nghiên cứu phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN TRÀNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ KIỂM TRA
ỐNG NHỎ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
SIÊU ÂM TỔ HỢP PHA

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 4 1 0 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN TRÀNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ KIỂM TRA ỐNG NHỎ
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM TỔ HỢP PHA

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

TP. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN TRÀNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ KIỂM TRA ỐNG NHỎ
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM TỔ HỢP PHA

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN

TP. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: NGUYỄN VĂN TRÀNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 1980

Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán: Ấp Mỹ An, xã Mỹ Đức Tây, Cái Bè -Tiền Giang Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Phó trƣởng khoa cơ khí,

Trƣờng Cao Đẳng Nghề Kiên Giang.
Địa chỉ liên lạc: 1022 Nguyễn Trung Trực, phƣờng An Hòa, Rạch Giá, Kiên Giang.
Điện thoại cơ quan: 0773 814946

Điện thoại riêng: 0919.933.903

E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Giáo viên dạy nghề:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/1999 đến 03/2003

Nơi học: Trƣờng Cao Đẳng Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long
Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Tại chức

Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10/2007

Nơi học: Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy
Tên luận án tốt nghiệp:
Bảo vệ luận án tốt nghiệp: Năm 2007
Ngƣời hƣớng dẫn:
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2011 đến 10/2013
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí
i

Tên luận văn: “Nghiên cứu, phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng công
nghệ siêu âm tổ hợp pha”.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 08/11/2013. Trƣờng ĐHSPKT.TpHCM
Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn
4. Tiến sĩ:
Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Tại (trƣờng, viện, nƣớc):
Tên luận án:
Ngƣời hƣớng dẫn:
5. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh, B1 (khung Châu Âu)
6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:

III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Từ 04/2003- đến nay

Trƣờng CĐN Kiên Giang

Phó trƣởng khoa cơ khí

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

Ngày 10tháng 11năm 2013
XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC

Nguyễn Văn Tràng

ii

Ngƣời khai ký tên


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.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng 11 năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Tràng

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu, phát triển thiết bị kiểm tra
ống nhỏ sử dụng công nghệ 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. Vậy nay tôi:
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn, đã dành
nhiều thời gian, tâm huyết truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hƣớng dẫn,

định hƣớng, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Chí Cƣơng, đã giành nhiều thời gian truyền
đạt cho tôi những kiến thức về cách kiểm tra mối hàn không phá hủy (NDT) trong thời
gian thực hiện luận văn.
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 quý thầy, cô Trƣờng ĐHSPKT TP. HCM đã tận tình giảng dạy,
truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho tôi trong thời gian tôi học tập tại
trƣờng.
Xin cảm ơn anh Nguyễn Trọng Quát - Giám đốc công ty TNHH cơ khí Nam
Hồng đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, trƣờng CĐN Kiên Giang, 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
Khuyết tật hàn trong các mối hàn nói chung, đặc biệt là khuyết tật trong mối
hàn ốngnói riêng có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng kết cấu hàn cũng nhƣ quá trình làm
việc sau này của chúng. Ngoài ra, theo các qui định về an toàn hoạt động trong các
ngành công nghiệp hoá dầu, điện lực, dầu khí,... cần thực hiện kiểm tra định kỳ chất
lƣợng các mối hàn ống (dọc ống) bằng các phƣơng pháp NDT nhƣ X-quang, siêu
âm,...để đánh giá và quyết định thời hạn hoạt động của chúng. Việc kiểm tra chất
lƣợng mối hàn ống (dọc ống) bằng phƣơng pháp siêu âm thƣờng đƣợc thực hiện bằng
tay đòi hỏi nhiều thời gian, kết quả không ổn định với chi phí lớn. Do vậy, vấn đề

nghiên cứu, phát triển thiết bị kiểm tra ống nhỏ sử dụng siêu âm đã nhận đƣợc sự
quan tâm đặc biệt. Đề tài đã tiến hành khảo sát các loại robot, thiết bị tự hành, phƣơng
pháp và kỹ thuật đo bằng siêu âm để tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử
nghiệm thiết bị tự hành kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống nhỏ bằng siêu âm tổ hợp pha.
Thiết bị bao gồm các cơ cấu kẹp, đƣờng ray dẫn hƣớng, cơ cấu di chuyển dọc trục, cơ
cấu mang đầu siêu âm, … có thể hoạt động tự hành dọc theo chiều dài ống tiến hành
đo kiểm với kết quả ổn định, tin cậy, thời gian đo kiểm ngắn.

