Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống đường ống thép hàn trong các ngành công nghiệp trọng điểm như dầu khí, hóa dầu và nhiệt điện thường xuyên phải vận hành dưới điều kiện áp suất làm việc lên tới 50 bar cùng môi trường hóa chất độc hại. Để đảm bảo an toàn tuyệt đối, chất lượng các mối hàn giáp mối ống luôn đòi hỏi quy trình kiểm tra không phá hủy nghiêm ngặt. Trong nhiều thập kỷ, phương pháp kiểm tra hạt từ chỉ giới hạn ở bề mặt, phương pháp chụp ảnh phóng xạ gây nguy cơ độc hại phóng xạ cao và tốn thời gian, còn phương pháp siêu âm truyền thống gặp nhiều hạn chế do phụ thuộc vào góc nêm cố định và kinh nghiệm của kỹ thuật viên.

Trước yêu cầu cấp bách về việc nâng cao năng suất và chất lượng kiểm định, đề tài nghiên cứu đã được triển khai trong khuôn khổ đề án phát triển ứng dụng bức xạ trong công nghiệp đến năm 2020. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng quy trình kiểm tra mối hàn giáp mối ống bằng phương pháp siêu âm tổ hợp pha (Phased Array Ultrasonic Testing - PA UT) chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ASME, đồng thời làm chủ quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết mẫu chứa khuyết tật hàn nhân tạo đạt chuẩn AWS phục vụ đào tạo kỹ thuật viên NDT tại Việt Nam.

Nghiên cứu tập trung vào đối tượng ống thép tròn đen có đường kính ngoài từ 21,3 mm đến 355,6 mm, chiều dày thành ống từ 0,8 mm đến 38,1 mm. Việc làm chủ công nghệ PA UT và tự chủ chế tạo phôi mẫu trong nước giúp cắt giảm hơn 50% thời gian kiểm tra tại hiện trường, giảm 60% chi phí đầu tư mua mẫu chuẩn từ nước ngoài, đồng thời loại bỏ hoàn toàn rủi ro bức xạ đối với con người và môi trường lao động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vật lý sóng âm, đặc biệt là nguyên lý giao thoa sóng cơ học của Thomas Young và định luật khúc xạ Snell. Khác với kỹ thuật siêu âm thông thường chỉ sử dụng một biến tử đơn lẻ, kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha vận hành dựa trên đầu dò chứa một mảng gồm 16 đến 256 biến tử áp điện độc lập, hoạt động ở dải tần số từ 1 MHz đến 10 MHz. Thông qua việc lập trình trễ thời gian kích hoạt giữa các biến tử, hệ thống tạo ra chùm sóng siêu âm có thể điều khiển linh hoạt về góc phát, tiêu cự hội tụ và hướng quét điện tử.

Các khái niệm then chốt được ứng dụng bao gồm: luật hội tụ chùm tia, quét rẻ quạt S-Scan, quét mặt cắt đứng B-Scan, quét mặt phẳng C-Scan và đường cong bù biên độ theo thời gian TCG. Bên cạnh đó, lý thuyết luyện kim hàn hồ quang nóng chảy (SMAW, GTAW, FCAW, SAW) với nhiệt độ cột hồ quang đạt từ 5.000 K đến 30.000 K cung cấp cơ sở nhiệt động lực học để giải thích và tái tạo chính xác cơ chế hình thành 4 dạng bất liên tục: nứt, rỗ khí, ngậm xỉ và không ngấu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết tiêu chuẩn và thực nghiệm chế tạo kiểm chứng. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình thiết kế, chế tạo và kiểm tra trên cỡ mẫu gồm 5 cụm chi tiết ống thép tiêu chuẩn ASTM A106 Grade B với dải kích thước đường kính phủ ngoài từ 21,3 mm đến 355,6 mm.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu thực nghiệm có chủ đích dựa trên các kiểu liên kết hàn giáp mối vát mép chữ V đơn và liên kết hàn góc theo quy chuẩn ASME Section V, ASME Section VIII và AWS D1.1. Việc lựa chọn thiết bị siêu âm OmniScan MX2 kết hợp khối quét tự động WeldROVER, Cobra Scanner và thước đo mã hóa độ dài 200 mm đến 300 mm làm phương pháp phân tích chính vì hệ thống này cho phép thu nhận tín hiệu tần số vô tuyến RF, tái tạo hình ảnh khuyết tật 3 chiều trong không gian với độ phân giải cao, khắc phục triệt để các góc chết của đầu dò đơn truyền thống. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và thử nghiệm được hoàn thiện đồng bộ, đảm bảo tính lặp lại của quy trình công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã hoàn thành chế tạo thực nghiệm 5 mẫu ống đặc thù mang đầy đủ 4 loại khuyết tật hàn phổ biến, gồm mẫu số 01 chứa đồng thời 4 khuyết tật (rỗ khí, không ngấu cạnh, ngậm xỉ, nứt), mẫu số 02 (rỗ khí và nứt), mẫu số 03 (ngậm xỉ), mẫu số 04 (rỗ khí và không ngấu), mẫu số 05 (ngậm xỉ và nứt). Kết quả kiểm tra siêu âm PA UT trên thiết bị OmniScan MX2 cho thấy tỷ lệ phát hiện chính xác các khuyết tật nhân tạo đạt mức 100%, ghi nhận đầy đủ vị trí tọa độ, chiều sâu và kích thước không gian 3 chiều của từng bất liên tục.

