CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU thiết kế rô bốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống

 

1.1     Đặt vấn đề thiết kế rô bốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống

 

      Trong các nghành công nghiệp dầu khí, điện lực, giao thông, thủy lợi hiện nay có rất nhiều đường ống thép có đường kính khác nhau, được sử dụng để dẫn chất lỏng, chất khí và các loại khí đốt...Vấn đề an ninh an toàn cho các đường ống này được đặt lên hàng đầu khi chúng được đưa vào sử dụng.

     Một trong số những nguyên nhân chính gây ra các sự cố về đường ống là do các hư hỏng phát sinh khi sản xuất, lắp đặt và trong quá trình sử dụng đường ống. Những sự cố này gây nên những tổn thất lớn về con người, về kinh tế và đặc biệt là gây nên ô nhiễm môi trường. Việc kiểm tra phát hiện các hư hỏng, đánh giá chất lượng ống khi sản xuất và trong quá trình sử dụng luôn là vấn đề cấp bách được quan tâm nghiên cứu. Ngày nay, đã có nhiều công trình ứng dụng thành công các công nghệ tiên tiến để chế tạo ra các thiết bị kiểm tra tự động giúp tăng năng suất hoạt động gấp nhiều lần và có độ tin cậy cao.

      Vì những lí do trên nên việc nghiên cứu thiết kế một rô bốt mang theo thiết bị phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống là một vấn đề cấp thiết và cấp bách trong thời điểm hiện nay.

1.2     Tính cấp thiết của đề tài.

      Đường ống được dùng rất nhiều trong hệ thống dẫn dầu, dẫn khí,…đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển, truyền tải, lưu trữ nên yêu cầu về chất lượng rất khắt khe. Khuyết tật ảnh hưởng đến đường ống chủ yếu là khuyết tật hàn khi hàn ghép nối giữa các đường ống và khuyết tật ăn mòn do môi trường trong quá trình sử dụng. Ngoài ra, còn có khuyết tật do tác dụng của ngoại lực gây ra như thiên tai, động đất hay bị các vật khác tác dụng lên,…

Vấn đề đặc biệt quan trọng mà nhiều ngành công nghiệp phải đối mặt đó là phát hiện ra những khuyết tật đó để có hướng xử lý kịp thời. Những khuyết tật như vậy thường khó có thể phát hiện được nếu chúng tồn tại bên trong lòng ống, hoặc ở những đoạn ống ngầm dưới đất hay dưới biển. Nếu không được phát hiện trong thời gian dài, nó sẽ làm yếu thành ống và có thể dẫn đến cấu trúc bị hỏng và nguy hiểm.

Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam đang áp dụng nhiều phương pháp kiểm tra chất lượng cũng như độ mòn của đường ống. Tuy nhiên việc kiểm tra này chủ yếu ở bên ngoài ống và còn mang tính thủ công hoặc bán tự động. Vì vậy việc kiểm tra đánh giá vẫn còn có một số nhược điểm sau:

-         Thời gian đo kiểm lớn, kéo dài và hiệu quả không cao.

-         Công tác vận hành kiểm tra tương đối phức tạp.

-         Đội ngũ cán bộ kiểm tra đánh giá đòi hỏi phải có kinh nghiệm.

-         Tốc độ di chuyển của thiết bị kiểm tra bằng tay không ổn định mang tính thủ công

-         Ở một số đường ống dài việc kiểm tra bằng thủ công sẽ không hiệu quả về mặt thời gian, nhân lực

 

 

 

 

              

 

 

 

 

 

 

        

    

Hình 1.1 Kiểm tra khuyết tật đường ống dẫn dầu lộ thiên

 

1.3    Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài.

1.3.1 Tính thực tiễn của đề tài

Robot phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như trong ngành dầu khí, giao thông, thủy lợi; nhằm phát hiện những khuyết tật cũng như độ mòn của ống sau một thời gian sử dụng để có hướng xử lý kịp thời. Ngoài ra cũng có thể ứng dụng tốt trong các nhà máy sản xuất chế tạo ống để kiểm tra, phát hiện những khuyết tật hay đo độ dày ống trước khi đưa ra ngoài thị trường tiêu thụ.

Với việc kiểm tra các đường ống dẫn dài thì robot này hoạt động sẽ hiệu quả hơn các thiết bị kiểm tra bằng tay hoặc bán tự động.

1.3.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Hướng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế rôbốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống. Đề tài có một số ý nghĩa khoa học sau:

-         Nêu ra được nguyên lý hoạt động của rôbốt chạy trong lòng ống.

-         Giới thiệu một số thiết bị kiểm tra phát hiện khuyết tật bên trong và bên ngoài ống.

1.4   Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

-         Khảo sát các khuyết tật thường gặp của ống dẫn khí/dầu.

-         Khảo sát các cách thức phát hiện các khuyết tật của ống dẫn.

-         Đề xuất nguyên lý thiết bị phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống sử dụng camera.

-         Đề xuất các chức năng cần có của thiết bị tự hành mang camera.

-         Nghiên cứu, đề xuất kết cấu khả thi của thiết bị (2 phương án).

-         Thiết kế cụm dẫn động của rôbốt, đồ gá gắn camera.

-         Thiết kế cụm nguồn pin cung cấp năng lượng cho rôbốt.

-         Thiết kế hoàn chỉnh rôbốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống sử dụng camera.

1.5   Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

-         Các ống thép ( đen ) dẫn dầu/khí có đường kính D = 10 – 14 inch.

-         Rôbốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống sử dụng camera

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

       Do khối lượng của đề tài lớn nên phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung chủ yếu vào việc khảo sát, đề xuất và thiết kế rôbốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống sử dụng camera.

1.6   Phương pháp nghiên cứu

     Phương pháp nghiên cứu bao gồm 2 phần chính là:

-         Nghiên cứu phân tích lý thuyết: thu thập tài liệu từ các sách, báo, tạp chí, internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu.

-         Phương pháp thực nghiệm: tiến hành khảo sát, đề xuất và thiết kế rôbốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống sử dụng camera.

1.7   Nội dung của đề tài

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 4: Yêu cầu và phương án thiết kế

Chương 5: Thiết kế rôbốt

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

 

2.1   Các dạng ống thường dùng trong nghành công nghiệp dầu khí

          Trong ngành công nghiệp dầu khí thường sử dụng các loại ống hình tròn để phục vụ cho việc truyền tải và sử dụng năng lượng.Vật liệu chế tạo đường ống dầu khí thường được sử dụng các loại sau:

-         Ống thép hợp kim C – Mn loại hàn ( Welded C – Mn steel linepipe )

-         Ống thép hợp kim C – Mn cán liền không mối nối ( Seamless C – Mn steel linepipe)

-         Ống thép có cấu trúc kim loại Ferritic – Austenitic ( Duplex steel )

-         Các loại ống thép không gỉ và ống thép hợp kim niken chống ăn mòn (Other stainless

steel and nickel based corrosion resistant aloy linepipe )[ N]

2.1.1   Ống inox ( ống thép không gỉ )

     Trong nghành luyện kim thuật ngữ thép không gỉ hay còn gọi là inox là một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm. Tên gọi là thép không gỉ nhưng thật ra nó chỉ là hợp kim của sắt nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn như thép thông thường khác.

 

                      

 

Hình 2.1: Ống thép không gỉ

 

2.1.2 Ống thép hợp kim

Thép hợp kim là loại thép chứa trong nó một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp. Người ta đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép. Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu. Chính nhờ các nguyên tố hợp kim đó mà làm cho thép hợp kim nói chung có những ưu điểm vượt trội so với thép cacbon như:

-         Về cơ tính: thép hợp kim nói chung có độ bền có độ bền cao hơn hẳn so với thép

cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện, tôi và ram.

-         Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200°C. Muốn đạt được điều này thì thép phải được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao.

Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn,…

2.1.3   Ống thép có cấu trúc kim loại Ferritic – Austenitic ( Duplex steel )

Thép không gỉ Duplex steel là loại thép “song pha” có một vi cấu trúc chứa 50% Ferritic và 50% Austenit. Thép không gỉ Duplex cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt và độ bền cơ học rất cao. Khi thép không gỉ song pha được nấu chảy nó đã đặc lại từ pha lỏng vào một cấu trúc hoàn toàn Ferit. Khi vật liệu nguội đến nhiệt độ phòng, khoảng một nửa các hạt ferit biến đổi thành hạt austenit. Kết quả là một vi cấu trúc của khoảng 50% ferrite và 50% austenite.

