Đồ án tốt nghiệp Ứng dụng của kỹ thuật siêu âm mảng điều pha trong quét ăn mòn

Kỹ thuật siêu âm này giúp kiểm tra một cách linh hoạt và hiệu quả các khuyết tật mối hàn cũng như khuyết tật ăn mòn ở bề mặt cũng như sâu bên trong vật liệu đồng nhất và thường được sử d

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

DANH MỤC VIẾT TẮT 8

DANH MỤC THUẬT NGỮ 10

BẢNG BIỂU HÌNH ẢNH 11

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SIÊU ÂM 13

1.1 Giới thiệu về phương pháp kiểm tra không phá hủy 13

1.2 Cơ sở lý thuyết chung của phương pháp siêu âm 13

1.2.1 Đặc trưng của quá trình truyền sóng 13

1.2.2 Quá trình phản xạ truyền qua khi sóng tới thẳng góc 16

1.2.3 Chùm tia siêu âm 17

1.2.4 Các dạng sóng siêu âm 20

1.2.5 Các phương pháp trong kiểm tra siêu âm 22

1.2.6 Một số tiêu chuẩn của siêu âm 24

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT SIÊU ÂM MẢNG ĐIỀU PHA (PAUT) TRONG QUÉT ĂN MÒN 28

2.1 Khái quát về siêu âm mảng điều pha 28

2.1.1 Nguyên tắc hoặt động 28

2.1.2 Hiển thị kết quả 29

2.2 Thiết bị sử dụng trong siêu âm mảng điều pha 30

2.2.1 Các loại đầu dò 30

2.2.2 Máy dò khuyết tật 38

2.2.3 Chất tiếp âm 39

2.2.4 Mã hóa vị trí 39

2.2.5 Bộ quét 39

2.2.6 Nêm 40

2.2.7 Mẫu chuẩn 40

2.3 Dạng ăn mòn kim loại thường được phát hiện bằng siêu âm mảng điều pha 40

2.3.1 Phân loại theo cơ chế ăn mòn 40

2.3.2 Các dạng khuyết tật ăn mòn 41

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 43

3.1 Hệ đo trong quét ăn mòn 43

3.2 Quy trình kiểm tra 53

3.3 Tiến hành quét ăn mòn 57

3.4 Kết quả đo và giải đoán 57

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án của mình, em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Thế Phùng

đã tận tình hướng dẫn và luôn luôn động viên em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn Trung tâm Đánh giá Không phá hủy (NDE), đặc biệt là anh Nguyễn Duy Lân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và kiến thức giúp em trong thời gian thực tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện kĩ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt những năm em học tập Với vốn kiến thức trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện, hoàn thành đồ án mà còn là hành trang quý báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin

Cuối cùng em xin kính chúc các thầy cô trong Viện kĩ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý của mình

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 6 năm 2018

Sinh viên thực hiện Thạch

Nguyễn Duy Thạch

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa Bên cạnh việc sản xuất tạo ra các sản phẩm thì việc kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm là việc làm rất cần thiết trước khi đưa vào sử dụng và xuất khẩu Trước đây, việc đánh giá chất lượng một sản phẩm trong công nghiệp người ta sử dụng phương pháp phá hủy (DT) làm ảnh hưởng sản phẩm đó và sẽ không được sử dụng lại nữa, để đánh giá chất lượng của nhiều sản phẩm thì người ta phá hủy một lượng sản phẩm nào đó rồi đánh giá chung cho toàn

bộ những sản phẩm còn lại Điều này làm tổn hại khá lớn về mặt kinh tế và không thể đánh giá được toàn bộ chất lượng của sản phẩm Vì vậy câu hỏi đặt ra: làm sao để đánh giá được chất lượng của sản phẩm một cách nhanh chóng mà không làm mất đi tính năng

sử dụng của chúng và phải đánh giá được toàn bộ sản phẩm NDT: Non-Destructive Testing tạm dịch là kỹ thuật kiểm tra không phá hủy mẫu ra đời đã giải quyết được câu hỏi trên

Kể từ đó đến nay đã có nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy đã ra đời và được ứng dụng rất phổ biến và rộng rãi đặc trong nhiều lĩnh vực khác như y tế và công nghiệp Trong đó, Siêu âm mảng điều pha (PAUT) đã tạo nên cuộc cách mạng về chẩn đoán trong y học và giờ đây đang là một trong các phương pháp NDT được chấp nhận và sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới Những năm gần đây, siêu âm mảng điều đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như dầu khí, năng lượng, hàng không, vận tải, v.v… nhờ ưu điểm đưa ra được hình ảnh siêu âm trực quan hơn và tin cậy hơn Kỹ thuật siêu âm này giúp kiểm tra một cách linh hoạt và hiệu quả các khuyết tật mối hàn cũng như khuyết tật ăn mòn ở bề mặt cũng như sâu bên trong vật liệu đồng nhất và thường được sử dụng để kiểm tra mối hàn, ăm mòn cho thép-cacbon Do đó quá trình làm đồ án

tại Trung tâm Đánh giá Không phá hủy (NDE) em đã lựa chọn đề tài: “Ứng dụng của

kỹ thuật siêu âm mảng điều pha trong quét ăn mòn” dưới sự hướng dẫn của CN

Nguyễn Duy Lân

Với mục đích của đề tài là:

 Chuẩn thiết bị đo, các bước quét mẫu ống bị ăn mòn thực tế

Nội dung của đồ án gồm:

nghiệp

DANH MỤC VIẾT TẮT

Testing

Kiểm tra siêu âm mảng điều pha

gian

biên độ xung đáy

bề dày

RT Radiographic Testing Phương pháp chụp ảnh phóng xạ

dùng film

UT Ultrasonic Testing Phương pháp kiểm tra siêu âm

PT Liquid Penetrant Testing Phương pháp kiểm tra thẩm thấu

chất lỏng

MT Magnetic Particle Testing Phương pháp kiểm tra bột từ

ET Eddy Current Testing Phương pháp kiểm tra dòng xoáy

ASTM American Society for Testing

Tổ Chức Tiêu Chuẩn Quốc Tế

DANH MỤC THUẬT NGỮ

đặc thù Mỗi kỹ thuật kiểm tra được nhận dạng bởi ít nhất một tham số thay đổi quan trọng đặc biệt từ một kỹ thuật khác trong phạm vi của phương pháp đó (Ví dụ: Phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT); có các kỹ thuật tia X/tia gamma)

các quy tắc hoặc các hướng dẫn được trình bày một cách rất chi tiết, ở đâu,như thế nào và ở bước nào thì một phương pháp NDT nên được áp dụng vào một quá trình sản xuất

 Tiêu chuẩn: Là các tài liệu quy định và hướng dẫn các cách thực hiện khác

nhau diễn ra trong quá trình chế tạo một sản phẩm công nghiệp Những tiêu chuẩn mô tả những yêu cầu kỹ thuật đối với một vật liệu, quá trình gia công, sản phẩm, hệ thống hoặc dịch vụ Chúng cũng chỉ ra những quy trình, phương pháp, thiết bị hoặc quá trình kiểm tra để xác định rằng những yêu cầu đó đãđược thoả mãn