Quy trình kiểm tra PA UT xây dựng trên dải ống có đường kính từ 21,3 mm đến 355,6 mm và chiều dày 0,8 mm đến 38,1 mm chứng minh khả năng bao phủ toàn bộ thể tích mối hàn chỉ với một lần quét duy nhất. So với phương pháp siêu âm truyền thống sử dụng nêm đơn góc, kỹ thuật PA UT quét góc quạt từ 35 độ đến 70 độ giúp giảm thiểu 45% thời gian gá đặt đầu dò và loại bỏ 100% sai số do dịch chuyển thủ công.

Thảo luận kết quả

Khả năng định vị vượt trội của hệ thống PA UT bắt nguồn từ việc kiểm soát độ trễ pha điện tử, giúp chùm tia âm thanh hội tụ chính xác tại vùng chân và vách mối hàn giáp mối. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế về khả năng phát hiện vết nứt ăn mòn ứng suất dải chiều cao từ 3 mm đến 15 mm, đồng thời khẳng định tính ưu việt của PA UT khi thay thế chụp ảnh phóng xạ RT theo tiêu chuẩn ASME Code Case 2335-9.

Dữ liệu kiểm tra thực nghiệm có thể được trình bày trực quan thông qua bảng đối chiếu kích thước khuyết tật thiết kế so với kích thước đo thực tế trên màn hình hiển thị SVGA độ phân giải 800 x 600 pixel. Bên cạnh đó, biểu đồ kết hợp đa chế độ hiển thị S-Scan và C-Scan cho phép minh họa rõ nét hình dạng mặt cắt vết nứt và vùng ngậm xỉ, giúp loại bỏ các đánh giá chủ quan của nhân viên kiểm định so với việc chỉ đọc tín hiệu A-Scan dạng xung gai truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đẩy mạnh việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha vào thực tiễn kiểm định công nghiệp tại Việt Nam, bốn nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất:

Thứ nhất, ban hành quy trình kiểm tra mối hàn giáp mối ống bằng kỹ thuật PA UT thành tiêu chuẩn cơ sở tại các tập đoàn công nghiệp dầu khí, nhiệt điện và đóng tàu. Mục tiêu hướng tới việc áp dụng đồng bộ quy trình trên 100% công trình trọng điểm theo chuẩn ASME trong lộ trình 12 tháng, do Bộ Công Thương và các tổ chức đăng kiểm chủ trì triển khai.

Thứ hai, chuyển giao công nghệ chế tạo chi tiết mẫu chứa khuyết tật chuẩn cho các cơ sở nghiên cứu và xưởng cơ khí chuyên dụng. Mục tiêu là nội địa hóa 100% nguồn mẫu thử phục vụ đào tạo, giúp giảm từ 60% đến 70% kinh phí nhập khẩu mẫu phôi ngoại, hoàn thành trong vòng 18 tháng dưới sự điều phối của các đơn vị kiểm định và hội NDT Việt Nam.

Thứ ba, thiết lập chương trình đào tạo kỹ thuật viên PA UT chuyên sâu đạt chuẩn quốc tế BINDT và IAEA TECDOC 470. Đặt chỉ tiêu đào tạo tối thiểu 150 kỹ thuật viên NDT bậc 2 thành thạo thao tác cân chỉnh đường cong TCG và vận hành thiết bị OmniScan MX2 trong khung thời gian 24 tháng tại các trường cao đẳng nghề và trung tâm kiểm định.

Thứ tư, đầu tư tích hợp đồng bộ khối quét tự động Cobra Scanner và WeldROVER vào dây chuyền kiểm tra định kỳ đường ống áp lực. Giải pháp này giúp nâng cao mức độ tự động hóa công tác giám định chất lượng mối hàn lên trên 80%, thực hiện thường xuyên theo kế hoạch bảo trì hàng năm của các doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm kỹ sư giám sát hàn, chuyên viên quản lý chất lượng QA/QC và chuyên gia NDT: Luận văn cung cấp bản hướng dẫn chi tiết về các bước hiệu chuẩn vận tốc âm, độ trễ nêm và xây dựng đường cong bù biên độ TCG trên mẫu chuẩn V1 và Navships, giúp xử lý tối ưu bài toán kiểm định mối hàn ống chịu áp lực 50 bar.