                  

                                                                                                                       

Hình 2.2: Thép không gỉ Duplex

Việc chống ăn mòn cao bằng thép không gỉ Duplex, đảm bảo thời gian hoạt động nhiều hơn so với thép carbon và thép không gỉ thông thường, trong khi sức mạnh cơ khí cho phép công trình xây dựng nhẹ, thiết kế hệ thống nhỏ gọn hơn và ít hàn.

2.1.4   Quy trình chế tạo các ống thép

Căn cứ vào công nghệ sản xuất và hình dáng phôi sử dụng chế tạo, người ta lại chia ra thành 4 loại: ống thép đúc (sử dụng phôi tròn), ống thép hàn (sử dụng phôi tấm, lá), ống thép không gỉ hàn (sử dụng phôi tấm), ống thép không gỉ cán (sử dụng phôi thanh)

a)     Quy trình công nghệ hàn thép ống

Sản xuất ống thép từ phôi thép tấm và phôi thép lá sẽ để lại những đường hàn trong ống (ống hàn). Ống thép hàn mang đầy đủ những đặc tính của ống thép cán nhưng có khả năng chịu áp lực, độ bền thấp hơn ống thép cán:

 

                    

 

Hình 2.3: Quy trình công nghệ hàn ống thép

 

-         Căn cứ vào công nghệ hàn mà chia ra thành ống hàn lò, ống hàn điện và hàn tự động.

-         Căn cứ vào hình thức hàn chia ra làm 2 loại ống hàn: ống hàn thẳng và ống hàn xoắn.

Yêu cầu kỹ thuật của ống thép hàn: có chiều dày thành ống bằng nhau, có độ cứng, chịu áp lực cao, vẫn bẻ uốn kéo dãn tốt, chất lượng đồng bộ, đáp ứng yêu cầu cao về kỹ thuật chính xác và thẩm mỹ, khả năng chịu lực tốt trong hệ kết cấu khác.

b)     Quy trình công nghệ cán thép ống.

Cán ống là phương pháp tạo ống thép bằng phương pháp cán, giống như các loại hình cán khác (cán tấm, cán hình, cán bi, cán ren, cán bánh răng,…) Cán ống cũng theo nguyên lí biến dạng dẻo kim loại giữa các trục cán.

 

  

 

Hình 2.4: Quy trình công nghệ cán ống thép

 

                                   

 

Hình 2.5: Hình ảnh máy cán ống thép

 

Căn cứ vào công nghệ chế tạo, chia ra gồm ống thép đúc cán nóng và ống thép đúc cán nguội. Ống thép đúc cán nguội lại gồm ống tròn và ống hộp.

• Cán nóng (ống áp lực) : Phôi tròn –> nung nóng –> khoét lỗ –> đẩy áp –> thoát lỗ –> định đường 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.[N]

2.2     Các dạng khuyết tật và hư hỏng của ống thép

2.2.1   Khuyết tật hình thành trong quá trình chế tạo ống

Các thay đổi không mong muốn làm giảm khả năng làm việc của mối hàn được gọi là khuyết tật hàn. Các khuyết tật này có thể là sự thay đổi gây ra sự mất liên tục trong mối hàn hoặc có thể là khuyết tật làm thay đổi hình dạng ngoại quan của mối thép hàn. Những khuyết tật này có thể được nhìn thấy trực tiếp bằng mắt nhưng cũng có những khuyết tật không thể nhìn thấy trực tiếp bằng mắt.

Theo chuẩn NF EN 26250 (các chuẩn khác cũng được phân loại tương tự ) thì các khuyết tật hàn được phân nhóm như sau :[N]

-         Nhóm 1: Nứt

-         Nhóm 2: Rỗ / bọt

-         Nhóm 3: Ngậm xỉ / tạp chất

-         Nhóm 4: Thiếu chảy / thiếu ngấu

-         Nhóm 5: Sai lệch hình dạng

a)     Nứt (Cracks )

Nứt – là một trong những khuyết tật nghiêm trọng nhất của liên kết hàn, nứt có thể xuất hiện trên bề mặt mối hàn, trong mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt.

 

                          

 

Hình 2.6: Khuyết tật nứt trong liên kết hàn

 

Vết nứt có thể xuất hiện ở các nhiệt độ khác nhau:

-         Nứt nóng ( Hot cracks ): Xuất hiện trong quá trình kết tinh của liên kết hàn khi nhiệt

độ còn khá cao, trên 1000°C. Các vết nứt có thể xuất hiện ở giữa mối hàn (centerline) hoặc ở vùng ảnh hưởng nhiệt.

-         Nứt nguội( Cold cracks ): Xuất hiện sau khi kết thúc quá trình hàn và ở nhiệt độ dưới

1000°C, nứt nguội có thể xuất hiện sau vài giờ hoặc sau vài ngày.

-         Nứt tầng: nứt thành từng tầng.

-         Nứt kết tủa ( Precipitation induced cracks ): nứt do các hợp chất kết tủa trong quá

trình hàn.

-         Nứt cắt lớp ( Lamellar tearing ): nứt có dạng phân lớp trên kim loại mối hàn. Nứt cắt

lớp thường xuất hiện trong thép cán ( chủ yếu là thép tấm ). Đặc điểm nhận dạng là vết nứt có dạng hình bậc thang và xuất hiện ở nhiều nơi.                        

Các vết nứt có thể có các kích thước khác nhau như nứt tế vi hay nứt thô đại. Các vết nứt thô đại có thể gây phá hủy kết cấu ngay khi làm việc. Các vết nứt tế vi, trong quá trình làm việc sẽ phát triển rộng dần ra tạo thành các vết nứt thô đại. Có thể phát hiện bằng mắt thường hoặc dùng kính lúp đối với vết nứt thô đại và nằm ở bề mặt liên kết hàn. Đối với vết nứt tế vi và nằm ở bên trong mối hàn có thể dùng các phương pháp kiểm tra như siêu âm, từ tính, chụp X quang,…để xác định.

Phân loại khuyết tật nứt

	Code Tên gọi Mô tả Tên tiếng anh 101 Nứt dọc LONGITUDINALCRACK               102 Nứt ngang TRANSVERSE CRACK 103 Nứt phân nhánh(nứt chân chim)   RADIATINGCRACK 104 Nứt đuôi lũa CRATERCRACK

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bảng 2.1: Phân loại khuyết tật nứt

 

vNứt dọc: là hiện tượng các vết nứt chạy dọc theo trục mối hàn. Các vết nứt này có thể xuất hiện trên kim loại cơ bản, vùng ảnh hưởng nhiệt, chân mối hàn và trên mối hàn.

                                                                                        

Hình 2.7: Nứt dọc trên kim loại cơ bản và trên mối hàn

 

vNứt ngang:

Là hiện tượng các vết nứt chạy vuông góc theo trục mối hàn. Các vết nứt này có thể xuất hiện trên kim loại cơ bản, vùng ảnh hưởng nhiệt và trên mối hàn. Các vết nứt được phát hiện trên phim X quang là một vết đen và cho một sóng thẳng trên màn hình siêu âm. Tuy nhiên dạng nứt này thường cho tín hiệu sóng phản xạ siêu âm rất kém do bề mặt vết nứt gần như song song với chùm sóng âm.

                

 

Hình 2.8: Nứt ngang trên kim loại cơ bản và trên mối hàn

 

vNứt phân nhánh( Nứt chân chim )

                                              

 

Hình 2.9: Vết nứt phân nhánh

 

vNứt đuôi lũa:

Là nứt nóng do kết thúc và nối mối hàn không đúng cách.

Do ứng suất nhiệt khi hàn quá lớn , lớp hàn quá mỏng.

 

                                          

 

Hình 2.10: Vết nứt đuôi lũa

Nguyên nhân:

-         Sử dụng vật liệu hàn chưa đúng.

-         Tồn tại sức căng lớn trong liên kết hàn.

