Đặt vấn đề Hiện nay ở Việt Nam, Dầu khí là ngành kinh tế m i nhọn, đóng vai trò rất quan trọng, làm đà thúc đẩy phát triển kinh tế đất nƣớc. Đây là lĩnh vực làm việc đòi hỏi kỹ thuật cao và điều kiện làm việc xa bờ. Một trong những lĩnh vực quan trọng của nền công nghiệp dầu khí là vận chuyển dầu khí. Việc thu gom, tồn trữ, vận chuyển dầu đòi hỏi một hệ thống ống dẫn lớn và yêu cầu làm việc hiệu quả, độ tin cậy cao.
Vì vậy mọi tuyến ống đƣợc xây dựng phải tính toán thi công và lắp đặt chính xác. Để bảo đảm an toàn trong việc vận chuyển và khai thác dầu khí, phải thƣờng xuyên kiểm tra phát hiện khuyết tật nhằm kịp thời khắc phục hƣ hỏng. Vì vậy, cần phải sử dụng máy móc để đảm nhận việc kiểm tra đối với những vị trí nguy hiểm của ống dẫn trở nên cần thiết và quan trọng. Vì những lý do trên đề tài: " Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt nhằm kiểm tra chất lượng bề mặt ống" là một vấn đề cấp bách.
Tính cấp thiết của đề tài Ống dẫn có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp dầu khí. Việc kiểm tra đánh giá định kỳ chất lƣợng ống dẫn để kịp thời sửa chữa là điều cần thiết. Để đảm bảo việc kiểm tra, kiểm định chất lƣợng các công trình ống dẫn đạt độ chính xác và hiệu quả cao thì lựa chọn phƣơng pháp kiểm tra siêu âm là sự lựa chọn phù hợp nhất. Ở nƣớc ta hiện nay, việc kiểm tra chất lƣợng của ống dẫn thép vẫn còn nhiều khó khăn vì những lý do sau: - Việc kiểm tra còn mang tính thủ công.
- Chi phí đầu tƣ thiết bị kiểm tra cao. - Chƣa làm chủ đƣợc công nghệ trên thế giới. - Chƣa có thiết bị kiểm tra ống linh hoạt. Chính vì vậy đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt nhằm kiểm tra chất lượng bề mặt ống" do học viên lựa chọn có tính cấp thiết và khả năng ứng dụng ở Việt Nam.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài nghiên cứu về lĩnh vực robot và có một số ý nghĩa khoa học sau: - Đề xuất đƣợc nguyên lý hoạt động của robot kiểm tra mòn. - Đề xuất đƣợc phƣơng án bám dính của robot trên bề mặt ngoài ống. - Ứng dụng phƣơng pháp và kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha để kiểm tra độ mòn.
- Giới thiệu một số thiết bị đo siêu âm tổ hợp pha. Tính thực tiễn của đề tài Robot mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha có thể đƣợc ứng dụng trong ngành dầu khí và thủy lợi nhằm phát hiện khuyết tật ăn mòn trong quá trình sử dụng để kịp thời sửa chữa và bảo dƣỡng. Ngoài ra, robot giúp cho quá trình kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống dẫn nhanh chóng và đạt hiệu quả kinh tế cao. Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Đề tài nghiên cứu đánh giá độ ăn mòn ống dẫn xăng dầu đƣờng kính 1m.
- Thử nghiệm, phát triển các phƣơng án bám dính trên bề mặt ống. - Thiết kế, chế tạo thử nghiệm robot mang đầu dò siêu âm kiểm tra và đánh giá độ ăn mòn và khuyết tật ở mối hàn ống. - Thiết lập qui trình sử dụng và vận hành của thiết bị. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài Với các mục tiêu trên, các đối tƣợng nghiên cứu của đề tài có thể đƣợc xác định, bao gồm: - Ống dẫn dầu đƣờng kính 1m. - Các dạng khuyết tật hàn và ăn mòn. - Thiết bị hổ trợ kiểm tra độ ăn mòn. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Do phạm vi nghiên cứu của đề tài khá rộng nên trong khuôn khổ một luận văn cao học các giới hạn nghiên cứu đƣợc xác định nhƣ sau: - Ống dẫn dầu đƣờng kính từ 300mm trở lên.
- Thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot mang thiết bị siêu âm tổ hợp pha để kiểm tra độ mòn và khuyết tật mối hàn của bề mặt ống thép. Phƣơng pháp nghiên cứu 1. Cơ sở phƣơng pháp luận - Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, nguyên lý rồi đƣa ra yêu cầu thiết kế. - Dựa vào yêu cầu thiết kế dùng phần mềm mô phỏng đƣa ra các phƣơng án rồi chọn một phƣơng án hợp lý nhất.
- Tiến hành chế tạo thử nghiệm và đánh giá quá trình hoạt động. Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể 1. Phƣơng pháp phân tích lý thuyết - Thu thập tài liệu từ các bài báo khoa học, tạp chí, sách giáo trình và nguồn từ internet trong và ngoài nƣớc có liên quan đến nội dung nghiên cứu. Tìm hiểu và phân tích các cơ cấu tạo thành robot, các nguyên lý hoạt động của thiết bị kiểm tra độ mòn rồi từ đó đƣa ra phƣơng án thiết kế và tính toán.
- Thử nghiệm mô phỏng dựa vào phần mềm thiết kế 3D để trực quan. Phƣơng pháp thực nghiệm - Dùng phƣơng pháp thử và sai để có các số liệu hoàn chỉnh trong phần thiết kế và kết cấu. - Dựa vào thiết kế hoàn chỉnh và chế tạo thử nghiệm robot mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha rồi từ đó đƣa ra quy trình vận hành và sử dụng. Kết cấu của luận văn Kêt cấu luận văn gồm 7 chƣơng với các nội dung sau: - Chƣơng 1: Mở đầu - Chƣơng 2: Tổng quan Giới thiệu về đường ống, các khuyết tật hàn, ăn mòn của ống; Các phương pháp kiểm tra.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như định hướng nghiên cứu của đề tài. - Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết Trình bày nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm các phương pháp kiểm tra không phá hủy; Trình bày kỹ thuật siêu âm Phased Array. - Chƣơng 4: Yêu cầu và phƣơng án thiết kế Phân tích các đối tượng thiết kế, phương án thiết kế cũng như xây dựng kết cấu tổng thể robot mang đầu dò siêu âm Phased Array. - Chƣơng 5: Tính toán, thiết kế cơ cấu 3 Tính toán lực hút của nam châm, trên cơ sở đó tính toán và chọn công suất động cơ.
- Chƣơng 6: Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá Thực hiện chế tạo các chi tiết dựa trên bản vẽ thiết kế rồi lắp ráp và đánh giá quá trình hoạt động. - Chƣơng 7: Kết luận và kiến nghị Trình bày kết luận và kiến nghị. 4 Chƣơng 2 TỔNG QUAN 2. Ống dẫn Thép ống đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp nhƣ ngành xây dựng, điện công nghiệp, ngành công nghiệp hóa chất, ngành công nghiệp đóng tàu, cầu cảng , ô tô, khung container, ngành giao thông vận tải, lò hơi trao đổi nhiệt, xây dựng và đóng cọc, kỹ thuật xử lý nƣớc thải, vận chuyển khí đốt, vận chuyển dầu và chất lỏng.
Phân loại ống thép Căn cứ vào công nghệ sản xuất và hình dáng ống thép ống thép đƣợc phân thành hai loại ống thép đúc và ống thép hàn. 1: Ống thép từ công nghệ đúc [28] 5 Hình 2. 2: Ống thép hàn thẳng [29] Hình 2. 3: Ống có mối hàn xoắn [30] 6 Quy trình sản xuất ống thép đúc Cán nóng (ống áp lực) : Phôi tròn → nung nóng → khoét lỗ → đẩy áp → thoát lỗ → định đƣờng kính → làm lạnh → ống phôi → nắn thẳng → kiểm tra áp lực → đánh dấu → nhập kho.
Cán nguội : Phôi tròn → nung nóng → khoét lỗ → chỉnh đầu → giảm lửa → rửa axit → phun dầu (mạ đồng) → cán nguội nhiều lần → ống phôi → xử lý nhiệt → kiểm tra áp lực → đánh dấu → nhập kho. Quy trình sản xuất ống thép hàn Căn cứ vào hình thức hàn chia làm 2 loại ống hàn là ống hàn thẳng và ống hàn xoắn Tôn cuộn→Cụm nhả cuộn máy cắt→Cắt xẻ theo tính toán→Cuộn lại dải tôn→Cụm nhả dải tôn→Hàn nối dải tôn→Lồng trữ liệu→Uốn thành hình tròn→Hàn cao tần→Gọt đƣờng hàn→Kiểm tra đƣờng hàn→Làm mát ống→Chỉnh hình ống( Tròn, vuông,chữ nhật, ô van)→In chữ→Máy cắt bay(Cắt theo chiều dài yêu cầu)Kiểm tra ống→Vét đầu ống( Với ống tròn )→Phủ dầu bảo quản→Đóng bó Thành phẩm. Quy trình sản xuất ống thép hàn loại lớn Phôi tấm→Chấn định hình mép ngoài→Chấn định hình trung tâm→Ép vào khuôn→Hàn dọc ống→Làm sạch→Kiểm tra→Thành phẩm. 4: Chấn định hình trung tâm tấm [31] Hình 2.
5: Khuôn ép định hình ống [31] 8 Hình 2. 6: Thành phẩm sau khi hàn mép ống [31] Phôi tấm→Máy cuộn →Vát mép hàn→Hàn chìm hồ quang xoắn trong và ngoài ống→Làm sạch→Kiểm tra→Thành phẩm Hình 2. 7: Thành phẩm ống thép với mối hàn xoắn [29] 9 Hình 2. 8: Hệ thống điều khiển tự động chế tạo ống [30] Vật liệu chế tạo ống: Ống đƣợc chế tạo từ thép Cacbon, thép không gỉ, thép hợp kim.
Thép cacbon Loại thép có hai thành phần cơ bản chính là sắt và cacbon, trong khi các nguyên tố khác có mặt trong thép cacbon là không đáng kể. Thành phần phụ trợ trong thép cacbon là mangan (tối đa 1,65%), silic (tối đa 0,6%) và đồng (tối đa 0,6%). Thép không gỉ: Hay còn gọi là inox, là một dạng hợp kim của sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm. Nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn nhƣ thép thông thƣờng khác.
Thép hợp kim: loại thép mà ngoài sắt, cacbon và các tạp chất ra ngƣời ta còn cố ý đƣa vào các nguyên tố khác nhằm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho đúng với yêu cầu. Các nguyên tố thƣờng gặp là Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Nb, Zr, Cu, B, N, Al. Ngoài ra, tùy theo yêu cầu đặc biệt ta có thể dung các vật liệu khác nhƣ gang, kim loại màu: đồng, nhôm, titan…; ống phi kim; bê tông, bê tông cốt thép, thủy tinh, sứ gốm; ống mềm chế tạo từ chất dẻo, cao su, sợi kim loại. 10 Ống thép chiếm tỷ lện cao nhất, chúng có yêu cầu nhất định về cơ tính và về thành phần hóa học, nhất là hàm lƣợng lƣu huỳnh và phốt pho cùng với các tạp chất khác.
Thông thƣờng ngƣời ta sử dụng thép hợp kim thấp, chịu gia công nhiệt và có thể đƣợc thƣờng hóa. Đối với các môi trƣờng ăn mòn, ta phải sử dụng loại thép chịu ăn mòn cao và thành phần hóa học c ng đòi hỏi khắt khe hơn. Để chế tạo ống, ngƣời ta dung công nghệ chủ yếu là cán và hàn, cá biệt là có thể đúc, ống thép cán trực tiếp thƣờng có chất lƣợng không cao do bề dày không đều và có độ ooval lớn. Ống hàn thƣờng chế tạo từ thép tấm theo kỹ thuật hàn thẳng, để có chất lƣợng cao hơn thƣờng dùng kỹ thuật hàn xoắc ốc.