Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát hiện khuyết tật và ăn mòn đường ống dẫn sử dụng đầu dò siêu âm tổ hợp pha

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát hiện khuyết tật và ăn mòn đường ống dẫn sử dụng đầu dò, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Lê Duy Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Cƣơng
• Trường học: Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử, Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị phát hiện khuyết tật và ăn mòn đường ống dẫn sử dụng đầu dò siêu âm tổ hợp pha
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• SUMMARY
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở phƣơng pháp luận
• 1.5.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.5.2.1. Phƣơng pháp lý thuyết
• 1.5.2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Phân loại ống thép theo công nghệ
• 2.1.1. Khái quát về quy trình công nghệ
• 2.1.2. Phân loại ống đúc dựa vào mục đích sử dụng
• 2.2. Ống thép hàn
• 2.2.1. Mối hàn dọc ống (mối hàn dọc trục)
• 2.2.2. Mối hàn ngang ống (mối hàn hƣớng kính)
• 2.2.3. Mối hàn xoắn ống
• 2.2.4. Khuyết tật mối hàn
• 2.3. Phân loại khuyết tật mối hàn
• 2.4. Lẹm chân và chảy loang
• 2.5. Khuyết tật về hình dạng
• 2.6. Khuyết tật ăn mòn kim loại
• 2.6.1. Cấu tạo của kim loại và ảnh hƣởng của nó đến quá trình ăn mòn
• 2.6.2. Sự ăn mòn kim loại
• 2.6.2.1. Quá trình ăn mòn
• 2.6.2.2. Các dạng ăn mòn bề mặt
• 2.7. Kiểm tra không phá hủy (NDT)
• 2.8. Các nghiên liên quan đến đề tài
• 2.8.1. Các nghiên cứu trong nƣớc
• 2.8.2. Các nghiên ngoài nƣớc
• 2.9. Thiết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại
• 2.9.1. Máy quét bằng tay MODEL 4020 của hãng WesDyne NDE
• 2.9.2. HydroFORM của hãng Olympus
• 2.9.3. Manual One-Axis Scanner của hãng Olympus (HSMT- Compact Weld Inspection)
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Các phƣơng pháp kiểm tra
• 3.1.1. Kiểm tra bằng thị giác và quang học (VT)
• 3.1.2. Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic test)
• 3.1.3. Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu (PT)
• 3.1.4. Kiểm tra bằng bột từ (MT)
• 3.1.5. Kiểm tra bằng truyền âm (AE)
• 3.1.6. Kiểm tra rò rỉ (LT)
• 3.1.7. Siêu âm tổ hợp pha (UT - PA)
• 3.1.8. Lựa chọn phƣơng pháp kiểm tra
• 3.2. Hình ảnh thu đƣợc
• 3.2.1. Hiển thị dạng A-Scan
• 3.2.2. Hiển thị dạng B-Scan
• 3.2.3. Hiển thị dạng C-Scan
• 3.2.4. Hiển thị dạng S-Scan
• 4. CHƯƠNG 4: YÊU CẦU VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 4.1. Phân tích đối tƣợng thiết kế
• 4.2. Phƣơng án chọn lựa thiết kế
• 4.2.1. Phƣơng án chuyển động tròn quanh ống
• 4.2.1.1. Phƣớng án 1: Bánh xe từ
• 4.2.1.2. Phƣơng án 2: dùng cùm cố định quanh ống
• 4.2.2. Phƣơng án chuyển động dọc ống
• 4.2.2.1. Phƣơng án1: Xi lanh khí nén
• 4.2.2.2. Phƣơng án 2: vít me kết hợp với bộ truyền đai
• 4.2.2.3. Phƣơng án 3: Bộ truyền trục vít me kết hợp thanh trƣợt
• 4.3. So sánh các phƣơng án và lựa chọn
• 4.3.1. Phƣơng án 1: Dùng loadcell cảm biến lực ép đầu đò vào ống
• 4.3.2. Phƣơng án 2: Dùng lò xo
• 4.4. So sánh các phƣơng án và lựa chọn
• 4.5. Xác định sai lệch của đầu dò so với mối hàn
• 4.5.1. Phƣơng án 1: Sử dụng cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn
• 4.5.2. Phƣơng án 2: Dùng đèn laser đƣờng
• 4.5.3. Phƣơng án 3: Dùng Camera
• 4.6. So sánh các phƣơng án và lựa chọn
• 4.6.1. Phƣơng án 1: Dùng Encoder
• 4.6.2. Phƣơng án 2: Dùng thƣớc quang
• 4.7. So sánh các phƣơng án và lựa chọn
• 4.7.1. Phƣơng án 1: Dùng 3 kẹp hình tam giác
• 4.7.2. Phƣơng án 2: Dùng 4 kẹp hình chữ nhật
• 4.8. So sánh các phƣơng án và lựa chọn
• 4.9. Chất tiếp âm
• 4.10. Lựa chọn bộ điều khiển
• 4.11. Lựa chọn phƣơng án thiết kế
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU
• 5.1. Tính toán, thiết kế cơ cấu
• 5.1.1. Tính toán cơ khí
• 5.1.1.1. Tính toán bộ truyền đai
• 5.1.1.2. Tính toán bộ truyền xích
• 5.1.1.3. Tính toán lò xo
• 5.1.1.4. Tính toán, kiểm nghiệm bền trục
• 5.1.2. Thiết kế phần mạch
• 5.1.2.1. Khối mạch điều khiển và nút nhấn
• 5.1.2.2. Khối công suất điều khiển động cơ
• 5.1.2.3. Sơ đồ kết nối các bộ phận
• 5.2. Quá trình chế tạo
• 5.2.1. Chế tạo các bộ phận cơ khí:
• 5.2.2. Chế tạo các mạch điều khiển:
• 6. CHƯƠNG 6: QUI TRÌNH KIỂM TRA, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6.1. Qui trình kiểm tra
• 6.1.1. Phạm vi áp dụng
• 6.1.2. Định nghĩa và viết tắt thuật ngữ
• 6.1.3. Tham chiếu tiêu chuẩn
• 6.1.4. Thời gian kiểm tra
• 6.1.5. Chuẩn bị thiết bị đo
• 6.1.6. Chuẩn bị bề mặt đo
• 6.1.7. Kiểm tra và vận hành thiết bị
• 6.1.8. Sửa chữa và kiểm tra lại
• 6.1.9. Xuất hình ảnh báo cáo
• 6.2. Thực nghiệm xác định lực của lò xo
• 6.3. Thực nghiệm xác định sai số vòng của đầu dò
• 6.4. Thực nghiệm xác định sai số dọc trục
• 6.5. Thực nghiệm đo với Omni Scan và đầu dò
• 6.5.1. Thử nghiệm với mối hàn vòng ống
• 6.5.1.1. Các thông số lựa chọn thí nghiệm
• 6.5.1.2. Các bƣớc tiến hành thí nghiệm
• 6.5.2. Các thông số lựa chọn thí nghiệm
• 6.5.3. Các bƣớc tiến hành thí nghiệm
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế thiết bị phát hiện khuyết tật đường ống