-         Tốc độ nguội cao.

-         Sắp xếp các lớp hàn chưa hợp lý.

-         Liên kết hàn không hợp lý.

Biện pháp khắc phục:

-         Sử dụng vật liệu hàn phù hợp

-         Giải phóng các lực kẹp chặt cho liên kết hàn khi hàn, tăng khả năng điền đầy khi hàn

-         Gia nhiệt trước cho vật hàn, giữ nhiệt trong khi hàn và giảm tốc độ nguội sau khi hàn

-         Bố trí so le các lớp hàn. Sử dụng liên kết hàn hợp lý, vát mép, giảm khe hở…

b)     Rỗ khí.

Rỗ khí là hiện tượng các khí sinh ra trong quá trình hàn hoặc trong quá trình kim loại mối hàn đông đặc bị lẫn vào mối hàn. Rỗ khí có thể sinh ra ở bên trong hoặc bề mặt mối hàn. Rỗ khí có thể nằm ở phần ranh giới giữa kim loại cơ bản và kim loại đắp.

Rỗ khí có thể phân phối tập trung hoặc nằm rời rạc trong mối hàn. Sự tồn tại của rỗ khí trong liên kết hàn sẽ làm giảm tiết diện làm việc, giảm cường độ chịu lực và độ kín của liên kết.

Hình 2.11: Khuyết tật rỗ khí

 

Nguyên nhân:

-         Hàm lượng các bon trong kim loại cơ bản hoặc trong vật hàn quá cao.

-         Vật liệu hàn bị ẩm, bề mặt chi tiết hàn khi hàn bị bẩn, dính dầu mỡ, gỉ, hơi nước…

-         Chiều dài hồ quang lớn, tốc độ hàn quá cao.

 

 

 

 

 

 

Phân loại khuyết tật rỗ khí

	Code Tên gọi Mô tả Tên tiếng anh 2011 Rỗ khí GAS PORE 2012 Rỗ phân tán đều UNIFORMLY DISTRIBUTED POROSITY   2013 Rỗ tập trung UNIFORMLY DISTRIBUTED POROSITY 2014 Rỗ phân tán dọc LINEAR POROSITY 2015 Khuyết bộng ELONGATEDPOROSITY 2016 Lỗ dò WORMHOLE 2017 Rỗ mặt SURFACEPORE 2021 Khuyết co ngót INTERDENDRITICSHRINKAGE 2024 Khuyết đuôi lữa CRATEREPIPE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bảng 2.2: Phân loại khuyết tật rỗ khí

Hậu quả:

-         Giảm khả năng chịu tải của mối hàn.

-         Rỗ mặt là nơi tích ẫm và gây ra các rỉ sét , ăn mòn nghiêm trọng.

Biện pháp khắc phục:

-         Dùng vật liệu hàn có hàm lượng các bon thấp

-         Trước khi hàn vật liệu hàn phải được sấy khô, bề mặt phải được làm sạch.

-         Giữ chiều dài cột hồ quang ngắn, giảm tốc độ hàn.

-         Sau khi hàn không gõ xỉ hàn ngay, kéo dài thời gian giữ nhiệt cho mối hàn

-         Riêng đối với hàn có khí bảo vệ (MIG/MAG…) sử dụng khí bảo vệ phù hợp, có độ tinh khiết cao, lưu lượng khí cấp cho mối hàn khi hàn phải đủ,…

c)     Ngậm xỉ ( Solid Inclusion )

Ngậm xỉ là hiện tượng các chất rắn bên ngoài (không phải là kim loại mối hàn) bị kẹt trong kim loại mối hàn. Đây là loại khuyết tật rất dễ xuất hiện trong mối hàn. Xỉ hàn có thể hình thành từ thuốc bọc que hàn, thuốc hàn (flux ), các oxide hoặc các hỗn hợp kim loại khác trong quá trình hàn; vì lí do nào đó chúng không thoát ra khỏi bề mặt hàn khi mối hàn đông đặc. Xỉ hàn bị kẹt lại trong kim loại mối hàn, chúng có thể nằm bên trong hoặc bên ngoài mối hàn. Mối hàn bị lẫn xỉ hàn sẽ có ảnh hưởng lớn đến độ dai va đập và tính dẻo của kim loại mối hàn, làm giảm khả năng làm việc của liên kết hàn dưới tác dụng của tải trọng động.

                  

Hình 2.12: Khuyết tật ngậm xỉ

Phân loại

	code Tên gọi Mô tả Tên tiếng anh 301 Ngậm sỉ   SLAGINCLUSION 302 Ngậm thuốc hàn   FLUXINCLUSION 303 Ngậm oxít OXIDES INCLUSION 304 Ngậm kim loại(mắt cá) METALLICINCLUSION

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bảng 2.3: Phân loại khuyết tật ngậm xỉ

 

Nguyên nhân:

-         Không tẩy xỉ sạch ở các lớp hàn trước.

-         Dòng hàn không đủ.

-         Góc hàn hoặc đường kính que hàn không đúng.

-         Chuẩn bị mép hàn không đúng.

-         Làm nguội mối hàn quá nhanh.

Hậu quả:

-         Làm suy yếu mối hàn, các khu vực ngậm sỉ là nơi phát sinh các vết nứt khi chịu tải.

Biện pháp phòng tránh:

-         Tăng dòng điện hàn cho thích hợp. Hàn bằng hồ quang ngắn và tăng thời gian dừng

lại của hồ quang.

-         Làm sạch vật hàn trước khi hàn, gõ sạch xỉ ở mối hàn đính các lớp hàn.

-         Thay đổi góc độ và phương pháp đưa điện cực hàn cho hợp lý, giảm tốc độ hàn.

d)     Thiếu chảy, thiếu ngấu:

Thiếu chảy: là hiện tượng thiếu kết dính giữa kim loại hàn và mép hàn hoặc giữa các lớp hàn.

Thiếu ngấu: thiếu ngấu là loại khuyết tật nghiêm trọng trong liên kết hàn. Nó sẽ gây ra sự nứt và hỏng kết cấu hàn. Hàn không ngấu sinh ra ở góc mối hàn, mép hàn hoặc giữa các lớp hàn.

      

 

Hình 2.13: Khuyết tật thiếu chảy, thiếu ngấu

 

Nguyên nhân:

-         Que hàn nhỏ quá so với bề dày thép.

-         Dòng hàn không đủ.

-         Góc hàn sai hoặc dịch que hàn không đúng cách.

-         Tốc độ hàn quá nhanh.

-         Bề mặt bẩn (oxít, bụi, dầu mỡ )

Hậu quả: làm mối hàn suy yếu và dễ bị nứt do mỏi.

 

 

Phân loại

	Code Tên gọi Mô tả Tên tiếng anh 4011 Thiếu chảy LACKOF FUSION 4012 Thiếu chảy giữa các lớp hàn LACK OF FUSION 402 Thiếu ngấu LACK OF PENETRATION 402 Thiếu ngấu giữa các lớp hàn LACK OF PENETRATION

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bảng 2.4: Phân loại khuyết tật thiếu chảy, thiếu ngấu

Biện pháp khắc phục:

-         Làm sạch liên kết trước khi hàn, tăng góc vát và khe hở hàn.

-         Tăng dòng điện hàn và giảm tốc độ hàn, v.v...

e)     Sai lệch hình dạng.

Biến dạng hàn là những khuyết tật làm sai lệch hình dáng mặt ngoài của liên kết hàn, làm nó không thoả mãn với các yêu cầu kỹ thuật và thiết kế.

-         Chiều cao phần nhô hoặc chiều rộng của mối hàn không đồng đều.

-         Đường hàn vặn vẹo không phẳng.

-         Bề mặt mối hàn nhấp nhô.

