Đồ án Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đường ống (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đường ống (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ MANG ĐẦU DÒ SIÊU ÂM KIỂM TRA MỐI HÀN ĐƯỜNG ỐNG GVHD: PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN SVTH: NGUYỄN DƯƠNG HƯNG MSSV: 11144050 SVTH: PHAN QUỐC MINH MSSV: 11144065 S K L 0 0 3 8 3 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đƣờng ống.” Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN DƢƠNG HƢNG MSSV: 11144050 PHAN QUỐC MINH MSSV: 11144065 Lớp: 111441A Khoá: 2011 -2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2015
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đƣờng ống” Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN DƢƠNG HƢNG MSSV: 11144050 PHAN QUỐC MINH MSSV: 11144065 Lớp: 111441A Khoá: 2011 -2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2015
4. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: NGUYỄN DƢƠNG HƢNG MSSV: 11144050 PHAN QUỐC MINH MSSV: 11144065 Lớp: 11144 Khoá: 2011-2015 Ngành đào tạo: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí Hệ: A 1. Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đƣờng ống” 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Ống kim loại 6” – 15” (ống thép, ống gang) - Thiết bị hoạt động với tốc độ từ 2 – 4 m/ph 3. Nội dung chính của đồ án: - Khảo sát ống kim loại 6” – 15”: kết cấu, QTCN chế tạo, quy trình kiểm tra đánh giáchất lƣợng sau chế tạo - Khảo sát các cách thức kiểm tra đánh giá mối hàn đƣờng ống - Đề xuất các chức năng cần có của thiết bị - Nghiên cứu, đề xuất kết cấu khả thi của thiết bị - Thiết kế, tham gia chế tạo thiết bị - Thử nghiệm hoạt động của thiết bị - Các clip động minh hoạ hoạt động của thiết bị - Tập bản vẽ thiết kế các chi tiết, bản vẽ lắp - Tập thuyết minh 4. Ngày nộp đồ án: 01/04/2015 5. Ngày nộp đồ án:20/07/2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) -i-
5. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đƣờng ống”. - GVHD: PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN - Họ tên sinh viên: NGUYỄN DƢƠNG HƢNG MSSV: 11144050 PHAN QUỐC MINH MSSV: 11144065 - Lớp: 111441A - Địa chỉ sinh viên: KTX Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM. - Số điện thoại liên lạc: 0989 258 113 - 01687419807 - Email: duonghung.nguyen93@gmail.com phanquocminhctd@gmail.com - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng . năm 2015 Ký tên -ii-
6. LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của mọi ngƣời xung quanh. Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đƣờng ống”, nhóm chúng em đã gặp rất nhiều khó khăn vì kiến thức lý thuyết và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế. Nhƣng chúng em rất may mắn khi nhận đƣợc rất nhiều sựgiúp đỡtận tình của quý thầy cô, sự hỗ trợ của bạn bè và gia đình. Chính nhờ tất cả những điều đó đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này. Nay chúng emxin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Giảng viênPGS.TS Đặng Thiện Ngôn đã dành nhiều thời gian quan tâm, tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, định hƣớng,truyền đạt và luôn động viên chúng emtrong suốt quá trình thực hiện đề tài. Nhờ sự chỉ bảo của Thầy chúng em đã học đƣợc rất nhiều kiến thức quý báu, giúp chúng em tránh đƣợc những sai sót và biết đƣợc những cách thực hiện hợp lý nhất cho đề tài của mình. Các quý thầy cô Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. HCM, Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức và đã tạo điều kiện, hỗ trợ cho chúng em trong quá trình thực hiện đề tài. Gia đình, bạn bè đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng em yên tâm học tập tốt trong suốt thời gian vừa qua. Xin chân thành cảm ơn. Sinh viên hực hiện Nguyễn Dƣơng Hƣng Phan Quốc Minh -iii-
7. TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ KIỂM TRA MỐI HÀNG ĐƢỜNG ỐNG Với sự phát triển của xã hội hiện nay thì nhu cầu về nguồn năng lƣợng là rất lớn, việc sử dụng năng lƣợng đang tăng trƣởng nhanh ở nƣớc ta. Hiện nay nƣớc ta đang đầu tƣ xây dựng hệ thống nhà máy lọc dầu nhằm làm giảm áp lực nhập khẩu về năng lƣợng của nhƣ sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu nƣớc ngoài. Nhu cầu vận chuyển, cung cấp các nguồn nhiên liệu nhƣ dầu mỏ, khí đốt đang đƣợc quan tâm rất nhiều. Do đó, việc sử dụng rất nhiều đƣờng ống và đặt biệt là ống thép là rất lớn để giải quyết vấn đề nhƣ vận chuyển, dự trữ. Vấn đề đặt ra là an toàn đƣờng ống và việc kiểm soát chất lƣợng ống khi chế tạo và đƣa vào vận hành. Xuất phát từ thực tiễn, nhiều nghiên cứu và thiết bị đã đƣợc chế tạo, thử nghiệm và đƣa vào sử dụng. Một trong số đó là phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy đƣợc ứng dụng nhiều nhƣ: siêu âm, quang học, thẩm thấu Trong nƣớc, các thiết bị đang đƣợc sử dụng đa số nhập khẩu từ nƣớc ngoài, các công trình nghiên cứu về vấn đề kiểm tra vẫn chƣa đƣợc đẩy mạnh. Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đƣờng ống”, đƣợc thực hiện nhằm mục đích đƣa ra một số phƣơng án thiết kế và thử nghiệm giúp kiểm tra chất lƣợng mối hàn đƣờng ống thép. Để tài đƣợc nhóm nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian gần 4 tháng. Trong suốt thời gian đó, nhóm chúng em tìm hiểu các vấn đề, tài liệu liên quan đến ống thép công nghiệp, các phƣơng pháp kiểm tra mối hàn ống. Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị mang đầu dò siêu âm kiểm tra mối hàn đƣờng ống. Từ những kết quả đạt đƣợc tiến hành đánh giá và đƣa ra các hƣớng phát triển cho đề tài.Tuy nhiên trong quá trình thực hiện chúng em vẫn còn một số hạn chế nhƣ: thiết kế, chế tạo chƣa thực sự tối ƣu nhất, sự gia công chƣa đạt đƣợc sự chính xác cao vì kiến thức, kinh nghiệm thực tế, tài chính và thời gian còn hạn hẹp. Trong tƣơng lai nếu có điều kiện chúng em sẽ cố gắng tiếp tục phát triển đề tài phù hợp với khả năng kinh tế, kỹ thuật và đạt đƣợc sự tối ƣu hơn nữa trong kết cấu thiết bị. -iv-
8. ABSTRACT With the development of the current social demand for energy is very large, the energy use is growing rapidly in our country. Currently our country is investing in building the refinery system to reduce pressure on energy imports as the dependence on foreign fuel sources. Transportation needs, provide fuel sources such as oil, gas are interested very much. Therefore, the use of a lot of pipes and steel tubes are especially great to resolve issues such as transportation, storage. The question is safe pipe and tube quality control when manufacturing and commissioning. Derived from the practice, research and equipment has been manufactured, tested and put into use. One of them is the method of nondestructive testing are applied much like ultrasound, optical, permeable In country, the equipment is being used most imported from abroad, the research on the issue has not yet been checked promoted. The theme "Study, design and manufacture of equipment testing equipment carries ultrasound probes pipeline weld inspection" was done with the purpose given some design options and help test test quality seamless steel pipe. Team conducted project over a period of approximately 4 months. During that time, the group we understand the issues and documents related to the steel pipe industry, the methods of pipe weld inspection. Design and prototype device delivers ultrasound probe pipe weld inspection. From the results achieved assessed and given the direction of development for the subject. -v-
9. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv ABSTRACT v DANH MỤC HÌNH VẼ x DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.2.1Ý nghĩa khoa học 3 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 3 1.3Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3 1.4.1Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài 3 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 3 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 4 1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận 4 1.5.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể 4 1.6 Kết cấu của luận văn 4 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 5 2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ [12] 5 2.1.1 Ống thép đúc 5 2.1.2 Ống thép hàn 6 2.2 Phân loại ống thép theo vật liệu 7 2.2.1 Ống inox (ống thép không gỉ) 7 2.2.2 Ống thép tròn đen 7 2.2.3 Ống thép mạ kẽm 8 2.3 Các loại mối hàn ống 8 -vi-
10. 2.3.1 Mối hàn dọc ống (mối hàn dọc trục) 9 2.3.2 Mối hàn ngang ống (mối hàn hƣớng kính) 9 2.3.3 Mối hàn xoắn ống 10 2.4 Khuyết tật mối hàn [3], [4], [8] 10 2.4.1 Nứt 11 2.4.2 Rỗ khí 12 2.4.3 Lẫn xỉ 13 2.4.4 Không ngấu 14 2.4.5 Lẹm chân và chảy loang 15 2.4.6 Khuyết tật về hình dạng 16 2.5 Khuyết tật ăn mòn kim loại 16 2.5.1 Cấu tạo của kim loại và ảnh hƣởng của nó đến quá trình ăn mòn 17 2.5.2 Sự ăn mòn kim loại 17 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 3.1 Các phƣơng pháp kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống 22 3.1.1 Kiểm tra phá hủy 22 3.1.2 Kiểm tra không phá hủy (NDT)Non-Destructive-Testing 22 3.2 Thiết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại 25 3.3.1 Trong nƣớc 25 3.3.2 Nƣớc ngoài [10], [11] 26 3.3 Các tồn tại và định hƣớng nghiên cứu: 29 CHƢƠNG 4: YÊU CẦU VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ 30 4.1 Phân tích đối tƣợng thiết kế 30 4.2 Phƣơng án chọn lựa thiết kế cho cơ cấu kẹp và dẫn động 31 4.2.1 Phƣơng án thiết kế cho cơ cấu kẹp 31 4.2.2Phƣơng án chuyển động dọc ống 34 4.3 Phƣơng án thiết kế cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống 38 4.3.1 Phƣơng án 1 38 4.3.2 Phƣơng án 2 40 4.3.3 So sánh và lựa chọn phƣơng án chuyển động tròn quanh ống 41 -vii-
11. 4.4Phƣơng án chọn lựa thiết kế cho cơ cấu đo mối hàn đƣờng ống 41 4.4.1Phân tích kẹp, lực áp đầu dò vào ống 41 4.4.2 Phƣơng án thiết kế cụm mang đầu dò siêu âm kiểm tra đƣờng hàn 42 4.5 Phƣơng án thiết kế cụm mang đầu dò siêu âm kiểm tra mòn 43 4.6 Thiết kế cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò 45 4.7 Thiết kế cơ cấu cụm bánh xe từ 46 4.8 Thiết kế hộp động cơ 47 4.9 Lựa chọn phƣơng án thiết kế 47 4.9.1 Phƣơng án 1: Sử dụng bộ kẹp kết hợp bánh xe từ 47 4.9.2 Phƣơng án 2: Sử dụng 2 bộ kẹp ở 2 đầu 48 4.10 Phƣơng án chọn lựa thiết kế đo mối hàn vòng ống 49 4.10.1 Xác định sai lệch của đầu dò so với mối hàn 49 4.10.2 Phân tích lựa chọn thiết bị phản hồi vị trí: 51 4.11 Thiết kế thiết bị đo mối hàn vòng ống 53 4.12 Phƣơng án tháo lắp vòng định vị 54 4.12.1 Chốt tháo lắp (locking pin) 54 4.12.2 Phƣơng án 1: Dùng bu lông để tháo lắp 56 4.12.3 Phƣơng án 2: Dùng chốt tháo lắp ( locking pin) 56 4.12.4 Phƣơng án 3: Dùng chốt định vị kết hợp với chốt tháo lắp (locking pin) 57 4.12.5 So sánh các phƣơng án và lựa chọn 58 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU 59 5.1 Kết cấu tổng thể của cơ cấu 59 5.2.1 Tính toán bộ truyền bánh răng 59 CHƢƠNG 6: QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO, GIA CÔNG CHI TIẾT 64 6.1 Chế tạo bộ kẹp 64 6.2 Chế tạo cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống 65 6.3 Chế tạo cơ cấu chuyển động dọc ống 66 6.4 Chế tạo cơ cấu mang đầu dò 66 -viii-
