Đặt vấn đề Việc đầu tư xây dựng bồn chứa và trạm xuất xăng dầu trong thời gian gần đây phát triển khá sôi động nhằm phục vụ nhu cầu tồn trữ và kinh doanh xăng dầu của các doanh nghiệp trong và ngoài nước. Bên cạnh các dự án xây dựng lắp đặt bồn chứa, dịch vụ kiểm định đánh giá chất lượng bồn chứa chế tạo mới, các bồn chứa cũ và các bồn chứa đang sử dụng cũng phát triển mạnh mẽ. Công việc kiểm định đánh giá chất lượng bồn chứa cho phép đi đến quyết định cấp phép mới, tiếp tục sử dụng hoặc yêu cầu tạm dừng hoạt động đưa vào sửa chữa. Trong lĩnh vực này, các công ty dịch vụ đo kiểm đánh giá chất lượng bồn chứa trong nước có năng lực cạnh tranh kém so với các công ty nước ngoài.
Lý do là thiết bị sử dụng và vận hành thủ công đòi hỏi lắp đặt hệ thống giàn giáo, phụ thuộc điều kiện thời tiết nên thời gian kiểm định dài, độ tin cậy của kết quả phụ thuộc vào tay nghề của kỹ thuật viên. Bên cạnh đó, do kiểm tra thủ công nên năng suất thấp, kết quả kiểm tra không cung cấp được bản đồ mòn tổng thể của bồn chứa và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động khi kỹ thuật viên thao tác đo kiểm. Từ đó, nhu cầu rút ngắn thời gian, đảm bảo an toàn, nâng cao năng suất và tăng độ tin cậy kết quả đo kiểm độ mòn bồn chứa bằng các quy trình đo kiểm với sự hỗ trợ của thiết bị kiểm tra tự hành (robot) đã được quan tâm nghiên cứu [1]. Các thiết bị này cho phép mang đầu siêu âm PA kết nối với thiết bị đo kiểm chuyên dụng, ví dụ như hệ siêu âm PA OmniScan, có khả năng cho phép tự hành thực hiện công việc đo kiểm độ mòn theo chu vi và chiều cao thân bồn.
Hình 1: Kiểm tra mòn thực hiện thủ công [2] 1 Ngoài ra, việc ứng dụng các hệ thống như thế cho phép tự động hóa quá trình đo kiểm độ mòn và tạo dựng được bản đồ mòn tổng thể. Hình 2: Hình ảnh kết quả ăn mòn của siêu âm PA [3] Tuy nhiên, các thiết bị này được sản xuất đi kèm các hệ thống kiểm tra đánh giá độc quyền nên giá thành rất cao, khi sử dụng cần phải có giấy phép hoặc các chứng chỉ đào tạo liên quan. Do vậy, việc nghiên cứu phương án đo kiểm, chế tạo các thiết bị tự hành mang đầu đo cho phép kiểm tra đánh giá độ mòn của bồn chứa để có thể làm chủ công nghệ, chế tạo được trong điều kiện công nghệ trong nước đang là một vấn đề cấp thiết và có nhiều ý nghĩa. Đề tài: “Nghiên cứu giải pháp đo kiểm tra đánh giá độ mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn sử dụng robot mang đầu dò siêu âm” là một nghiên cứu theo định hướng này nhằm giảm bớt chi phí, giảm thời gian kiểm tra, nâng cao độ tin cậy của kết quả kiểm tra cũng như cung cấp một giải pháp an toàn cho người vận hành.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cho phép đưa công nghệ này áp dụng rộng rãi ở trong nước và tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp dịch vụ đo kiểm trong nước. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học - Xây dựng được mô hình toán cho phép xác định được quãng đường di chuyển ngắn nhất dựa trên đặc điểm của phương pháp kiểm tra siêu âm PA và đặc điểm của robot mang đầu dò siêu âm PA. - Đề xuất được phương án đo kiểm ứng dụng robot mang đầu dò siêu âm PA 2 kiểm tra mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn dựa trên cơ sở quỹ đạo quãng đường di chuyển ngắn nhất tìm được. - Đề xuất thuật toán ghép ảnh tạo dựng bản đồ mòn phù hợp với quy trình siêu âm PA đo kiểm độ mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn sử dụng robot mang đầu dò siêu âm PA.2 Ý nghĩa thực tiễn - Ứng dụng robot mang đầu dò siêu âm để kiểm tra độ mòn của bồn chứa sẽ rút ngắn thời gian kiểm tra, giải phóng được sức lao động và đem lại hiệu quả cao về kinh tế, năng suất đưa ra thị trường robot mang đầu dò siêu âm góp phần nâng cao chất lượng kiểm tra đối với bồn chứa xăng dầu.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần tự động hóa trong việc kiểm tra, đánh giá độ mòn bồ chứa xăng dầu, có giá trị cao về thực tiễn ứng dụng. - Giúp xây dựng bản đồ mòn của bồn chứa xăng dầu, cho phép giám sát và chủ động kế hoạch hoạt động, bảo trì bảo dưỡng bồn chứa. Kết cấu của luận án Kết cấu của luận án gồm các phần: - Mở đầu Giới thiệu nhu cầu từ thực tế, tính cấp thiết và cơ sở lựa chọn đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu, kết cấu của luận án. - Chương 1: Tổng quan Trình bày các nội dung liên quan đến độ mòn, các phương pháp kiểm tra đánh giá độ mòn hiện nay.
