Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dầu khí tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo nhu cầu xây dựng và vận hành hệ thống ống dẫn dầu ngày càng tăng. Theo ước tính, các tuyến ống dẫn dầu có đường kính từ 300mm trở lên được sử dụng phổ biến trong các dự án lớn như Nhà máy thủy điện Đa Nhim và tuyến ống dẫn dầu từ Việt Nam sang Lào dài khoảng 290km. Chất lượng bề mặt ống thép, đặc biệt là các khuyết tật hàn và ăn mòn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và an toàn vận hành của hệ thống. Việc kiểm tra định kỳ và đánh giá chất lượng bề mặt ống là yêu cầu cấp thiết nhằm phát hiện sớm các khuyết tật như nứt, rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu và các dạng ăn mòn cục bộ hoặc đều.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha nhằm kiểm tra chất lượng bề mặt ống thép có đường kính từ 300mm trở lên, tập trung vào phát hiện khuyết tật mối hàn và đánh giá độ ăn mòn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các loại ống thép hàn và đúc, với trọng tâm là ống dẫn dầu có đường kính khoảng 1m. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2014-2017 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện ở việc phát triển thiết bị kiểm tra không phá hủy có khả năng di chuyển linh hoạt trên bề mặt ống, giảm chi phí nhập khẩu thiết bị nước ngoài, đồng thời nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong kiểm tra chất lượng ống dẫn dầu. Robot này góp phần đảm bảo an toàn vận hành, giảm thiểu rủi ro sự cố và tăng tuổi thọ công trình đường ống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Kiểm tra không phá hủy (NDT): Là phương pháp sử dụng các kỹ thuật vật lý để phát hiện khuyết tật bên trong và bề mặt vật liệu mà không làm ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của sản phẩm. Các phương pháp NDT phổ biến gồm siêu âm, chụp ảnh bức xạ, kiểm tra bằng dòng điện xoáy, kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu, kiểm tra bằng bột từ và kiểm tra bằng thị giác.

  • Siêu âm tổ hợp pha (Phased Array Ultrasonic Testing - PAUT): Kỹ thuật siêu âm tiên tiến sử dụng đầu dò nhiều phần tử cho phép điều khiển chùm tia siêu âm theo nhiều góc khác nhau, giúp phát hiện chính xác các khuyết tật như nứt, rỗ khí, không ngấu trong mối hàn và đánh giá độ ăn mòn bề mặt ống.

  • Khái niệm về khuyết tật hàn và ăn mòn: Bao gồm các dạng nứt (nứt dọc, nứt ngang, nứt nóng, nứt nguội), rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu, chảy loảng và các dạng ăn mòn như ăn mòn đều, ăn mòn cục bộ, ăn mòn lỗ, ăn mòn tiếp xúc và ăn mòn khe.

  • Nguyên lý hoạt động của robot kiểm tra: Robot sử dụng cơ cấu bám dính bằng nam châm vĩnh cửu hoặc giác hút chân không để di chuyển trên bề mặt ống thép, mang theo đầu dò siêu âm tổ hợp pha để quét và thu nhận dữ liệu kiểm tra.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu từ các bài báo khoa học, sách giáo trình, báo cáo kỹ thuật trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ kiểm tra không phá hủy, robot kiểm tra đường ống và kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết về các loại khuyết tật, nguyên lý siêu âm tổ hợp pha và cơ cấu robot. Sử dụng phần mềm thiết kế 3D để mô phỏng các phương án thiết kế robot, tính toán lực hút nam châm, công suất động cơ và quỹ đạo chuyển động.

  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo thử nghiệm robot theo thiết kế đã chọn, tiến hành thử nghiệm trên các ống thép có đường kính từ 300mm đến 1000mm. Thử nghiệm đo khuyết tật mối hàn và đánh giá độ ăn mòn bằng đầu dò siêu âm tổ hợp pha. Thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu quả hoạt động của robot.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế từ tháng 5/2014 đến tháng 12/2015, chế tạo và thử nghiệm từ tháng 1/2016 đến tháng 4/2017, hoàn thiện luận văn và bảo vệ vào tháng 4/2017.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thử nghiệm trên các ống thép tiêu chuẩn có đường kính 300mm, 400mm và 1000mm, lựa chọn các vị trí có khuyết tật hàn và ăn mòn điển hình để đánh giá khả năng phát hiện của robot.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Robot linh hoạt có khả năng di chuyển ổn định trên bề mặt ống thép đường kính từ 300mm đến 1000mm: Thử nghiệm cho thấy robot có thể bám dính chắc chắn nhờ cơ cấu nam châm vĩnh cửu với lực hút đạt khoảng 90kg, đảm bảo di chuyển an toàn trên bề mặt ống thép.

  2. Đầu dò siêu âm tổ hợp pha phát hiện chính xác các khuyết tật mối hàn và ăn mòn: Kết quả đo cho thấy robot phát hiện được khuyết tật không ngấu chân hàn với chiều sâu 28mm và khuyết tật không ngấu vách dưới bề mặt từ 2 đến 4mm, độ chính xác phát hiện đạt trên 95%.

  3. Tốc độ kiểm tra và năng suất cao: Robot di chuyển với vận tốc khoảng 10 m/phút, cho phép kiểm tra nhanh diện tích bề mặt lớn, tiết kiệm thời gian so với phương pháp thủ công truyền thống.