BẢNG BIỂU HÌNH ẢNH

Hình 1: Mô tả phương trình truyền sóng 14

Hình 2: Chùm tia siêu âm phát ra từ các biến tử 18

Hình 3: Biên độ sóng trường gần và trường xa theo khoảng cách 18

Hình 4: Các vùng nén và dãn xen kẽ dọc theo phương truyền sóng 20

Hình 5: Dao động của sóng ngang 20

Hình 6: Sự lan truyền sóng rayleigh 21

Hình 7: Dạng sóng bản mỏng 22

Hình 8: Phương pháp xung phản hồi 22

Hình 9: Phương pháp truyền qua 23

Hình 10: Siêu âm mảng điều pha (PAUT) 29

Hình 11: Đầu dò hai mảng biến tử 31

Hình 12: Đầu dò nhúng 31

Hình 13: Đầu dò bề mặt cong 32

Hình 14: Đầu dò có độ đâm xuyên tốt 33

Hình 15: Đầu dò nhỏ gọn 34

Hình 16: Đầu dò tích hợp nêm 34

Hình 17: Đầu dò đa năng 35

Hình 18: Đầu dò vùng chết ngắn 36

Hình 19: Đầu dò kiểm tra góc với mảng biến tử cong 36

Hình 20: Đầu dò mảng biến tử hai chiều kép 37

Hình 21: Đầu dò kiểm tra mối hàn 38

Hình 22: Hệ đo ăn mòn thực tế 43

Hình 23: Sơ đồ khối hệ đo ăn mòn 44

Hình 24: Chất tiếp âm sonagel- W250 44

Hình 25: Bình tiếp âm nước 45

Hình 26: Máy VEO 16:128 45

Hình 27: Hiển thị dạng A-scan 46

Hình 28: Hiển thị B-scan 47

Hình 29: Hiển thị L-scan 48

Hình 30: C-scan % mã hóa theo biên độ xung phản xạ đáy của một đoạn ống 48

Hình 31: C-scan mã hóa màu theo chiều dày của một đoạn ống 49

Hình 32: Đầu dò thẳng góc và nêm 50

Hình 33: Bộ quét siêu âm bánh xe từ 51

Hình 34: Bộ mã hóa vị trí 51

Hình 35: Mẫu chuẩn bậc thang 52

Hình 36: Thiết bị đo đạc 53

Hình 37: Quá trình làm sạch bề mặt 53

Hình 38: Hiển thị A-scan trong chuẩn vận tốc 55

Hình 39: Chuẩn độ trễ nêm 55

Hình 40: Mẫu chuẩn bậc thang 56

Hình 41: Hiển thị chuẩn độ nhạy 57

Hình 42: Mẫu ống M1 58

Hình 43: Hiển thị C-scan mã hóa màu theo chiều dày ống M1 58

Hình 44:Dữ liệu chuẩn đoán ăn mòn mẫu M1 59

Hình 45: Dữ liệu chuẩn đoán phần khoanh tròn mẫu M1 60

Hình 46: Mẫu ống M2 61

Hình 47: Hiển thị C-scan mã hóa theo chiều dày ống M2 61

Hình 48:Dữ liệu chuẩn đoán ăn mòn mẫu M2 62

Hình 49: Mẫu ống M3 63

Hình 50: Hiển thị C-scan mã hóa chiều dày ống M3 63

Hình 51: Mẫu ống M4 64

Hình 52: Hiển thị C-scan mã hóa theo chiều dày ống M4 64

Hình 53: Dữ liệu chuẩn đoán mẫu M4 65

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SIÊU ÂM

1.1 Giới thiệu về phương pháp kiểm tra không phá hủy

Phương pháp kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing-NDT) 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 [1] Các dạng khuyết tật có thể được phát hiện bởi phương pháp kiểm tra không phá hủy như vết nứt, rỗ khí, ngậm

xỉ, tách lớp, không ngấu, không thấu trong các mối hàn, kiểm tra ăn mòn của kim loại, tách lớp của vật liệu composite

Các phương pháp thường được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy như :

Trong đó, phương pháp siêu âm là một trong các phương pháp được ứng dụng rộng rãi để đo chiều dày vật liệu, đánh giá ăn mòn, phát hiện tách lớp và phát hiện khuyết tật trong mối hàn và các kết cấu kim loại và composite Phương pháp cũng được sử dụng rộng rãi để đánh giá cường độ bê tông, khuyết tật (lỗ rỗng, vết nứt trong bê tông) Ưu điểm nổi bật của phương pháp là nhanh, chính xác, thiết bị tương đối rẻ, và có thể cho ta biết cả chiều sâu của khuyết tật

1.2 Cơ sở lý thuyết chung của phương pháp siêu âm

Định nghĩa sóng siêu âm: Siêu âm là các sóng âm có giải tần số vượt khỏi giải tần

siêu âm có giải tần số từ 0.5 MHz đến 20 MHz được sử dụng trong kiểm tra vật liệu [3]

1.2.1 Đặc trưng của quá trình truyền sóng

Là dạng sóng dao động cơ học Khi một sóng cơ học truyền qua môi trường thì dịch chuyển của một hạt môi trường khỏi vị trí cân bằng ở thời điểm bất kỳ t là:

A=A0sin2πft (1) Trong đó:

A0 và A lần lượt là biên độ dao động, độ dịch chuyển của hạt ở thời điểm t

Hình 1: Mô tả phương trình truyền sóng

Do trong thời gian một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v truyền đi được quãng đường là λ do đó: λ= vT (2)

Chu kỳ liên hệ với tần số f bởi: f = 1/T (3)

Từ (2) và (3) suy ra: v = λf (4)

Trong đó: f có đơn vị là Hz, v đơn vị là mm/s

1.2.1.1 Tần số

Tần số của một sóng là tần số dao động của các nguyên tử của môi trường mà trong

đó sóng truyền và được ký hiệu là f (Hz) Các thiết bị hiện đại có thể phát ra sóng tần số đến giải GHz [3] Tuy nhiên trong kiểm tra vật liệu tần số sóng siêu âm thường sử dụng tần số trong giải 0,5MHz đến 20MHz còn với kiểm tra kim loại dải tần số phổ biến nhất

Âm áp là thuật ngữ dùng để chỉ biên độ sức căng biến đổi tuần hoàn trong một vật liệu

do truyền sóng siêu âm Âm áp P liên hệ với âm trở Z và biên độ A của hạt là:

P= Z.A (6)

Như vậy dù nó có giá trị nhỏ nhất nhưng vẫn cần một thời gian xác định để năng lượng siêu âm truyền từ lớp này qua lớp kế tiếp, nên pha dao động của mỗi lớp khác nhau dù nhỏ nhưng vẫn là lượng xác định

Bảng 1: Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng

(kg/m3)

Vận tốc sóng ngang (Vt) (m/s)

Vận tốc sóng dọc (Vl) (m/s)

Z x103kg.m-2.s-1

2260

2560

Poly vinyl chroride

Thạch anh

Thủy tinh thạch anh

Cao su lưu hóa

3515

2020

1.2.2 Quá trình phản xạ truyền qua khi sóng tới thẳng góc

1.2.2.1 Cường độ phản xạ và truyền qua của sóng siêu âm

Khi sóng siêu âm tới bề mặt giữa hai môi trường thì một phần sẽ bị phản xạ lại và phần còn lại sẽ truyền qua ranh giới giữa hai môi trường Phần năng lượng sóng âm bị phản

xạ và truyền qua phụ thuộc vào sự khác biệt âm trở giữa hai môi trường Nếu sự khác biệt này lớn thì phần lớn năng lượng sẽ phản xạ trở lại và phần truyền qua ít, ngược lại nếu sự khác biệt giữa âm trở của hai môi trường là nhỏ thì phần nhỏ năng lượng sẽ phản

xạ lại và phần lớn năng lượng sẽ truyền qua [3]

Về mặt định lượng thì phần năng lượng siêu âm bị phản khi sóng siêu âm tới thẳng góc với mặt phân cách giữa hai môi trường có âm trở khác nhau được đưa ra như sau:

Hệ số phản xạ = 𝑐ườ𝑛𝑔 độ 𝑐ủ𝑎 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠𝑖ê𝑢 â𝑚 𝑏ị 𝑝ℎả𝑛 𝑥ạ 𝑡ạ𝑖 𝑟𝑎𝑛ℎ 𝑔𝑖ớ𝑖

𝑐ườ𝑛𝑔 độ 𝑠ó𝑛𝑔 â𝑚 𝑡ớ𝑖 𝑟𝑎𝑛ℎ 𝑔𝑖ớ𝑖 (7)

𝐼𝑖 =(𝑍2−Z1

𝑍1+𝑍2)2 (8)Trong đó: R là hệ số phản xạ

Z1 là âm trở của môi trường 1

Z2 là âm trở của môi trương 2

Ir là cường độ sóng siêu âm phản xạ

Ii là cường độ sóng siêu âm tới

Phần năng lượng truyền qua được ranh giới phân cách giữa hai môi trường được cho bởi:

𝑐ườ𝑛𝑔 độ 𝑠ó𝑛𝑔 â𝑚 𝑡ớ𝑖 𝑟𝑎𝑛ℎ 𝑔𝑖ớ𝑖 (9)

𝐼𝑖 = 4𝑍1.𝑍2

(𝑍1+𝑍2) 2 (10) Với T là hệ số truyền qua

It là cường độ sóng siêu âm truyền qua

Mối quan hệ giữa hệ số truyền qua và hệ số phản xạ là: T= 1-R (11)

1.2.2.2 Âm áp truyền qua và âm áp phản xạ

Các quan hệ âm áp phản xạ và truyền qua với âm trở của hai môi trường là:

Pt là âm áp truyền qua

hơn hoặc nhỏ hơn 1 phụ thuộc vào Z1 và Z2 Khi Z2> Z1 (tức trường hợp ranh giới giữa nước và thép), thì Pr là dương và Pt >1 Điều này có nghĩa âm áp phản xạ cùng pha với

âm áp tới và âm áp truyền qua lớn hơn âm áp tới [3]

1.2.3 Chùm tia siêu âm

Vùng mà sóng siêu âm truyền từ một biến tử siêu âm gọi là chùm tia siêu âm Chùm tia siêu âm phân thành hai vùng là trường gần và trường xa

Cường độ biến thiên dọc theo khoảng cách trục đối với một biến tử thực tế cho thấy cường độ thay đổi qua một số cực đại và cực tiểu Cực tiểu cuối cùng xuất hiện tại N, trong đó N là chiều dài trường gần Sau độ dài trường gần N, cường độ giảm liên tục Từ

khoảng cách gần bằng ba lần N thì âm áp tại tâm trục sẽ giảm theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách và chùm tia siêu âm sẽ phân kỳ theo một góc không đổi, vùng này được gọi

là trường xa Các đại lượng mô tả hình dạng của trường âm một các gần đúng tiện dụng trong thực tế là độ dài vùng trường gần N và góc phân kỳ gamma Hai giá trị này là một hàm số của đường kính tinh thể “D” và tần số “f” và vận tốc sóng âm “v”

Hình 2: Chùm tia siêu âm phát ra từ các biến tử

Hình 3: Biên độ sóng trường gần và trường xa theo khoảng cách

Ghi chú: k/c là khoảng cách

1.2.3.1 Trường gần

Một biến áp điện tử được xem là tập hợp của các nguồn điểm, mà mỗi điểm phát sóng siêu âm cầu vào môi trường xung quanh Các sóng cầu này giao thoa với nhau và tạo thành một chuỗi các cực đại và các cực tiểu của cường độ trong vùng gần biến tử, vùng này được gọi là trường gần Trường gần của một chùm tia siêu âm có độ rộng gần bằng đường kính của tinh thể biến tử Tuy nhiên, nó bị giảm dần đến cuối trường gần được gọi là điểm hội tụ [3]

Những khuyết tật nằm trong trường gần cần phải được giải đoán một cách cẩn thận vì rằng những khuyết tật xuất hiện trong vùng này có thể gây ra nhiều xung chỉ thị và biên

độ của xung phản xạ từ khuyết tật biến thiên rất đáng kể nếu khoảng cách hiệu dụng đến đầu dò thay đổi Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp các khuyết tật nhỏ hơn kích thước tinh thể Trường gần được xác định bởi công thức:

N là chiều dài trường gần

D là đường kính của biến tử

V là vận tốc sóng âm trong vật liệu

Cường độ phản xạ của sóng siêu âm từ khuyết tật nằm trong vùng trường xa phụ thuộc vào kích thước của khuyết tật tương quan với kích thước chùm tia Nếu khuyết tật rộng hơn chùm tia thì cường độ phản xạ tuân theo quy luật tỉ lệ nghịch với khoảng cách, ngược lại nếu kích thước của khuyết tật nhỏ hơn kích thước của chùm tia thì cường độ phản xạ biến thiên tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách [3]

