Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và xã hội hiện nay, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng cao, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp dầu khí, lọc dầu và năng lượng tái tạo. Tại Việt Nam, việc đầu tư xây dựng các nhà máy lọc dầu và hệ thống đường ống dẫn nhiên liệu được chú trọng nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu. Theo ước tính, các hệ thống đường ống thép có đường kính từ 25 mm đến 250 mm được sử dụng rộng rãi trong vận chuyển và lưu trữ nhiên liệu, đòi hỏi chất lượng và độ an toàn cao. Tuy nhiên, các khuyết tật như nứt, rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu và hiện tượng ăn mòn kim loại do tác động của môi trường bên trong và bên ngoài làm giảm độ bền và tuổi thọ của đường ống.

Vấn đề kiểm tra và đánh giá chất lượng đường ống, đặc biệt là mối hàn nối và độ mòn thành ống, trở nên cấp thiết nhằm đảm bảo an toàn vận hành và giảm thiểu rủi ro tai nạn. Phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) như siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, bột từ, thẩm thấu được ứng dụng phổ biến trên thế giới. Trong đó, kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) nổi bật với khả năng cho kết quả nhanh, chính xác và hình ảnh 3 chiều màu sắc rõ nét. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các thiết bị kiểm tra chủ yếu được nhập khẩu với chi phí cao và chưa có nhiều nghiên cứu ứng dụng thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha để kiểm tra tự động.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế, chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha nhằm kiểm tra và đánh giá chất lượng mối hàn và độ ăn mòn của ống thép, góp phần làm chủ công nghệ kiểm tra, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả kiểm tra trong ngành công nghiệp dầu khí và các lĩnh vực liên quan. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các loại ống thép có đường kính từ 25 mm đến 250 mm, với các dạng khuyết tật phổ biến như nứt, rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu và ăn mòn đều hoặc không đều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nhóm lý thuyết chính: cơ học phá hủy và kiểm tra không phá hủy (NDT). Cơ học phá hủy tập trung vào nghiên cứu sự xuất hiện, phát triển và lan truyền của các vết nứt trong kết cấu kim loại, từ đó đánh giá độ bền và tuổi thọ của chi tiết. Các khái niệm chính bao gồm: ứng suất dư, vết nứt nóng và nguội, các dạng nứt dọc, ngang và vết nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt.

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. Trong đó, kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) được áp dụng rộng rãi nhờ khả năng điều khiển chùm tia siêu âm điện tử, cho phép quét nhanh, chính xác và tạo hình ảnh 3 chiều của khuyết tật. Các khái niệm chuyên ngành bao gồm: đầu dò phased array, sóng siêu âm, chùm tia quét, phản xạ sóng, và các dạng khuyết tật mối hàn như rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (API, ASTM, ASME), tài liệu chuyên ngành về vật liệu và kiểm tra không phá hủy, cùng các kết quả thử nghiệm thực tế trên mẫu ống thép có kích thước từ 25 mm đến 250 mm. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp lý thuyết: Tổng hợp, phân tích các tài liệu, tiêu chuẩn, và nghiên cứu trước để xây dựng yêu cầu thiết kế thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha. Phân tích các nguyên lý sóng siêu âm, cơ cấu chuyển động và thiết kế cơ khí phù hợp với đặc điểm đường ống và khuyết tật cần kiểm tra.

  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế và chế tạo nguyên mẫu thiết bị dựa trên các phương án đã lựa chọn. Thử nghiệm đánh giá thiết bị trên các mẫu ống thép chuẩn với các dạng khuyết tật mô phỏng. Sử dụng phần mềm phân tích để đánh giá kết cấu và hiệu quả hoạt động của thiết bị. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và hoàn thiện.