                        

Hình 2.14: Khuyết tật biến dạng hàn

 

Phân loại

Code Tên gọi Mô tả Tên tiếng anh 5011 Cháy lẹm UNDERCUT 5012 Khuyết biên/chảy chân UNDERCUT 5013 Khuyết biên phía ngấu SHRINKAGE GROOVE 502 Lồi/mô cao EXCES WELD METAL 504 Chảy xệ/quá ngấu EXCESSIVEPENETRATION 5041 Chảy xệ cục bộ EXCESSIVEPENETRATION 506 Chồng mép OVERLAP 507 Gá lệch LINEAR MISALIGNMENT 508 Lệch góc ANGULAR MISALIGNMENT 509 Cháy lõm SAGGING 511 Thiếu bề dày INCOMPLETEFILLEDGROOVE 515 Co ngót phía ngấu ROOTCONVEXITY 516 Qúa nhiệt/oxi hóa POROSITYDUETOCARBONE MONOXIDE     POORRESTART

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bảng 2.5: Phân loại biến dạng kim loại

 

 

Nguyên nhân:

-         Gá lắp và chuẩn bị mép hàn chưa hợp lý.

-         Trình tự hàn không đúng.

-         Vật liệu hàn không đảm bảo chất lượng.

-         Tốc độ hàn và dòng điện hàn lớn.

Biện pháp khắc phục:

-         Áp dụng quy trình hàn thứ tự phù hợp.

-         Hàn gá từng phần và văng chống sự biến dạng.

-         Vát mép hàn đúng góc độ và gá mẫu hàn theo đúng yêu cầu

-         Điều chỉnh lại chế độ dòng điện, điện áp

2.2.2     Khuyết tật ăn mòn

Ăn mòn kim loại là hiện tượng tự nhiên, phá huỷ bề mặt dần dần của các vật liệu kim loại do tác dụng hoá học hoặc tác dụng điện hoá giữa kim loại với môi trường bên ngoài.

 

                                  

 

Hình 2.15: Khuyết tật ăn mòn

 

a)     Ảnh hưởng của cấu tạo kim loại đến quá trình ăn mòn.

Cấu tạo của kim loại có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình ăn mòn kim loại. Ở điều kiện bình thường kim loại và hợp kim đều ở trạng thái rắn, có ánh kim, dẫn nhiệt, dẫn điện, tính công nghệ tốt,…Kim loại có cấu tạo mạng tinh thể. Các nguyên tử được sắp xếp theo một thứ tự nhất định và giữa chúng có khoảng cách. Các ion nguyên tử trong kim loại không chuyển động hỗn loạn mà nó chỉ dao động xung quanh một vị trí cân bằng. Mối liên kết trong kim loại về bản chất thì giống mối liên kết cộng hóa trị nhưng có điểm khác là các điện tử hóa trị trong kim loại không chỉ dùng riêng cho một cặp liên kết đứng gần nhau mà dùng chung cho toàn bộ khối kim loại. Các điện tử hóa trị sau khi tách khỏi nguyên tử kim loại thì chuyển động hỗn loạn. Nó đi từ quỹ đạo của nguyên tử này sang quỹ đạo của nguyên tử khác tạo thành lớp mây điện tử. Mối liên kết đặc biệt đó gọi là liên kết kim loại. Tuy nhiên trong kim loại còn tồn tại dạng liên kết cộng hóa trị. Hai dạng này có khả năng chuyển hóa cho nhau.

b)     Qúa trình ăn mòn kim loại.

Phân loại ăn mòn:

• Dựa theo quá trình ăn mòn

Ăn mòn hóa học: là sự ăn mòn kim loại do tác dụng đơn thuần của phản ứng hóa học giữa vật liệu kim loại với môi trường xung quanh có chứa chất xâm thực ( O₂, S₂, Cl₂…). Hay nói cách khác là quá trình ăn mòn hóa học xảy ra trong môi trường khí và trong môi trường các chất không điện ly dạng lỏng (chủ yếu là ăn mòn các thiết bị, ống dẫn các nhiên liệu lỏng lẫn các hợp chất sunfua,… Các chất không điện ly : Brôm lỏng, lưu huỳnh nóng chảy, dung môi hữu cơ như benzen, nhiên liệu lỏng : dầu hoả, xăng, dầu khoáng…

Ví dụ : Brôm lỏng tác dụng với nhiều kim loại ở nhiệt độ thường. Đặc biệt nó phá huỷ rất mạnh đối với thép các bon, Ti. Với Ni, thì yếu với nhôm thì phá huỷ chậm.

                   Lưu huỳnh nóng chảy : phá huỷ mạnh với Cu, Sn, Pb ; thép các bon và Ti phá huỷ chậm.

Ăn mòn do không khí chủ yếu là do quá trình ôxy hoá kim loại ở nhiệt độ cao.

Ví dụ: Hiện tượng ôxy hoá của thép và gang.

O₂ + Fe => FeO + O₂

Fe₃O₄ + O₂ => Fe₂O₃

Hiện tượng mất các bon của thép và gang :

Fe₃C + 1/2 O₂ = 3Fe + CO

Fe₃C + CO₂ = 3Fe + 2CO

Fe₃C + H₂O = 3Fe + CO + H₂

Quá trình mất các bon sẽ làm giảm độ cứng, độ chịu mài mòn và giảm giới hạn đàn hồi.

Hiện tượng mất các bon do hydro gọi là hiện tượng dòn hydro :

Fe₃C + 2H₂ = 3Fe + CH₄

Phản ứng này làm giảm lượng các bon và tạo ra khí CH₄ làm phá huỷ mối liên kết trong kim loại.

Fe + H₂ = Fe + H₂O

Hơi nước trong phản ứng này thoát ra cũng làm phá huỷ liên kết trong kim loại.

            

Hình 2.16: Dạng ăn mòn kim loại theo thời gian

 

Các nhóm kim loại khác nhau thì khả năng bị ăn mòn hoá học cũng khác nhau.

(1) Tốc độ ăn mòn hoá học không đổi; chiều dày lớp gỉ tăng tuyến tính theo thời gian.

(2) Quá trình ăn mòn xảy ra chậm.

(3) (4) Quá trình ôxy hoá xảy ra rất nhanh nhưng tạo nên lớp ôxít rất bền vững; tốc độ

ôxy hoá hầu như không tăng theo thời gian.

Ăn mòn điện hóa: là quá trình xảy ra khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện phân tức là môi trường dẫn điện (dung dịch chất điện ly còn gọi là chất điện giải ). Ăn mòn điện hóa là sự ăn mòn do phản ứng điện hóa xảy ra ở hai vùng khác nhau trên bề mặt kim loại. Qúa trình ăn mòn điện hóa có phát sinh dòng điện tử chuyển động trong kim loại và dòng các ion chuyển động trong dung dịch điện ly theo một hướng nhất định từ vùng điện cực này đến vùng điện cực khác của kim loại. Tốc độ ăn mòn điện hóa xảy ra khá mãnh liệt so với ăn mòn hóa học.

Chất điện ly mạnh : HCl, HNO₃, H₂SO₄ loảng, các ba zơ: NaOH,… (trừ NH₄OH), các muối NaCl.

Chất điện ly yếu : H₂SO₄ đặc, axit hữu cơ, các muôi bazơ, nước nguyên chất H₂O.

Đây là dạng ăn mòn khá phổ biến. Bản chất gây ăn mòn điện hoá là do các vipin xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc, cường độ và tốc độ ăn mòn điện hoá xảy ra mảnh liệt hơn nhiều so với ăn mòn hoá học. Để hiểu rỏ bản chất ăn mòn điện hoá ta cần tìm hiểu hiện tượng hidrathoá.

Hiện tượng hydrat hoá :

Ta biết rằng trong phân tử nước nguyên chất chỉ có một lượng rất nhỏ các phân tử nước phân ly thành H+ và OH -. Trong phân tử nước không phân ly, các nguyên tử hydro liên kết với ôxy không theo đường thẳng mà tạo thành một góc 105°.

 

            

Hình 2.17: Phân tử nước

 

Do có liên kết như vậy nên các phân tử nước không điện ly có một trung tâm điện tích âm và một trung tâm điện tích dương và người ta gọi phân tử nước là lưỡng cực. Quá trình ăn mòn điện hoá là do khả năng của ion kim loại tách khỏi bề mặt của nó và chuyển vào dung dịch. Sự di chuyển đó đòi hỏi phải có một năng lượng để kéo ion kim loại ra khỏi mạng lưới của nó ở bề mặt tiết xúc và chuyển vào dung dịch điện ly. Đối với các kim loại khác nhau thì khả năng năng cũng khác nhau.