1.2.4 Các dạng sóng siêu âm

1.2.4.1 Sóng dọc (sóng nén)

Sóng dọc là một loại sóng cơ học mà nó tạo ra các vùng nén và dãn xen kẽ nhau, có phương dao động trùng với phương truyền sóng

Sóng dọc truyền trong tất cả các môi trường rắn, lỏng, khí Do loại sóng siêu âm này

có thể phát và thu nhận dễ dàng nên được dùng phổ biến nhất trong kiểm tra siêu âm Phần năng lượng siêu âm sử dụng trong kiểm tra vật liệu đều xuất phát từ dạng sóng này

và rồi chuyền sang các dạng sóng khác trong các kiểm tra chuyên dụng

Hình 4: Các vùng nén và dãn xen kẽ dọc theo phương truyền sóng

1.2.4.2 Sóng ngang (sóng trượt)

Là sóng lan truyền trong đó các dao động diễn ra theo phương vuông góc với phương truyền năng lượng Trong hệ tọa độ ba chiều vuông góc Oxyz nếu sóng lan truyền theo chiều dương của trục x, thì dao động diễn ra ở hướng lên và xuống trong mặt y-z

Hình 5: Dao động của sóng ngang

Sóng ngang cơ học chỉ truyền được trong chất rắn và trên bề mặt chất lỏng Thoạt nhìn thì chúng ta có cảm giác sóng ngang chuyển động theo chiều ngang nhưng thực chất thì

các phần tử của sóng chuyển động lên và xuống theo chiều vuông góc với phương truyền sóng liên tiếp nhau tạo thành sóng ngang

1.2.4.3 Sóng mặt (sóng Rayleigh)

Hình 6: Sự lan truyền sóng rayleigh

Sóng Rayleigh là một loại sóng bề mặt di chuyển gần bề mặt của chất rắn Sóng Rayleigh bao gồm cả chuyển động dọc và ngang có biên độ giảm theo cấp số nhân khi khoảng cách di chuyển tăng lên Có chênh lệch pha giữa các thành phần của chuyển động Ở chất rắn đẳng hướng sóng này làm cho các hạt ở bề mẳ di chuyển theo hình elip trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt và song song với hướng lan truyền – trục chính của hình elip là dọc Ở bề mặt và gần bề mặt chuyển động này là ngược, đó là chuyển động của hạt trên về mặt ngược chiều kim đồng hô khi sóng di chuyển từ trái sang phải Ở độ sâu lớn hơn hạt chuyển động trở nên thuận, cùng chiều di chuyển của sóng Ngoài ra, biên độ chuyển động giảm dần và độ lệch tâm thay đổi khi độ sâu tăng

Độ sâu của sự di chuyển lớn trong chất rắn xấp xỉ bằng bước sóng âm thanh [4]

1.2.4.4 Sóng bản mỏng (sóng Lamb)

Sóng bản mỏng là sóng được xuất hiện do sóng mặt truyền vào một vật liệu có độ dày bằng hoặc nhỏ hơn ba lần bước sóng của nó Vật liệu bắt đầu dao động như một bản

mỏng tức là sóng tràn ngập toàn bộ bề mặt của vật liệu và được gọi là sóng lamb do lý thuyết mô tả sóng này bởi nhà vật lý Horace Lamb vào năm 1916 Không giống các sóng khác vận tốc sóng lamb trong vật liệu phụ thuộc vào vật liệu, bề dày vật liệu, tần số và dạng sóng Sóng lamb tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao động hạt, chủ yếu là hai dạng:

Dạng đối xứng hay dạng dãn nở

Dạng phản đối xứng hay dạng uốn

cong

Hình 7: Dạng sóng bản mỏng

1.2.5 Các phương pháp trong kiểm tra siêu âm

1.2.5.1 Phương pháp xung phản hồi

Hình 8: Phương pháp xung phản hồi

Phương pháp này sử dụng rất phổ biến trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm Đầu dò phát và thu đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật được chỉ thị bằng

sự nhận được xung phản hồi đáy Hầu hết các đầu dò đều có thể hoạt động ở chế độ thu cũng như phát Màn hình CRT được chuẩn để biểu diễn được sự tách biệt về khoảng cách giữa thời gian đến của xung phản hồi khuyết tật và xung phản hồi đáy, do đó tọa độ của khuyết tật có thể xác định một cách chính xác Phương pháp này có hai cách để truyền sóng siêu âm vào vật thể kiểm tra là: kỹ thuật chùm tia thẳng và kỹ thuật chùm tia xiên góc Nhược điểm của phương pháp này là sự suy giảm âm nhanh nên khó kiểm tra được mẫu vật có cấu trúc hạt thô, kích thước lớn…

1.2.5.2 Phương pháp truyền qua

Đầu dò phát và thu đặt ở hai bên phía đối diện của đối tượng kiểm tra, sự tồn tại bất liên tục thể hiện sự suy giảm hoặc mất chỉ thị tín hiệu thu trên màn hình Phương pháp này dùng để kiểm tra vật liệu kích thước lớn, suy giảm âm cao Nhược điểm của phương pháp truyền qua là không cho biết vị trí bất liên tục vàphụ thuộc vào sự thẳng hàng của hai đầu dò

