Nghiên cứu, phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha

Nội dung text: Nghiên cứu, phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha

1. NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ KIỂM TRA ỐNG NHỎ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM TỔ HỢP PHA PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn, Ks. Nguyễn Văn Tràng TÓM TẮT Trong công nghiệp dầu khí, điện lực, giao thônghiện nay có rất nhiều đường ống thép có đường kính khác nhau, đặc biệt là các ống nhỏ, được sử dụng để dẫn chất lỏng, chất khí, Các đường ống này từ lúc sản xuất ra đến suốt cả thời gian sử dụng ống đều phải kiểm tra,đánh giá chất lượng 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 lượng mối hàn cũng như phương pháp đo kiểm đánh giá chất lượng ốngkhisản xuất và trong quá trình sử dụng luôn là vấn đề cấp bách được 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. Mục tiêu của đề tài là thiết kế một thiết bị kiểm tra mối hàn dọc ống mang đầu dò siêu âm tổ hợp phađể đo kiểm, đánh giá chất lượng mối hàn dọc ốngnhỏ nhằm giảm sai số trong quá trình đo kiểm và rút ngắn thời gian và chi phí cho quá trình đo kiểm. Từ khóa: Kiểm tra, siêu âm tổ hợp pha, mối hàn dọc ống, khuyết tật, di trượt. 1. TỔNG QUAN Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam vẫn đang áp dụng nhiều phương pháp kiểm tra chất lượng của đường 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 nhược điểm sau: - Thời gian đo kiểm lớn. - Công tác vận hành kiểm tra tương 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 hưởng lớn đến kết quả kiểm tra. - Ở một số đường ống dài việc kiểm tra bằng thủ công sẽ không hiệu quả về mặt thời gian, nhân công, 1
2. - Thiết bị kiểm tra bằng tay tương đối cồng kềnh, đòi hỏi phải có đường ray dẫn do đó chi phí mua sắm thiết bị tương đối cao. Thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm đo kiểm đánh giá chất lượng mối hàn dọc ống có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như: kiểm tra chất lượng mối hàn ống trong các ngành dầu khí, thủy lợi, và các đường ống chứ a chất lỏng nhằm phát hiện các khuyết tật của mối hàn dọc ống để loại bỏ các ống bị hư hỏng. Có thể ứng dụng tốt trong các nhà máy chế tạo ống. Trong một số trường 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 phương pháp khác khó thực hiện nhưng thiết bị này vẫn có thề sử dụng được. 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 như là đường ray dẫn hướng. Với các đường 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. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng - Ống công nghệ đường kính nhỏ. - Các dạng khuyết tật hàn thường 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, 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Thông số thiết kế - Đường kính ống đo kiểm từ (0,8 ÷ 4,5) inch tương đương từ ( 20,32 ÷ 114,3) mm. - Vận tốc di chuyển của cơ cấu: v = (20 – 40) mm/s. - Có thể kiểm tra ống trong mạng ống với khoảng cách giữa hai ống liền kề: Δ = 10cm. - Độ ổn định hoạt dưới tốc độ gió là 40km/h. - Khoảng cách từ đầu dò đến mối hàn là 1mm. 2.2.2 Yêu cầu thiết kế - Đường kính ống đo kiểm từ (0,8 ÷ 4,5) inch tương đương từ ( 20,32 ÷ 114,3) mm. - Vận tốc di chuyển của cơ cấu: v = (20 – 40) mm/s. - Độ ổn định hoạt dưới tốc độ gió là 40km/h. [9] - Khoảng cách từ đầu dò đến mối hàn là 1mm.[9] - Hành trình mỗi lần đo là 700mm - Dễ dàng thay đổi phần kẹp, trượt cho các loại ống khác nhau. 2
3. - Có thể kiểm tra ống trong mạng ống với khoảng cách giữa hai ống liền kề: Δ = 10cm. Hình: Mẫu thiết kế thiết bị kiểm tra 1. Động cơ chính 9. Trục vít me 2. Tấm lắp cụm đầu dò 10. Gối đỡ 3. Trục kéo khối V 11. Encoder 4. Đòn kẹp 12. Tấm cố định trục dẫn hướng 5. Trục ren kéo 13. Trục dẫn hướng 6. Khối vuông bắt động cơ kéo 14. Khối vuông lắp công tắt hành trình 7. Động cơ kéo 15. Cụm trượt 8. Khối vuông lắp động cơ chính 16. Khối V di động 17. Khối V cố định Hình 4.2: Bản vẽ cụm chi tiết truyền động 5.1.1 Tính toán, thiết kế cụm di trượt 1. Khối V di động 5. Khối lắp động cơ kéo 9. Khối vuông lắp đai ốc 2. Công tắt hành trình 6. Đoàn kẹp 10. Đai ốc vít me 3. Khối V cố định 7. Trục ren kéo 11. Công tắt hành trình 4. Trục kéo 8. Động cơ kéo 12. Cụm trượt 13. Ống trượt 3
4. Hình 4.3 : Bản vẽ cụm chi tiết di trượt 4.2 Thiết kế cụm lắp đầu dò siêu âm 1. Điều chỉnh chất tiếp âm 6. Nêm lắp đầu dò 2. Thanh bắt 7. Đế bắt thanh truyền tiếp âm 3. Thanh ray trượt 8. Chốt điều chỉnh đầu dò 4. Đế bắt tay trượt 9. Tay lắp đầu dò 5. Tay lắp trượt 10. Thanh lắc ngang Hình 4.4: Bản vẽ cụm chi tiết lắp đầu dò siêu âm Thực nghiệm xác định lực của lò xo Mục đích thực nghiệm Xác định lực cần thiết của lò xo nhằm đảm bảo cho đầu dò luôn áp sát vào thành ống để dữ liệu trong quá trình đo không bị mất và ổn định. . Dụng cụ và các thiết bị thử nghiệm - Gồm 1 lực kế, 1 bộ kẹp đầu dò L ò x o 4
5. Hình 5.3: Bộ phận kẹp đầu dò và lực kế - Thiết bị thí nghiệm: Lò xo thử nghiệm có chiều dài l=18mm, đường kính ngoài d=4 mm, đường kính dây lò xo 0.4mm. Hình 5.4: Lò xo và bộ kẹp đầu dò . Mô tả quá trình thực nghiệm Dùng bộ kẹp để kẹp đầu dò sau đặt lên thiết bị rồi điều chỉnh góc để đầu dò áp vào ống, lực nén sẽ làm đầu dò áp vào thành ống để thí nghiệm bắt đầu với lực lò xo 1N sau mỗi thí nghiệm tăng lực lò xo lên 1N . Kết quả thực nghiệm Thực nghiệm xác định sai số dọc trục Mục đích thực nghiệm Xác định sai lệch của đầu dò sau mỗi lần chạy dọc theo ống. Dụng cụ và thiết bị thử nghiệm Gồm bộ kẹp, đầu dò, thước kẹp, bàn máp, 2 khối v định vị nam châm, 1 thước đo cao. Hình:Thiết bị và dụng cụ thử nghiệm sai số dọc trục . Mô tả quá trình thực nghiệm Dùng khối V nam châm để định vị và kẹp chặt ống đặt trên bàn máp sau đó dùng thước đo cao để vạch dấu, vạch một đường thẳng chuẩn dọc ống sau đó đặt mép đầu dò ngay đường vạch rồi cho thiết bị vận hành dọc 5
6. ống để đo sai lệch của đầu dò so với đường thẳng chuẩn dọc ống . Sau dần mỗi lần đo tăng số lần lặp lại thêm 1 để xác định giá trị sai lệch đầu dò so với đường vạch chuẩn. Ta đặt điểm bắt đầu của đầu dò ở 4 vị trí khác nhau quanh ống lệch nhau 90 độ. . Kết quả thực nghiệm Bảng 5.1: Kết quả thực nghiệm sai số dọc của đầu dò Nhận xét : Từ kết quả thực nghiệm bản số liệu thống kê (6.3) cho ta thấy sai số dọc tương khoảng từ 2,16 đến 3,2 mm là tương đối nhỏ. Sai số này ảnh hưởng không lớn đến quá trình kiểm tra dọc ống. Để khắc phục sai số dọc ta giảm cần lắp thêm các lò xo vào tay trượt bắt cụm đầu dò để độ đàn hồi ổn định khi tiếp xúc bề mặt ống kiểm tra. 5.2 Thực nghiệm đo với OmniScan và đầu dò 5.5.1 Mục đích thực nghiệm Kết hợp các thiết bị đo vào mô hình và tiến hành đo lặp đi lặp lại nhiều lần để xác định tính ổn định của hệ thống. 5.5.2 Dụng cụ và thiết bị thử nghiệm Gồm thiết bị chế tạo, đầu dò siêu âm tổ hợp pha, máy phân tích kết quả Omni Scan MX2, mỡ bôi trơn, thiết bị hiệu chuẩn đầu dò, thước. Hình 5.6: Máy phân tích, hiển thị dữ liệu và đầu dò siêu âm tổ hợp pha [9] 5.6 Cách tiến hành thử nghiệm . Các thông số lựa chọn thử nghiệm 6