Ăn mòn điện hoá bao gồm 3 quá trình cơ bản:

-         Quá trình anốt.

-         Quá trình catốt.

-         Quá trình dẫn điện.

1. Quá trình anôt (xảy ra trên dương cực) là quá trình oxy hoá. Ion kim loại chuyển vào dung dịch và giải phóng điện tử.

2. Quá trình catốt (quá trình xảy ra trên cực âm) là quá trình khử điện hoá. Các chất ôxy hoá nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn.

3. Quá trình dẫn điện : các điện tử kim loại bị ăn mòn giải phóng sẽ di chuyển từ anốt tới ca tốt, còn các ion dịch chuyển trong dung dịch.

Như vậy trong quá trình ăn mòn điện hoá, kim loại hoạt động như 1 pin ta gọi là pin ăn mòn cục bộ (hay vi pin).

Khi ta nhúng thanh kim loại vào một dung dịch điện ly, trên bề mặt sẽ tạo nên lớp điện tích kép và đó là nguyên nhân tạo nên bước nhảy điện thế giữa bề mặt kim loại và dung dịch điện ly.

• Dựa theo môi trường:

-         Ăn mòn trong khí :oxi O₂, khí sunfurua H₂S,…

-         Ăn mòn trong không khí: ăn mòn trong không khí ướt, ăn mòn trong không khí ẩm, ăn mòn trong không khí khô.

-         Ăn mòn trong đất.

-         Ăn mòn trong chất lỏng (kiềm, axit, muối….)

Như vậy dạng ăn mòn xâm thực là do sự chuyển động tiếp xúc giữa các bề mặt vật rắn với dòng chuyển động của các chất lỏng, chất khí (ăn mòn hóa học)

Dạng ăn mòn do tiếp xúc với các môi chất như axit, bazơ và có tác nhân điện gọi là ăn mòn điện hóa.Thang ăn mòn được xếp theo bảng sau:

 

Nhóm chịu ăn mòn	Chỉ số ăn mòn sâu mm/năm	Thang
Cực kỳ bền	<0,001	1
Rất bền	0,001 – 0,005 0,005 – 0,010	2 3
Bền	0,01 – 0,05 0,05 – 0,10	4 5
Khá bền	0,1 – 0,5 0,5 – 1,0	6 7
Kém bền	1,0 – 5,0 5 - 10	8 9
Không bền	>10	10

Bảng 2.6: Phân loại mức độ chịu ăn mòn của vật liệu

 

Đasốkimloạiđều bịănmòn( bịgỉ )khitiếpxúcvớimôitrường,mộtsốrấtítbịgỉhạn chếhoặclớp gỉcókhả năngtựbảovệlấynó.Khảnăngphátsinhănmònphụthuộcnhiều yếu tố:loạikim loại,tínhchấtmôitrường,nhiệtđộ,thờigian,áplực.

2.2.3 Các dạng ăn mòn bề mặt.

a) Ăn mòn đều

Đây là dạng ăn mòn rất phổ biến với tốc độ ăn mòn ở mọi điểm trên bề mặt gần bằng nhau.

b) Ăn mòn không đều

Dạng ăn mòn này xảy ra ưu tiên tại một số phần diện tích bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn. Hiện tượng ăn mòn cục bộ này cũng rất phổ biến và rất đa dạng, có thể chia thành các loại sau:

-         Ăn mòn tiếp xúc.

-         Sự ăn mòn kim loại do sự chênh lệch khí.

c) Ăn mòn lỗ, ăn mòn điểm

Ăn mòn lỗ là một dạng ăn mòn cục bộ tạo ra các lỗ có kích thước nhỏ, độ sâu của lỗ có thể lớn hơn đường kính của nó. Dạng ăn mòn này xảy ra trên các kim loại, hợp kim có màng thụ động (Al, Ni, Ti, Zn, thép không gỉ ) hoặc có các lớp phủ bảo vệ bị xuyên thủng.

Hiện tượng ăn mòn này thường xảy ra khi môi trường ăn mòn có chứa các chất lão hóa (NO3, NO2, CrO4 ) đồng thời có mặt các chất hoạt hóa Cl, Br, I, (ví dụ môi trường nước biển) của các thiết bị máy móc, đường ống…..

Hình dáng các lỗ do ăn mòn gây ra phụ thuộc vào bản chất các lớp phủ.

d) Ăn mòn giữa các tinh thể và các dạng ăn mòn khác.

Ăn mòn ranh giới: hiện tượng ăn mòn ranh giới có liên quan đến sự tồn tại của các pha dị thể tại biên giới các hạt trong kim loại đa tinh thể.

Ăn mòn nứt do ứng suất: là do sự nứt gãy bởi ứng suất kéo và môi trường ăn mòn gây ra.

Ăn mòn mỏi: các kim loại chịu tải trọng động có thể bị gãy do một tải trọng nhỏ hơn tải trọng cực đại mà chúng chịu đựng được trong điều kiện tĩnh.Hiện tượng đó gọi là sự mỏi và dẫn đến các vết nứt do mỏi.

Ăn mòn chọn lọc: ví dụ hòa tan kẽm trong hợp kim đồng thau bằng dung dịch H2SO4 loãng. Sau một thời gian ngâm mẫu, kẽm bị hòa tan và còn lại một khối đồng xốp. Sự ăn mòn như vậy gọi là sự ăn mòn chọn lọc.

Ăn mòn mài mòn: khi kim loại bị vật thể rắn tác động lên bề mặt kim loại làm cho các hạt bụi kim loại tách ra khỏi bề mặt của sự mài mòn. Mài mòn có thể gây ra do dòng chảy của chất lỏng hay chất khí tác động lên bề mặt của vật rắn.

 

              

Hình 2.18: Các dạng ăn mòn bề mặt

 

Hình a) Ăn mòn đều

Hình b) Ăn mòn không đều

Hình c) Ăn mòn chọn lọc

Hình d) Ăn mòn giữa các tinh thể

2.2.3 Một số dạng khuyết tật khác của đường ống dẫn dầu/khí.

Đường ống dầu/khí cũng giống như mọi loại vật chất khác đều chịu sự tác động của thiên tai như động đất, núi lửa, hay bão lụt. Ngoài ra, nó còn chịu sự tác động vô tình hay cố ý của con người. Những khuyết tật thường gặp phải như là:

-         Vỡ đường ống dẫn.

-         Rạn nứt hay lủng lỗ đường ống.

-         Móp méo cục bộ trên đường ống.

……..

2.3     Một số phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng ống.

2.3.1   Phương pháp kiểm tra không phá hủy.

a) Định nghĩa

Kiểm tra không phá hủy là việc sử dụng các phương pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc ở bề mặt vật kiểm mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng. Viết tắt từ chữ tiếng Anh "Non - destructive Testing", hay mở rộng hơn là " Non - Destrictive Evaluation" (NDE - thiên về định lượng, kiểm tra) hay "Non - Destructive inspection" - NDI.

Từ kiểm tra không phá hủy tự nó nó đã giải nghĩa chính xác. NDT theo đúng nghĩa đen là kiểm tra một vật mà không phá hủy nó. Nói theo cách khác, chúng ta có thể tìm thấy các khuyết tật trong nhiều vật bằng kim loại bằng cách sử dụng dòng điện xoáy mà không bao giờ làm hư hại đến vật mà chúng ta đang kiểm tra. Điều này rất quan trọng vì nếu chúng ta phá hủy vật mà chúng ta đang kiểm tra, nó sẽ gây lãng phí nguyên vật liệu và không còn tình trạng tốt để có thể hoạt động như lúc đầu. NDT rất quan trọng bởi vì thường các khuyết tật mà chúng ta tìm không thể nhìn thấy bằng mắt vì nó bị bao bọc bởi lớp sơn, hoặc một lớp mạ kim loại. Hoặc cũng có thể khuyết tật đó quá nhỏ không thể nhìn thấy bằng mắt hoặc bất cứ phương pháp kiểm tra bằng mắt nào khác. Vì vậy, các phương pháp kiểm tra như phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy đã được phát triển để theo dõi khuyết tật.

 

          

 

Hình 2.19: Kiểm tra đường ống bằng siêu âm

 

b) Phương pháp kiểm tra NDT.