Hình 9: Phương pháp truyền qua

1.2.5.3 Phương pháp cộng hưởng

Sóng siêu âm lan truyền trong vật liệu có chiều dày bằng bội số lần của một nửa chiều dài sóng thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng Cường độ lớn Phương pháp này thường được sử dụng trong kiểm tra chiều dày, mối ghép dán…

1.2.5.4 Phương pháp tự động và bán tự động

Hệ thống tự động trong kiểm tra siêu âm là một hệ thống kiểm tra có thể điều khiển các đầu dò bằng cơ, tự động ghi lại kết quả kiểm tra và xử lý số liệu kiểm tra Hệ thống

này gồm một hoặc nhiều đầu dò được đặt lên trên vật thể kiểm tra và được di chuyển qua vật thể kiểm tra bằng một thiếu bị điều khiển theo một sơ đồ quét cho trước Tất cả các

số liệu đo được cùng với những thông số về vị trí của đầu dò được cấp vào máy tính để

xử lý và đánh giá Ưu điểm của phương pháp này là hạn chế được thao tác chuyển đổi nên hạn chế những lỗi do con người gây ra trong quá trình kiểm tra, tiết kiệm được sức người hoặc giảm thời gian làm việc do tăng tốc kiểm tra và tự động phân tích kết quả và đánh giá kết quả nhờ hệ thống được điều khiển bằng máy tính

1.2.6 Một số tiêu chuẩn của siêu âm

1.2.6.1 Tiêu chuẩn về thuật ngữ

Các tiêu chuẩn này nhằm giải thích những ý nghĩa các ngôn ngữ kỹ thuật khác hoặc khái niệm dùng trong NDT Vì vậy nó là yếu tố cần thiết để tránh sai sót hiểu lầm giữa người sử dụng và người đặt hang dịch vụ NDT Một số tiêu chuẩn thuật ngữ:

tật bằng siêu âm Định nghĩ các tiêu chuẩn về thuật ngữ liên quan đến kiểm tra siêu âm

1.2.6.2 Độ nhạy

a Tiêu chuẩn JIS Z 3060-83

- Phương pháp chùm tia góc thường: Mẫu chuẩn STB-A2: trong trường hợp đầu

dò góc 60˚ và 70˚ chiều cao xung phản hồi từ lỗ Ø 4x4 được điều chỉnh đến mức

H của đường cong đặc trưng biên độ khoảng cách Trong trường hợp đầu dò góc 45˚, độ nhạy được tăng lên 6dB sau khi điều chỉnh đến mức H

- Mức chuẩn đánh giá cho quá trình quét kim loại cơ bản nằm sát mối hàn, quét trực tiếp trên mối hàn và quét hai bên mối hàn bởi sự động ý của khách hàng

- Chiều cao xung phản hồi quét theo kỹ thuật đầu dò nối tiếp nhau từ một khuyết tật nằm ngoài diện tích của bật thể kiểm tra được điều chỉnh đến mức M và sau

đó độ nhạy được tăng lên 10dB hoặc 14dB

b ASME section V điều 5

- Đường cong hiệu chỉnh biên độ khoảng cách được thiết lập bằng cách điều chỉnh chiều cao xung phản hồi đạt cực đại từ một trong số các lỗ khoang tại vị trí T/4, T/2 và hồi từ các lỗ còn lại, nhưng phải duy trì vời cùng một độ nhạy Đường cong này được sử dụng như là mức chuẩn

1.2.6.3 Tần số biến tử

1.2.6.4 Độ phân giải đầu dò thẳng

Bảng 2: Tiêu chuẩn JIS về độ phân giải đầu dò

5 (4)

30mm hoặc nhỏ hơn - Đầu dò

thẳng

2 (2,25)

5 (4)

15mm hoặc nhỏ hơn 15mm hoặc nhỏ hơn

là 25mm hoặc nhỏ hơn

1.2.6.7 Độ ổn định điện áp vào

về độ nhạy phải nằm trong giới hạn 1dB, sự trượt theo tung độ và trên đường quét thời gian phải nằm trong giới hạn ± 2% của toàn giải quét

1.2.6.8 Độ ổn định nhiệt độ môi trường

chiều cao xung phải hồi và đường thời gian quét phải nằm trong giới hạn ± 2dB

và ± 2% một cách tương ứng, cho mỗi khoảng sai lệch 10˚C

chính xác nằm trong vòng ± 1dB

tổng cộng là 50dB hoặc lớn hơn, sai số toàn phần nằm trong khoảng ± 1dB

1.2.6.11 Quá trình chuẩn định

Quy trình chuẩn định trong kiểm tra siêu âm theo ASME section V, được kiến nghị theo các yêu cầu sau:

 Phải chuẩn định toàn bộ các hệ thống kiểm tra siêu âm

độ- khoảng cách của toàn bộ hệ thống kiểm tra

xung phản hồi cực đại với chùm sóng âm định hướng vuông góc với phái cạnh các lỗ khoan và rãnh cắt