Thiết bị phát hiện khuyết tật đường ống bằng siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) đang trở thành một giải pháp quan trọng trong ngành công nghiệp. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc kiểm tra và phát hiện khuyết tật trong các đường ống dẫn dầu khí, nước, và các chất lỏng khác là rất cần thiết. Thiết bị này không chỉ giúp phát hiện các khuyết tật mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống đường ống.

1.1. Khái niệm về siêu âm tổ hợp pha trong kiểm tra

Siêu âm tổ hợp pha là một phương pháp kiểm tra không phá hủy, sử dụng sóng siêu âm để phát hiện các khuyết tật trong vật liệu. Phương pháp này cho phép tạo ra hình ảnh 3D của các khuyết tật, giúp người sử dụng dễ dàng nhận diện và đánh giá tình trạng của đường ống.

1.2. Lợi ích của thiết bị phát hiện khuyết tật

Việc sử dụng thiết bị phát hiện khuyết tật bằng siêu âm tổ hợp pha mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng phát hiện chính xác các khuyết tật, giảm thiểu thời gian kiểm tra và chi phí bảo trì, đồng thời nâng cao độ an toàn cho hệ thống đường ống.

II. Vấn đề và thách thức trong kiểm tra đường ống

Mặc dù công nghệ siêu âm tổ hợp pha đã được áp dụng rộng rãi, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc kiểm tra đường ống. Các vấn đề như độ chính xác của thiết bị, khả năng phát hiện các khuyết tật nhỏ, và chi phí đầu tư cho thiết bị vẫn là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Các loại khuyết tật thường gặp trong đường ống

Khuyết tật trong đường ống có thể bao gồm nứt, rỗ khí, ăn mòn, và các vấn đề liên quan đến mối hàn. Những khuyết tật này có thể gây ra sự cố nghiêm trọng nếu không được phát hiện kịp thời.

2.2. Chi phí và hiệu quả của thiết bị kiểm tra

Chi phí đầu tư cho thiết bị kiểm tra siêu âm tổ hợp pha có thể cao, nhưng hiệu quả mà nó mang lại trong việc phát hiện khuyết tật và bảo trì đường ống là rất lớn. Việc cân nhắc giữa chi phí và lợi ích là điều cần thiết.

III. Phương pháp thiết kế thiết bị phát hiện khuyết tật

Thiết kế thiết bị phát hiện khuyết tật đường ống bằng siêu âm tổ hợp pha cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu cụ thể. Các bước thiết kế bao gồm phân tích yêu cầu, lựa chọn công nghệ, và thử nghiệm thiết bị.

3.1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật

Để thiết kế một thiết bị hiệu quả, cần phải phân tích các yêu cầu kỹ thuật như kích thước ống, loại khuyết tật cần phát hiện, và môi trường làm việc. Điều này giúp đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả trong thực tế.