Cỡ mẫu thử nghiệm gồm khoảng 10 mẫu ống thép với các dạng khuyết tật khác nhau, được lựa chọn ngẫu nhiên theo phương pháp chọn mẫu thuận tiện nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng đánh giá chính xác hiệu quả thiết bị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế cơ cấu chuyển động và kẹp đầu dò: Qua so sánh các phương án chuyển động tròn quanh ống và chuyển động dọc ống, phương án sử dụng bộ kẹp kết hợp bánh xe từ cho phép thiết bị bám chắc trên bề mặt ống, đảm bảo khoảng cách đầu dò ổn định với sai số vòng đo dưới 0,5 mm. Thiết bị có thể vận hành trên ống đường kính từ 25 mm đến 250 mm với độ chính xác vị trí đầu dò đạt ±0,2 mm.

  2. Hiệu quả kiểm tra khuyết tật mối hàn: Thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha cho kết quả phát hiện các khuyết tật như nứt, rỗ khí, lẫn xỉ với độ nhạy trên 95%, vượt trội so với phương pháp siêu âm truyền thống (UT) chỉ đạt khoảng 85%. Hình ảnh C-scan 3 chiều màu sắc rõ nét giúp xác định chính xác vị trí và kích thước khuyết tật.

  3. Kiểm tra ăn mòn thành ống: Thiết bị cho phép đo độ dày thành ống với sai số dưới 0,1 mm, phát hiện được các dạng ăn mòn đều và không đều. Tốc độ quét đạt 100 mm/s, giúp rút ngắn thời gian kiểm tra so với phương pháp thủ công.

  4. Tính tự động và ổn định vận hành: Thiết bị hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế, giảm phụ thuộc vào tay nghề người vận hành, nâng cao năng suất kiểm tra lên khoảng 30% so với kiểm tra thủ công. Các thử nghiệm xác định lực lò xo kẹp đầu dò và sai số vòng đo được thực hiện nhiều lần cho kết quả lặp lại tốt với độ lệch nhỏ hơn 0,05 mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp thiết bị đạt hiệu quả cao là do ứng dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha với khả năng điều khiển chùm tia điện tử, cho phép quét đa góc và hội tụ chùm tia tại vị trí khuyết tật. So với các thiết bị kiểm tra thủ công hoặc nhập khẩu hiện có, thiết bị tự hành này khắc phục được nhược điểm về chi phí cao, phụ thuộc tay nghề và khả năng kiểm tra trên nhiều kích thước ống khác nhau.

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo quốc tế về hiệu quả của kỹ thuật UT-PA trong kiểm tra mối hàn và ăn mòn, đồng thời mở ra hướng phát triển thiết bị kiểm tra tự động tại Việt Nam. Việc sử dụng bộ kẹp kết hợp bánh xe từ giúp thiết bị bám chắc trên bề mặt ống, giảm sai số vị trí đầu dò, điều mà các thiết bị trước đây chưa làm tốt. Hình ảnh thu được qua thiết bị có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ C-scan 3D màu sắc, giúp kỹ thuật viên dễ dàng phân tích và đánh giá chất lượng đường ống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng thiết bị tự hành trong kiểm tra định kỳ: Các doanh nghiệp dầu khí và nhà máy lọc dầu nên áp dụng thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha để kiểm tra mối hàn và ăn mòn đường ống, nhằm nâng cao độ chính xác và giảm chi phí vận hành. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng đầu sau khi thiết bị được bàn giao.

  2. Đào tạo nhân lực chuyên sâu về kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật viên vận hành và phân tích dữ liệu siêu âm tổ hợp pha, nhằm nâng cao năng lực nội bộ và giảm sự phụ thuộc vào chuyên gia nước ngoài. Khuyến nghị thực hiện trong 3 tháng đầu tiên sau khi thiết bị được đưa vào sử dụng.

  3. Nghiên cứu phát triển thêm các phụ kiện và cơ cấu gá đa dạng: Phát triển các bộ gá và cơ cấu kẹp phù hợp với nhiều loại ống có kích thước và hình dạng khác nhau, mở rộng phạm vi ứng dụng thiết bị. Thời gian nghiên cứu và phát triển dự kiến 12 tháng.

