Luận văn Nghiên cứu phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN TRÀNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ KIỂM TRA ỐNG NHỎ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM TỔ HỢP PHA NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 4 1 0 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN TRÀNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ KIỂM TRA ỐNG NHỎ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM TỔ HỢP PHA NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 TP. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN TRÀNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ KIỂM TRA ỐNG NHỎ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM TỔ HỢP PHA NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN TP. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN VĂN TRÀNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 1980 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Ấp Mỹ An, xã Mỹ Đức Tây, Cái Bè -Tiền Giang Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Phó trƣởng khoa cơ khí, Trƣờng Cao Đẳng Nghề Kiên Giang. Địa chỉ liên lạc: 1022 Nguyễn Trung Trực, phƣờng An Hòa, Rạch Giá, Kiên Giang. Điện thoại cơ quan: 0773 814946 Điện thoại riêng: 0919.933.903 E-mail: nvtrang@caodangnghekg.edu.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Giáo viên dạy nghề: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/1999 đến 03/2003 Nơi học: Trƣờng Cao Đẳng Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy 2. Đại học: Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10/2007 Nơi học: Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy Tên luận án tốt nghiệp: Bảo vệ luận án tốt nghiệp: Năm 2007 Ngƣời hƣớng dẫn: 3. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2011 đến 10/2013 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí i
5. Tên luận văn: “Nghiên cứu, phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha”. Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 08/11/2013. Trƣờng ĐHSPKT.TpHCM Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn 4. Tiến sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Tại (trƣờng, viện, nƣớc): Tên luận án: Ngƣời hƣớng dẫn: 5. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh, B1 (khung Châu Âu) 6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 04/2003- đến nay Trƣờng CĐN Kiên Giang Phó trƣởng khoa cơ khí IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: Ngày 10tháng 11năm 2013 XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngƣời khai ký tên Nguyễn Văn Tràng ii
6. 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 . tháng 11 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Văn Tràng iii
7. LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu, phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha”, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ của quý thầy, cô các chuyên gia, các công ty, bạn bè và gia đình. Vậy nay tôi: Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn, đã dành nhiều thời gian, tâm huyết truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hƣớng dẫn, định hƣớng, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Chí Cƣơng, đã giành nhiều thời gian truyền đạt cho tôi những kiến thức về cách kiểm tra mối hàn không phá hủy (NDT) trong thời gian thực hiện luận văn. 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 quý thầy, cô Trƣờng ĐHSPKT TP. HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho tôi trong thời gian tôi học tập tại trƣờng. Xin cảm ơn anh Nguyễn Trọng Quát - Giám đốc công ty TNHH cơ khí Nam Hồng đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, trƣờng CĐN Kiên Giang, các đồng nghiệp ở các trƣờng 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! iv
8. TÓM TẮT Khuyết tật hàn trong các mối hàn nói chung, đặc biệt là khuyết tật trong mối hàn ốngnói riêng có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng kết cấu hàn cũng nhƣ quá trình làm việc sau này của chúng. Ngoài ra, theo các qui định về an toàn hoạt động trong các ngành công nghiệp hoá dầu, điện lực, dầu khí, cần thực hiện kiểm tra định kỳ chất lƣợng các mối hàn ống (dọc ống) bằng các phƣơng pháp NDT nhƣ X-quang, siêu âm, để đánh giá và quyết định thời hạn hoạt động của chúng. Việc kiểm tra chất lƣợng mối hàn ống (dọc ống) bằng phƣơng pháp siêu âm thƣờng đƣợc thực hiện bằng tay đòi hỏi nhiều thời gian, kết quả không ổn định với chi phí lớn. Do vậy, vấn đề nghiên cứu, phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng siêu âm đã nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt. Đề tài đã tiến hành khảo sát các loại robot, thiết bị tự hành, phƣơng pháp và kỹ thuật đo bằng siêu âm để tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tự hành kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống nhỏ bằng siêu âm tổ hợp pha. Thiết bị bao gồm các cơ cấu kẹp, đƣờng ray dẫn hƣớng, cơ cấu di chuyển dọc trục, cơ cấu mang đầu siêu âm, có thể hoạt động tự hành dọc theo chiều dài ống tiến hành đo kiểm với kết quả ổn định, tin cậy, thời gian đo kiểm ngắn. SUMMARY Welding defects in buttweld make vertical pipe influence seriously on quality of welding structure as well as its working process. Besides, according to safety at work in petrochemical industry and petroleum industry, weld seam quality need to be tested by NDT techniques, such as: Radiographic testing, Ultrasonic testing vv, From that point this subject will research about a part of welding theory, especially it will lead us to the defect of the weld and the cause make it wrong. After that, we will learn about some methods to checking the quality of welding that is presenting to find out the defect of welding, it’s not easy to see the failure, so we will learn more about devices, engines to help the inspection process to be more precise. From the practical problem and difficulties due to the welding inspection process in reality, this research will focus to studying the self – propelled device that it’s capability can walk on the pipe with diameter varies from 0,8 inch ÷ 4,5 inch. Over v