12. 6.5 Chế tạo cơ cấu cụm bánh xe từ 67 6.6 Chế tạo cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò 68 6.7 Chế tạo hộp động cơ 68 CHƢƠNG 7: QUY TRÌNH KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 69 7.1 Thiết bị đo mối hàn vòng ống 69 7.1.1 Thiết bị kiểm tra 69 7.1.2 Quy trình kiểm tra, đánh giá thực nghiệm 69 a) Lắp đặt thiết bị 69 b)Quá trình chạy thử nghiệm 70 c) Đánh giá kết quả 70 7.2 Thiết bị đo sử dụng cụm bánh xe từ 70 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 -ix-
13. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Qui trình công nghệ thép hàn 6 Hình 2.2: Ống thép không gỉ 7 Hình 2.3: Ống thép tròn đen 8 Hình 2.4: Ống thép mạ kẽm 8 Hình 2.5: Mối hàn dọc ống 9 Hình 2.6: Mối hàn ngang ống 9 Hình 2.7: Mối hàn soắn ống 10 Hình 2.8: Các khuyết tật của mối hàn 11 Hình 2.9: Các kiểu nứt trong mối hàn 12 Hình 2.10: Ảnh chụp nứt mối hàn 12 Hình 2.11: Khuyết tật rỗ khí 13 Hình 2.12 : Các vị trí tồn tại rỗ khí 13 Hình 2.13: Khuyết tật lẫn xỉ 14 Hình 2.14: Khuyết tật xỉ hàn 14 Hình 2.15: Khuyết tật hàn không ngấu 15 Hình 2.16: Hình chụp khuyết tật không ngấu 15 Hình 2.17: Khuyết tật lẹm chân(cháy chân), chảy loang (tràn) 16 Hình 2.18: Các sai lệch hình dạng của mối hàn 16 Hình 2.19: Dạng mòn các kim loại theo thời gian [9] 18 Hình 2.20: Dạng ăn mòn đều 19 Hình 2.21: Dạng ăn mòn không đều 19 Hình 2.22: Dạng ăn mòn điểm 20 Hình 2.23: Dạng ăn mòn không đều 20 Hình 2.24: Các phƣơng pháp kiểm tra chủ yếu 23 Hình 2.25: Kiểm tra siêu âm bằng phƣơng pháp truyền qua 23 Hình 2.26: Ảnh thực tế kiểm siêu âm bằng phƣơng pháp truyền qua 24 Hình 2.27: Kiểm siêu âm bằng phƣơng pháp phản xạ 24 Hình 2.28: Kiểm siêu âm bằng phƣơng pháp cộng hƣởng 25 Hình 2.29: Bộ cùm kẹp 25 Hình 2.30: Thiết bị kiểm tra ăn mòn ống 26 -x-
14. Hình 2.31: Thiết bị đo kiểm bằng tay 26 Hình 2.32: Thiết bị kiểm tra ăn mòn ống 27 Hình 2.33: Thiết bị kiểm tra ăn mòn tấm phẳng 27 Hình 2.34: Thiết bị kiểm tra mối hàn bằng tay[7] 28 Hình 4.1: Các chuyển động cần có của thiết bị 30 Hình 4.2: Thiết bị dùng mâm cặp 3 chấu 31 Hình 4.3 : Bộ kẹp cố định 31 Hình 4.4: Bộ kẹp cố định trên ống 32 Hình 4.5: Cụm chi tiết bộ kẹp vít me tự định tâm 33 Hình 4.6: Cơ cấu tay quay cho bộ kẹp 34 Hình 4.7 Xi lanh khí nén dẫn hƣớng 34 Hình 4.8: Bộ truyền đai và thanh trƣợt bi 35 Hình 4.9: Bộ trục vít và thanh trƣợt bi 35 Hình 4.10: Thiết kế cơ cấu sử dụng 2 thanh trƣợt 37 Hình 4.11: Thiết kế cơ cấu sử dụng 3 thanh trƣợt 37 Hình 4.12: Cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống theo phƣơng án 1 38 Hình 4.13: Chi tiết cụm bánh xe phƣơng án 1 39 Hình 4.14: Cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống theo phƣơng án 2 40 Hình 4.15: Chi tiết cụm bánh xe phƣơng án 2 40 Hình 4.16: Đặt đầu dò so với mối hàn 41 Hình 4.17: Khoảng cách lớn nhất của nêm so với mặt cong 0,5mm 41 Hình 4.18: Hƣớng đặt đầu dò siêu âm tổ hợp pha 42 Hình 4.19: Cụm mang đầu dò phƣơng án 1 42 Hình 4.20: Cụm mang đầu dò phƣơng án 2 43 Hình 4.21: Bộ kẹp dùng thanh trƣợt với lò xo 44 Hình 4.22: Cụm chi tiết xoay 45 Hình 4. 23: Cụm chi tịnh tiến 45 Hình 4.24: Cụm chi tiết trƣợt 46 Hình 4.25: Cơ cấu cụm bánh xe từ 46 Hình 4.26 : Hộp động cơ 47 Hình 4.27: Phƣơng án thiết kế bộ kẹp kết hợp với bánh xe từ 47 Hình 4.28: Cơ cấu mang đầu dò sử dụng 2 bộ kẹp ở hai đầu 48 -xi-