Có nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy, trong đó các phương pháp kiểm tra chủ yếu là:

1. Kiểm tra bằng thị giác và quang học (Visual Test - VT)

2. Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu hay thấm màu (Penetrant test - PT)

3. Kiểm tra bằng bột từ (Magnetic particle test - MT)

4. Dòng xoáy điện (Eddy Current Test - ET)

5. Chụp ảnh bức xạ hay còn gọi là chụp phim (Radiographic test - RT)

6. Siêu âm kiểm tra (Ultrasonic test - UT)

7. Kiểm tra bằng truyền âm (Acoustic Emission Testing - AE)

8. Kiểm tra rò rỉ (Leak Testing - LT)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 2.20: Các phương pháp kiểm tra chủ yếu

 

Trong đó các biện pháp số 5 và 6 (UT và RT) được sử dụng để phát hiện các khuyết tật

nằm sâu bên trong chiều dày kết cấu, còn biện pháp số 1, 2, 3 và 4 (VT, PT, MT và ET) sử dụng khi cần kiểm tra các khuyết tật nằm trên bề mặt hay lớp dưới bề mặt.

Ngoài ra có nhóm phương pháp đặc biệt như là:

-         Phương pháp chụp ảnh nơtron.

-         Kỹ thuật vi sóng, bức xạ âm v.v...

c) Bảng ứng dụng các kỹ thuật kiểm tra NDT cho việc kiểm tra đường ống:

 

VT

RT

UT

ET

PT MT

SM

SUMP

SAMPLING

A E

EVA

MS

Piping

With insulation

Inside

O

O

O

O

Outside

O

O

O

No insulation

Inside

O

O

O

O

O

Outside

O

O

O

O

O

O

O

O

 

Bảng 2.7 : Bảng ứng dụng các phương pháp kiểm tra đường ống

2.3.2 Kiểm tra bằng thị giác và quang học (Visual Test - VT)

Kiểm tra bằng thị giác liên quan đến việc sử dụng đôi mắt của một nhân viên kiểm tra để tìm khuyết tật. Nhân viên kiểm tra cũng có thể sử dụng các công cụ đặc biệt như kính núp, gương, hoặc borescopes (dụng cụ quang học có đèn dùng để kiểm tra bên trong ống) để tiếp cận gần hơn điểm kiểm tra. Kiểm tra bằng thị giác có thể kiểm tra mức độ từ đơn giản đến phức tạp theo các quy trình:

                                  

 

Hình 2.21: Borescopes có gắn máy ảnh

 

                     

 

Hình 2.22: Sử dụng sborescope kiểm tra

    

2.3.3 Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu hay thấm màu (Penetrant test - PT)

Một trong những phương pháp hay sử dụng nhất để phát hiện các vết nứt trên bề mặt kim loại, mối hàn sau khi gia công, đặc biệt là các vật liệu không nhiễm từ như thép không gỉ. Trong phương pháp này người ta phun một chất lỏng có khả năng thẩm thấu cao và có màu sắc dễ phân biệt (thường là màu đỏ) lên bề mặt vật kiểm tra.Nếu trên bề mặt có vết nứt hoặc lỗ kim dù là rất nhỏ, chất thẩm thấu sẽ ngấm vào và đọng lại ở các khe nứt. Sau khi chờ cho quá trình ngấm kết thúc, người ta loại bỏ hết phần chất thẩm thấu thừa trên bề mặt và tiếp tục phun lên bề mặt kiểm tra một chất khác gọi là chất hiện màu làm cho phần chất thẩm thấu đã ngấm vào các khuyết tật nổi rõ lên cho phép ghi nhận các khuyết tật rất nhỏ mà mắt thường không phát hiện được. Tuy nhiên để có thể áp dụng phương pháp này bề mặt vật kiểm tra phải rất sạch, nhẵn bóng và khô vì vậy nó không thích hợp với các bề mặt bị bám bẩn và có độ nhám cao. Mặt khác mặc dù không đòi hỏi phải đầu tư thiết bị, việc kiểm tra đòi hỏi người kiểm tra phải thực sự có kinh nghiệm và được đào tạo đầy đủ.

 

            

            

            

 

Hình 2.23: Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu

Phương pháp thẩm thấu lỏng có khả năng phát hiện và định vị các khuyết tật bề mặt hoặc các khuyết tật thông ra trên bề mặt của vật liệu. Vật liệu kiểm tra là kim loại, sắt từ, hay phi sắt từ và tất cả đều không xốp.

Có thể chia làm 2 phương pháp kiểm tra cơ bản:

-         Kiểm tra bằng chất phát quang.

-         Kiểm tra bằng chất nhuộm màu.

Các bề mặt kiểm tra phải được làm sạch không có các lớp phủ như: dầu, mỡ, lớp sơn phủ, sét gỉ, xỉ cháy,…..

Để đạt được khả năng kiểm tra cao nhất bề mặt phải ít được sửa chữa hay chịu tác động cơ học.

Nhiệt độ kiểm tra thông thường từ 10°C - 50°C, trong các trường hợp khác phải sử dụng hệ thống chất kiểm tra đặc biệt.

Vật liệu của đối tượng kiểm tra không rỗ xốp, và không bị hư hỏng bởi các chất hóa học.

Khi tiến hành kiểm tra bằng chất xâm nhập màu, cường độ chiếu sáng khi đánh giá phải lớn hơn 50 lux.

Khi tiến hành kiểm tra bằng chất xâm nhập phát quang, tiến hành đánh giá bằng đèn cực tím và trong buồng tối.

Các khuyết tật ống có khả năng phát hiện:

-         Rỗ khí bề mặt (rỗ kim, rỗ co…)

-         Nứt thông với bề mặt

-         Cháy cạnh

-         Vị trí châm hồ quang

-         Các lỗi không liên kết

Ưu điểm của phương pháp:

-         Phương pháp áp dụng đơn giản, nhanh và chi phí thấp.

-         Nó có thể được áp dụng hầu như ở tất cả các vật liệu và chi tiết.

-         Rất nhạy với các khuyết tật nằm trên bề mặt.

-         Thiết bị tương đối rẻ tiền.

-         Quá trình thực hiện tương đối đơn giản.

-         Không phụ thuộc vào hình dạng vật kiểm.

-         Vật kiểm tra là sắt từ hay không sắt từ nhưng không xốp.

Nhược điểm của phương pháp:

-         Kiểm tra thẩm thấu chất lỏng chỉ có thể chứng minh được các bất bình thường mở ra bề mặt.

-         Quá trình thực hiện kiểm tra bằng chất thẩm thấu lỏng khá bẩn.

-         Phương pháp này các kết quả không giữ được lâu.

-         Khó phát hiện được khuyết tật nằm sâu trong bề mặt.

-         Không hữu dụng khi kiểm tra các bề mặt nóng, bẩn, thô, nhám.

Các điều kiện tiến hành kiểm tra:

-         Bề mặt kiểm tra sạch khô không dính các lớp phủ như sơn hay dầu mỡ.

-         Bề mặt kiểm tra kim loại phải sáng.

-         Các khuyết tật phải hở ra trên mặt.

-         Vật liệu được kiểm tra phải không xốp.

2.3.4 Kiểm tra bằng bột từ (Magnetic particle test - MT)

Mặc dù không sử dụng được với các vật liệu không nhiễm từ như thép không gỉ, MT là phương pháp có độ tin cậy và độ nhạy cao hơn, không đòi hỏi bề mặt kiếm tra phải quá sạch và nhẵn như khi kiểm tra thẩm thấu. MT được áp dụng phổ biến trong việc kiểm tra định kỳ các nồi hơi và bình áp lực có nguy cơ nứt cao sau một thời gian sử dụng như bồn chứa NH3 hóa lỏng, các nắp nồi hấp, bình khử khí, bao hơi và bao bùn của nồi hơi nhà máy nhiệt điện, bề mặt ống dẫn….Mặt khác, người ta thường áp dụng MT như biện pháp kiểm tra bổ xung đối với các mối hàn, chi tiết gia công sau khi xử lý nhiệt. Trong phương pháp này, vùng cần kiểm tra sẽ được từ hóa bằng cách cho tiếp xúc với một nam châm điện đặc biệt được gọi là gông từ. sau khi từ hóa, người ta phun lên bề mặt vùng cần kiểm tra một lớp bột sắt từ (thường có màu đen). Nếu trên vùng kiểm tra không có các khuyết tật hay vết nứt, các hạt sắt từ này sẽ phân bố một cách đều đặn dọc theo các đường sức từ trường. Nếu có các vết nứt hay khuyết tật, các đường sức từ trường bị gián đoạn sẽ làm cho các hạt sắt từ tập trung cục bộ tại vùng có khuyết tật. Bằng việc xem xét kỹ sự phân bố của các hạt sắt từ trên vùng kiểm tra,người ta dễ dàng phát hiện ra các vị trí bị nứt hay có các khuyết tật bề mặt. Trong thực tế để dễ dàng phân biệt được vị trí có khuyết tật, người ta thường phun lên bề mặt vùng kiểm tra một lớp dung môi màu trắng có tác dụng làm nổi bật màu đen của các hạt sắt từ hoặc sử dụng đèn huỳnh quang tia cực tím trong nhưng trường hợp đòi hỏi độ nhạy cao.