9. the period of research and learning from the other resources about the self – propelled or handicraft on around the world and Vietnam market. This subject will go into research and manufacture the device itself with the simplest structures but bringing high efficiency. In addition, the project will also calculate reliable structure of devices and choosing the most compact structures while ensuring the enduring and able working well. vi
10. MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH x DANH MỤC BẢNG xiv Chƣơng 1 GIỚI THIỆU 1 1.1Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài .3 1.2.1Tính thực tiễn của đề tài 3 1.2.2Ý nghĩa khoa học của đề tài 3 1.3Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4 1.4Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4 1.4.1Đối tƣợng nghiên cứu 4 1.4.2Phạm vi nghiên cứu 4 1.5Phƣơng pháp nghiên cứu 5 1.6Nội dung của đề tài 5 2.1Phƣơng pháp kiểm tra mối hàn bằng siêu âm 6 2.1.1 Nguyên lý kiểm tra siêu âm 6 2.1.2 Kỹ thuật kiểm tra bằng siêu âm 6 2.1.3 Nguyên tắc kiểm tra 7 2.1.4 Mức độ chấp nhận khuyết tật bên trong mối hàn 9 2.3.1Nứt (CRACKS) 16 2.3.2 Rỗ khí 19 2.3.3Ngậm xỉ (SOLID INCLUSIONS) 21 2.3.4Không thấu (LACK OF PENETRATION) 22 2.3.4.1Không thấu hoàn toàn 23 2.3.4.2Không thấu chân 23 2.3.5Cháy thủng (Burn-Through) 24 2.3.6Cháy chân (Undercut ) 24 2.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 25 2.4.1Các nghiên cứu ngoài nƣớc 25 2.4.2Các nghiên cứu trong nƣớc 29 2.5 Các tồn tại 29 Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30 3.1 Các biện pháp phát hiện khuyết tật mối hàn 30 vii
11. 3.1.1 Phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ (Radiographic Testing_RT) 31 3.1.2 Kiểm tra mối hàn bằng phƣơng pháp siêu âm (Ultrasonic Testing_UT) 33 3.1.3 Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm (Untrasonic Inspection_UI) 34 3.1.4 Phƣơng pháp kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetran inspection_LPI) 36 3.1.5 Phƣơng pháp kiểm tra từ tính (Magnetic Particle Inspection_MPI) 37 3.1.6 Phƣơng pháp kiểm tra dòng xoáy (Eddy Current Testing_ ET) 39 3.1.7 Phƣơng pháp dùng tia bức xạ Xquang và Gamma 40 3.1.8 Phƣơng pháp kiểm tra thủy lực thử áp lực 42 3.2 Các loại đầu dò sử dụng trong siêu âm dọc trục 44 3.2.1 Đầu dò thông thƣờng 44 3.2.1.1 Đầu dò thẳng 44 3.2.1.2 Đầu dò góc 44 3.2.1.3 Đầu dò kép 44 3.2.1.4 Đầu dò phased array (OLYMPUS) 45 3.2.2 Cấu tạo của các đầu dò thông thƣờng 45 3.2.3 Cấu tạo của đầu dò tổ hợp pha (phased array) 46 3.2.4 Nguyên lý kiểm tra dọc trục của đầu dò 47 Chƣơng 4 PHƢƠNG HƢỚNG VÀ GIẢI PHÁP 49 4.1 Thông số thiết kế 49 4.2 Phác thảo nguyên lý hoạt động 49 4.2.1 Nguyên lý yêu cầu 49 4.2.2 Nguyên lý định vị, vận hành 50 4.2.3 Nguyên lý mang thiết bị chạy dọc ống 51 4.2.4 Nguyên lý dẫn hƣớng 52 4.3 Phƣơng hƣớng và giải pháp thực hiện 53 4.4 Lựa chọn phƣơng án tối ƣu: 59 4.5 Trình tự công việc tiến hành 60 Chƣơng 5 61 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU 61 5.1 Yêu cầu thiết kế 61 5.2 Tính toán, thiết kế các cơ cấu 61 5.2.1 Mô hình thiết kế thiết bị 61 5.2.2 Tính toán, thiết kế cụm truyền động 63 5.2.3 Tính toán, thiết kế cụm di trƣợt 67 5.2.3.1 Tính lực kẹp cần thiết cho khối V di động 68 viii