  4. Xây dựng quy trình kiểm tra và bảo trì thiết bị chuẩn hóa: Thiết lập quy trình vận hành, bảo dưỡng và hiệu chuẩn thiết bị nhằm đảm bảo độ chính xác và tuổi thọ thiết bị lâu dài. Khuyến nghị hoàn thiện trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia trong ngành dầu khí: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kiểm tra chất lượng đường ống và mối hàn bằng kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha, giúp nâng cao hiệu quả kiểm tra và đảm bảo an toàn vận hành.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu: Tài liệu chi tiết về cơ sở lý thuyết, thiết kế và chế tạo thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha là nguồn tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị kiểm tra không phá hủy: Luận văn cung cấp giải pháp thiết kế thiết bị tự động, giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường trong nước, giảm chi phí nhập khẩu.

  4. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng công nghiệp: Thông tin về các phương pháp kiểm tra không phá hủy và thiết bị ứng dụng giúp xây dựng tiêu chuẩn, quy trình kiểm tra chất lượng đường ống trong các dự án công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) khác gì so với siêu âm truyền thống?
    UT-PA sử dụng nhiều biến tử độc lập trong đầu dò, cho phép điều khiển chùm tia siêu âm điện tử, quét đa góc và tạo hình ảnh 3 chiều màu sắc rõ nét. Trong khi đó, siêu âm truyền thống chỉ dùng một đầu dò đơn, quét theo hướng cố định, độ chính xác và tốc độ thấp hơn.

  2. Thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm có thể kiểm tra được loại ống nào?
    Thiết bị được thiết kế để kiểm tra các loại ống thép có đường kính từ 25 mm đến 250 mm, bao gồm ống thép hàn, ống thép không gỉ và các loại ống mạ kẽm phổ biến trong công nghiệp dầu khí và lọc dầu.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác khi kiểm tra khuyết tật mối hàn?
    Thiết bị sử dụng cơ cấu kẹp kết hợp bánh xe từ giúp đầu dò bám chắc trên bề mặt ống, duy trì khoảng cách ổn định với sai số vòng đo dưới 0,5 mm. Ngoài ra, việc hiệu chuẩn đầu dò với mẫu chuẩn và sử dụng encoder giúp xác định vị trí chính xác.

  4. Thiết bị có thể phát hiện những dạng khuyết tật nào trên đường ống?
    Thiết bị phát hiện được các dạng khuyết tật phổ biến như nứt (nóng, nguội, dọc, ngang), rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu, lẹm chân, chảy loang và các dạng ăn mòn đều hoặc không đều trên thành ống.

  5. Chi phí đầu tư thiết bị tự hành so với nhập khẩu có lợi thế gì?
    Việc thiết kế và chế tạo trong nước giúp giảm chi phí đầu tư đáng kể so với thiết bị nhập khẩu, đồng thời dễ dàng bảo trì, sửa chữa và nâng cấp phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha kiểm tra chất lượng mối hàn và ăn mòn ống thép đường kính từ 25 mm đến 250 mm.
  • Thiết bị cho kết quả kiểm tra chính xác, nhanh chóng với độ nhạy phát hiện khuyết tật trên 95%, vượt trội so với phương pháp truyền thống.
  • Ứng dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha giúp tạo hình ảnh 3 chiều màu sắc rõ nét, hỗ trợ đánh giá chính xác vị trí và kích thước khuyết tật.
  • Thiết bị giảm phụ thuộc vào tay nghề người vận hành, nâng cao năng suất kiểm tra và giảm chi phí vận hành.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thiết bị trong các ngành dầu khí, lọc dầu và đào tạo nhân lực chuyên sâu để làm chủ công nghệ kiểm tra không phá hủy.

Tiếp theo, cần tiến hành mở rộng nghiên cứu phát triển các phụ kiện gá đa dạng, hoàn thiện quy trình vận hành và bảo trì thiết bị, đồng thời triển khai đào tạo kỹ thuật viên vận hành thiết bị. Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích liên hệ để trao đổi, hợp tác ứng dụng công nghệ kiểm tra siêu âm tổ hợp pha trong thực tiễn.