Bên cạnh đó, các nghiên cứu về xác định quãng đường ngắn nhất, cách thức xây dựng bản đồ cũng được khảo sát và trình bày. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan cũng được phân tích, đánh giá. Nghiên cứu khảo sát thực trạng đo mòn ở Việt Nam, các tồn tại, định hướng nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu. - Chương 2: Quy trình thực nghiệm đo kiểm tra độ mòn bồn chứa 3 Đề xuất thông số kỹ thuật thiết kế, chế tạo robot mang đầu dò siêu âm, kiểm nghiệm độ tin cậy robot, đồng thời lập sơ đồ trải bồn chứa và xác định diện tích quét trên thân bồn chứa.
Nghiên cứu đề xuất quy trình thực nghiệm đo kiểm độ mòn bồn chứa dung tích lớn ứng dụng kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha (PAUT). - Chương 3: Mô hình toán xác định quãng đường di chuyển ngắn nhất Giới thiệu, xây dựng bài toán tìm quãng đường di chuyên ngắn nhất ứng dụng thuật toán PSO dựa trên đặc điểm của phương pháp kiểm tra siêu âm PA, đặc điểm của robot. Qua đó đề xuất phương án di chuyển của robot khi đo kiểm đánh giá độ mòn bồn chứa dựa trên mô hình toán tìm được. - Chương 4: Nghiên cứu xây dựng bài toán ghép ảnh mòn.
Trình bày các kết quả phân tích, đánh giá dữ liệu hình ảnh thu được khi thực nghiệm đo mòn. Đề xuất thuật toán ghép ảnh mòn, tạo dựng bản đồ mòn và cho biết các thông số mòn ở các vị trí cụ thể trong môi trường Matlab. - Chương 5: Thực nghiệm đo kiểm độ mòn và xây dựng bản đồ mòn. Trình bày các kết quả thiết kế và chế tạo mô hình bồn chứa, thực nghiệm kiểm tra mòn bồn chứa bằng robot mang đầu dò siêu âm PA và hoạt động của phần mềm xây dựng bản đồ mòn.
- Kết luận và kiến nghị Kết luận chung của luận án và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo. - Danh mục tài liệu tham khảo. - Danh mục các công trình đã công bố của luận án. 4 Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Các phương pháp đo mòn và bản đồ mòn 1.1 Phương pháp siêu âm thông thường Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là sử dụng sóng siêu âm có tần số cao được truyền vào vật liệu cần kiểm tra.
Hầu hết các phương pháp kiểm tra siêu âm được thực hiện ở vùng có tần số 0. Sóng âm được phát ra từ đầu dò, khi đến mặt phân giới giữa hai môi trường thì đa phần sẽ phản xạ trở lại và một phần sẽ khúc xạ (phần khúc xạ rất nhỏ). Mức độ phản xạ phụ thuộc nhiều vào trạng thái vật lý của vật đo [4]. Khi chùm siêu âm gặp chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra các hiện tượng phản xạ, thẩm thấu và sự biến đổi sóng.
Từ sóng âm phản hồi sẽ biết được các khuyết tật trong vật đo. Sóng siêu âm có độ xuyên sâu vào vật liệu lớn hơn hẳn phương pháp kiểm tra chụp ảnh bức xạ [4], cho phép phát hiện được những vết nứt nằm sâu bên trong vật đo. Nguyên lý cơ bản của phương pháp kiểm tra bằng siêu âm được trình bày ở hình 1.1: Nguyên lý của phương pháp siêu âm kiểm tra khuyết tật vật liệu [5] - Ưu điểm: + Có độ nhạy cao nên phát hiện được các khuyết tật nhỏ. + Cho phép kiểm tra các chi tiết dày.
+ Vị trí, kích thước, hình dạng khuyết tật khi phát hiện đạt độ chính xác cao. 5 + Việc kiểm tra chỉ cần tiếp xúc một bên của vật đo. + Cho đáp ứng nhanh nên thời gian kiểm tra ngắn và dễ dàng tự động hoá công việc đo kiểm. - Khuyết điểm: + Hình dạng của vật thể kiểm tra có thể gây khó khăn cho việc kiểm tra.
+ Khó kiểm tra các vật liệu có cấu tạo bên trong phức tạp. + Cần phải sử dụng chất tiếp âm để thúc đẩy sự truyền năng lượng âm vào vật cần kiểm tra. + Đầu dò phải tiếp xúc và phù hợp với hình dạng bề mặt vật đo khi kiểm tra. + Hướng khuyết tật ảnh hưởng đến khả năng phát hiện chính xác khuyết tật.2 Phương pháp siêu âm PA Kiểm tra siêu âm PA (siêu âm tổ hợp pha) là một kỹ thuật mới, tiên tiến của phương pháp kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing - NDT) sử dụng sóng siêu âm.
Đầu dò siêu âm PA thường bao gồm từ 16 – 256 biến tử nhỏ riêng biệt, cách âm với nhau và mỗi biến tử có thể tạo xung riêng rẽ. Chúng có thể được sắp đặt theo dải thẳng, vòng tròn hoặc có hình dạng phức tạp hơn. Các biến tử này được kích thích bằng xung điện có độ trễ theo chương trình đặt trước. Sóng âm từ các biến tử này sẽ giao thoa với nhau và tạo nên chùm siêu âm có góc phát, điểm hội tụ theo ý muốn.
Cũng giống như đầu dò siêu âm thông thường, đầu dò siêu âm PA có thể được thiết kế để có thể sử dụng tiếp xúc trực tiếp (không qua nêm) hoặc ghép nối với nêm để tạo thành các đầu dò với góc nghiêng tuỳ ý hoặc sử dụng trong môi trường nước. Dải tần số đầu dò siêu âm PA thường từ 2 – 10 MHz [6]. a) Nguyên lý hoạt động b) Dữ liệu thu thập Hình 1.