một dạng khuyết tật nghiêm trọng vì nó sẽ gây ra ứng suất

dư tại điểm đó và sẽ phá hủy mối hàn Hàn không ngấu sinh ra ở góc mối hàn, mép hàn hoặc giữa các lớp hàn

Nguyên nhân của khuyết tật này là do: mép hàn chuẩn bị chưa hợp lý, góc vát quá nhỏ, dòng điện hàn quá nhỏ hoặc tốc độ hàn quá nhanh, góc độ điện cực hàn (que hàn) và cách đưa điện cực không hợp lý, chiều dài cột hồ quang không quá lớn, điện cực hàn chuyển động không đúng theo trục mối hàn

Hình 2.12: Khuyết tật hàn không ngấu

2.4.2.5 Lẹm chân và chảy 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 của liên kết, tạo sự tập trung ứng suất cao và có thể dẫn đến sự hủy của kết cấu trong quá trình sử dụng

Chảy loang là hiện tượng kim loại lỏng chảy loang trên bề mặt của liên kết hàn, chảy loang tạo ra sự tập trung ứng suất, làm sai lệch hình dạng của 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 2.13: Khuyết tật lẹm chân(cháy chân), chảy loang (tràn)

Hình 2.14: Các sai lệch hình dạng của mối hàn

2.5 Khuyết tật ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại là hiện tượng tự ăn mòn và phá huỷ bề mặt dần dần của các vật liệu kim loại do tác dụng hoá học hoặc tác dụng điện hoá giữa kim loại với môi trường bên ngoài[1]

2.5.1 Cấu tạo của kim loại và ảnh hưởng của nó đến quá trình ăn mòn

Cấu tạo của kim loại có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình ăn mòn kim loại Ở 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 thứ 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 đứng 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 của nguyên tử này sang quỹ đạo của 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 Sự ăn mòn kim loại

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 chủ yếu gồm hydroxyt bị hydrat hoá Khả năng phát sinh ăn mòn phụ thuộc nhiều yếu tố của vật liệu kim loại, tính chất môi trường, nhiệt

độ, thời gian, áp lực

2.5.2.1 Phân loại ăn mòn[17]

a) Dựa theo quá trình ăn mòn

- Ăn mòn hoá học

- Ăn mòn điện hoá

b) Dựa theo môi trường

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

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

- Ăn mòn trong đất

- Ăn 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 của 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

Hình 2.15: Dạng mòn các kim loại theo thời gian

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

b) Ăn mòn điện hoá

Là quá trình xảy ra khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện phân tức là môi trường dẫn điện (dung dịch chất điện ly còn gọi là chất điện giải) Ăn mòn điện hoá là

sự ăn mòn do phản ứng 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 của kim loại Tốc độ ăn mòn điện hoá xảy ra khá mãnh liệt so với ăn mòn hoá học

b) Ăn mòn không đều

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:

- Ăn mòn tiếp xúc (Corrosion Ganvanic)

- Sự ăn mòn kim loại do sự chênh lệch khí

Hình 2.17: Dạng ăn mòn không đều

c) Ăn mòn lỗ, ăn mòn điểm (pitting corrosion)

Ăn mòn lỗ là một dạng ăn mòn cục bộ tạo ra các lỗ có kích thước nhỏ, độ sâu của lỗ có thể lớn hơn đường kính của 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 phủ bảo vệ

bị xuyên thủng

Hiện tượng ăn mòn này thường xảy ra khi môi trường ăn mòn có chứa các chất oxi hoá (NO3, NO2, CrO4) đồng thời có mặt các chất hoạt hoá Cl, Br, I (ví dụ môi trường nước biển) của các thiết bị máy móc …