7. - Đường kính ống Ø89mm bề dày ống là 8mm, chiều dài ống là 3000mm, mối hàn rộng 15mm, trên mối hàn tạo sẵn hai khuyết tật nứt vàrổ khí để kiểm tra. - Chọn đầu dò siêu âm 5L64-A12/(nêm) SA12 - N55SS (phụ lục4) với góc nêm 550 số biến tử là 64, bề rộng của đầu dò là 38,4mm, chiều cao biến tử là 10mm, khoảng cách tâm 2 biến tử 0,6mm, tần số phát 5MHz. - Encoder đo vị trí khuyết tật 360 xung/vòng. - Chuẩn bị mỡ bôi trơn để sóng siêu âm truyền tốt hơn. Hình 5.7: Đầu dò và nêm nghiêng góc 550[9] . Các bước tiến hành kiểm tra Bước 1: Kiểm tra đầu dò và dùng các mẫu hiệu chuẩn để calib đầu dò trước khi đo, thiết lập thông số encoder. Hình 5.8: Hiệu chỉnh calib đầu dò với mẫu chuẩn và encoder Bước 2: Dựa vào các thông số đầu dò và kích thước mối hàn ta xác định khoảng cách mép đầu dò tới mối hàn. Khoảng cách tới bề mặt của chùm âm khi cắt qua vách mối hàn được xác định bằng công thức [9]. D = 2t x tanθ = 2 x 8 x tan550 = 22,8 mm Trong đó: - t: là chiều dày ống kiểm tra. - θ: là góc khúc xạ. - D: là khoảng cách tới bề mặt + mũ mối hàn. 7
8. Hình 5.9: Điều chỉnh đầu dò so với mối hàn [9] Hình 5.10: Điều chỉnh đầu dò so với mối hàn [9] Bước 3: Lắp cụm đầu dò và kẹp đầu dò vào thiết bị, chỉnh góc quay của bộ kẹp để đầu dò luôn áp sát vào thành ống. Hình 5.11: Gá lắp và điều chỉnh cụm đầu dò so Hình 5.12: Kiểm tra và điều chỉnh khoảng Bước 4: Tiến hành chạy thử nghiệm kiểm tra và thu thập dữ liệutheo (quy trình sử dụng và bảo quản thiết bị). Hình 5.13: Quá trình vận hành máy siêu âm và thiết bị đo Vết nứt 8
9. Hình 5.14: kết quả thực nghiệm lần 1 3. KẾT LUẬN: Từ thực nghiệm trên cho thấy thiết bị hoạt rất ổn định qua các lần lặp lại, độ sai lệch dọc là rất nhỏ hầu như không đáng kể. Hình ảnh thu được rõ ràng thấy được vị trí khuyết tật nứt . Kích thước của các khuyết tật qua các lần đo sai lệch khoảng 1%. - Khảo sát các loại ống công nghệ đường kính nhỏ. - Khảo sát các khuyết tật của mối hàn dọc ống, cách phát hiện, đặc biệt là phát hiện khuyết tật bằng phương pháp NDT. - Tìm hiểu kỹ thuật siêu âm tổ hộp pha phát hiện khuyết tật mối hàn. - Nghiên cứu các cơ cấu kẹp, di chuyển tự hành. - Chế tạo ống có khuyết tật hàn phục vụ công tác thử nghiệm. - Chế tạo thử nghiệm thành công thiết bị tự hành đưa vào thử nghiệm cho các kết quả: Các cơ cấu kẹp hoạt động ổn định, vị trí kẹp chặt được điều khiển bằng các công tắc hành trình. Vận tốc mang đầu siêu âm đạt từ 20 – 40 mm/s thỏa mãn các yêu cầu công nghệ khi quét bằng đầu siêu âm thường, siêu âm tổ hợp pha. Cơ cấu đo chiều dài đo hoạt động tốt, được tích hợp vào kết quả đo. Các cơ cấu kẹp được thay thề dễ dàng khi sử dụng thiết bị đo cho các đường ống có đường kính khác nhau. Cơ cấu gá mang đầu siêu âm có khả năng tùy chọn cao. Thiết bị vận hành ổn định, kết quả đo tin cậy. 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.