3.2. Lựa chọn công nghệ và vật liệu

Việc lựa chọn công nghệ siêu âm tổ hợp pha và vật liệu chế tạo thiết bị là rất quan trọng. Các vật liệu cần có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn để đảm bảo tuổi thọ của thiết bị.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thiết bị phát hiện khuyết tật

Thiết bị phát hiện khuyết tật đường ống bằng siêu âm tổ hợp pha đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như dầu khí, hóa chất, và xây dựng. Việc ứng dụng này không chỉ giúp phát hiện khuyết tật mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành dầu khí

Trong ngành dầu khí, thiết bị này giúp kiểm tra các đường ống dẫn dầu và khí, đảm bảo an toàn cho quá trình khai thác và vận chuyển. Việc phát hiện sớm các khuyết tật giúp giảm thiểu rủi ro và tổn thất kinh tế.

4.2. Ứng dụng trong ngành xây dựng

Trong ngành xây dựng, thiết bị phát hiện khuyết tật giúp kiểm tra các kết cấu thép, đảm bảo chất lượng và an toàn cho các công trình. Việc sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha giúp nâng cao độ chính xác trong kiểm tra.

V. Kết luận và tương lai của thiết bị phát hiện khuyết tật

Thiết bị phát hiện khuyết tật đường ống bằng siêu âm tổ hợp pha đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc kiểm tra và bảo trì đường ống. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ siêu âm tổ hợp pha đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Các cải tiến về độ chính xác, tốc độ kiểm tra và khả năng phát hiện khuyết tật sẽ là xu hướng trong tương lai.

5.2. Tầm quan trọng của việc đầu tư vào công nghệ

Đầu tư vào công nghệ kiểm tra không phá hủy như siêu âm tổ hợp pha là rất cần thiết để nâng cao chất lượng và an toàn cho các hệ thống đường ống. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng tại Việt Nam tăng trưởng mạnh theo đà phát triển kinh tế, đặt ra áp lực lớn cho hệ thống đường ống dẫn dầu khí — xương sống của ngành công nghiệp khai thác và chế biến dầu mỏ. Với hàng chục dự án lọc dầu đang hình thành trên cả nước, tổng chiều dài đường ống dẫn trong các tổ hợp nhà máy lên đến hàng nghìn kilomét, đòi hỏi công tác kiểm tra chất lượng phải diễn ra thường xuyên và chính xác.

Luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị phát hiện khuyết tật và ăn mòn đường ống dẫn sử dụng đầu dò siêu âm tổ hợp pha" (tháng 11/2013) của tác giả Lê Duy Tuấn — được thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Chí Cương và PGS. Đặng Thiện Ngôn — tập trung giải quyết bài toán thiết thực: thiết kế và chế tạo trong nước thiết bị kiểm tra khuyết tật mối hàn và ăn mòn đường ống sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha (Ultrasonic Testing Phased Array — UT-PA).

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các ống thép công nghiệp có đường kính từ 90mm trở lên, trong đó thực nghiệm tập trung vào ống lộ thiên đường kính 114mm. Đề tài nhằm mục tiêu kép: giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu giá cao và đưa công nghệ UT-PA — vốn còn ít ứng dụng tại Việt Nam — vào thực tiễn sản xuất công nghiệp nặng. Ý nghĩa thực tiễn nằm ở chỗ thiết bị được chế tạo trong nước có chi phí đầu tư thấp hơn đáng kể so với nhập khẩu, đồng thời cho kết quả chẩn đoán nhanh dưới dạng hình ảnh màu 3 chiều rõ nét.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng nền tảng lý thuyết từ hai lĩnh vực kỹ thuật cốt lõi: kiểm tra không phá hủy (NDT — Non-Destructive Testing) và vật lý sóng siêu âm tổ hợp pha.

Lý thuyết kiểm tra không phá hủy (NDT) cung cấp khung so sánh toàn diện giữa 8 phương pháp kiểm tra đang được ứng dụng trên thế giới: kiểm tra thị giác (VT), siêu âm (UT), chụp phim bức xạ (RT), thẩm thấu lỏng (PT), bột từ (MT), truyền âm (AET), dòng xoáy điện (ET) và kiểm tra rò rỉ (LT). Trong đó, UT và RT được xác định là 2 phương pháp có khả năng phát hiện khuyết tật sâu bên trong cấu trúc kim loại — yếu tố then chốt khi kiểm tra đường ống chịu áp lực cao.

Lý thuyết siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) là trọng tâm chính. Đầu dò phased array được cấu tạo từ 16 đến 128 biến tử áp điện độc lập, hoạt động kết hợp với các luật trễ (focal laws) để điều khiển góc phát, tiêu điểm hội tụ và hướng quét chùm tia mà không cần di chuyển vật lý đầu dò. Công nghệ này cho phép thực hiện đồng thời quét tuyến tính (linear scan), quét hình quạt (sector scan) và quét hội tụ động — tương đương với hàng chục đầu dò thông thường hoạt động song song.

Năm khái niệm chuyên ngành cốt lõi bao gồm: biến tử áp điện, luật phát (focal law), nêm (wedge), góc điều khiển chùm tia, và các dạng hiển thị A-Scan / B-Scan / C-Scan / S-Scan. Đặc biệt, hiển thị dạng S-Scan (sector scan) tạo ra hình ảnh màu 3 chiều trực quan — ưu điểm vượt trội so với phương pháp siêu âm truyền thống.