15. Hình 4.29: Cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn 49 Hình 4.30: Laser đƣờng thẳng 49 Hình 4.31: Camera quan sát 50 Hình 4.32: Encoder gắn trên động cơ 51 Hình 4.33: Hình dáng thƣớc quang 52 Hình 4.34: Thiết kế thiết bị đo mối hàn vòng ống 53 Hình 4.35: Chốt tháo lắp 54 Hình 4.36: Nguyên lí hoạt động của chốt tháo lắp 55 Hình 4.37: Phƣơng án dùng bu lông để tháo lắp 56 Hình 4.38: Phƣơng án dùng chốt tháo lắp 56 Hình 4.39: Phƣơng án dùng chốt định vị kết hợp với chốt tháo lắp 57 Hình 6.2: Thanh nối 65 Hình 6.3: Tấm đỡ 65 Hình 6.4: Cơ cấu chuyển động dọc ống 66 Hình 6.5: Cơ cấu giữ đầu dò 66 Bảng 6.4: Danh mục các chi tiết trong cơ cấu mang đầu dò 67 Hình 6.6: Cơ cấu cụm bánh xe từ 67 Hình 6.7: Cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò 68 Hình 6.8: Hộp động cơ 68 Hình 7.1: Thiết bị kiểm tra OMNISCAN của hãng OLYMPUS 69 Hình 7.2: Lắp đầu dò siêu âm vào cụm đầu dò 69 -xii-
16. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: So sánh các phƣơng án chuyển động tròn 33 Bảng 4.2: So sánh các phƣơng án chuyển động dọc ống 36 Bảng 4.3: So sánh và lựa chọn phƣơng án thanh trƣợt bi kết hợp truyền động đai . 38 Bảng 4.4: bảng so sánh và lựa chọn phƣơng án chuyển động tròn quanh ống 41 Bảng 4.5: So sáng và lựa chọn phƣơng án cụm mang đầu dò. 43 Bảng 4.6: So sánh lựa chọn cảm biến xác định sai lệch so với mối hàn 51 Bảng 4.7: So sánh phƣơng án lựa chọn thiết bị đo 53 Bảng 4.8: so sánh các phƣơng án tháo lắp nhanh 58 Bảng 5.1: Các thông số bộ truyền đai răng gờ hình thang. 62 Bảng 6.1: Danh mục các chi tiết trong bộ kẹp 64 Bảng 6.2: Danh mục các chi tiết trong cụm chuyển động tròn quanh ống 65 Bảng 6.5: Danh mục các chi tiết trong cơ cấu cụm bánh xe từ 67 Bảng 6.6: Danh mục các chi tiết trong cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò 68 -xiii-
17. CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU Khoahọc siêu âm có lịch sử phát triển từ thế kỷ 19 với các tên tuổi lớn nhƣ: 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 ứng dụng trong cuộc sống đã xuất phát từ đại dƣơng nhƣ trong các nỗ lực tìm kiếm phát hiện tàu ngầm trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất, thảm hoạ tàu Titanic, Sau thế chiến thứ hai, trong khi nghiên cứu các công trình bị phá hủy, ngƣời ta nhận thấy rằng nguyên nhân gây ra phá hủy là do sự xuất hiện của các vết nứt trong kết cấu và chúng có ảnh hƣởng đáng kể. Từ đó đã hình thành ngành cơ học phá hủy (Fracture Mechanics) với việc khảo sát lý thuyết và thực nghiệm về các vết nứt. Ngành cơ học này đã phát triển rất nhanh, với những công trình nghiên cứu của Irwin, David Broeke Paris, về trƣờng ứng suất ở lân cận đáy vết nứt; sự mở rộng, sự lan truyền của vết nứt với các dạng khác nhau. Ngày nay với sự phát triển không ngừng về kinh tế, công nghệ thì nhu cầu năng lƣợng ngày càng cao. Nguồn năng lƣợng chính hiện tại chủ yếu khai thác từ thiên nhiên các mỏ ngoài biển vì vậy đƣờng ống đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển để đảm bảo nguồn năng lƣợng. An toàn trong quá trình khai thác, vận chuyển và lƣu trữ đặt ra rất nhiều yêu cầu nhƣ chất lƣợng của các đƣờng ống phải đảm bảo an toàn nên chúng ta phải thƣờng xuyên kiểm tra để từ đó phát hiện những khuyết tật phòng ngừa. Đƣờng 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 đƣờng ống bị gỉ. Môi trƣờng 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 hƣởng trực tiếp đến tốc