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 (Phần 1)

Nội dung text: 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 (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 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 S KC 0 0 4 1 4 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. 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
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: 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 trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM. Địa chỉ liên lạc: 12, Nguyễn Văn Bảo, Phƣờng 4, Quận Gò Vấp, Tp.HCM. Điện thoại cơ quan:083.8940390 Điện thoại riêng: 0937.747.171 E-mail: leduytuan1986@gmail.com/yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 07/2007 Nơi học: Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM Ngành học: Cơ Điện Tử 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2007 đến 9/2009 Nơi học: Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM 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 Ngƣời hƣớng 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 (trƣờng, thành phố): Trƣờng ĐH Sƣ 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. Trƣờng ĐHSPKT.TpHCM i
4. Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Lê Chí Cƣơng 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 11 /2009 - đến nay Trƣờng ĐH Công Nghiệp Tp. HCM Giảng viên IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày03 tháng 11năm2013 Ngƣời khai ký tên Lê Duy Tuấn ii
5. 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 iii
6. 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 đƣợc 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 Cƣơng đã dành nhiều thời gian quan tâm, truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hƣớng dẫn, định hƣớng, 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 Trƣờng ĐH Sƣ 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 trƣờng. 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 Trƣờng ĐH Công Nghiệp Tp. HCM, 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
7. TÓM TẮT Ngày nay với sự phát triển kinh tế và xã hội, nhu cầu năng lƣợng ngày càng gia tăng. Nguồn năng lƣợng có sẵn từ thiên nhiên đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia. Nguồn năng lƣợng dồi dào có trữ lƣợng lớn hiện nay đó là dầu khai thác từ các mỏ khí. Nƣớc ta có trữ lƣợng dầu khí tƣơng đối lớn nhƣng chủ yếu chỉ bán nguyên liệu thô nên có giá trị không cao. Hiện nay nhiều tổ hợp nhà máy lọc dầu đang đƣợc hình thành nhằm đảm bảo, chủ động nguồn năng lƣợng quốc gia. Đƣờng ống đƣợc dùng rất nhiều trong hệ thống, đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển, truyền tải, lƣu trữ nên yêu cầu chất lƣợng phải luôn đảm bảo. Khuyết tật ảnh hƣởng đến đƣờng ống chủ yếu là khuyết tật mối hàn nối giữa các đƣờng ống và khuyết tật ăn mòn do môi trƣờng với tác nhân bên trong và bên ngoài làm bề dày ống không đảm bảo. Việc kiểm tra và kiểm định chất lƣợng và khuyết tật của đƣờng ống có nhiều phƣơng pháp. Một trong số đó là những phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy NDT đƣợc ứng dụng nhiều nhƣ 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 phƣơng pháp kiểm tra nhƣ 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 nƣớc ngoài nên chi phí rất cao. Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) là phƣơng pháp mới nhất cho kết quả chính xác, nhanh, hình ảnh màu 3 chiều vẫn chƣa đƣợc ứng dụng nhiều ở nƣớc ta. Từ những vấn đề thực trạng trên, đề tài sẽ tập trung tìm hiểu về phƣơng 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 đƣờng ống sử dụng đầu siêu âm tổ hợp pha cho các đƣờng ống dẫn từ 90mm trở lên. v
8. 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. vi
9. MỤC LỤC TRANG Chƣơng 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài 3 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 3 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 3 1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận 3 1.5.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể 4 1.5.2.1 Phƣơng pháp lý thuyết 4 1.5.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm 4 Chƣơng 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 hƣớng 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 hƣởng 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 vii
10. 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 nƣớc 20 2.7.2 Các nghiên ngoài nƣớc 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 Chƣơng 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26 3.1 Các phƣơng 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 phƣơng pháp kiểm tra 32 3.2.4 Hình ảnh thu đƣợc 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 Chƣơng 4:YÊU CẦU VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ 47 4.1 Phân tích đối tƣợng thiết kế 47 4.2 Phƣơng án chọn lựa thiết kế 48 4.2.1 Phƣơng án chuyển động tròn quanh ống 48 4.2.1.1Phƣớng án 1: Bánh xe từ 48 4.2.1.2Phƣơng án 2: dùng cùm cố định quanh ống 48 4.2.2 Phƣơng án chuyển động dọc ống 49 4.2.2.1 Phƣớng án1: Xi lanh khí nén 49 4.2.2.2 Phƣơng án 2: vít me kết hợp với bộ truyền đai 50 4.2.2.3 Phƣơng án 3: Bộ truyền trục vít me kết hợp thanh trƣợt 51 viii
11. 4.2.2.4 So sánh các phƣơng án và lựa chọn 51 4.2.3.1 Phƣớng án 1: Dùng loadcell cảm biến lực ép đầu đò vào ống 53 4.2.3.2 Phƣơng án 2: Dùng lò xo 53 4.2.3.4 So sánh các phƣơng án và lựa chọn 54 4.2.4 Xác định sai lệch của đầu dò so với mối hàn 54 4.2.4.1 Phƣơng án 1: Sử dụng cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn 54 4.2.4.2 Phƣơng án 2: Dùng đèn laser đƣờng 55 4.2.4.3 Phƣơng án 3: Dùng Camera 56 4.2.4.4 So sánh các phƣơng án và lựa chọn 56 4.2.5.1 Phƣớng án 1: Dùng Encoder 57 4.2.5.2 Phƣơng án 2: Dùng thƣớc quang 57 4.2.5.3 So sánh các phƣơng án và lựa chọn 58 4.2.6.1 Phƣớng án 1: Dùng 3 kẹp hình tam giác 58 4.2.6.2 Phƣơng án 2: Dùng 4 kẹp hình chữ nhật 59 4.2.6.3 So sánh các phƣơng 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 phƣơng án thiết kế 61 Chƣơng 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 Chƣơng 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 ix
12. 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 bƣớc 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 bƣớc tiến hành thí nghiệm 103 Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106 7.1 Kết luận 106 7.2 Kiến nghị 107 x
13. 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 RT Radiographic Test UT Ultrasonic Test AET Acoustic Emission Testing LT Leak Testing API Amrican Petreleun Instiute GB Great Britain ASME American Society of Mechanical Engineers ASTM American Society for Testing and Materials UT-PA Ultrasonic Test Phase Array xi
14. 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 hƣớng 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 phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy 19 Hình 2.21: Các phƣơng 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 xii
15. 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: Phƣơng pháp kt siêu âm thƣờng (UT), siêu âm Phased Array (UT - PA) 31 Hình 3.8: Phƣơng 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 thƣớc bên trong đầu dò 36 Hình 3.14: Sự hình thành chùm tia siêu âm thông thƣờng 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 đƣợc 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 thƣờng dùng 41 Hình 3.27: Thông số đặc trƣng 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 xiii
16. Hình 3.30: Quy ƣớc 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 hƣớng 49 Hình 4.5: Bộ truyền đai và thanh trƣợt bi 50 Hình 4.6: Bộ trục vít và thanh trƣợt 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: Hƣớng 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 trƣợt với lò xo 53 Hình 4.12: Cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn 54 Hình 4.13: Đèn laser đƣờng 55 Hình 4.14: Camera dò mép hàn 56 Hình 4.15: Encoder gắn trên ống 57 Hình 4.16: Hình dáng thƣớc 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 xiv
17. 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: Lƣu 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 xv
18. 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, thƣớc 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 đƣờng ống 98 0 Hình 6.12: Đầu dò và nêm nghiêng góc 55 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 đƣợc trên Omni Scan Mx2 100 Hình 6.20: Kết quả thu đƣợc lần đo thứ 1 101 Hình 6.21: Kết quả thu đƣợc lần đo thứ 2 101 Hình 6.22: Kết quả thu đƣợc lần đo thứ 3 102 Hình 6.23: Kết quả thu đƣợc lần đo thứ 4 102 0 Hình 6.24: Đầu dò và nêm nghiêng góc 0 103 Hình 6.25: Hiệu chỉnh calib đầu dò với mẫu chuẩn và encoder 103 Hình 6.26: Lựa chọn hƣớng di chuyển kiểm tra 104 Hình 6.27: Quá trình vận hành đo 104 Hình 6.28: Kết quả thu đƣợc trên Omni Scan Mx2 105 Hình 6.29: Kết quả thu đƣợc sau khi đo 105 xvi
19. 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 phƣơng án chuyển động tròn 49 Bảng 4.2: So sánh các phƣơng án chuyển động dọc ống 51 Bảng 4.3: So sánh các phƣơng 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 phƣơng án lựa chọn thiết bị đo 58 Bảng 4.6: So sánh các phƣơng 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 xvii
20. Chƣơng 1 GIỚI THIỆU 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, 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. Kiểm tra khuyết tật và ăn mòn thƣờng khó 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 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 nƣớc ta 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 ốngdẫn 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 dƣỡngthì việc lựa chọn phƣơng pháp nhanh, chính xác nhƣ kiểm tra dùng đầu dò siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) đặc biệt rất quan 1
21. tâm, thiết bị sử dụng hiện tại để kiểm tra 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. Vì thế trƣớc 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 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 pháp siêu âm tổ hợp pha (PA) đã đƣợc kiểm chứng. Ở nƣớc ta việc ứng dụng siêu âm tổ hợp 2