                

 

Hình 2.24: Bộ kit kiểm tra bằng bột từ

 

                      

Hình 2.25: Mô phỏng kiểm tra khuyết tật bằng phương pháp kiểm tra bằng bột từ

 

Ưu điểm của phương pháp này là:

-         Phát hiện các khuyết tật hở trên bề mặt, nằm gần bề mặt của vật liệu kiểm tra.

-         Sử dụng không cần cạo bỏ lớp phủ bảo vệ mỏng trên bề mặt vật thể kiểm tra.

-         Thực hiện nhanh.

-         Giá thành kiểm tra tương đối rẻ, thiết bị gọn, nhẹ…

-         Độ tin cậy và độ nhạy cao.

-         Quá trình sử lý ít hơn, khả năng gây ra sai số do người kiểm tra thực hiện thấp.

Nhược điểm của phương pháp:

-         Không áp dụng cho các vật liệu không nhiễm từ: thép không gỉ

-         Chỉ nhạy với các khuyết tật có góc nằm trong góc từ 45° đến 90° so với hướng của các đường sức từ.

-         Thiết bị dùng trong phương pháp này chi phí rất cao.

2.3.5 Phương pháp chụp ảnh phóng xạ(Radiographic Test – RT )

Sử dụng ống phóng tia X ( tương tự như đèn hình vô tuyến )hoặc nguồn phóng xạ phát ra chùm tia gama chiếu qua vật cần kiểm tra.Khi đi qua vật, chùm tia phóng xạ bị suy yếu đi, mức độ suy giảm của chùm phụ thuộc vào loại vật liệu (nhẹ hay nặng ) và chiều dày mà nó đi qua. Khi đi qua các vùng có khuyết tật (ví dụ rỗ khí ) thì cường độ của chùm tia bị suy giảm ít hơn khi đi qua vùng không có khuyết tật. Nếu ta đặt tấm phim phía sau vật kiểm tra, ta sẽ thấy trên ảnh chụp được có các vùng đen sẫm hơn rất nhiều so với vùng xung quanh. Đó là hình chiếu của khuyết tật trên phim, ta cũng có thể xác định được kích thước của khuyết tật qua ảnh chụp được.

                                                                                               

Hình 2.26: Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ

 

Ưu điểm của phương pháp:

-         Kiểm tra chiếu tia có thể thực hiện được với bất kỳ loại vật liệu nào và không có ngoại lệ.

-         Là phương pháp kiểm tra có độ tin cậy cao.

-         Có thể lưu trữ hồ sơ hình ảnh lâu dài trong các điều kiện bảo quản nhất định.

Nhược điểm của phương pháp:

-         Tất cả các trang thiết bị phải được cơ quan có thẩm quyền cấp phép và chấp nhận vì có liên quan đến phóng xạ gây hại cho người.

-         Chỉ được phép bố trí kiểm tra khi tuân thủ nghiêm ngặt các điều kiện an toàn phóng xạ cho con người.

-         Khi chiếu tia với độ dày thành lớn thì thời gian chiếu tia kéo dài.

-         Là phương pháp kiểm tra phức tạp.

-         Sẽ gặp khó khăn khi đối tượng kiểm tra có chiều dày thành khác nhau.

2.3.6 Kiểm tra bằng phương pháp siêu âm (Ultrasonic Testing – UT)

Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm dựa trên cơ sở lan truyền và tương tác của các dao động đàn hồi ( phản xạ, khúc xạ, hấp thụ, tán xạ ) có tần số cao được truyền vào vật thể cần kiểm tra. Chùm sóng âm phản xạ được phát hiện và phân tích để xác định sự có mặt của khuyết tật và vị trí của nó. Mức độ phản xạ phụ thuộc nhiều vào trạng thái vật lý của vật liệu ở phía đối diện với bề mặt phân cách và ở phạm vi nhỏ hơn vào các tính chất vật lý đặc trưng của vật liệu đó.

Nguyên lý kiểm tra siêu âm được thể hiện như hình sau:

                  

Hình 2.27: Nguyên lý kiểm tra siêu âm

 

                  

 

Hình 2.28: Siêu âm mối hàn ngoài đường ống dẫn khí đốt

Ưu điểm của phương pháp:

-         Có thể chứng minh tất cả các dạng của các khuyết tật.

-         Có khả năng kiểm tra tất cả các vật liệu bằng siêu âm.

-         Kết quả kiểm tra, hồ sơ, văn bản dữ liệu kiểm tra có thể số hóa.

-         Kỹ thuật siêu âm được sử dụng không chỉ kiểm tra độ mòn và kiểm tra mối hàn mà còn sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác.

Nhược điểm của phương pháp:

-         Phương pháp này đòi hỏi người kiểm tra có nhiều kinh nghiệm và kỹ năng chuyên môn.

-         Kỹ thuật siêu âm và các trang thiết bị có giá thành rất cao, gây ra chi phí cao cho việc tiến hành kiểm tra.

.........................................

Ta có :Fma sát nghỉ max = F ma sát trượt = μ×N = 0,5×207 = 103.5 , với μ là hệ số ma sát trượt giữa cao su và thép là 0,5.

 

Hình 5.3: Phân tích các lực tác dụng lên thành ống

 

Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe: T₁ = Fmsnmax.d = 103.5×28 = 2898 (Nmm)

Công thức tính mômen xoắn T trang 49 [n]

 

 

Do vậy công suất tính toán cần cho bánh xe quay hay trục công tác làm việc:

 

 

 

Hiệu suất của các bộ truyền:

 

η = η1.η2 = 0.30 *0.93= 0.28, công thức 2.9 [n]

ü  Công suất cần thiết của động cơ:

P_ct = p₁ /η = 0.03/0.28 = 0.1 (w), công thức 2.8 [n]

P_ct = p₂ /η = 0.07/0.28 = 0.25 (w)

Tính toán chọn nguồn năng lượng:

Công thức tính công suất :

P = U.I => I = P/U = 1.25/12 = 0.104 (A)

Ta sử dụng 3 motor cho 3 cụm dẫn động nên I_t = 3×0.104 = 0.31 (A)

 

 

Chọn Acquy của Hãng VISION Mã hiệu CP1223 12V 2.3Ah (20hr)

Hình 5.4: Acquy VISION CP1223 12V 2.3Ah

 

Hình 5.5:Các thông số acquy

 

Khối Lượng cho Acquy là 0.99Kg.

Thời gian hoạt động suốt thời của rôbốt với một lần sạc pin là:

2.3 (Ah)/0.31(A) = 7.4 (giờ)

Thiết kế chọn Camera:

Sử dụng Camera PTZ Camera PTZ: Camera PTZ là thuật ngữ viết tắt của từ Pan Tilt Zoom tức là Camera quét-xoay-tròn, nghiêng lên-xuống, và thu-phóng hình ảnh camera.

   Camera PTZ được thực hiện cho cả các ứng dụng ngoài trời và trong nhà, thêm vào tính linh hoạt của chủng loại về hình dáng. PTZ camera ngoài trời có chân đế pan/tilt chịu đựng được mọi thời tiết, áp dụng cho các nhiệm vụ nặng.