Nhóm giảng viên và chuyên gia nghiên cứu tại các trường kỹ thuật, cơ sở đào tạo nghề: Luận văn là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình công nghệ hàn SMAW và GTAW để cấy các khuyết tật nhân tạo chuẩn xác, phục vụ trực tiếp cho việc biên soạn giáo trình thực hành NDT.

Nhóm lãnh đạo doanh nghiệp và ban quản lý dự án công nghiệp: Nguồn dữ liệu từ luận văn cung cấp luận cứ kinh tế kỹ thuật rõ ràng để phê duyệt chuyển đổi từ phương pháp chụp X-quang nguy hại sang công nghệ PA UT, giúp tiết kiệm hơn 50% chi phí thời gian dừng máy.

Nhóm kỹ thuật viên kiểm định chuẩn bị thi sát hạch chứng chỉ NDT bậc 2: Tài liệu hệ thống hóa toàn diện nguyên lý quét đa kênh, giải đoán hình ảnh mặt cắt S-Scan và tiêu chuẩn nghiệm thu mối hàn theo quy định quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp siêu âm tổ hợp pha PA UT có điểm gì vượt trội hơn phương pháp chụp ảnh phóng xạ RT? Phương pháp PA UT cung cấp hình ảnh khuyết tật 3 chiều theo thời gian thực, đo chính xác chiều sâu và độ cao khuyết tật, tiết kiệm 50% thời gian kiểm tra và đảm bảo an toàn tuyệt đối 100% cho người vận hành do không sử dụng nguồn phóng xạ nguy hiểm.

Luận văn đã chế tạo thành công những loại khuyết tật hàn nhân tạo nào? Luận văn đã làm chủ quy trình công nghệ chế tạo 4 loại khuyết tật hàn phổ biến gồm vết nứt, ngậm xỉ, rỗ khí và không ngấu trên 5 mẫu ống nghiệm chuẩn, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của tiêu chuẩn AWS và ASME.

Hệ thống thiết bị siêu âm OmniScan MX2 có những đặc tính kỹ thuật gì đáng chú ý? OmniScan MX2 có trọng lượng nhẹ 4,6 kg, thời lượng pin hoạt động liên tục 6 giờ, trang bị màn hình màu SVGA 8,4 inch tần số quét 60 Hz và hỗ trợ đầu dò mảng pha từ 16 đến 256 biến tử, tối ưu cho môi trường làm việc ngoài hiện trường.

Quy trình hiệu chuẩn hệ thống PA UT trong luận văn gồm những bước nào? Quy trình hiệu chuẩn bao gồm 5 bước tiêu chuẩn: hiệu chuẩn vận tốc âm thanh, hiệu chuẩn độ trễ nêm, hiệu chuẩn độ nhạy đầu dò, thiết lập đường cong bù độ lợi theo thời gian TCG và hiệu chuẩn bộ mã hóa vị trí quét trên thước đo dải 200 mm đến 300 mm.

Việc tự chế tạo mẫu khuyết tật chuẩn trong nước mang lại lợi ích kinh tế ra sao? Tự chế tạo mẫu chuẩn trong nước giúp tiết kiệm từ 60% đến 70% chi phí so với việc nhập khẩu mẫu từ nước ngoài, đồng thời giúp các trung tâm đào tạo NDT chủ động hoàn toàn nguồn vật tư thực hành chất lượng cao.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh tính ưu việt và khả thi của kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha PA UT như một giải pháp thay thế hoàn hảo cho phương pháp chụp ảnh phóng xạ độc hại.
  • Xây dựng thành công quy trình chuẩn kiểm tra mối hàn giáp mối ống thép ASTM A106 Grade B theo hệ tiêu chuẩn quốc tế ASME Code Case 2335-9.
  • Làm chủ quy trình công nghệ chế tạo 5 mẫu ống chuẩn mang đầy đủ 4 dạng khuyết tật nứt, ngậm xỉ, rỗ khí và không ngấu đạt độ tin cậy phát hiện 100%.
  • Tối ưu hóa hiệu quả kinh tế thông qua việc giảm hơn 50% thời gian kiểm định hiện trường và cắt giảm 60% chi phí đầu tư mẫu phôi đào tạo ngoại nhập.
  • Thiết lập nền tảng tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh phục vụ chương trình đào tạo kỹ thuật viên NDT bậc 2 đạt chuẩn quốc tế IAEA TECDOC 470 tại Việt Nam.

Đóng góp lớn nhất của công trình là giải quyết triệt để rào cản về quy trình kỹ thuật và chi phí trang thiết bị mẫu thử trong nước. Hướng phát triển tiếp theo trong giai đoạn 2024 đến 2026 là mở rộng quy trình kiểm tra PA UT trên các kết cấu ống hợp kim phức tạp. Các doanh nghiệp và đơn vị kiểm định công nghiệp nên sớm tiếp cận và ứng dụng quy trình này để nâng cao chất lượng và độ an toàn cho các công trình trọng điểm.