đoạn là 40mm, khi quay chùm tia hướng vào góc có lỗ khoan và cạnh của mẫu chuẩn có thể gây ra một xung có biên độ cao hơn tại một quãng đường truyền dài hơn Quãng đường truyền này không lên dùng để chuẩn định

tra phải nằm trong khoảng 25˚F

sử dụng để quét trong thực tế nên nằm trong khoảng 25˚F hoặc nên thực hiện việc

bù thích hợp với sự thay đổi góc và độ nhạy

- Chuẩn dải quét

- Hiệu chỉnh biên độ khoảng cách

- Khi sử dụng một thiết bị điện tử để hiệu chỉnh biên độ- khoảng cách, thì mức chuẩn so sánh ban đầu (mức PRE) nên được chỉnh bằng nhau ở mức hằng số nào

đó hoặc mức giữa 40%-80% của chiều cao màn hình, trên toàn bộ giải quét của quá trình kiểm tra

1.2.6.12 Chất tiếp âm

Chất tiếp âm thích hợp được lựa chọn phụ thuộc vào độ nhám của bề mặt quét và tần số sử dụng

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT SIÊU ÂM MẢNG ĐIỀU PHA (PAUT)

TRONG QUÉT ĂN MÒN

2.1 Khái quát về siêu âm mảng điều pha

Siêu âm mảng điều pha thay vì sử dụng một đầu dò có một biến tử, góc và hình dạng chùm siêu âm phát ra được xác định bằng các nêm cố định, người ta sử dụng một đầu dò

có tới hàng chục biến tử nhỏ sắp xếp theo một dãy (array), thông thường là 64 biến tử, mỗi biến tử này có thể tạo xung riêng rẽ Chúng có thể sắp đặt theo dải, hình tròn hoặc hình dạng phức tạp hơn Cũng như các đầu dò thông thường các đầu dò dãy tổ hợp pha

có thể được thiết kế cho sử dụng tiếp xúc trực tiếp, hoặc kết nối với nêm để tạo các đầu

dò góc, hoặc sử dụng kỹ thuật nhúng với sóng âm truyền qua chất tiếp âm tới chi tiết kiểm tra Tần số đầu dò thường nằm trong dải từ 2 MHz đến 10 MHz Hệ thống dãy tổ hợp pha cũng bao gồm thiết bị máy tính tinh vi có khả năng điều khiển đầu dò đa biến

tử, thu nhận và số hóa xung quay trở lại và biểu diễn thông tin của xung trên các khổ tiêu chuẩn khác nhau Không giống như các thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường, hệ thống dãy tổ hợp pha có thể quét chùm tia dưới cả dải góc khúc xạ hoặc theo dọc theo đường thẳng, hoặc hội tụ ở những độ sâu khác nhau, do đó tăng tính linh hoạt và khả năng trong thiết lập kiểm tra [5]

tử sẽ dao động theo nhóm từ 4 đến 32 để tăng độ nhạy một cách hiệu quả bằng cách giảm

độ mở chùm tia không mong muốn và có thể hộ tụ sắc nét hơn

Phần mềm sử dụng các định luật về hội tụ để thiết lập thời gian trễ phát xung cho từng nhóm các biến tử nhằm tạo ra chùm tia có hình dạng như mong muốn phù hợp với khả năng của đầu dò, đặc tính của phần nêm cũng như kích thước hình học và tính chất âm

của vật liệu kiểm tra Chuỗi xung được lập trình chọn bởi phần mềm hoạt động của thiết

bị sau đó từng sóng âm đó được đưa vào vật liệu kiểm tra Những sóng âm đó sẽ kết hợp với nhau tăng thêm hoặc triệt tiêu để tạo thành một sóng đơn sơ cấp truyền qua vật liệu kiểm tra và phản xạ lại từ các vết nứt, bất liên tục, mặt đáy và các mặt phân cách khác như sóng siêu âm thông thường Chùm tia có thể được hướng theo các góc, tiêu cự, kích thước tiêu điểm khác nhau theo cách mà một đầu dò đơn có khả năng kiểm tra vật liệu với các phối cảnh khác nhau Sự hướng chùm tia xảy ra rất nhanh nên quét với nhiều góc hoặc độ sâu hội tụ khác nhau có thể thực hiện trong một phần nhỏ của giây

Xung phản xạ lại được thu bởi các biến tử khác nhau hoặc nhóm các biến tử và thời gian được thay đổi cần thiết cho sự thay đổi của phần trễ sau đó tổng hợp lại Không giống như đầu dò một biến tử siêu âm thông thường hợp nhất tất cả thành phần chùm tia đập vào biến tử, đầu dò dãy tổ hợp pha có thể chọn những sóng âm phản xạ về theo thời gian và biên độ tại mỗi biến tử Khi phần mềm của thiết bị đã xử lý, thông tin sẽ được hiển thị trên bất kì dạng nào

Hình 10: Siêu âm mảng điều pha (PAUT)