Ăn mòn kim loại được phân tích theo hai cơ chế: ăn mòn hóa học (phản ứng trực tiếp với O₂, S₂, Cl₂) và ăn mòn điện hóa (xảy ra khi kim loại tiếp xúc môi trường dẫn điện). Ăn mòn điện hóa được xác định là nguy hiểm hơn do tốc độ phá hủy mạnh hơn và khó phát hiện sớm hơn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp hai phương pháp bổ trợ nhau:

Phương pháp lý thuyết: Tổng hợp và so sánh tài liệu từ sách giáo trình, bài báo quốc tế (bao gồm các công bố tại Hội nghị Pipeline Technology Conference Bruges 2000, NDT.net 2009, v.v.), các tiêu chuẩn ASME, ASTM, API để xây dựng nguyên lý thiết kế. Phần mềm CAD 3D được sử dụng để mô phỏng các phương án cơ cấu trước khi chế tạo thực.

Phương pháp thực nghiệm: Áp dụng phương pháp thử-và-sai (trial and error) có kiểm soát để xác định thông số tối ưu cho lò xo ép đầu dò, sai số vòng và sai số dọc của cơ cấu quét. Thực nghiệm đo kiểm được tiến hành với thiết bị phân tích OmniScan MX2 (Olympus) kết hợp đầu dò phased array chính hãng — đảm bảo kết quả có thể đối chiếu với tiêu chuẩn quốc tế.

Đối tượng thực nghiệm bao gồm mẫu mối hàn vòng ống thực tế và mẫu chuẩn hiệu chỉnh (calibration block) theo tiêu chuẩn ngành. Thực nghiệm được lặp lại ít nhất 4 lần đo độc lập để đánh giá độ lặp lại (repeatability) của thiết bị. Phương pháp phân tích định lượng được lựa chọn vì cho phép so sánh trực tiếp sai số thực đo với dung sai thiết kế, từ đó xác nhận tính khả thi của thiết bị chế tạo trong nước.

---

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện 1 — Thiết bị đa chức năng trên cùng nền tảng cơ khí. Luận văn thiết kế thành công 2 module kiểm tra độc lập (kiểm tra mối hàn vòng và kiểm tra ăn mòn) gắn trên cùng khung cùm kẹp ống — giải quyết hạn chế lớn nhất của các thiết bị nước ngoài hiện hành vốn chỉ thực hiện được một chức năng đơn lẻ. Điều này giúp giảm khoảng 50% chi phí thiết bị so với việc mua riêng lẻ từng loại máy nhập khẩu.

Phát hiện 2 — Sai số vị trí đầu dò được kiểm soát trong mức cho phép. Thực nghiệm xác định sai số vòng và sai số dọc trục của đầu dò cho kết quả nhất quán qua 4 lần đo. Sai số vị trí tích lũy nằm trong dải chấp nhận được theo tiêu chuẩn kiểm tra NDT, đảm bảo độ tin cậy dữ liệu hình ảnh S-Scan thu được từ OmniScan MX2. Dữ liệu này có thể được trình bày qua biểu đồ đường (line chart) so sánh sai số thực đo từng lần với đường dung sai thiết kế, cho thấy xu hướng ổn định và không phát sinh sai số hệ thống tích lũy.

Phát hiện 3 — Phương án lò xo ép đầu dò tối ưu về lực tiếp xúc. Sau khi thực nghiệm xác định lực lò xo qua bộ kẹp và lực kế, nhóm nghiên cứu chọn phương án dùng lò xo thay thế loadcell cảm biến lực (phương án bị loại). Lực ép của lò xo đảm bảo khoảng cách nêm so với mặt cong ống không vượt quá 0,5mm — ngưỡng tối đa cho phép để sóng siêu âm truyền dẫn ổn định qua chất tiếp âm.

Phát hiện 4 — Kết quả hình ảnh UT-PA phân giải cao. Kết quả thực nghiệm với mẫu mối hàn vòng ống sử dụng nêm nghiêng góc 55° và nêm góc 0° đều cho hình ảnh S-Scan màu rõ nét trên OmniScan MX2, xác định được vị trí và chiều sâu khuyết tật. Hình ảnh C-Scan dạng bản đồ màu (color map) có thể minh họa trực quan vùng ăn mòn phân bố không đều trên thành ống, hỗ trợ kỹ thuật viên đánh giá nhanh mà không cần cắt mẫu.

Thảo luận kết quả

Ưu điểm nổi bật của UT-PA so với siêu âm thông thường là điều khiển được chùm tia theo góc từ 35° đến 70° mà không cần thay đầu dò — rút ngắn thời gian kiểm tra thực tế. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế của Moles & Russell (2000) và Reinersmann (2005) về khả năng ứng dụng phased array trong kiểm tra mối hàn đường ống.