  4. Giao diện điều khiển thân thiện và dễ sử dụng: Hệ thống điều khiển sử dụng mạch Arduino Uno R3 kết nối Bluetooth với ứng dụng trên điện thoại, giúp thao tác vận hành robot thuận tiện và linh hoạt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân robot đạt hiệu quả cao là do thiết kế cơ cấu bám dính bằng nam châm vĩnh cửu được tính toán kỹ lưỡng, đảm bảo lực hút đủ lớn để robot di chuyển trên bề mặt ống thép có đường kính đa dạng. Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha giúp tăng độ chính xác và khả năng phát hiện các khuyết tật nhỏ, vượt trội hơn so với các phương pháp siêu âm truyền thống.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, robot này có ưu điểm về chi phí thấp hơn do sử dụng linh kiện phổ biến và thiết kế đơn giản, đồng thời phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Các robot nhập khẩu thường có chi phí cao và công nghệ bản quyền phức tạp, khó sửa chữa và thay thế linh kiện.

Dữ liệu thu thập được có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh độ chính xác phát hiện khuyết tật giữa robot và phương pháp thủ công, bảng thống kê lực hút nam châm và tốc độ di chuyển, cũng như hình ảnh kết quả quét siêu âm dạng B-Scan và C-Scan minh họa vị trí khuyết tật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng robot trong kiểm tra định kỳ các tuyến ống dẫn dầu và thủy lợi: Đề xuất các doanh nghiệp và cơ quan quản lý sử dụng robot để kiểm tra chất lượng bề mặt ống, nhằm phát hiện sớm khuyết tật và ăn mòn, giảm thiểu rủi ro sự cố. Thời gian áp dụng trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Nâng cấp và phát triển thêm các phiên bản robot với khả năng kiểm tra ống có đường kính nhỏ hơn và địa hình phức tạp: Tập trung nghiên cứu cải tiến cơ cấu bám dính và hệ thống điều khiển để mở rộng phạm vi ứng dụng. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì robot kiểm tra: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho kỹ sư và kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo dưỡng thiết bị đúng quy trình. Thời gian đào tạo dự kiến 6 tháng.

  4. Xây dựng quy trình kiểm tra và đánh giá chất lượng ống bằng robot: Thiết lập tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình vận hành và báo cáo kết quả kiểm tra để đảm bảo tính đồng bộ và chính xác trong công tác kiểm tra. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý kỹ thuật và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các doanh nghiệp trong ngành dầu khí và thủy lợi: Có thể ứng dụng robot để kiểm tra và bảo trì hệ thống ống dẫn, nâng cao hiệu quả quản lý chất lượng và giảm chi phí sửa chữa.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật cơ khí, tự động hóa: Tham khảo để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về robot kiểm tra không phá hủy và kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha.

  3. Cơ quan quản lý kỹ thuật và an toàn công trình: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy định kiểm tra chất lượng ống dẫn và giám sát an toàn vận hành.

  4. Các nhà sản xuất thiết bị kiểm tra không phá hủy trong nước: Tham khảo để phát triển sản phẩm robot kiểm tra phù hợp với điều kiện Việt Nam, giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot kiểm tra này có thể áp dụng cho loại ống nào?
    Robot được thiết kế để kiểm tra các loại ống thép hàn và đúc có đường kính từ 300mm trở lên, đặc biệt phù hợp với ống dẫn dầu và thủy lợi.

  2. Phương pháp siêu âm tổ hợp pha có ưu điểm gì so với siêu âm truyền thống?
    Siêu âm tổ hợp pha cho phép điều khiển chùm tia siêu âm đa góc, tăng độ chính xác phát hiện khuyết tật nhỏ và cải thiện năng suất kiểm tra so với siêu âm truyền thống.

  3. Lực hút nam châm của robot có đảm bảo an toàn khi di chuyển trên ống không?
    Lực hút nam châm vĩnh cửu được tính toán đạt khoảng 90kg, đủ để robot bám chắc trên bề mặt ống thép, đảm bảo an toàn trong quá trình di chuyển.

  4. Robot có thể phát hiện được những loại khuyết tật nào?
    Robot phát hiện được các khuyết tật phổ biến như nứt dọc, nứt ngang, rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu và các dạng ăn mòn cục bộ hoặc đều trên bề mặt ống.

  5. Chi phí đầu tư và vận hành robot kiểm tra có cao không?
    So với thiết bị nhập khẩu, robot này có chi phí đầu tư thấp hơn do sử dụng linh kiện phổ biến và thiết kế đơn giản. Vận hành và bảo trì cũng thuận tiện nhờ giao diện điều khiển thân thiện và kết nối Bluetooth.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công robot linh hoạt mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha kiểm tra chất lượng bề mặt ống thép đường kính từ 300mm đến 1000mm.
  • Robot có khả năng phát hiện chính xác các khuyết tật mối hàn và đánh giá độ ăn mòn với độ chính xác trên 95%.
  • Thiết kế cơ cấu bám dính bằng nam châm vĩnh cửu đảm bảo lực hút lớn, giúp robot di chuyển ổn định trên bề mặt ống.
  • Hệ thống điều khiển sử dụng mạch Arduino và kết nối Bluetooth giúp thao tác vận hành đơn giản, thuận tiện.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng robot trong kiểm tra định kỳ các tuyến ống dẫn dầu và thủy lợi, đồng thời phát triển các phiên bản robot phù hợp với nhiều loại ống và điều kiện địa hình khác nhau.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực tế trên các tuyến ống quy mô lớn, đồng thời hoàn thiện quy trình vận hành và đào tạo nhân lực. Mời các doanh nghiệp và cơ quan quản lý quan tâm hợp tác ứng dụng công nghệ này để nâng cao hiệu quả kiểm tra và bảo trì hệ thống ống dẫn.

Liên hệ để được tư vấn chi tiết về giải pháp robot kiểm tra chất lượng bề mặt ống và hỗ trợ triển khai ứng dụng.