độ ăn mòn. Các hợp chất lắng đọng tạo nên các hiện tƣợng 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 hƣ hỏng đƣờng ống. Ở đây, vấn đề đƣợc đặt ra là cần xác định chính xác vị trí của các vết nứt và phân tích ứng xử động của chi tiết để từ đó có khả năng dự báo trình trạng làm việc hiện tại của 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 thƣờng khó có thể phát hiện đƣợc nếu không cắt hoặc tháo dời. Khuyết tật và ăn mòn làm ảnh hƣởng đến cấu trúc, chiều dày nguyên bản của kim loại nếu không đƣợc phát hiện trong thời gian dài rất nguy hiểm. Hƣ -1-
18. CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU hỏng đƣờng ống dẫn tới tổn thất về kinh tế, ô nhiễm môi trƣờng. Vì vậy, quá trình kiểm tra khuyết tật và ăn mòn ống dẫn rất đƣợc quan tâm. Kiểm tra siêu âm là phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy đƣợc sử dụng rộng rãi, công việc kiểm tra khuyết tật và ăn mòn dùng đầu siêu âm tổ hợp pha (PA) đang đƣợc ứng dụng rộng rãi các nƣớc trên thế giới nhƣng ở nƣớc ta thì vẫn còn ít đặc biệt là ứng dụng thiết bị để kiểm tra tự động thay thế cho con ngƣời. 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Đƣờng ống dẫn có vai trò rất quan trọng trong các công trình xây dựng, thủy điện, dầu khí, giao thông, hoá chất, thực phẩm Ở nƣớc ta hiện tại ngành công nghiệp dầu khí đang phát triển mạnh mẽ, để đáp ứng nhu cầu năng lƣợng ngày càng cao của đất nƣớc thì nhu cầu kiểm tra, kiểm định, đảm bảo chất lƣợng đƣờng ống trong quá trình lắp đặt, vận hành, vận chuyển, bảo dƣỡng thì việc lựa chọn phƣơng pháp nhanh, chính xác nhƣ kiểm tra dùng đầu dò siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) đặc biệt rất đƣợc quan tâm, thiết bị sử dụng hiện tại để kiểm tra đƣợc mua hoàn toàn từ nƣớc ngoài do chúng ta chƣa làm chủ đƣợc vì một số lý do sau: - Phƣơng pháp siêu âm tổ hợp pha chƣa đƣợc ứng dụng nhiều ở nƣớc ta. - Chƣa có nhiều nghiên cứu trong nƣớc 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 lƣợng đƣờng ống rất lớn. - Chi phí đầu tƣ thiết bị kiểm tra tƣơng đối cao. Qua đó, ta thấy các nghiên cứu về các khuyết tật của ống và giải quyết bài toán tìm kiếm vị trí chính xác của khuyết tật luôn có ý nghĩa lớn trong việc đảm bảo sự an toàn trong quá trình vận hành và giảm thiểu các thiệt hại không mong muốn. Để góp phần vào công việc giải quyết các vấn đề đã đặt ra, đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra, đánh giá chất lượng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm’’ đã đƣợc triển khai nghiên cứu đáp ứng đƣợc phần nào nhu cầu thực tiễn và đƣa khả năng ứng dụng và làm chủ công nghệ đánh giá chất lƣợng ống ở Việt Nam ngày một rộng rãi hơn. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Hiện nay ở nƣớc ta, các công trình xây dựng nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, các ngành công nghiệp đóng tàu , số lƣợng các dự án đầu tƣ ngày càng tăng. Để đáp ứng đƣợc chất lƣợng và tiến độ công trình, các phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) đã và đang đƣợc áp dụng rộng rãi, rất hiệu quả. Phƣơng pháp siêu âm truyền thống (UT) đƣợc sử dụng rộng rãi để kiểm tra khuyết tật trong nhiều thập kỉ qua nhƣng để đáp ứng nhu cầu kiểm tra kết quả nhanh và chính xác hơn thì phƣơng -2-
19. CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU pháp siêu âm tổ hợp pha (PA) đã đƣợc kiểm chứng. Ở nƣớc ta việc ứng dụng siêu âm tổ hợp pha (PA) chƣa 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 tƣ không cao mà vẫn đảm bảo chất lƣợng và nắm bắt công nghệ kiểm tra tiên tiến trên thế giới. Đề tài đƣợc thực hiện có các ý nghĩa sau: 1.2.1Ý nghĩa khoa học - Đề xuất đƣợc nguyên lý, kết cấu thiết bị kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống. - Xác định đƣợc qui trình đo kiểm và đánh giá chất lƣợng ống. 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn - Làm chủ đƣợc 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 nƣớc ngoài. - Đƣa việc kiểm tra thành tự động. - Đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực siêu âm tại Việt Nam. 1.3Mục 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1Đối tƣợng 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. - Cách thức phân tích, đánh giá kết quả kiểm tra. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: - Ống thép có đƣờng kính từ 25mm tới 250 mm (1 inches – 12 inches). - Các loại khuyết tật hàn, khuyết tật ăn mòn đƣờng ống nhƣ: Khuyết tật mối hàn giáp mối ống dẫn: nứt, rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu Khuyết tật ăn mòn ống dẫn: ăn mòn đều, ăn mòn không đều, ăn mòn điểm Khuyết tật về hình dáng hình học: ô-van, vặn, xoắn, - Thiết kế, chế tạo và đƣa vào hoạt động thử nghiệm nguyên mẫu thiết bị kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống. -3-
20. CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận - Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, nguyên lý từ đó đƣa ra yêu cầu thiết kế. - Dựa vào yêu cầu thiết kế dùng phần mềm mô phỏng đƣa ra nhiều phƣơng án từ đó lựa chọn phƣơng án tốt nhất. - Từ phƣơng án thiết kế đƣợc chọn tiến hành chế tạo thiết bị, thử nghiệm đánh giá thiết bị. 1.5.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể a) Phƣơng 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 đƣa ra nhiều phƣơng án lựa chọn và yêu cầu tính toán, thiết kế. b) Phƣơng pháp thực nghiệm - Dùng phƣơng pháp thử và sai để có các số liệu hoàn chỉnh trong phần thiết kế và kết cấu. - Phân tích, đánh giá kết cấu thiết kế bằng các phần mềm mô phỏng để xác định kết cấu khả thi nhất. - Dựa vào thiết kế đề xuất chế tạo nguyên mẫu thiết bị, sau đó đƣa vào thử nghiệm để hoàn chỉnh thiết kế, xác định qui trình vận hành và đánh giá chất lƣợng ống. 1.6 Kết cấu của luận văn Kết cấu luận văn tốt nghiệp gồm 6 chƣơng: - Chƣơng 1: Trình bày giới thiệu. - Chƣơng 2: Trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Chƣơng 3: Trình bày cơ sở lý thuyết. - Chƣơng 4: Trình bày yêu cầu và phƣơng án thiết kế - Chƣơng 5: Trình bày thiết kế và tính toán kết cấu - Chƣơng 6: Trình bày quá trình chế tạo và gia công chi tiết - Chƣơng 7: Quy trình kiểm tra, đánh giá và thực nghiệm - Kết quả và kiến nghị -4-
21. CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 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, ngƣời ta lại chia ra thành 2 loại lớn ống thép đúc ( phôi tròn) và ống thép hàn ( phôi tấm, lá). 2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ [12] 2.1.1 Ống thép đúc Căn cứ vào công nghệ chế tạo chia ra gồm ống thép đúc cán nóng và ống thép đúc cán nguội, ống thép đúc cán nguội lại gồm ống tròn và ống hộp với các thành phần và tính năng nhƣ sau: - GB/T8162-1999 (ống đúc kết cấu): chủ yếu dùng trong kết cấu thông thƣờng 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 thƣờng. 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 nƣớc 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 - 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 gọi tắt 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 chủ yếu dùng là J55,N80, P110. - API SPEC 5L-2000: loại ống đƣợc 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. -5-
22. S K L 0 0 2 1 5 4