So sánh với thiết bị nước ngoài: Manual One-Axis Scanner (Olympus) vận hành bằng tay phụ thuộc tay nghề công nhân, trong khi thiết bị được thiết kế trong luận văn này tự động hóa cả hai chuyển động vòng và dọc trục thông qua bộ truyền đai và xích — loại bỏ sai số do người vận hành, đặc biệt quan trọng trong môi trường đường ống dầu khí ngoài khơi. Hạn chế ghi nhận là thiết bị hiện tại chỉ phù hợp ống lộ thiên, chưa kiểm tra được ống ngầm hoặc ống trong môi trường hạn chế không gian.

---

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, bốn nhóm giải pháp được đề xuất cho các đơn vị liên quan:

1. Mở rộng dải đường kính ống được hỗ trợ. Bộ Khoa học và Công nghệ và các cơ sở nghiên cứu kỹ thuật nên tài trợ phát triển phiên bản tiếp theo hỗ trợ ống có đường kính dưới 90mm và trên 500mm trong vòng 18–24 tháng tới. Mục tiêu: bao phủ trên 80% chủng loại ống đang sử dụng trong hệ thống lọc dầu Dung Quất, Nghi Sơn và Long Sơn.

2. Tích hợp hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu tự động. Các công ty kiểm định như VISCO nên hợp tác với cơ sở nghiên cứu để tích hợp phần mềm xử lý ảnh UT-PA nội địa thay thế phần mềm độc quyền của OmniScan, nhắm mục tiêu giảm 30% chi phí vận hành phần mềm trong 12 tháng đầu triển khai.

3. Xây dựng quy trình và tiêu chuẩn kiểm tra nội bộ. Các tổ hợp nhà máy lọc dầu, hóa chất và đóng tàu cần xây dựng quy trình kiểm tra UT-PA riêng được chứng nhận theo tiêu chuẩn ASME Section V và API 1104 trong năm 2024–2025, đảm bảo kết quả kiểm tra của thiết bị nội địa được công nhận ngang bằng thiết bị nhập khẩu.

4. Đào tạo kỹ thuật viên NDT cấp độ II trở lên. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM nên phối hợp triển khai chương trình đào tạo chuyên sâu về UT-PA, mục tiêu đào tạo ít nhất 50 kỹ thuật viên đạt chứng chỉ NDT Level II mỗi năm, đáp ứng nhu cầu nhân lực của các dự án dầu khí đang mở rộng tại Việt Nam.

---

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư và kỹ thuật viên NDT trong ngành dầu khí là đối tượng hưởng lợi trực tiếp nhất. Luận văn cung cấp quy trình kiểm tra đầy đủ từ bước chuẩn bị thiết bị, hiệu chỉnh đầu dò theo mẫu chuẩn, vận hành đo, đến xuất báo cáo hình ảnh — đủ để áp dụng ngay vào thực tiễn kiểm định đường ống mà không cần thêm tài liệu hướng dẫn bổ sung.

Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Cơ Điện Tử, Kỹ thuật Cơ khí có thể kế thừa phần thiết kế cơ cấu (bộ truyền đai, bộ truyền xích, cơ cấu lò xo ép đầu dò, encoder vị trí) làm nền tảng cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về robot kiểm tra đường ống tự động hoặc hệ thống NDT thông minh tích hợp AI.

Nhà quản lý và giám đốc kỹ thuật của các công ty kiểm định như VISCO và các đơn vị tương tự có thể dùng luận văn để đánh giá khả năng nội địa hóa thiết bị, so sánh chi phí-hiệu quả giữa thiết bị chế tạo trong nước và thiết bị nhập khẩu từ Olympus, WesDyne NDE hay Phoenix.

Cán bộ hoạch định chính sách khoa học công nghệ quan tâm đến tự chủ công nghệ NDT có thể tham khảo luận văn để thiết kế chương trình tài trợ R&D có mục tiêu rõ ràng, từ đó giảm chi phí nhập khẩu thiết bị kiểm định hàng năm — ước tính tiết kiệm đáng kể trong bối cảnh Việt Nam vận hành trên 3 cụm nhà máy lọc dầu lớn.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) khác gì so với siêu âm thông thường (UT)? UT thông thường dùng một biến tử cố định, chỉ phát chùm tia theo một hướng duy nhất. UT-PA dùng từ 16 đến 128 biến tử hoạt động phối hợp, điều khiển góc phát và tiêu điểm hội tụ điện tử mà không cần di chuyển đầu dò. Kết quả là hình ảnh màu 3 chiều dạng S-Scan trực quan hơn, tốc độ quét nhanh hơn và phát hiện được nhiều dạng khuyết tật hơn trong một lần quét.

2. Thiết bị trong luận văn kiểm tra được những loại khuyết tật nào? Thiết bị kiểm tra được 2 nhóm khuyết tật chính: khuyết tật mối hàn giáp mối (nứt, rỗ khí, lẫn xỉ, hàn không ngấu, lẹm chân, chảy loang, sai lệch hình dạng) và khuyết tật ăn mòn (ăn mòn đều, ăn mòn không đều, ăn mòn lỗ, ăn mòn giữa các tinh thể). Điều này vượt trội hơn phần lớn thiết bị nhập khẩu chỉ kiểm tra một loại khuyết tật mỗi lần.

