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 290 km. 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 và đánh giá chất lượng bề mặt ống thép có đường kính từ 300mm trở lên. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ống dẫn dầu có đường kính khoảng 1m, các dạng khuyết tật hàn và ăn mòn phổ biến, đồng thời phát triển các phương án bám dính robot trên bề mặt ống. 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 không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu quả kiểm tra không phá hủy (NDT) trong ngành dầu khí mà còn góp phần giảm chi phí, tăng độ chính xác và chủ động công nghệ trong nước. Robot kiểm tra linh hoạt giúp phát hiện kịp thời các khuyết tật, từ đó đảm bảo an toàn vận hành và kéo dài tuổi thọ hệ thống ống dẫn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết kiểm tra không phá hủy (NDT) và kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha (Phased Array Ultrasonic Testing - PAUT).

  • Kiểm tra không phá hủy (NDT): Là phương pháp sử dụng các kỹ thuật vật lý để phát hiện khuyết tật bên trong hoặc trên bề mặt vật liệu mà không làm ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của vật kiểm tra. Các phương pháp 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): Là kỹ thuật siêu âm tiên tiến sử dụng nhiều đầu dò siêu âm nhỏ gắn trên một nêm đầu dò, cho phép điều khiển chùm tia siêu âm theo nhiều hướng khác nhau. Phương pháp này giúp tăng độ chính xác, khả năng phát hiện khuyết tật và năng suất kiểm tra so với siêu âm truyền thống.

Ba khái niệm chính được áp dụng trong nghiên cứu gồm: khuyết tật hàn (nứt, rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu), ăn mòn kim loại (ăn mòn đều, ăn mòn cục bộ, ăn mòn lỗ), và các phương án bám dính robot (giác hút chân không, nam châm vĩnh cửu, nam châm điện).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các tài liệu khoa học trong và ngoài nước, các báo cáo kỹ thuật, tiêu chuẩn sản xuất ống thép, và các nghiên cứu về robot kiểm tra không phá hủy.

Phương pháp phân tích bao gồm phân tích lý thuyết về cơ cấu robot, nguyên lý hoạt động của thiết bị siêu âm tổ hợp pha, và mô phỏng thiết kế bằng phần mềm 3D để đánh giá các phương án bám dính và cơ cấu chuyển động.

Phương pháp thực nghiệm được thực hiện qua quá trình chế tạo thử nghiệm robot mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha, thử nghiệm lực hút nam châm, thử nghiệm di chuyển trên các bề mặt ống thép có đường kính khác nhau (300mm, 400mm, 1000mm), và thử nghiệm đo khuyết tật mối hàn với các dạng khuyết tật không ngấu chân hàn có chiều sâu từ 2 đến 28 mm.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các ống thép tiêu chuẩn có đường kính từ 300mm đến 1000mm, các mẫu mối hàn có khuyết tật mô phỏng. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các loại ống và khuyết tật phổ biến trong ngành dầu khí. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 5/2014 đến tháng 4/2017, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phương án bám dính robot: Qua so sánh ba phương án bám dính gồm giác hút chân không, nam châm vĩnh cửu và nam châm điện, phương án sử dụng nam châm vĩnh cửu được lựa chọn do có lực hút ổn định, tiêu thụ năng lượng thấp và dễ chế tạo. Thử nghiệm lực hút cho thấy lực hút đạt khoảng 90 kg, đủ để robot di chuyển an toàn trên bề mặt ống thép.

  2. Thiết kế cơ cấu và động cơ: Robot được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, trọng lượng khoảng 13,6 kg, sử dụng động cơ TS-58GZ868-2445 với công suất phù hợp để đảm bảo tốc độ di chuyển khoảng 10 m/phút. Tính toán momen xoắn và số vòng quay động cơ được thực hiện chi tiết để đáp ứng yêu cầu vận hành linh hoạt trên bề mặt ống.

  3. Hiệu quả kiểm tra khuyết tật: Robot mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha PAUT 5L64A12 đã thực hiện thành công việc phát hiện các khuyết tật không ngấu chân hàn với chiều sâu từ 2 đến 28 mm. Kết quả đo hiển thị rõ ràng trên máy MX2, cho độ chính xác cao và khả năng phát hiện khuyết tật nhỏ.

  4. Khả năng vận hành trên các kích thước ống: Thử nghiệm robot trên các ống thép tròn có đường kính 300mm, 400mm và 1000mm cho thấy robot có khả năng bám dính và di chuyển ổn định, đáp ứng yêu cầu kiểm tra linh hoạt trên nhiều loại ống khác nhau.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của robot linh hoạt là do việc lựa chọn phương án bám dính nam châm vĩnh cửu phù hợp với đặc tính bề mặt ống thép và môi trường làm việc. So với các robot nhập khẩu có chi phí cao và cấu tạo phức tạp, robot nghiên cứu có thiết kế đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng bảo trì, phù hợp với điều kiện trong nước.