12. 5.2.3.2 Tính toán bộ truyền vít me – đai ốc kẹp 68 5.2.3.3 Kiểm tra độ bền cho đòn kẹp 71 5.2.3.4 Kiểm tra điều kiện bền cho trục kẹp ϕ12: 73 5.2.4 Thiết kế cụm lắp đầu dò siêu âm 74 5.3 Đề xuất mạch điều khiển cho cơ cấu 75 Chƣơng 6 CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 79 6.1 Chế tạo và lắp ráp chi tiết 79 6.2 Thử nghiệm 81 6.2.1 Quy trình kiểm tra thử nghiệm 81 6.2.1.1 Quy trình kiểm tra siêu âm 81 6.2.1.2 Quy trình kiểm tra và vận hành thiết bị 85 6.3 Thực nghiệm xác định lực của lò xo 88 6.3.1 Mục đích thực nghiệm 88 6.3.2 Dụng cụ và các thiết bị thử nghiệm 88 6.4 Thực nghiệm xác định sai số dọc trục 90 6.4.1 Mục đích thực nghiệm 90 6.4.2 Dụng cụ và thiết bị thử nghiệm 90 6.5 Thực nghiệm đo với OmniScan và đầu dò 91 6.6 Kết quả kiểm tra thực nghiệm 95 6.7 Đánh giá 99 Chƣơng 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 ix
13. DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1: Kiểm tra mối hàn ống bằng tay [13] 2 Hình 1. 2: Kiểm tra bằng tay mối hàn phẳng bằng đầu do siêu âm [13] 2 Hình 1. 3 : Kiểm tra bằng tay mối hàn nối bồn bằng phƣơng pháp siêu âm [13] 2 Hình 2. 1:Nguyên lý kiểm tra mối hàn bằng siêu âm 6 Hình 2. 2: Sơ đồ liên kết mối hàn 7 Hình 2. 3: Sơ đồ dò liên kết giáp hàn mối 7 Hình 2. 4: Các dạng sơ đồ quét để kiểm tra khuyết tật mối hàn [14] 8 Hình 2. 5: Mô phỏng quá trình siêu âm [14] 9 Hình 2. 6: Ống thép không gỉ [8] 10 Hình 2. 7: Ống thép tròn đen [8] 10 Hình 2. 8: Ống thép mạ kẽm [8] 13 Hình 2. 9: Quy trình hàn thép không gỉ sử dụng phôi tấm [8] 14 Hình 2. 10: Quy trình công nghệ hàn ống thép [8] 15 Hình 2. 11: Tổng hợp các khuyết tật của mối hàn 16 Hình 2. 12: Phân loại khuyết tật nứt theo TCVN 6115-1:2005 17 Hình 2. 13: Vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) 17 Hình 2. 14: Các vị trí thƣờng xuất hiện vết nứt dọc 18 Hình 2. 15: Vị trí thƣờng xuất hiện các vết nứt dọc 18 Hình 2. 16: Các vị trí thƣờng xuất hiện vết nứt ngang 18 Hình 2. 17: Vị trí các vết nứt ngang 19 Hình 2. 18: Nứt cắt lớp ở chân mối hàn [10] 19 Hình 2. 19: Phân loại khuyết tật rỗ khí theo BS EN [10] 20 Hình 2. 20: Các dạng khuyết tật rổ khí [10] 21 Hình 2. 21: Rỗ khí bên trong mối hàn [10] 21 Hình 2. 22: Ngậm xỉ bên trong đƣờng hàn Hình 2. 23: Ngậm xỉ bên ngoài đƣờng hàn 22 Hình 2. 24: Sơ đồ phân loại các khuyết tật ngậm xỉ [10] 22 Hình 2. 25: Phân loại khuyết tật không thấu [10] 23 Hình 2. 26:Khuyết tật không thấu chân [10] 23 Hình 2. 27:Khuyết tật không thấu chân [10] 24 Hình 2. 28:Khuyết tật cháy thủng [10,12] 24 Hình 2. 29: Phân loại khuyết tật cháy chân theo theo BS EN [10] 24 Hình 2. 30: Khuyết tật cháy chân [10,12] 25 Hình 2. 31: Kiểm tra mối hàn ống bằng tay sử dụng máy quét COBRA Scanner [9] 25 x