3. Chi phí đầu tư thiết bị này so với thiết bị nước ngoài như thế nào? Thiết bị chế tạo trong nước theo luận văn này có chi phí đầu tư phần cơ khí và điều khiển thấp hơn đáng kể so với các thiết bị nhập khẩu tương đương. Phần thiết bị đo dữ liệu (OmniScan MX2 và đầu dò PA) vẫn cần nhập khẩu trong giai đoạn đầu, nhưng phần cơ cấu quét — vốn chiếm tỷ trọng lớn trong các hệ thống tự động — được nội địa hóa hoàn toàn.

4. Tại sao chọn lò xo thay vì cảm biến lực loadcell để ép đầu dò? Thực nghiệm cho thấy lò xo đảm bảo lực tiếp xúc ổn định và đủ để giữ khoảng cách nêm dưới 0,5mm so với mặt cong ống — ngưỡng cần thiết cho sóng siêu âm truyền qua chất tiếp âm hiệu quả. Loadcell phức tạp hơn về mạch điều khiển và dễ hỏng trong môi trường công nghiệp ẩm ướt, trong khi lò xo đơn giản, bền và không cần bảo trì thường xuyên.

5. Thiết bị có thể kiểm tra ống đang vận hành (ống có dòng chảy bên trong) không? Theo phạm vi nghiên cứu, thiết bị được thiết kế để kiểm tra ống lộ thiên, không yêu cầu ngưng hoạt động hay tháo rời đường ống. Đây là ưu điểm của phương pháp NDT nói chung. Tuy nhiên, đối với ống trong môi trường chật hẹp hoặc ống ngầm, cần phát triển cơ cấu gá đặt chuyên biệt — đây là hướng mở rộng được kiến nghị trong luận văn.

---

Kết luận

Luận văn đạt được những đóng góp khoa học và thực tiễn quan trọng cho ngành kiểm định kỹ thuật Việt Nam:

• Lần đầu tiên thiết kế và chế tạo thành công thiết bị tự động kiểm tra khuyết tật mối hàn vòng kết hợp kiểm tra ăn mòn đường ống ứng dụng công nghệ UT-PA tại Việt Nam.
• Nội địa hóa phần cơ cấu quét gồm bộ truyền đai, xích, cơ cấu lò xo và hệ thống điều khiển PIC — giảm chi phí đầu tư so với thiết bị nhập khẩu toàn bộ.
• Xây dựng quy trình kiểm tra chuẩn gồm 10 bước từ chuẩn bị đến xuất báo cáo hình ảnh, có thể áp dụng trực tiếp vào thực tiễn kiểm định công nghiệp.
• Thực nghiệm xác nhận độ tin cậy qua 4 lần đo lặp lại với sai số vòng và sai số dọc trục nằm trong giới hạn chấp nhận của tiêu chuẩn NDT quốc tế.
• Mở ra hướng phát triển cho robot kiểm tra đường ống tự động hoàn toàn, tích hợp xử lý ảnh AI và hỗ trợ dải đường kính ống rộng hơn trong giai đoạn 2024–2026.

Đối với các nhà nghiên cứu và kỹ sư muốn tiếp cận chi tiết về thiết kế cơ khí, sơ đồ mạch điều khiển hay quy trình thực nghiệm, luận văn cung cấp đầy đủ bản vẽ, sơ đồ nguyên lý và kết quả thực đo — nguồn tham khảo thiết thực cho bất kỳ dự án nội địa hóa thiết bị NDT nào trong lĩnh vực dầu khí và công nghiệp nặng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 11 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Duy Tuấn iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị phát hiện khuyết tật và ăn mòn đường ống dẫn sử dụng đầu dò siêu âm tổ hợp pha”, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ của quý thầy, cô các chuyên gia, các công ty, bạn bè và gia đình. Tôi xin cảm ơn: Xin cảm ơn chân thành đến thầyTS.

Lê Chí Cƣơng đã dành nhiều thời gian quan tâm, truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hƣớng dẫn, định hƣớng, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn chân thành đến thầyPGS. Đặng Thiện Ngônđã giành nhiều thời gian truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích, giúp đỡ tận tình, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn quý thầy, cô Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.

HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho tôi trong thời gian tôi học tập và nghiện cứu tại trƣờng. Xin cảm ơn anh Nguyễn Trọng Quốc Khánh - Giám đốc công ty TNHH Giải pháp kiểm định Việt (Visco) đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Xin cảm ơn anhLê HoàngThông -Giám đốc công ty TNHH cơ khí Hiệp Lực đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đếncác thầy, cô bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí Trƣờng ĐH Công Nghiệp Tp.

HCM, các đồng nghiệp ở các trƣờng bạn, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên giúp tôi hoàn thành khóa học của mình. Xin cảm ơn gia đình đã luôn ở bên tôi. Xin chân thành cảm ơn. iv TÓM TẮT Ngày nay với sự phát triển kinh tế và xã hội, nhu cầu năng lƣợng ngày càng gia tăng.

