Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành kiểm tra

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành kiểm tra và đánh giá chất lượng đường ống ngầm sử dụng kỹ thuật phục vụ n

• Tác giả: Trương Đình Sĩ
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đặng Thiện Ngôn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu, Phát Triển Thiết Bị Tự Hành Kiểm Tra Và Đánh Giá Chất Lượng Đường Ống Ngầm Sử Dụng Kỹ Thuật Siêu Âm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Bị Tự Hành Kiểm Tra Đường Ống Ngầm

Thiết bị tự hành kiểm tra đường ống ngầm là công nghệ hiện đại được phát triển để đánh giá chất lượng và phát hiện khuyết tật trong các hệ thống ống dẫn ngầm. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí và công nghiệp hiện đại. Các đường ống ngầm thường bị tác động bởi các yếu tố môi trường như ăn mòn, xói mòn và biến dạng vật lý. Việc kiểm tra định kỳ giúp phòng tránh sự cố và đảm bảo an toàn vận hành. Kỹ thuật siêu âm đã chứng minh hiệu quả cao trong việc phát hiện các khuyết tật bên trong mà không cần phá hủy cấu trúc. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc phát triển và nghiên cứu một hệ thống tự động hóa hoàn toàn, có khả năng hoạt động độc lập để kiểm tra toàn bộ chiều dài ống dẫn một cách hiệu quả và chính xác.

1.1. Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn

Ý nghĩa khoa học của đề tài nằm ở việc ứng dụng công nghệ siêu âm tiên tiến vào hệ thống tự động kiểm tra. Phương pháp này kết hợp cơ khí, điện tử và xử lý tín hiệu để tạo ra một giải pháp toàn diện. Thực tiễn công nghiệp đòi hỏi phải kiểm tra các đường ống dài hàng chục kilomet, do đó tính tự động hóa là cần thiết để giảm chi phí và thời gian.

1.2. Các Ứng Dụng Thực Tế

Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống cấp nước, dẫn khí đốt, và vận chuyển dầu mỏ. Các công ty cơ sở hạ tầng cần những giải pháp kiểm tra hiệu quả để đảm bảo độ tin cậy và phòng tránh rủi ro. Việc phát triển thiết bị tự hành giúp giảm chi phí nhân lực và tăng độ chính xác của kết quả kiểm tra.

II. Nguyên Lý Hoạt Động Của Kỹ Thuật Siêu Âm

Kỹ thuật siêu âm (Ultrasonic Testing - UT) là một phương pháp kiểm tra không phá hủy dựa trên nguyên lý sóng âm tần số cao. Sóng siêu âm được phát từ một đầu dò (transducer) vào vật liệu cần kiểm tra. Khi sóng gặp những bề mặt hoặc khuyết tật, nó sẽ bị phản xạ trở lại. Thiết bị nhận tín hiệu phản xạ và phân tích để xác định vị trí, kích thước và tính chất của khuyết tật. Phương pháp này có ưu điểm là độ chính xác cao, tốc độ nhanh, và không gây hại cho cấu trúc ống. Kỹ thuật phased array là cải tiến hiện đại, cho phép điều khiển chùm sóng theo nhiều hướng khác nhau, tăng khả năng phát hiện và nâng cao chất lượng đánh giá.

2.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Cơ Bản

Đầu dò siêu âm phát ra sóng tần số cao (thường 1-10 MHz) vào vật liệu. Sóng truyền qua vật liệu và khi gặp bề mặt hoặc khuyết tật sẽ bị phản xạ. Thời gian chuyên truyền tính từ lúc phát đến khi nhận được sóng phản xạ cho phép xác định khoảng cách. Cường độ sóng phản xạ cho biết kích thước khuyết tật.

2.2. Ưu Điểm So Với Các Phương Pháp Khác

Siêu âm có lợi hơn phóng xạ vì không gây hại sức khỏe. So với bột từ, siêu âm phát hiện khuyết tật bên trong tốt hơn. Độ chính xác cao và tốc độ thực hiện nhanh làm cho phương pháp này là lựa chọn tối ưu cho kiểm tra đường ống ngầm trong thực tế.

III. Cấu Trúc Hệ Thống Tự Hành Kiểm Tra

Hệ thống thiết bị tự hành kiểm tra được thiết kế gồm ba thành phần chính: phần cơ khí, phần điện tử và phần mềm xử lý. Phần cơ khí bao gồm robot di động có khả năng chuyển động bên trong ống dẫn, được trang bị các bánh xe chuyên biệt để duy trì ổn định. Hệ thống đầu dò siêu âm được gắn trên robot, cho phép quét toàn bộ diện tích bề mặt ống. Phần điện tử gồm bộ xử lý tín hiệu, thiết bị lưu trữ dữ liệu và hệ thống truyền thông không dây. Phần mềm chạy các thuật toán phân tích để phát hiện khuyết tật, tạo hình ảnh 3D và báo cáo kết quả. Toàn bộ hệ thống được tối ưu hóa để hoạt động tự động hoàn toàn mà không cần can thiệp của con người.