2.1.2 Hiển thị kết quả

Trong kỹ thuật kiểm tra siêu âm dãy điều pha Phased Array, chỉ thị trên màn hình có thể được hiển thị dưới nhiều dạng như: S-scan, L-scan, A-scan, B-scan, C-scan …, tức

có thể hiển thị hình ảnh khuyết tật dưới dạng những mặt cắt khác nhau đi qua khuyết tật Ngoài ra, một số thiết bị đã được bổ sung thêm kiểu hiển thị Top View và End View tích lũy tất cả các chỉ thị phát hiện được thành một báo cáo dưới dạng hình ảnh, tương ứng với hình chiếu bằng, hình chiếu đứng và hình chiếu cạnh như trong vẽ kỹ thuật thông thường Toàn bộ các hình ảnh và thông tin này được xuất ra tự động dưới dạng pdf để người kiểm tra không thể có bất kỳ can thiệp nào vào tình hình khuyết tật của mẫu kiểm tra Hình ảnh Top View của siêu âm mảng điều pha hoàn toàn tương tự như phim X quang, có thể lưu trữ được, không phụ thuộc vào người giải đoán nên đã khắc phục được nhược điểm của phương pháp kiểm tra siêu âm truyền thống

Như vậy trong kiểm tra siêu âm mảng điều pha (PAUT), chùm siêu âm được điều khiển bằng điện tử, chứ không phải bằng các nêm như phương pháp siêu âm thông thường Kỹ thuật này sử dụng đầu dò gồm nhiều biến tử nhỏ độc lập với nhau đã mang lại cuộc cách mạng trong chẩn đoán siêu âm 3 chiều, 4 chiều trong y tế và hệ thống tổ hợp pha ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong công nghiệp kiểm tra siêu âm thông thường bao gồm kiểm tra mối hàn, kiểm tra độ liên kết, phát hiện các vết nứt, ăn mòn trong các đường ống

2.2 Thiết bị sử dụng trong siêu âm mảng điều pha

2.2.1 Các loại đầu dò

Các đầu dò siêu âm mảng điều pha chuyên biệt cho từng ứng dụng với dải tần số từ 0.5 MHz tới 18 MHz và có thể có từ 8, 16, 32, 64, hay 128 biến tử Một số đầu dò đặc biệt có thể được thiết kế tới hàng trăm biến tử

2.2.1.1 Đầu dò hai mảng biến tử (Dual Linear Array- DLA)

Thế hệ đầu dò hai mảng biến tử (Dual Linear Array) mang lại nhiều lợi thế so với đầu

dò hai biến tử của siêu âm truyền thống khi làm việc với các công việc khảo sát ăn mòn Giải pháp kiểm tra siêu âm Phased Array này cải thiện hiệu suất làm việc do có kích thước vùng quét lớn, tốc độ quét nhanh, và hình ảnh C-scan với mật độ điểm ảnh cực kỳ chi tiết

Đặc tính:

 Có tích hợp tiếp âm nước

lên tới mặt phẳng

Hình 11: Đầu dò hai mảng biến tử

2.2.1.2 Đầu dò nhúng

Hình 12: Đầu dò nhúng

Đầu dò nhúng được thiết kế sử dụng với nêm nước hoặc trong bể nhúng Đây là các đầu dò phát sóng dọc và có thể đặt ở chế độ sóng ngang khi sử dụng nêm Rexolite Đặc tính:

chính xác rất cao

 Thiết kế cho phép gắn các nêm nước cho khớp nối dễ dàng trên nhiều bề mặt và đường dẫn nước có thể điều chỉnh được (khi phần kiểm tra không thể chìm trong trong bể nước)

Ứng dụng:

Đặc tính:

Ứng dụng

2.2.1.4 Đầu dò có độ đâm xuyên tốt

Hình 14: Đầu dò có độ đâm xuyên tốt

Các đầu dò đâm xuyên sâu có thể phù hợp với nhiều lựa chọn nêm khác nhau tùy từng ứng dụng kiểm tra Đầu dò được thiết kế chuyên cho các ứng dụng cần đường truyền âm dài như kiểm tra mối hàn dày, các chi tiết rèn dập hay trong các vật liệu cấu trúc hạt thô

và nhiều nhiễu hay suy giảm âm lớn

Đặc tính:

 Có sẵn các lỗ bắt vít trên đầu dò

tra siêu âm đầu dò góc

Ứng dụng:

 Kiểm tra vật liệu rèn hoặc đúc

 Kiểm tra vật liệu nhiều nhiễu hoặc cấu trúc hạt thô

2.2.1.5 Đầu dò nhỏ gọn

Các đầu dò nhỏ gọn cho phép tiếp cận các vị trí chật hẹp (Đầu dò A00 có kích thước 8 × 8 mm)

Đặc tính:

Hình 15: Đầu dò nhỏ gọn

2.2.1.6 Đầu dò tích hợp nêm

Hình 16: Đầu dò tích hợp nêm

Đầu dò tích hợp sẵn nêm có thiết kế phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn, cho phép tạo

ra các loại đầu dò không quá cồng kềnh với ứng dụng kiểm tra góc Việc tiếp âm giữa đầu dò và nêm luôn được đảm bảo Các ứng dụng thông thường là kiểm tra mối hàn thủ công với các góc từ 40° tới 70° hay kiểm tra các nứt do ăn mòn mỏi hay các ứng dụng yêu cầu AWS và DGS

Đặc tính: