Tổng quan luận án

Công tác kiểm định và đánh giá chất lượng bồn chứa xăng dầu dung tích lớn sau chế tạo cũng như định kỳ 4–5 năm trong quá trình vận hành là yêu cầu bắt buộc theo tiêu chuẩn API 653 nhằm ngăn ngừa nguy cơ rò rỉ, biến dạng hoặc phá hủy kết cấu bồn. Tại Việt Nam, hoạt động đo kiểm độ mòn hiện nay phần lớn vẫn thực hiện thủ công bằng phương pháp siêu âm thông thường (2D) hoặc siêu âm tổ hợp pha (PAUT). Quy trình thủ công này phụ thuộc vào việc dựng hệ thống giàn giáo hoặc đu dây cáp treo, gây tốn kém thời gian, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động và chịu ảnh hưởng trực tiếp từ điều kiện thời tiết. Kết quả đo kiểm phụ thuộc vào tay nghề kỹ thuật viên, trong khi nguồn nhân lực kiểm tra không phá hủy bậc cao khan hiếm. Do việc kiểm tra thủ công chủ yếu tập trung vào các khu vực nghi ngờ theo cảm quan, dữ liệu thu thập có dạng rời rạc và không thể thiết lập được bản đồ mòn tổng thể cho toàn bộ thân bồn. Ngược lại, các thiết bị robot tự hành chuyên dụng của nước ngoài (như Scorpion, RMS2) là hệ thống đóng độc quyền, có chi phí đầu tư cao và đòi hỏi chứng chỉ bản quyền đi kèm.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: thiếu một giải pháp toàn diện kết hợp giữa thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha có chi phí phù hợp, mô hình toán tối ưu hóa quỹ đạo quét ngắn nhất để giảm thời gian kiểm tra, và một phần mềm xử lý ghép ảnh độc lập có khả năng tự động nhận diện biên để tạo lập bản đồ mòn tổng thể.

Nhằm giải quyết khoảng trống trên, luận án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Đề xuất quy trình thực nghiệm đo độ mòn ứng dụng kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha (PAUT) sử dụng robot mang đầu dò siêu âm PA để kiểm tra đánh giá độ mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn.
  2. Đề xuất các yêu cầu kỹ thuật và chế tạo thử nghiệm robot mang đầu dò siêu âm PA bám bề mặt bồn chứa bằng từ tính.
  3. Xác định quãng đường di chuyển ngắn nhất của robot khi kiểm tra mòn bồn chứa trên cơ sở thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO), mô phỏng trên phần mềm MATLAB và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
  4. Đề xuất giải pháp "quét chồng biên ảnh", trong đó ảnh thứ $i$ có biên phải trùng với biên trái của ảnh thứ $i+1$ với độ rộng 5 mm để phục vụ nhận diện biên và ghép ảnh liền kề; đề xuất giải pháp chia lưới phân mảnh thân bồn thành các ô $1000 \times 1000\text{ mm}^2$.
  5. Xây dựng phần mềm ghép ảnh tạo lập bản đồ mòn trên môi trường MATLAB từ dữ liệu C-Scan, cung cấp tính năng phân tích tọa độ, độ sâu và diện tích khuyết tật ăn mòn.
  6. Chế tạo mô hình bồn chứa theo tiêu chuẩn API 650:2016 có tạo khuyết tật nhân tạo để thực nghiệm kiểm chứng giải pháp đo kiểm, so sánh kết quả 5 lần quét và đối chứng với phép đo thủ công do Công ty Giải pháp Kiểm định Việt Nam (VISCO NDT) thực hiện.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là giải pháp đo kiểm tra đánh giá độ mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn sử dụng robot mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha.

Phạm vi nghiên cứu được xác lập:

  • Không gian: Thân bồn chứa xăng dầu dung tích lớn bằng thép carbon; thực nghiệm kiểm chứng được triển khai trên mô hình bồn chế tạo theo tiêu chuẩn API 650:2016, tập trung vào diện tích phân mảnh $1000 \times 1000\text{ mm}^2$.
  • Giới hạn kỹ thuật và công cụ: Sử dụng thiết bị siêu âm OmniScan MX2 kết hợp đầu dò tổ hợp pha HydroForm và chất tiếp âm Sonotech; hệ thống định vị sử dụng máy đo khoảng cách Bosch GLM 100C, thiết bị cân bằng laser, cảm biến siêu âm SRF05 và camera AIDA HD-100A; chu kỳ kiểm tra định kỳ 4–5 năm theo tiêu chuẩn API 653; thời gian hoàn thành công trình vào tháng 11 năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong luận án, tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc các mảng thiết bị kiểm tra, thuật toán hoạch định đường đi và kỹ thuật lập bản đồ mòn:

Về hệ thống robot kiểm tra NDT nước ngoài:

  • Thiết bị robot Scorpion B-Scan [14] sử dụng 4 bánh xe truyền động độc lập bằng động cơ 12 VDC, kích thước $385 \times 222 \times 102\text{ mm}$, khối lượng 4,74 kg, lực bám nam châm vĩnh cửu 13,5 kg, vận tốc 25 mm/s, thu thập dữ liệu A-Scan và B-Scan; hạn chế là di chuyển dưới sự điều khiển trực tiếp của con người, chưa có thuật toán hoạch định quỹ đạo tự động.
  • Hệ thống RMS2 [15] sử dụng siêu âm PAUT, quét chiều cao bồn lên tới 50 m theo phương đứng kết hợp đầu dò quét ngang, xuất dữ liệu C-Scan lập bản đồ mòn nhưng là hệ thống thương mại khép kín.
  • M. Bridge (2017) [24] chế tạo Mobile Robot Vehicle mang 16 đầu dò siêu âm 2D bám bề mặt bằng nam châm để kiểm tra tấm thép dày 50 mm, tuy nhiên phần mềm chỉ định vị khuyết tật mà chưa xác định được chiều sâu và diện tích mòn.
  • William Alexander Blyth (2017) [23] nghiên cứu hệ thống Mapman Scanner mang đầu dò HydroForm 64 biến tử kiểm tra đường ống đường kính 24 inch, chiều dày 9 mm theo chế độ quét Raster với bước dịch 50 mm, xử lý ảnh bằng TomoView nhưng phương pháp ghép ảnh là cộng dồn vật lý theo thời gian, không có cơ chế so khớp biên.

Về thuật toán hoạch định đường đi cho robot:

  • S. Pierce và cộng sự (2014) [16] ứng dụng mô hình CAD/CAM để lập quỹ đạo đo và lưu dữ liệu khuyết tật dạng điểm rời rạc trên tấm phẳng.
  • Yang Xue và Jian-Qiao Sun (2018) [17] áp dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (MOEA) để tìm đường đi tránh vật cản dựa trên độ dài, độ an toàn và độ trơn tru; nghiên cứu mới dừng ở mô phỏng ngoại tuyến.
  • Haiyan Wang và Zhiyu Zhou (2019) [18] kết hợp thuật toán A* và PSO cho robot MT-R (đường kính 50 cm, tốc độ tối đa 2,5 m/s) trên mặt phẳng trong nhà.
  • Raheem và cộng sự (2018) [19] phát triển thuật toán D* cải tiến dựa trên PSO trong môi trường động.
  • Patience I. Adamu và cộng sự (2018) [20] sử dụng thuật toán PSO tìm đường ngắn nhất tránh 3 vật cản tĩnh trên mặt phẳng hai chiều.
  • Imen Hassani và cộng sự (2018) [21] nghiên cứu thuật toán Free Segments and Turning Points trên mặt phẳng hai chiều, chưa gắn với bài toán quét đo kiểm công nghiệp.

Về nghiên cứu trong nước:

  • Các mẫu robot leo bám tường của sinh viên Đại học Bách khoa Đà Nẵng [25] (cơ cấu hút chân không, bánh xích) và Học viện Kỹ thuật Quân sự [26] (lau kính, quan sát quân sự) chỉ phục vụ mục đích học tập, chưa tích hợp thiết bị đo NDT và chưa có phương án quét diện tích.
  • Nghiên cứu ứng dụng siêu âm PAUT: Trịnh Văn Thuyết (2013) [27] xây dựng quy trình kiểm tra mối hàn ống; Lê Duy Tuấn (2013) [28], Trương Đình Sĩ (2014) [29], Nguyễn Văn Tràng (2013) [30] thiết kế thiết bị kiểm tra đường ống nhỏ và ống ngầm.
  • Nguyễn Thị Lê Hiền và cộng sự (2016) [3] tại Viện Dầu khí Việt Nam ứng dụng máy OmniScan MX2 và đầu dò HydroForm kiểm tra ăn mòn đường ống thép carbon đường kính 508 mm, chiều dài 12 cm, dày 10,5 mm ở nhiệt độ 26°C, ghép ảnh thủ công trên phần mềm TomoView [22].
  • Hoạch định quỹ đạo: Ngô Văn Thuyên và Lâm Văn Vũ (2013) [31] kết hợp D*, PSO và hàm thế năng trên mô phỏng Player/Stage; Phạm Duy Hưng và cộng sự (2011) [32] áp dụng PSO cho hệ đa robot tìm kiếm nguồn phóng xạ.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các công bố về thuật toán PSO chỉ dừng lại ở mô phỏng di chuyển tránh vật cản trên mặt phẳng $xy$, chưa gắn với đặc thù quét phủ bề mặt cong của bồn chứa và chưa xét đến chu kỳ quay trở của đầu dò siêu âm. Mặt khác, các phần mềm thương mại như TomoView thực hiện ghép ảnh cộng dồn theo tọa độ cơ học, dễ sai lệch khi robot trượt bánh. Luận án giải quyết triệt để các khoảng trống này bằng cách: (1) thiết lập mô hình toán tối ưu hóa quãng đường quét dựa trên thuật toán PSO có kiểm chứng thực nghiệm; (2) đề xuất giải pháp quét chồng biên ảnh 5 mm; (3) xây dựng phần mềm ghép ảnh độc lập trên MATLAB có thuật toán so khớp biên tự động để thành lập bản đồ mòn tổng thể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án vận dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật cơ khí, kiểm tra không phá hủy và điều khiển tự động:

  • Lý thuyết sóng siêu âm NDT: Sử dụng chùm sóng âm cao tần truyền vào vật liệu, phản xạ tại mặt phân giới và vùng khuyết tật. Phương pháp siêu âm tổ hợp pha (PAUT) sử dụng đầu dò có từ 16 đến 256 biến tử độc lập, dải tần số 2–10 MHz. Các biến tử được kích hoạt với độ trễ thời gian điều khiển được, tạo ra sự giao thoa sóng âm để định hướng chùm tia (quét hình quạt hoặc quét tuyến tính) và hội tụ năng lượng tại độ sâu mong muốn mà không cần di chuyển đầu dò liên tục.
  • Lý thuyết bản đồ mòn C-Scan: Biểu diễn chiều dày còn lại của thành kim loại dưới dạng ma trận 2D được mã hóa bằng bảng màu tương ứng với thang đo chiều dày. Các thông số đặc trưng gồm: tỷ lệ hao hụt kim loại ML (%), chiều dày nhỏ nhất $T_{\min}$, tọa độ quét $S(T_{\min})$, tọa độ trục chỉ mục $I(T_{\min})$, chiều dày nhỏ nhất trong vùng quan tâm $T_{\min Z}$, cùng các tọa độ tương ứng $S(T_{\min Z})$ và $I(T_{\min Z})$.
  • Lý thuyết tối ưu hóa bầy đàn (PSO): Giải thuật tối ưu hóa ngẫu nhiên mô phỏng hành vi bầy đàn, cập nhật vận tốc và vị trí hạt theo kinh nghiệm bản thân ($P_{\text{best}}$) và kinh nghiệm bầy ($G_{\text{best}}$) để tìm cực trị hàm mục tiêu thời gian/quãng đường quét.
  • Lý thuyết xử lý ảnh số: Nhị phân hóa ảnh, trích xuất đặc trưng biên và so khớp biên ảnh phục vụ thuật toán ghép các dải ảnh quét C-Scan.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp lý thuyết: Thiết lập hàm mục tiêu toán học xác định tổng thời gian di chuyển và quét của robot, lập trình thuật toán PSO trên MATLAB để tìm phương án di chuyển tối ưu.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Chế tạo robot leo bám từ tính mang đầu dò siêu âm PA. Kiểm nghiệm độ tin cậy chuyển động qua 9 lần đo độc lập cho mỗi phương: phương thẳng đứng, phương ngang và phương xiên một góc $\alpha$.
    • Thiết lập quy trình đo PAUT theo tiêu chuẩn ASME, API 650, API 653, hiệu chuẩn hệ thống bằng khối chuẩn IIW-V1 và cổng đo (Gate Peak).
    • Định vị và chia lưới: Sử dụng máy đo khoảng cách laser Bosch GLM 100C, thiết bị cân bằng laser tạo lưới $1000 \times 1000\text{ mm}^2$, kết hợp camera quan sát AIDA HD-100A và cảm biến khoảng cách siêu âm SRF05 để hiệu chỉnh tọa độ.
    • Thử nghiệm kiểm chứng: Thực hiện 5 lần quét trên mô hình bồn chứa API 650:2016 có tạo 3 khuyết tật mòn nhân tạo, thu thập dữ liệu C-Scan và xuất sang phần mềm MATLAB để ghép ảnh thành bản đồ mòn tổng thể.

Nguồn tư liệu và dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ hệ thống siêu âm OmniScan MX2 kết hợp đầu dò HydroForm, số liệu tọa độ và thời gian từ bộ mã hóa (encoder), cùng kết quả đo kiểm độc lập bằng tay của Công ty VISCO NDT dùng làm chuẩn đối chứng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 1 phân tích cơ sở khoa học của các phương pháp đo mòn: siêu âm thông thường (tần số 0,5–25 MHz), siêu âm PAUT (2–10 MHz) và máy quét quang học 3D Scanner. Tác giả lập bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa ba phương pháp:

Tiêu chí so sánh Siêu âm 2D thông thường Siêu âm tổ hợp pha (PAUT) Phương pháp quét 3D Scanner
Bản chất phép đo Sóng siêu âm đơn biến tử Sóng siêu âm đa biến tử (16–256 biến tử) Số hóa bề mặt quang học
Khả năng lập bản đồ Chỉ đo điểm, không tạo được bản đồ mòn Lập bản đồ mòn 2D C-Scan chi tiết, liên tục Lập bản đồ số hóa 3D bề mặt ngoài
Phạm vi phát hiện Ăn mòn cục bộ thành trong và ngoài Ăn mòn cả mặt trong và mặt ngoài thành bồn Chỉ phát hiện ăn mòn bề mặt ngoài bồn
Yêu cầu tiếp âm Cần chất tiếp âm Cần chất tiếp âm (nước hoặc gel chuyên dụng) Không cần chất tiếp âm
Mức độ phức tạp Thấp, thiết bị gọn nhẹ Rất cao, đòi hỏi thiết bị đắt tiền Trung bình, đòi hỏi xử lý dữ liệu đám mây điểm

Chương này cũng phân tích các dạng ăn mòn thường gặp trên bồn chứa (ăn mòn đều, ăn mòn không đều, ăn mòn điểm, ăn mòn khí quyển) và đánh giá các hạn chế trong thực trạng kiểm tra thủ công tại Việt Nam: phụ thuộc giàn giáo, năng suất thấp, thiếu bản đồ mòn tổng thể, chi phí đào tạo kỹ thuật viên cao. Đồng thời, tác giả khảo sát chi tiết 17 công trình nghiên cứu tiêu biểu trong và ngoài nước để xác lập định hướng nghiên cứu của luận án.

Chương 2: Quy trình thực nghiệm đo kiểm tra độ mòn bồn chứa

Chương 2 trình bày thiết kế kỹ thuật của robot leo bám thành bồn bằng bánh xe từ tính nam châm vĩnh cửu mang đầu dò siêu âm PA. Để kiểm nghiệm độ tin cậy chuyển động của robot trước khi tích hợp đầu dò, tác giả tiến hành khảo nghiệm thực nghiệm chuyển động qua 9 lần lặp lại trên ba quỹ đạo di chuyển:

Hướng chuyển động Quãng đường khảo sát (mm) Thời gian trung bình qua 9 lần thử nghiệm (giây) Nhận xét độ ổn định quỹ đạo
Phương thẳng đứng 1000 48,22 Sai lệch quỹ đạo nhỏ, tốc độ ổn định
Phương thẳng ngang 1000 50,44 Lực bám từ tính đảm bảo không bị trượt dạt
Phương thẳng xiên (góc $\alpha$) 1414 71,11 Quỹ đạo chuyển động bám sát đường chuẩn

Bên cạnh kiểm nghiệm chuyển động, chương 2 đề xuất phương pháp trải bồn và phân mảnh thân bồn thành các ô lưới kích thước $1000 \times 1000\text{ mm}^2$. Quy trình đo PAUT được chuẩn hóa gồm 12 bước: chuẩn bị bề mặt bằng phương pháp cơ học; hiệu chuẩn hệ thống đo trên khối chuẩn IIW-V1; thiết lập các thông số cổng đo (Gate Peak) cho A-Scan và C-Scan; xác định vị trí ban đầu bằng máy đo khoảng cách laser Bosch GLM 100C và camera AIDA HD-100A; vận hành robot mang đầu dò thu thập tín hiệu liên tục.

Chương 3: Mô hình toán quãng đường di chuyển ngắn nhất

Chương 3 xây dựng bài toán tối ưu hóa quỹ đạo quét trên diện tích bồn chứa có xét đến vật cản toàn cục (mặt bích, ống chờ). Quãng đường quét được mô hình hóa gồm các đoạn quét hữu ích dọc thân bồn và các đoạn chuyển dịch phụ giữa các chu kỳ quét. Tác giả xây dựng hàm mục tiêu giảm thiểu tổng thời gian di chuyển $T_{\text{total}}$:

$$T_{\text{total}} = \sum_{k=1}^{n} \frac{S_k}{v_k} + \sum_{j=1}^{m} t_{\text{quay}, j}$$

Trong đó $S_k$ là quãng đường quét thứ $k$, $v_k$ là vận tốc di chuyển tương ứng, và $t_{\text{quay}, j}$ là thời gian thực hiện thao tác chuyển làn quay vòng thứ $j$.

Thuật toán PSO được lập trình trên MATLAB để tối ưu hóa vị trí các điểm quay vòng và thứ tự các đường quét. Kết quả khảo sát các hệ số gia tốc $c_1, c_2$, hệ số quán tính $w$, và quy mô bầy đàn $N$ (khảo sát với $N = 20, 30, 40, 50$) cho thấy thuật toán đạt tốc độ hội tụ trung bình sau khoảng 35–40 thế hệ lặp. Phương án di chuyển tìm được từ PSO giúp rút ngắn quãng đường di chuyển phụ khoảng 18,5% so với phương án quét luân phiên truyền thống, đảm bảo robot hoàn thành việc quét phủ diện tích $1000 \times 1000\text{ mm}^2$ mà không va chạm vào các vật cản đã định trước.

Chương 4: Nghiên cứu xây dựng bài toán ghép ảnh mòn

Chương 4 tập trung giải quyết bài toán xây dựng bản đồ mòn tổng thể từ các dải ảnh quét C-Scan riêng lẻ. Tác giả đề xuất giải pháp "quét chồng biên ảnh": robot được điều khiển để thực hiện đường quét thứ $i+1$ có dải biên bên trái đè lên dải biên bên phải của đường quét thứ $i$ một khoảng cố định đúng 5 mm.

Quy trình ghép ảnh trên phần mềm MATLAB được thiết kế qua các bước:

  1. Tiền xử lý: Đọc ma trận dữ liệu C-Scan, lọc nhiễu tín hiệu và nhị phân hóa ảnh.
  2. Trích xuất biên: Xác định đặc trưng biên của vùng chồng lấn 5 mm giữa hai ảnh kế cận.
  3. So khớp biên: Tính toán hệ số tương quan không gian giữa biên phải ảnh $i$ và biên trái ảnh $i+1$ để bù trừ sai lệch dịch chuyển cơ học do trượt bánh của robot.
  4. Hợp nhất ma trận dữ liệu: Ghép các dải ảnh thành bản đồ mòn tổng thể hai chiều, gán giá trị độ dày thực tế theo bảng màu chuẩn.
  5. Trích xuất thông số định lượng: Tự động phát hiện vị trí tọa độ $(x, y)$, tính toán diện tích khuyết tật $S$ và chiều sâu ăn mòn lớn nhất $d$ tại các vùng bị suy giảm chiều dày.

Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm đo kiểm và xây dựng bản đồ mòn

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm kiểm chứng. Mô hình bồn chứa thực nghiệm được thiết kế và chế tạo bằng thép carbon theo tiêu chuẩn API 650:2016, bề mặt được gia công 3 khuyết tật mòn nhân tạo có kích thước và chiều sâu xác định trước (vị trí 1, vị trí 2, vị trí 3).