14. Hình 2. 32: Thiết bị siêu âm mối hàn OmniScan [9] 26 Hình 2. 33: Thiết bị kiểm tra mối hàn nối Olympus OmniScan sử dụng bằng tay [9] . 26 Hình 2. 34: Máy siêu âm mối hàn Olympus [9] 26 Hình 2. 35: Máy kiểm tra mối hàn sử dụng trong nhà máy sản xuất ống [9] 27 Hình 2. 36: Thiết bị tự động kiểm tra mối hàn bồn PV – 300 [9] 28 Hình 2. 37: Kiểm tra mối hàn bồn áp lực bằng thiết bị PV – 300 [9] 28 Hình 3. 1: Ống phát tia X [15] 32 Hình 3. 2: Nguyên lý phát hiện khuyết tật bằng phƣơng pháp siêu âm [15] 33 Hình 3. 3: Thiết bị siêu âm kiểm tra mối hàn [9] 34 Hình 3. 4: Nguyên lý kiểm tra bằng siêu âm [9] 35 Hình 3. 5: Các bƣớc chuẩn bị trƣớc khi kiểm tra [11] 36 Hình 3. 6: Nguyên lý kiểm tra bằng phƣơng pháp từ tính [15] 38 Hình 3. 7: Thiết bị kiểm tra khuyết tật mối hàn bằng dòng xoáy [15] 40 Hình 3. 8: Nguyên lý kiểm tra bằng bức xạ [15] 41 Hình 3. 9: Kiểm tra mối hàn giáp mối bằng Xquang 41 Hình 3. 10: Sơ đồ phƣơng pháp kiểm tra áp lực [11] 43 Hình 3. 11: Đầu dò thẳng [9] 44 Hình 3. 12: Đầu dò góc [9] 44 Hình 3. 13: Đầu dò kép [9] 45 Hình 3. 14: Đầu dò phased array (OLYMPUS) [9] 45 Hình 3. 15: Đầu dò đơn tinh thể và đầu dò tinh thể kép 45 Hình 3. 16: Cấu tạo của các đầu dò thông thƣờng [9] 46 Hình 3. 17: Cấu tạo Đầu dò siêu âm phased array [9] 46 Hình 3. 18: Cấu tạo của đầu dò đa tinh thể Phased Array [9] 46 Hình 3. 19: Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm truyền thống [9] 47 Hình 3. 20: Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm TOFD [9] 47 Hình 3. 21: Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm phased array [9] 48 Hình 4. 2: Nguyên lý yêu cầu của thiết bị 49 Hình 4. 3: Nguyên lý định vị, vận hành 50 Hình 4. 4: Phƣơng án lựa chọn định vị và vận hành bởi hai khối V 51 Hình 4. 5: Nguyên lý mang thiết bị chạy dọc ống 51 Hình 4. 6: Bộ truyền vitme – đai ốc dẫn động đƣợc chọn theo phƣơng án 2 52 Hình 4. 7: Nguyên lý dẫn hƣớng cho thiết bị 52 Hình 4. 8: Nguyên lý dẫn hƣớng cho thiết bị đƣợc chọn theo phƣơng án 2 53 Hình 4. 9: Mô hình phƣơng án 1 54 xi
15. Hình 4. 10: Mô hình phƣơng án 2 55 Hình 4. 11: Mô hình phƣơng án 3 57 Hình 4. 12: Mô hình phƣơng án 4 58 Hình 4. 13: Mô hình phƣơng án đã lựa chọn 59 Hình 5. 1: Mô hình thiết bị thiết kế 61 Hình 5. 2: Mô hình phân rả thiết bị 62 Hình 5. 3: Bản vẽ cụm chi tiết truyền động 63 Hình 5. 4: Bản vẽ bộ truyền vítme – đai ốc bi 66 Hình 5. 5: Bản vẽ cụm chi tiết di trƣợt 67 Hình 5. 6: Sơ đồ phân tích lực kẹp tác dụng lên khối V 68 Hình 5. 7: Đòn kẹp theo thiết kế 71 Hình 5. 8: Biểu đồ nội lực của đòn kẹp 72 Hình 5. 9: Biểu đồ phân bố ứng suất trên tiết diện đòn kẹp 72 Hình 5. 10: Biểu đồ nội lực của trục kẹp 73 Hình 5. 11: Bản vẽ cụm chi tiết lắp đầu dò siêu âm 74 Hình 5. 12: Mạch động lực 77 Hình 5. 13: Mạch điều khiển 78 Hình 5. 14: Tủ điện sau khi thiết kế và lắp đặt hoàn chỉnh 78 Hình 6. 1:Mô hình thiết bị thiết kế ban đầu 79 Hình 6. 2: Thiết bị sau khi gia công lắp ráp hoàn chỉnh 80 Hình 6. 3: Hƣớng nhìn khác của thiết bị sau khi gia công lắp ráp hoàn chỉnh 80 Hình 6. 4: Sơ đồ tổng quát qui trình kiểm tra siêu âm [9] 81 Hình 6. 5: Sơ đồ thiết bị đo [9] 84 Hình 6. 6: Xử lý file sau khi quét để báo cáo [9] 88 Hình 6. 7: Bộ phận kẹp đầu dò và lực kế 88 Hình 6. 8: Lò xo và bộ kẹp đầu dò 89 Hình 6. 9: Thiết bị và dụng cụ thử nghiệm sai số dọc trục 90 Hình 6. 10: Máy phân tích, hiển thị dữ liệu và đầu dò siêu âm tổ hợp pha [9] 92 0 Hình 6. 11: Đầu dò và nêm nghiêng góc 55 [9] 92 Hình 6. 12: Hiệu chỉnh calib đầu dò với mẫu chuẩn và encoder 92 Hình 6. 13: Điều chỉnh đầu dò so với mối hàn [9] 93 Hình 6. 14: Điều chỉnh đầu dò so với mối hàn [9] 93 Hình 6. 15: Gá lắp và điều chỉnh cụm đầu dò so với mối hàn cần kiểm tra trên ống 94 Hình 6. 16: Kiểm tra và điều chỉnh khoảng cách đầu dò đúng theo yêu cầu 94 Hình 6. 17: Quá trình vận hành máy siêu âm và thiết bị đo 94 xii
16. Hình 6. 18: Kết quả thực nghiệm lần 1 96 Hình 6. 19: Kết quả thực nghiệm lần 2 97 Hình 6. 20: Kết quả thực nghiệm lần 3 99 xiii
17. DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1: Góc vào trong từng vật liệu 8 Bảng 2. 2: Chiều dài giới hạn của vật kiểm tra 9 Bảng 2. 3: Kích thƣớc tiêu chuẩn của ống thép đen tròn [8] 11 Bảng 2. 4: Kích thƣớc ống thép mạ kẽm [8] 12 Bảng 2. 5: Kích thƣớc ống thép không gỉ, ống hàn [8] 13 Bảng 2. 6: Kích thƣớc ống thép chế tạo bằng phƣơng pháp hàn [8] 15 Bảng 5. 1: Bảng giá trị ΨH và Ψh 64 Bảng 6. 1: Kết quả thực nghiệm xác định lực lò xo 90 Bảng 6. 2: Kết quả thực nghiệm sai số dọc của đầu dò 91 xiv
18. Chƣơng 1 GIỚI THIỆU Trong công nghiệp dầu khí, điện lực, giao thônghiện nay có rất nhiều đƣờng ống thép có đƣờng kính khác nhau, đặc biệt là các ống nhỏ, đƣợc sử dụng để dẫn chất lỏng, chất khí, Các đƣờng ống này từ lúc sản xuất ra đến suốt cả thời gian sử dụng ống đều phải kiểm tra đánh giá chất lƣợng để đi đến quyết định về khả năng tiếp tục sử dụng hay bị thay thế. Với vai trò quan trọng đó, việc nâng cao năng suất, chất lƣợng mối hàn cũng nhƣ phƣơng pháp đo kiểm đánh giá chất lƣợng ốngkhisản xuất và trong quá trình sử dụng luôn là vấn đề cấp bách đƣợc quan tâm nghiên cứu. Ngày nay, đã có nhiều công trình ứng dụng thành công các công nghệ tiên tiến để chế tạo ra các thiết bị kiểm tra tự động giúp tăng năng suất lao động gấp nhiều lần và có độ tin cậy cao. Vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu thiết kế một thiết bị kiểm tra mối hàn dọc ống mang đầu dò siêu âm để đo kiểm, đánh giá chất lƣợng mối hàn dọc ốnglà một vấn đề thời sự và cấp bách. 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam vẫn đang áp dụng nhiều phƣơng pháp kiểm tra chất lƣợng của đƣờng ống. Tuy nhiên việc kiểm tra này còn mang tính thủ công hoặc bán tự động,vì vậy việc kiểm tra vẫn còn có một số nhƣợc điểm sau: - Thời gian đo kiểm lớn. - Công tác vận hành kiểm tra tƣơng đối phức tạp. - Đội ngũ cán bộ kiểm tra đòi hỏi phải có kinh nghiệm. - Tốc độ di chuyển của thiết bị kiểm tra bằng tay không ổn định gây ảnh hƣởng lớn đến kết quả kiểm tra. - Ở một số đƣờng ống dài việc kiểm tra bằng thủ công sẽ không hiệu quả về mặt thời gian, nhân công, - Thiết bị kiểm tra bằng tay tƣơng đối cồng kềnh, đòi hỏi phải có đƣờng ray dẫn do đó chi phí mua sắm thiết bị tƣơng đối cao. Hình 1.1 đến 1.5 trình bày một số hình ảnh về công việc kiểm tra và thiết bị kiểm tra chất lƣợng mối hàn ống sử dụng kỹ thuật siêu âm. 1
19. Hình 1. 1: Kiểm tra mối hàn ống bằng tay [13] Hình 1. 2: Kiểm tra bằng tay mối hàn phẳng bằng đầu do siêu âm [13] Hình 1. 3: Kiểm tra bằng tay mối hàn nối bồn bằng phƣơng pháp siêu âm [13] Hình 1. 4: Thiết bị tự động kiểm tra mối hàn cho mối nối đƣờng ống [13] 2