Nguồn năng lƣợng có sẵn từ thiên nhiên đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia. Nguồn năng lƣợng dồi dào có trữ lƣợng lớn hiện nay đó là dầu khai thác từ các mỏ khí. Nƣớc ta có trữ lƣợng dầu khí tƣơng đối lớn nhƣng chủ yếu chỉ bán nguyên liệu thô nên có giá trị không cao. Hiện nay nhiều tổ hợp nhà máy lọc dầu đang đƣợc hình thành nhằm đảm bảo, chủ động nguồn năng lƣợng quốc gia.

Đƣờng ống đƣợc dùng rất nhiều trong hệ thống, đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển, truyền tải, lƣu trữ nên yêu cầu chất lƣợng phải luôn đảm bảo. Khuyết tật ảnh hƣởng đến đƣờng ống chủ yếu là khuyết tật mối hàn nối giữa các đƣờng ống và khuyết tật ăn mòn do môi trƣờng với tác nhân bên trong và bên ngoài làm bề dày ống không đảm bảo. Việc kiểm tra và kiểm định chất lƣợng và khuyết tật của đƣờng ống có nhiều phƣơng pháp. Một trong số đó là những phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy NDT đƣợc ứng dụng nhiều nhƣ chụp ảnh phóng xạ, bột từ, dòng điện, rò rỉ, siêu âm, thẩm thấu, quang học, truyền âm, siêu âm tổ hợp pha… Hiện tại có rất nhiều phƣơng pháp kiểm tra nhƣ kiểm tra mối hàn giáp mối, kiểm tra dọc ống bằng tay hoặc tự động, kiểm tra ăn mòn, kiểm tra bồn chứa xăng dầu.

Tuy nhiên tất cả các thiết bị kiểm tra chủ yếu nhập từ nƣớc ngoài nên chi phí rất cao. Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) là phƣơng pháp mới nhất cho kết quả chính xác, nhanh, hình ảnh màu 3 chiều vẫn chƣa đƣợc ứng dụng nhiều ở nƣớc ta. Từ những vấn đề thực trạng trên, đề tài sẽ tập trung tìm hiểu về phƣơng pháp kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) và thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra mối hàn và thiết bị kiểm tra ăn mòn đƣờng ống sử dụng đầu siêu âm tổ hợp pha cho các đƣờng ống dẫn từ 90mm trở lên. v SUMMARY Today with the growth of economy and society, energy demand is increasing.

The source of power available from nature plays an important role in the growth to each country. An abundant resource with large reserves comes from oil which is currently exploited from oil mine. Our country has huge available oil reserves but mostly selling raw oil so that getting low value. Currently lots of combination refinery units are established to make sure, gain initiative for country‟s energy.

Pipelines are used a lot in these system, play an important role in the transportation, transmission, storage should be required high quality. Defects mainly affect pipelines are weld between the pipes and corrosion due to environmental factors inside and outside to the thickness of pipes. The inspection and testing the quality and defects of pipelines have many methods. One of these methods are non-destructive testing NDT which are widespread such as radiography, magnetic powder, electric current, leakage, ultrasonic, optical, acoustic, ultrasonic phase array.

Currently there are many testing methods such as testing weld joint, testing along the pipe by hand or automatic, testingcorrosion, testing gasoline tank. However, all of testing equipmentsare importedso the cost is very high. Ultrasonic testing phase array (UT- PA) method is a new method giving accurate results, faster, 3-D color images has not been applied popularly in our country. From the above situation, this topic will focus on learning about Ultrasonic Testing Phase Array (UT-PA) method and designing, manufacturing of weld testing equipment and corrosion testing equipment using ultrasound phase array for pipelines from 90mm above.