Hình 5.6:Camera PTZ

 

Camera PTZ có thể đáp ứng các yêu cầu này do có sự kết hợp của chân-đế quay-quét/lên-xuống và một ống kính thu-phóng hình ảnh.

-         Ưu điểm: Truyền chuyển động chính xác, dễ thao tác khi vận hành

-         Nhược điểm: Bộ truyền trục vít bánh vít nhỏ nên yêu cầu kỹ thuật cao: vật liệu tốt và

gia công phải chính xác.

 

 

 

 

1. Phương án 2:

Sử dụng phần mềm Autocad để thiết kế tổng thể rôbốt, kết hợp với việc tính toán quãng đường di trượt của hai cụm bánh truyền động bên dưới và quãng đường dịch chuyển lên xuống của cụm truyền động thứ ba ta có kích thước của rôbốt như sau:

 

          

 

Hình 5.7: Kích thước chiều rộng của rôbốt

 

Chiều dài của rôbốt phụ thuộc vào cụm dẫn động.                

Tính toán cụm dẫn động.

Cụm dẫn động của rôbốt gồm 3 cụm truyền động giống nhau được kết nối với thân rôbốt.

                

 

Hình 5.8: Cụm truyên động

                                                                                                                           

Các chi tiết của cụm truyền động được trình bày dưới bảng sau:

STT	Tên chi tiết	Thông số
1	Khung bánh xe	AL 6061
2	Bánh xe	PVC
3	Motor	JGY-2838
4	Bánh răng 32	S45C
5	Bánh răng 10	S45C
6	Bạc đạn
7	Tấm nối khung bánh	CT3
8	Trục 1, 2, 3	C45
9	Then	C45
10	Phe chặn 10	C45
11	Dây đai bánh	Cao su tổng hợp

 

Bảng 5.3: Thông số cụm dẫn động

 

Tính toán khi rôbốt đi vào các đường ống khác nhau:

 

                    

 

Hình 5.9: Cụm dẫn động di chuyển ăn khớp với đường ống đường kính khác nhau

 

Tính toán chọn động cơ:

ü  Số vòng quay của bánh xe (trục máy công tác):

Theo công thức 2.16 [n]

Trong đó:

               v – vận tốc rôbốt, m/s

               D – đường kính bánh xe, mm

ü  Số vòng quay sơ bộ của động cơ:

         , công thức 2.18 [n]

Sử dụng phần mềm creo 3.0 ta tính được khối lượng của cụm bánh thứ ba là 1.77 (kg) tương đương với 17.4 (N)

Tương tự ta tính được khối lượng của toàn rô bốt là khoảng 10.3 (kg) tương đương 101 (N)

     Ở vị trí cân bằng, 4 lò xo chịu một trọng lực P = m.g = 1.77 x 9.81= 17.4 (N)

     Ta chọn lò xo có độ cứng k= 1000 (N/m),suy ra tổng độ cứng là k_t = 4000(N/m)

Do vậy, mỗi lò xo bị nén một khoảng: x_o = P / k_t ≈ 4.35 (mm)

 

Khi đó, cụm bánh ba đang cao hơn vị trí ăn khớp 4 (mm).Ta nhấn cho cụm bánh thứ ba ăn khớp với đường ống. Khi đó lực cần tác dụng là: F = 4000×0.004 = 16 (N) và đó cũng là lực tác dụng lên thành ống phía trên.

Áp lực lên thành ống của 1 bên bánh dưới: N = (101 +16)/cos45 = 165,5 (N)

Fmsnmax. = Fmst = μ×N = 0,5×165,5 = 82,75 , μ là hệ số ma sát trượt giữa cao su và thép ta chọn là 0,5

 

                  

 

Hình 5.10: Phân tích các lực tác dụng lên thành ống

 

Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe: T₁ = Fmsnmax.d = 82.75×25 = 2069 (Nmm)

,Công thức tính mômen xoắn T trang 49 [n]

 

Do vậy công suất tính toán cần cho bánh xe quay hay trục công tác làm việc:

 

 

Hiệu suất của các bộ truyền:

η = η1.η2 = 0.9952² *0.972² = 0.93, công thức 2.9 [n]

ü  Công suất cần thiết của động cơ:

P_ct = p/η = (2.8 – 5.6)/0.93 = 3 – 6 (w), công thức 2.8 [n]

Ta chọn động cơ JGY-2838 – 12V có công suất P = 5W , số vòng quay là 37 vòng/phút

Tính toán chọn nguồn năng lượng:

P = U.I => I = P/U = 5/12 = 0.417 (V)

Ta sử dụng 3 motor cho 3 cụm dẫn động nên I_t = 3×0.417 = 1.25 (A)

Chọn pin sạc TG – 12450 lithium – ion Battery 4500mAh, 12V

            

Hình 5.11:Pin Sạc YSN- 12450

 

Thời gian hoạt động của rôbốt với một lần sạc pin là: 4.5/1.25 = 3.6 (giờ)

                      

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

6.1.Kết luận:

Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm chúng tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với các nội dung chính sau:

-         Khảo sát các khuyết tật thường gặp của ống dẫn dầu/khí.

-         Khảo sát các cách thức phát hiện khuyết tật của ống dẫn.

-         Đề xuất nguyên lý thiết bị phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống sử dụng camera.

-         Đề xuất các chức năng cần có của thiết bị tự hành mang camera

-         Nghiên cứu, đề xuất kết cấu khả thi của thiết bị (2 phương án).

-         Thiết kế cụm dẫn động của rôbốt, đồ gá gắn camera.

-         Thiết kế cụm nguồn pin cung cấp năng lượng cho rôbốt.

-         Thiết kế hoàn chỉnh rôbốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống sử dụng camera.

6.2.Kiến nghị:

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên ngoài những kết quả đạt được, nhóm chúng tôi xin đề xuất một số ý kiến sau giúp phát triển hơn nữa và hoàn thiện tốt đề tài:

-         Đề tài là nghiên cứu, thiết kế rôbốt phát hiện khuyết tật bên trong lòng ống sử dụng camera. Trong khi đó, camera thường chỉ dùng để quan sát, ghi lại hình ảnh tổng quát bên ngoài chứ không đi sâu vào trong vật liệu. Vì vậy với những khuyết tật lớn bên ngoài bề mặt vật liệu thì camera có thể sẽ phát hiện ra, nhưng với những khuyết tật nhỏ nằm sâu bên trong vật liệu hoặc nằm bên dưới lớp tạp chất như lớp sơn, lớp bụi bẩn hay lớp gỉ sét,…thì camera sẽ khó có thể phát hiện ra được.Tuy nhiên với những kết quả đạt được có thể sẽ mở ra một hướng đi mới; qua đó sẽ ứng dụng nhiều thiết bị hiện đại hơn được lắp đặt trên rôbốt để đo kiểm và phát hiện ra những khuyết tật phục vụ công tác kiểm tra đánh giá chất lượng đường ống.

-         Đề tài mới chỉ nghiên cứu, thiết kế và đề xuất một số chức năng; chưa được chế tạo thử nghiệm. Vì vậy, cần được chế tạo, thử nghiệm và kiểm chứng thực tế để hoàn chỉnh thiết kế, tiến tới chế tạo một thiết bị công nghiệp với nhiều tính năng và tác dụng có thể đáp ứng tốt nhu cầu thực tiễn trong nghành đường ống nói chung, và nghành đường ống dẫn dầu/khí nói riêng.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Hà Văn Vui, Nguyễn Chí Sáng, Phan Đăng Phong, Sổ tay thiết kế cơ khí tập 1, 2, 3, NXB KHCN Hà Nội 2006

[2] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, ĐH Quốc gia TP.HCM 2004

Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập 1,2, NXB Giáo Dục 2010.

[3] Hồ Viết Bình, Nguyễn Ngọc Đào, Công nghệ chế tạo máy, ĐH SPKT TP.HCM 2008.

[4] Nguyễn Tác Ánh, Công nghệ kim loại, ĐH SPKT TP.HCM.

[5] PGS.TS Bùi Xuân Liêm, Nguyên Lý Máy, ĐH SPKT TP.HCM 2006.

[6] Trần Hữu Quế, Vẽ Kĩ Thuật Cơ Khí Tập 1, 2, NXB Giáo Dục.