Thực nghiệm đo quét được tiến hành lặp lại 5 lần độc lập trên diện tích lưới $1000 \times 1000\text{ mm}^2$ bằng hệ thống robot mang đầu dò HydroForm kết nối máy OmniScan MX2. Dữ liệu thu thập được phần mềm MATLAB xử lý để tạo lập 5 bản đồ mòn tương ứng. Thời gian quét trung bình qua 5 lần thực nghiệm là 14 phút 35 giây.

Để đánh giá độ tin cậy, kết quả đo từ phần mềm được đối chứng trực tiếp với kết quả đo kiểm thủ công do các chuyên viên của Công ty Cổ phần Giải pháp Kiểm định Việt Nam (VISCO NDT) thực hiện độc lập trên cùng một mẫu bồn:

Khuyết tật kiểm tra Thông số đo kiểm Kết quả đo bằng robot và phần mềm (trung bình 5 lần) Kết quả đo thủ công (VISCO NDT) Sai lệch tuyệt đối
Vị trí 1 Tọa độ $x$ (mm)
Tọa độ $y$ (mm)
Độ sâu mòn $d$ (mm)
Diện tích mòn $s$ ($\text{mm}^2$)		 215,4
340,2
3,21
1245,6		 214,0
342,0
3,18
1230,0		 1,4 mm
1,8 mm
0,03 mm
15,6 $\text{mm}^2$
Vị trí 2 Tọa độ $x$ (mm)
Tọa độ $y$ (mm)
Độ sâu mòn $d$ (mm)
Diện tích mòn $s$ ($\text{mm}^2$)		 520,8
610,5
4,52
2105,2		 522,0
608,5
4,48
2090,0		 1,2 mm
2,0 mm
0,04 mm
15,2 $\text{mm}^2$
Vị trí 3 Tọa độ $x$ (mm)
Tọa độ $y$ (mm)
Độ sâu mòn $d$ (mm)
Diện tích mòn $s$ ($\text{mm}^2$)		 785,1
250,6
2,15
856,4		 783,5
252,0
2,10
845,0		 1,6 mm
1,4 mm
0,05 mm
11,4 $\text{mm}^2$

Kết quả phân tích thống kê cho thấy chất lượng ảnh thu thập giữa 5 lần thử nghiệm có độ tương đồng cao, đạt khoảng tin cậy 95% của phép đo. Sai lệch về độ sâu ăn mòn giữa robot và phương pháp thủ công chỉ dao động trong khoảng 0,03–0,05 mm, sai lệch tọa độ định vị dưới 2,0 mm, chứng minh tính ổn định và độ chính xác của giải pháp đề xuất.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận khoa học được luận án tự nêu bao gồm:

  1. Xây dựng mô hình toán tối ưu hóa quãng đường di chuyển và chu kỳ quét của robot mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha trên cơ sở thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO), có tích hợp các điều kiện ràng buộc hình học và khả năng tránh vật cản toàn cục trên thành bồn.
  2. Đề xuất giải pháp kỹ thuật "quét chồng biên ảnh" với độ rộng chồng phủ chuẩn xác 5 mm, làm cơ sở lý thuyết để nhận diện và so khớp biên ảnh liền kề trong bài toán ghép ảnh C-Scan siêu âm.
  3. Thiết lập giải thuật ghép ảnh ma trận C-Scan tự động trên môi trường MATLAB, cho phép tạo lập bản đồ mòn tổng thể hai chiều mà không phụ thuộc vào các phần mềm thương mại độc quyền.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  1. Chế tạo thành công thiết bị robot bám từ tính có kết cấu nhỏ gọn, mang được đầu dò siêu âm PA hoạt động ổn định trên các quỹ đạo thẳng đứng, nằm ngang và xiên góc.
  2. Chuẩn hóa quy trình thực nghiệm đo kiểm tra ăn mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn bằng kỹ thuật siêu âm PAUT kết hợp robot tự hành, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật ASME, API 650 và API 653.
  3. Xây dựng phần mềm hoàn chỉnh có giao diện trực quan trên MATLAB, cho phép tự động tính toán và xuất báo cáo các thông số mòn định lượng (tọa độ vị trí khuyết tật, chiều sâu còn lại, diện tích vùng ăn mòn), hỗ trợ công tác bảo trì định kỳ.
  4. Rút ngắn thời gian đo kiểm so với thao tác thủ công, loại bỏ hoàn toàn yêu cầu lắp dựng giàn giáo phức tạp, giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động cho kỹ thuật viên và nâng cao năng lực cạnh tranh cho các đơn vị kiểm định trong nước.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất của luận án: Đề xuất các cơ sở quản lý kho cảng xăng dầu và đơn vị kiểm định kỹ thuật áp dụng quy trình phân mảnh diện tích $1000 \times 1000\text{ mm}^2$ kết hợp thiết bị định vị laser và camera nhằm chuẩn hóa công tác thu thập dữ liệu hiện trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ các hạn chế kỹ thuật hiện tại:

  • Thử nghiệm kiểm chứng mới dừng lại ở mô hình bồn chứa chế tạo theo tiêu chuẩn API 650:2016 đặt trong môi trường phòng thí nghiệm có điều kiện kiểm soát; chưa triển khai thử nghiệm thực địa trên các bồn chứa dung tích lớn đang vận hành thương mại ngoài trời.
  • Kết cấu robot chưa được tích hợp các tiêu chuẩn an toàn phòng chống cháy nổ chuyên dụng (chứng chỉ an toàn phòng nổ trong môi trường hơi xăng dầu dễ cháy), do đó việc áp dụng trên bồn đang chứa môi chất thực tế cần giải pháp cách ly an toàn nghiêm ngặt.
  • Các khuyết tật ăn mòn khảo sát trong thực nghiệm là khuyết tật nhân tạo dạng hình học có chủ đích, chưa phản ánh đầy đủ tính ngẫu nhiên, độ gồ ghề phức tạp của các dạng ăn mòn rỗ tế vi hay ăn mòn hóa học tích tụ lâu năm trong thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả định hướng:

  • Cải tiến kết cấu phần cứng của robot đạt tiêu chuẩn phòng chống cháy nổ (như ATEX hoặc IECEx) để phục vụ kiểm tra trực tiếp bồn chứa đang hoạt động mà không cần xả sạch môi chất.
  • Tích hợp hệ thống định vị thời gian thực toàn cầu hoặc cảm biến định vị góc quay quán tính (IMU) độ chính xác cao để tự động hóa hoàn toàn khâu điều chỉnh sai lệch vị trí của robot trên thành bồn.
  • Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh để phân tích các khuyết tật ăn mòn có hình thái bề mặt phức tạp, phân mảnh tự động các dạng ăn mòn điểm và ăn mòn rải rác theo tiêu chuẩn đánh giá API 653.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng cụ thể:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Đo lường và Điều khiển tự động: Có thể khai thác mô hình toán tối ưu hóa chuyển động bằng thuật toán PSO (tại Chương 3 và Phụ lục 3), cũng như giải thuật nhị phân hóa và ghép ảnh C-Scan trên MATLAB (tại Chương 4 và Phụ lục 4).
  • Kỹ sư NDT, chuyên viên kiểm định kỹ thuật an toàn tại các trung tâm kiểm định, doanh nghiệp dầu khí và hóa chất: Tham khảo quy trình thực nghiệm 12 bước đo kiểm PAUT, kỹ thuật gá đặt đầu dò HydroForm, phương pháp phân mảnh bồn chứa bằng thiết bị laser, và giải pháp quét chồng biên 5 mm (tại Chương 2 và Chương 5).
  • Các nhà quản lý vận hành kho bồn bể xăng dầu: Tham khảo phương pháp xây dựng bản đồ mòn tổng thể C-Scan để chủ động lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế tấm vỏ bồn theo chu kỳ 4–5 năm theo đúng tiêu chuẩn API 653.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đề xuất giải pháp kỹ thuật nào để khắc phục hiện tượng trượt bánh của robot khi ghép các dải ảnh siêu âm? Luận án đề xuất giải pháp "quét chồng biên ảnh", điều khiển robot di chuyển sao cho dải ảnh quét thứ $i+1$ có biên bên trái đè lên biên bên phải của dải ảnh thứ $i$ với độ rộng cố định đúng 5 mm. Phần mềm MATLAB sử dụng vùng chồng lấn 5 mm này để so khớp hệ số tương quan biên ảnh và nhận diện chính xác các ảnh kế cận, từ đó tự động bù trừ các sai lệch tọa độ do trượt cơ học mà không cần ghép cộng dồn tọa độ một cách thụ động.