Hình dáng các lỗ do ăn mòn gây ra phụ thuộc vào bản chất các lớp phủ

Hình 2.18: Dạng ăn mòn không đều

d) Ăn mòn giữa các tinh thể

Hình 2.19: Dạng ăn mòn không đều

đó gọi là sự mỏi và dẫn đến các vết nứt do mỏi

- Ăn 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

- Ăn 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 của sự mài mòn Mài mòn có thể gây ra do dòng chảy của chất lỏng tác động lên bề mặt vật rắn

- Ăn mòn do ma sát: thường gặp tại chỗ ghép nối của vòng bi trên một trục

2.6 Kiểm tra không phá hủy (NDT)

Kiểm tra không phá hủy 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 của chúng

Các phương pháp kiểm tra NDT

Hình 2.20: Các phương pháp kiểm tra không phá hủy [15] Phương pháp kiểm tra chủ yếu:

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

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

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

- Dòng xoáy điện (Eddy Current Test - ET)

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

- Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic test – UT)

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

- Kiểm tra rò rỉ (Leak Testing - LT)

Hình 2.21: Các phương pháp kiểm tra chủ yếu [4]

Trong đó các biện pháp số 5 và 6 (UT và RT) được sử dụng để phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong chiều dày kết cấu còn biện pháp số 1, 2, 3 và 4 (VT, PT,

MT và ET) sử dụng khi cần kiểm tra các khuyết tật nằm trên bề mặt hay lớp dưới bề mặt

2.7 Các nghiên liên quan đến đề tài

2.7.1 Các nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu trong nước chưa có chế tạo thiết bị kiểm tra mà mới chỉ tập chung nghiên cứu về các phương pháp kiểm tra, đánh giá ảnh hưởng môi trường tới đường ống như một số bài báo sau:

- Bài báo” Ức chế ăn mòn thép đường ống trong dung dịch nước trung tính và kiềm tại các nhiệt độ khác nhau bởi Natri Molipdat” của Vũ Đình Huy và Trần Thị Lan Anh Khoa Công nghệ Vật liệu, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam

- Bài báo “ Nghiên cứu khảo sát hiện trạng ăn mòn phá hủy của các công trình

bê tông cốt thép và khả năng xâm thực của môi trường vùng ven biển thành phố Đà Nẵng” của Trương Hoài Chính, Trần Văn Quang, Nguyễn Phan Phú - Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng , Huỳnh Quyền - Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh – Tạp chí khoa học và công nghệ Đại Học Đà Nẵng số 6 (29) 2008

- Hội thảo “ Siêu âm Phased Array trong kiểm tra chất lượng mối hàn”, VISCO,

- Tô Văn Tuần, “Nghiên cứu so sánh phương pháp kiểm tra siêu âm sử dụng đầu dò đa biến tử với phương pháp chụp ảnh phóng xạ trong kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn” Đề tài luận văn thạc sĩ, tháng 4/2011.

- Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp kiểm tra siêu âm (UT) sử dụng thiết bị đa biến tử thay thế phương pháp kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (RT) trong kiểm tra không phá hủy (NDT) cho các công trình dầu khí”, Trung tâm NC-PT An toàn Dầu khí và Môi Trường, 5/2010

2.7.2 Các nghiên ngoài nước

- „„Ultrasonic Phased Arrays for Pipeline Girth Weld Inspections‟‟, Moles M.D.C, N Dubé and M Russell, 3rd International Pipeline Technology Conference, Brugges, Belgium, May 21-24, 2000

- “Phased Array technology for standard ultrasonic testing”, Jörg Reinersmann,

- New PA UT Applications for Turbine Components Developed by OPG-IMCS within 2006-2010 Period, P.Ciorau et al, 6/2010

- NDT Adapts to Phased Array, Edward Ginzel, 2/2009

- Using Automated Ultrasonic Testing Instead of Radiography for Weld Inspections, Michael Moles and Chris Magruder, NDT.net 3/2010

2.8 Thiết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại

2.8.1 Máy quét bằng tay MODEL 4020 của hãng WesDyne NDE

Hình 2.22: Thiết bị đo kiểm bằng tay