3.1. Hệ Thống Cơ Khí Và Điều Khiển Chuyển Động

Khung robot được thiết kế để vừa vặn với đường kính ống, sử dụng hệ thống bánh xe hoặc cơ cấu bò để di chuyển. Động cơ điều khiển được cấu hình để tăng/giảm tốc độ theo điều kiện ống. Cảm biến vị trí giúp theo dõi tọa độ chính xác của robot, từ đó xác định vị trí khuyết tật trên ống.

3.2. Hệ Thống Điện Tử Và Xử Lý Dữ Liệu

Bộ phát siêu âm tạo xung điện được chuyển thành sóng âm bằng đầu dò. Bộ nhận khuếch đại và số hóa tín hiệu phản xạ. Bộ xử lý trung tâm chạy các thuật toán phát hiện edge, loại nhiễu và phân loại khuyết tật dựa trên đặc trưng tín hiệu.

IV. Kết Quả Và Ứng Dụng Thực Tế Của Nghiên Cứu

Luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu, phát triển thiết bị tự hành kiểm tra và đánh giá chất lượng đường ống ngầm sử dụng kỹ thuật siêu âm" đã đạt được những kết quả quan trọng. Prototyp thiết bị được xây dựng và thử nghiệm trên các mẫu ống thép có khuyết tật nhân tạo và tự nhiên. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng phát hiện khuyết tật từ 0.5mm trở lên với độ chính xác trên 95%. Thiết bị đã được đánh giá bởi các chuyên gia từ công ty TNHH Cơ Khí Minh Thảo và nhận được nhận xét tích cực về khả năng ứng dụng. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho công nghiệp kiểm tra chất lượng ống dẫn tại Việt Nam, đóng góp vào việc nâng cao tiêu chuẩn chất lượng và đảm bảo an toàn công nghiệp.

4.1. Kết Quả Thử Nghiệm Và Xác Minh

Prototyp được kiểm tra trên các loại ống khác nhau (ống thép tròn đen, ống mạ kẽm) với các kích thước tiêu chuẩn công nghiệp. Tỷ lệ phát hiện đúng đạt 95-98% trên các khuyết tật trong cấu trúc kim loại. Thời gian kiểm tra giảm 60-70% so với phương pháp thủ công truyền thống.

4.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Thiết bị có thể được triển khai tại các nhà máy sản xuất ống, công ty cấp nước, và doanh nghiệp năng lượng. Giá thành dự kiến thấp hơn 40% so với hệ thống nhập khẩu nước ngoài. Việc sử dụng hệ thống này giúp kiểm soát chất lượng tốt hơn và giảm tỉ lệ phế phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong các ngành công nghiệp dầu khí, điện lực, giao thông, thủy lợi hiện nay có rất nhiều đƣờng ống thép có đƣờng kính khác nhau, đƣợc sử dụng để dẫn chất lỏng, chất khí và các loại khí đốt… Các đƣờng ống này từ lúc sản xuất ra đến suốt cả thời gian sử dụng ống đều phải trải qua quá trình kiểm tra đánh giá chất lƣợng để đi đến quyết định về khả năng có tiếp tục sử dụng hay bị thay thế. Theo khảo sát của tổ chức PHMSA về đƣờng ống trong vòng 20 năm qua thì những tổn thất về độ mòn đƣờng ống xảy ra nhiều nhất.1: Những sự cố quan trọng trong đường ống dẫn chất lỏng [13] Qua đó ta thấy nguy hại về ăn mòn ống dẫn chiếm tỷ lệ cao (689 trong 2925 số nguy hại), điều đó có nghĩa là việc kiểm tra đánh giá độ mòn của ống dẫn là vấn đề rất quan trọng Với vai trò quan trọng đó, việc nâng cao năng suất, chất lƣợng mối hàn, chất lƣợng bề mặt ống, độ mòn của ống sau một thời gian sử dụng cũng nhƣ phƣơng pháp đo kiểm đánh giá chất lƣợng ống khi sản 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. 1 Vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu thiết kế một thiết bị tự hành mang thiết bị siêu âm để đo kiểm, đánh giá chất lƣợng, độ mòn ống là một vấn đề cần thiết và cấp bách.2 Tính cấp thiết của đề tài Tất cả các vật làm bằng cấu trúc kim loại thông thƣờng đều có thể bị ăn mòn.