vi MỤC LỤC TRANG Chƣơng 1:GIỚI THIỆU .1 Tính cấp thiết của đề tài .2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .1 Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài .2 Phạm vi nghiên cứu .5 Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Cơ sở phƣơng pháp luận.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể .1 Phƣơng pháp lý thuyết .2 Phƣơng pháp thực nghiệm .4 Chƣơng 2:TỔNG QUAN .1 Phân loại ống thép theo công nghệ .1 Khái quát về quy trình công nghệ .2 Phân loại ống đúc dựa vào mục đích sử dụng .2 Ống thép hàn .1 Mối hàn dọc ống (mối hàn dọc trục) .2 Mối hàn ngang ống (mối hàn hƣớng kính) .3 Mối hàn xoắn ống .4 Khuyết tật mối hàn .2 Phân loại khuyết tật mối hàn .5Lẹm chân và chảy loang .6Khuyết tật về hình dạng .5 Khuyết tật ăn mòn kim loại .1 Cấu tạo của kim loại và ảnh hƣởng của nó đến quá trình ăn mòn .2 Sự ăn mòn kim loại.2Quá trình ăn mòn .3 Các dạng ăn mòn bề mặt .6 Kiểm tra không phá hủy (NDT) .7 Các nghiên liên quan đến đề tài.1 Các nghiên cứu trong nƣớc .2 Các nghiên ngoài nƣớc .8 Thiết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại .1 Máy quét bằng tay MODEL 4020 của hãng WesDyne NDE .2 HydroFORM của hãng Olympus .4 Manual One-Axis Scanner của hãng Olympus (HSMT- Compact Weld Inspection) .24 Chƣơng 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Các phƣơng pháp kiểm tra .1 Kiểm tra bằng thị giác và quang học (VT) .2 Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic test) .4 Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu (PT) .5 Kiểm tra bằng bột từ (MT) .6 Kiểm tra bằng truyền âm (AE) .7 Kiểm tra rò rỉ (LT) .8 Siêu âm tổ hợp pha (UT - PA).8 Lựa chọn phƣơng pháp kiểm tra.4 Hình ảnh thu đƣợc .1Hiển thị dạng A-Scan .2Hiển thị dạng B-Scan.3Hiển thị dạng C-Scan.4Hiển thị dạng S-Scan .46 Chƣơng 4:YÊU CẦU VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ .1 Phân tích đối tƣợng thiết kế.2 Phƣơng án chọn lựa thiết kế .1 Phƣơng án chuyển động tròn quanh ống .1Phƣớng án 1: Bánh xe từ .2Phƣơng án 2: dùng cùm cố định quanh ống .2 Phƣơng án chuyển động dọc ống .1 Phƣớng án1: Xi lanh khí nén .2 Phƣơng án 2: vít me kết hợp với bộ truyền đai .3 Phƣơng án 3: Bộ truyền trục vít me kết hợp thanh trƣợt .4 So sánh các phƣơng án và lựa chọn .1 Phƣớng án 1: Dùng loadcell cảm biến lực ép đầu đò vào ống .2 Phƣơng án 2: Dùng lò xo.4 So sánh các phƣơng án và lựa chọn .4 Xác định sai lệch của đầu dò so với mối hàn .1 Phƣơng án 1: Sử dụng cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn .2 Phƣơng án 2: Dùng đèn laser đƣờng .3 Phƣơng án 3: Dùng Camera .4 So sánh các phƣơng án và lựa chọn .1 Phƣớng án 1: Dùng Encoder .2 Phƣơng án 2: Dùng thƣớc quang .3 So sánh các phƣơng án và lựa chọn .1 Phƣớng án 1: Dùng 3 kẹp hình tam giác .2 Phƣơng án 2: Dùng 4 kẹp hình chữ nhật .3 So sánh các phƣơng án và lựa chọn .7 Chất tiếp âm .8 Lựa chọn bộ điều khiển .9 Lựa chọn phƣơng án thiết kế .61 Chƣơng 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU .1 Tính toán, thiết kế cơ cấu .1 Tính toán cơ khí.1 Tính toán bộ truyền đai .2 Tính toán bộ truyền xích .3 Tính toán lò xo .4 Tính toán, kiểm nghiệm bền trục.2 Thiết kế phần mạch .1 Khối mạch điều khiển và nút nhấn .2 Khối công suất điều khiển động cơ .3 Sơ đồ kết nối các bộ phận.2 Quá trình chế tạo .1 Chế tạo các bộ phận cơ khí: .2 Chế tạo các mạch điều khiển: .83 Chƣơng 6:QUI TRÌNH KIỂM TRA, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .1 Qui trình kiểm tra .1 Phạm vi áp dụng .2 Định nghĩa và viết tắt thuật ngữ .3 Tham chiếu tiêu chuẩn .5 Thời gian kiểm tra .6 Chuẩn bị thiết bị đo .7 Chuẩn bị bề mặt đo .8 Kiểm tra và vận hành thiết bị .9 Sửa chữa và kiểm tra lại .10 Xuất hình ảnh báo cáo .1 Thực nghiệm xác định lực của lò xo .2 Thực nghiệm xác định sai số vòng của đầu dò.3 Thực nghiệm xác định sai số dọc trục .3 Thực nghiệm đo với Omni Scan và đầu dò .1 Thử nghiệm với mối hàn vòng ống .1 Các thông số lựa chọn thí nghiệm .2 Các bƣớc tiến hành thí nghiệm .1 Các thông số lựa chọn thí nghiệm .2 Các bƣớc tiến hành thí nghiệm .103 Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .107 x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DAC Digital to Analogue Converter MPI Magnetic Particle Inspection NDT Non - Destructive Testing NDE Non - Destructive Evaluation NDI Non - Destructive Inspection LPI Liquid Penetran Inspection PA Phased Array UI Untrasonic Inspection VT Visual Test PT Penetrant Test MT Magnetic particle test ET Eddy Current Test RT Radiographic Test UT Ultrasonic Test AET Acoustic Emission Testing LT Leak Testing API Amrican Petreleun Instiute GB Great Britain ASME American Society of Mechanical Engineers ASTM American Society for Testing and Materials UT-PA Ultrasonic Test Phase Array xi DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hình 2.1: Qui trình công nghệ thép đúc .2: Qui trình công nghệ thép hàn .3: Ống thép không gỉ .4: Ống thép tròn đen .5: Ống thép mạ kẽm .6: Mối hàn dọc trục.7: Mối hàn hƣớng kính .