Kết quả kiểm tra khuyết tật bằng siêu âm tổ hợp pha cho thấy độ chính xác và năng suất cao, phù hợp với yêu cầu kiểm tra không phá hủy trong ngành dầu khí. So sánh với các nghiên cứu trước đây về robot kiểm tra như ScoRpion B-Scan hay TriPod, robot này có ưu điểm về tính linh hoạt và khả năng vận hành trên nhiều kích thước ống khác nhau.

Dữ liệu kết quả có thể được trình bày qua các biểu đồ lực hút nam châm, bảng so sánh các thông số kỹ thuật động cơ, hình ảnh A-scan và B-scan hiển thị khuyết tật, cũng như video mô phỏng quỹ đạo chuyển động robot trên bề mặt ống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thêm các phương án bám dính: Nghiên cứu và thử nghiệm thêm các phương án bám dính như nam châm điện hoặc giác hút chân không để mở rộng khả năng ứng dụng trên các bề mặt ống có vật liệu hoặc hình dạng khác nhau. Thời gian thực hiện trong 12 tháng, do nhóm nghiên cứu robot đảm nhiệm.

  2. Tối ưu hóa hệ thống điều khiển: Cải tiến thuật toán điều khiển robot để tăng độ chính xác trong di chuyển và quét, giảm thiểu sai số vị trí. Mục tiêu nâng tốc độ di chuyển lên 15 m/phút trong vòng 6 tháng, phối hợp với chuyên gia tự động hóa.

  3. Mở rộng ứng dụng kiểm tra: Áp dụng robot kiểm tra cho các loại ống có đường kính nhỏ hơn 300mm hoặc các kết cấu thép khác trong ngành công nghiệp hóa chất, thủy lợi. Thời gian triển khai thử nghiệm trong 18 tháng, phối hợp với các doanh nghiệp liên quan.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành và bảo trì robot cho kỹ sư và kỹ thuật viên trong ngành dầu khí nhằm nâng cao năng lực sử dụng thiết bị. Thời gian thực hiện liên tục, do trường đại học và các công ty đối tác phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia ngành dầu khí: Nghiên cứu cung cấp giải pháp kiểm tra không phá hủy hiệu quả, giúp phát hiện sớm các khuyết tật trên ống dẫn dầu, đảm bảo an toàn vận hành.

  2. Nhà sản xuất và thiết kế robot công nghiệp: Tham khảo các phương án thiết kế cơ cấu bám dính, hệ thống điều khiển và tích hợp đầu dò siêu âm tổ hợp pha trong robot kiểm tra linh hoạt.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng kỹ thuật siêu âm và robot trong kiểm tra chất lượng vật liệu, đồng thời cung cấp case study thực tế về thiết kế và chế tạo robot.

  4. Doanh nghiệp cung cấp dịch vụ kiểm tra không phá hủy: Nghiên cứu giúp nâng cao năng suất và độ chính xác trong kiểm tra, giảm chi phí nhập khẩu thiết bị, tăng tính chủ động trong công nghệ.

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 ống thép có đường kính từ 300mm trở lên, đặc biệt hiệu quả với ống có đường kính khoảng 1m, phù hợp với các ứng dụng trong ngành dầu khí 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 hướng, tăng khả năng phát hiện khuyết tật nhỏ và phức tạp, đồng thời nâng cao năng suất kiểm tra so với siêu âm truyền thống.

  3. Lực hút nam châm vĩnh cửu có đảm bảo an toàn cho robot khi di chuyển trên ống?
    Thử nghiệm cho thấy lực hút đạt khoảng 90 kg, đủ để robot bám chắc trên bề mặt ống thép, đảm bảo an toàn và ổn định trong quá trình di chuyển và kiểm tra.

  4. Chi phí chế tạo robot có cao không so với thiết bị nhập khẩu?
    Robot được thiết kế với cấu tạo đơn giản, sử dụng các linh kiện phổ biến trong nước, giúp giảm đáng kể chi phí so với các thiết bị nhập khẩu có công nghệ bản quyền phức tạp.

  5. Robot có thể phát hiện được những loại khuyết tật nào trên ống?
    Robot mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha có khả năng phát hiện các khuyết tật hàn như nứt, rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu, cũng như các dạng ăn mòn bề mặt và cục bộ với độ sâu từ 2 đến 28 mm.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu và lựa chọn thành công phương án bám dính nam châm vĩnh cửu cho robot kiểm tra bề mặt ống thép.
  • Thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha đáp ứng được yêu cầu kiểm tra khuyết tật và ăn mòn trên ống có đường kính từ 300mm đến 1000mm.
  • Robot cho kết quả kiểm tra chính xác, năng suất cao, phù hợp với điều kiện và nhu cầu trong nước, góp phần làm chủ công nghệ kiểm tra không phá hủy.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển tiếp theo nhằm mở rộng ứng dụng và nâng cao hiệu quả vận hành robot.
  • Khuyến nghị triển khai đào tạo và chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong ngành dầu khí và các lĩnh vực liên quan.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm mở rộng trên các loại ống và môi trường làm việc thực tế, đồng thời hoàn thiện hệ thống điều khiển và giao diện vận hành. Mời các đơn vị, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ robot kiểm tra không phá hủy này.