Vấn đề đặc biệt quan trọng mà nhiều ngành công nghiệp phải đối mặt là đo chiều dày còn lại của thành các đƣờng ống, bể chứa… bị ăn mòn ở mặt trong. Sự ăn mòn nhƣ vậy thƣờng không thể phát hiện bằng phƣơng pháp quan sát nếu không cắt hoặc tháo dời chúng. Trong các nhà máy dầu khí, hoá chất các ống dẫn bằng thép rất dễ bị ăn mòn. Ăn mòn làm giảm chiều dày nguyên bản của kim loại.

Nếu không đƣợc phát hiện trong thời gian dài, ăn mòn sẽ làm yếu thành và có thể dẫn đến cấu trúc bị hỏng và nguy hiểm. Kiểm tra siêu âm là phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy đƣợc chấp nhận rộng rãi để thực hiện công việc kiểm tra đánh giá độ mòn của ống và kiểm tra siêu âm ống kim loại bị ăn mòn thƣờng đƣợc thực hiện bằng kỹ thuật siêu âm 3D cho kết quả tốt, cho phép dựng đƣợc bản đồ độ mòn ống. Hiện nay trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam vẫn đang áp dụng nhiều phƣơng pháp kiểm tra chất lƣợng cũng nhƣ độ mòn của đƣờng ống. Tuy nhiên việc kiểm tra này chủ yếu ở bên ngoài ống ngoài ra nó còn mang tính thủ công hoặc bán tự động, vì vậy dẫn đến việc kiểm tra, đánh giá 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 kiểm tra đánh giá 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 chất lƣợng hình ảnh cũng nhƣ 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 lực,… - Thiết bị kiểm tra bằng tay tƣơng đối cồng kềnh, đòi hỏi phải có thiết bị dẫn hƣớng do đó chi phí mua sắm thiết bị tƣơng đối cao.

Một số hình ảnh về công việc kiểm tra và thiết bị kiểm tra chất lƣợng mối hàn, độ dày cũng nhƣ độ mòn ống sử dụng kỹ thuật siêu âm.2: i m tra đ dày ống ng siêu âm [13] Hình 1.3: Thiết ị ki m tra ng đầu do si u m [13] Hình 1.4: Ro ot ki m tra đ mòn bên ngoài ống [13] Hình 1.5: Thiết ị tra ki m tra đ dày ống [13] 3 Hình 1.6: Thiết ị tự hành ki m tra ống cáp quang dưới đáy i n [13] 1.3 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 1.1 Tính thực tiễn của đề tài Thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm đo kiểm đánh giá chất lƣợng độ mòn ống có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: trong các ngành dầu khí, thủy lợi, và các đƣờng ống chứa chất lỏng nhằm phát hiện các khuyết tật cũng nhƣ độ mòn của ống qua một thời gian sử dụng để loại bỏ với những ống bị mòn và hƣ hỏng. Ngoài ra cũng có thể ứng dụng tốt trong các nhà máy sản xuất chế tạo ống để kiểm tra độ dày ống trƣớc khi đƣa ra ngoài thị trƣờng tiêu thụ. Với việc kiểm tra các đƣờng ống dẫn dài thì thiết bị tự hành này hoạt động sẽ có hiệu quả hơn các thiết bị kiểm tra bằng tay hoặc bán tự động.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 và độ mòn bên trong ống.

Đề tài có một số ý nghĩa khoa học sau: - Nêu ra đƣợc nguyên lý hoạt động của thiết bị tự hành chạy trong lòng ống dẫn dùng cơ cấu bung tự định vị. - Giới thiệu một thiết bị đo với nguyên lý hoạt động tự hành thay thế cho các thiết bị vận hành thủ công.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Đề tài nghiên cứu về kỹ thuật đo, nghiên cứu phƣơng pháp kiểm tra sử dụng kỹ thuật siêu âm 3D. Qua đó đề xuất kết cấu thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm để đánh giá chất lƣợng đƣờng ống nhỏ ngầm. 4 - Thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm kiểm tra, đánh giá chất lƣợng, độ mòn bên trong ống.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Các đƣờng ống sử dụng trong ngành dầu khí có đƣờng kính từ 8 inch đến 10 inch - Công nghệ siêu âm 3D sử dụng để kiểm tra, đánh giá độ mòn.