2. Thuật toán PSO đóng vai trò gì trong việc tối ưu hóa chuyển động của robot trên thân bồn chứa? Thuật toán PSO được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa toàn cục, xác định quỹ đạo di chuyển có tổng thời gian quét ngắn nhất trên diện tích bề mặt thành bồn. Bằng cách khảo sát hàm mục tiêu thời gian (bao gồm thời gian di chuyển hữu ích và thời gian quay vòng chuyển làn) với các tham số hạt $N = 20, 30, 40, 50$, thuật toán tìm ra phương án quét giúp rút ngắn khoảng 18,5% quãng đường di chuyển phụ và tự động thiết lập đường dẫn tránh các chướng ngại vật tĩnh như ống chờ và mặt bích.

3. Hệ thống thiết bị và cảm biến nào được sử dụng để định vị và chia lưới trên mô hình bồn chứa? Tác giả sử dụng máy đo khoảng cách laser Bosch GLM 100C kết hợp thiết bị cân bằng laser (level laser) để phân mảnh bề mặt bồn thành các ô lưới tiêu chuẩn kích thước $1000 \times 1000\text{ mm}^2$. Để theo dõi và hiệu chỉnh vị trí làm việc thực tế của robot, hệ thống tích hợp cảm biến siêu âm SRF05 và camera quan sát AIDA HD-100A gắn kèm thước chuẩn theo hai trục tọa độ $x$ và $y$.

4. Mức độ chính xác của giải pháp đo kiểm bằng robot kết hợp phần mềm ghép ảnh khi đối chứng với phương pháp đo thủ công của VISCO NDT đạt bao nhiêu? Kết quả kiểm chứng 5 lần quét độc lập trên mô hình bồn chứa API 650:2016 cho thấy dữ liệu hình ảnh đạt khoảng tin cậy 95%. Khi đối chứng với phép đo thủ công do Công ty VISCO NDT thực hiện trên 3 khuyết tật mòn nhân tạo, sai lệch tuyệt đối về độ sâu ăn mòn $d$ chỉ nằm trong khoảng từ 0,03 mm đến 0,05 mm, sai lệch tọa độ vị trí khuyết tật dưới 2,0 mm, và thời gian quét trung bình trên diện tích $1000 \times 1000\text{ mm}^2$ là 14 phút 35 giây.

5. Bản đồ mòn thành lập bằng phần mềm MATLAB cung cấp các thông số định lượng nào về khuyết tật? Bản đồ mòn dạng đồ họa màu C-Scan hiển thị trực quan thang đo chiều dày còn lại của thành bồn và cung cấp các giá trị định lượng cụ thể gồm: vị trí tọa độ tâm khuyết tật $(x, y)$, chiều dày kim loại còn lại nhỏ nhất $T_{\min}$, tỷ lệ hao hụt kim loại ML (%), độ sâu ăn mòn lớn nhất $d$, và diện tích bề mặt vùng bị ăn mòn $s$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Tô Thanh Tuần đã giải quyết bài toán tự động hóa công tác đo kiểm ăn mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn thông qua việc tích hợp thiết bị robot bám từ tính mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha (PAUT). Tác giả đã xây dựng mô hình toán tối ưu hóa quỹ đạo quét dựa trên thuật toán PSO, đề xuất giải pháp quét chồng biên ảnh 5 mm, và phát triển phần mềm ghép ảnh C-Scan độc lập trên môi trường MATLAB để thành lập bản đồ mòn tổng thể. Các kết quả thực nghiệm trên mô hình bồn chuẩn API 650:2016 đã kiểm chứng tính chính xác của hệ thống với khoảng tin cậy 95% và sai lệch độ sâu khuyết tật chỉ từ 0,03–0,05 mm so với phép đo thủ công của chuyên gia NDT. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có khả năng thay thế giàn giáo thủ công, rút ngắn thời gian kiểm định và nâng cao độ an toàn lao động trong công tác bảo trì công nghiệp.