20. Hình 1. 5: Thiết bị tự hành kiểm tra ống cáp quang dƣới đáy biển [14] Đòi hỏi từ thực tế là cần phải khắc phục các hạn chế khi kiểm tra bằng các thiết bị thủ công nhƣ trên và yêu cầu có một thiết bị kiểm tra mối hàn ống có khả năngtự hành, có tính kinh tế trong sử dụng. Do vậy, việc nghiên cứu một thiết bị tự hành có thể mang đầu siêu âm kiểm tra đƣợc mối hàn doc̣ ống là một nhu cầu cấp bách. 1.2 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 1.2.1 Tính thực tiễn của đề tài Thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm đo kiểm đánh giá chất lƣợng mối hàn dọc ống có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ : kiểm tra chất lƣợng mối hàn ống trong các ngành dầu khí , thủy lợi , và các đƣờng ống chứa chất lỏng nhằm phát hiện các khuyết tật của mối hàn dọc ống để loại bỏ các ống bị hƣ hỏng. Có thể ứng dụng tốt trong các nhà máy chế tạo ống. Trong một số trƣờng hợp đặc biệt các ống kiểm tra hàn theo một dãy với nhiều hàng ống song song thì việc kiểm tra thủ công hoặc các phƣơng pháp khác khó thực hiện nhƣng thiết bị này vẫn có thề sử dụng đƣợc. Thiết bị tự hành hoạt động độc lập mà không phụ thuộc vào các thiết bị kèm theo phụ trợ trong quá trình hoạt động nhƣ là đƣờng ray dẫn hƣớng. Với các đƣờng ống cần kiểm tra dài thì thiết bị hoạt động sẽ có hiệu quả hơn các thiết bị kiểm tra bằng tay hoặc bán tự động. 1.2.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài Hƣớng nghiên cứu của đề tài là hƣớng nghiên cứu thiên về lĩnh vực robot. Kết quả của đề tài là thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm để đo kiểm, đánh giá chất lƣợng mối hàn dọc ống. Đề tài có một số ý nghĩa khoa học sau: 3
21. - Đề xuất đƣợc nguyên lý hoạt động tự hành dọc theo ống lấy ống làm đƣờng dẫn theo nguyên lý co duỗi (chuyển động của con sâu); - Khả năng thay thế, kẹp chặt với một phạm vi xác định các ống có đƣờng kính khác nhau; - Cung cấp khả năng đo hành trình và khả năng điều khiển qua máy tính khi thay bộ điều khiển tiếp điểm bằng bộ điều khiển ứng dụng vi điều khiển; - Giới thiệu một thiết bị đo với nguyên lý hoạt động tự hành thay thế cho các thiết bị vận hành thủ công. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Đề tài nghiên cứu về kỹ thuật đo, phƣơng pháp đo siêu âm, đặc biệt là siêu âm tổ hợp pha. Qua đó đề xuất qui trình đo kiểm sử dụng thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha. - Thử nghiệm, phát triển các cơ cấu kẹp có điều khiển; - Thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm kiểm tra, đánh giá chất lƣợng mối hàn dọc ống. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Ống công nghệ đƣờng kính nhỏ. - Các dạng khuyết tật hàn thƣờng gặp trên ống khi chế tạo hoặc sau một thời gian sử dụng. - Kỹ thuật đo siêu âm, thiết bị siêu âm tổ hợp pha - Các cơ cấu kẹp, di chuyển, cụm gá đầu đo, 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Lĩnh vực tự động là một lĩnh vực tƣơng đối rộng lớn, nhƣng kiến thức và thời gian làm luận văn có hạn. Do đó, đề tài này chỉ nghiên cứu về thiết bị tự hành kiểm tra mối hàn dọc đƣờng ống, nghiên cứu các phƣơng án cho thiết bị kiểm tra đi trên đƣờng ống và mang thiết bị kiểm tra siêu âm mối hàn dọc ống. 4