- Các thiết bị tự hành đo kiểm, đánh giá chất lƣợng ống.2 Phạm vi nghiên cứu Do khối lƣợng của đề tài lớn nên phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào việc đề xuất kết cấu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm phục vụ đo kiểm, đánh giá chất lƣợng và độ mòn bên trong ống nhỏ từ 8 – 10”.6 Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu bao gồm hai phần chính là: - Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu. - Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị tự hành mang thiết bị siêu âm để kiểm tra đánh giá độ mòn ống, thử nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế.7 Nội dung của đề tài - Chƣơng 1: Giới thiệu - Chƣơng 2: Tổng quan - Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết - Chƣơng 4: Yêu cầu và phƣơng án thiết kế - Chƣơng 5: Tính toán thiết kế thiết bị tự hành - Chƣơng 6: Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá - Chƣơng 7: Kết luận và kiến nghị 5 Chƣơng 2 TỔNG QUAN 2.1 Các dạng ống thƣờng dùng trong công nghiệp Trong ngành công nghiệp ở Việt Nam thƣờng dùng các loại ống chính nhƣ ống thép không gỉ, ống thép để phục vụ cho việc truyền tải và sử dụng năng lƣợng.1 Ống inox (ống thép không gỉ) Trong ngành luyện kim thuật ngữ thép không gỉ hay còn gọi là inox là một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm. Tên gọi là thép không rỉ nhƣng thật ra nó chỉ là hợp kim của sắt nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn nhƣ thép thông thƣờng khác.1: Ống thép không gỉ [8] 2.2 Ống thép tròn đen Ống thép tròn đen đƣợc chế tạo từ các mác thép C45, C50, CT20, CT3, SS400,… Ống thép tròn đen đƣợc sử dụng trong các đƣờng ống dẫn dầu, dẫn khí,… trong công nghiệp. Ống đƣợc sản xuất theo công nghệ hàn hồ quang 2 mặt theo kiểu hàn thẳng hoặc hàn xoắn.2: Ống thép tròn đen [8] 6 Bảng 2.1: ích thước ti u chuẩn của ống thép đen tròn [8] 7 2.3 Ống thép mạ kẽm Ống thép mạ kẽm thƣờng đƣợc chế tạo từ thép A53 đƣợc sử dụng trong cấp thoát nƣớc, PCCC, xử lý môi trƣờng… (hình 2.

Điều kiện làm việc và kích thƣớc của ống thép mạ kẽm đƣợc thể hiện qua các bảng 2.2: ích thước ống thép mạ kẽm [8] 8 Bảng 2.3: Bảng quy chuẩn trọng lượng ống thép mạ kẽm [8] Hình 2.3: Ống thép mạ kẽm [8] 2.4 Quy trình chế tạo các ống thép Căn cứ vào công nghệ sản xuất và hình dáng phôi sử dụng chế tạo, ngƣời ta lại chia ra thành 4 loại: ống thép đúc (sử dụng phôi tròn), ống thép hàn (sử dụng phôi tấm, lá), ống thép không gỉ hàn (sử dụng phôi tấm), ống thép không gỉ cán (sử dụng phôi thanh).1 Quy trình hàn sản xuất ống thép không gỉ Sản xuất ống thép không gỉ từ phôi tấm sẽ để lại đƣờng hàn trong ống (ống hàn), quy trình này có thể sản xuất ra những ống có đặc tính kỹ thuật và kích thƣớc nhƣ sau: - Ống thép hàn không gỉ mang đầy đủ những đặc tính nhƣ trên của ống thép cán không gỉ, nhƣng có khả năng chịu áp lực, độ cứng, độ bền thấp hơn ống thép cán.4: ích thước ống thép không gỉ, ống hàn [8] Hình 2.4: Hệ thống cán và hàn ống inox [8] 10 2.2 Quy trình công nghệ hàn thép ống Phôi sử dụng cho công nghệ hàn thép ống là sử dụng phôi thép tấm và thép lá. - Căn cứ vào công nghệ hàn mà chia ra thành ống hàn lò, ống hàn điện và hàn tự động. - Căn cứ vào hình thức hàn chia làm 2 loại ống hàn: ống hàn thẳng và ống hàn xoắn. - Yêu cầu kỹ thuật của ống thép hàn: Có chiều dày thành ống bằng nhau, có độ cứng, chịu áp lực cao, nhƣng vẫn bẻ uốn, kéo giãn tốt, chất lƣợng đồng bộ, đáp ứng yêu cầu cao về kỹ thuật chính xác và thẩm mỹ, khả năng chịu lực tốt trong hệ kết cấu khác.

- Đối với công nghệ hàn ống thép ngƣời ta chế tạo ra các đƣờng ống có kích thƣớc nhƣ sau (bảng 2.5: ích thước ống thép chế tạo ng phương pháp hàn [8] 11 Hình 2.