SUMMARY
Welding defects in buttweld make vertical pipe influence seriously on quality
of welding structure as well as its working process. Besides, according to safety at
work in petrochemical industry and petroleum industry, weld seam quality need to be
tested by NDT techniques, such as: Radiographic testing, Ultrasonic testing vv,.. From
that point this subject will research about a part of welding theory, especially it will
lead us to the defect of the weld and the cause make it wrong. After that, we will learn
about some methods to checking the quality of welding that is presenting to find out
the defect of welding, it’s not easy to see the failure, so we will learn more about
devices, engines to help the inspection process to be more precise.
From the practical problem and difficulties due to the welding inspection
process in reality, this research will focus to studying the self – propelled device that
it’s capability can walk on the pipe with diameter varies from 0,8 inch ÷ 4,5 inch. Over
v


the period of research and learning from the other resources about the self – propelled
or handicraft on around the world and Vietnam market. This subject will go into
research and manufacture the device itself with the simplest structures but bringing
high efficiency.
In addition, the project will also calculate reliable structure of devices and
choosing the most compact structures while ensuring the enduring and able working

well.

vi


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ....................................................................................................i
MỤC LỤC .................................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................x
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................xiv
Chƣơng 1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................1
1.1Tính cấp thiết của đề tài ………………………………………………………..1
1.2

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài………………………………….3

1.2.1Tính thực tiễn của đề tài ..........................................................................................3
1.2.2Ý nghĩa khoa học của đề tài ....................................................................................3
1.3Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...................................................................................4
1.4Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................................4
1.4.1Đối tƣợng nghiên cứu ..............................................................................................4
1.4.2Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................4
1.5Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................5
1.6Nội dung của đề tài .....................................................................................................5
2.1Phƣơng pháp kiểm tra mối hàn bằng siêu âm ............................................................6
2.1.1

Nguyên lý kiểm tra siêu âm ...............................................................................6

2.1.2

Kỹ thuật kiểm tra bằng siêu âm .........................................................................6

2.1.3

Nguyên tắc kiểm tra ...........................................................................................7

2.1.4

Mức độ chấp nhận khuyết tật bên trong mối hàn...............................................9

2.3.1Nứt (CRACKS) .....................................................................................................16
2.3.2

Rỗ khí ...............................................................................................................19

2.3.3Ngậm xỉ (SOLID INCLUSIONS) .........................................................................21
2.3.4Không thấu (LACK OF PENETRATION) ...........................................................22
2.3.4.1Không thấu hoàn toàn .........................................................................................23
2.3.4.2Không thấu chân .................................................................................................23
2.3.5Cháy thủng (Burn-Through) ..................................................................................24
2.3.6Cháy chân (Undercut )...........................................................................................24
2.4

Các nghiên cứu liên quan đến đề tài ................................................................25

2.4.1Các nghiên cứu ngoài nƣớc ...................................................................................25
2.4.2Các nghiên cứu trong nƣớc....................................................................................29
2.5

Các tồn tại ........................................................................................................29

Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................30
3.1

Các biện pháp phát hiện khuyết tật mối hàn ....................................................30
vii


3.1.1

Phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ (Radiographic Testing_RT) .......................31

3.1.2

Kiểm tra mối hàn bằng phƣơng pháp siêu âm (Ultrasonic Testing_UT) ........33

3.1.3

Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm (Untrasonic Inspection_UI) ...........................34

3.1.4

Phƣơng pháp kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetran inspection_LPI)
36

3.1.5

Phƣơng pháp kiểm tra từ tính (Magnetic Particle Inspection_MPI) ................37

3.1.6

Phƣơng pháp kiểm tra dòng xoáy (Eddy Current Testing_ ET) ......................39

3.1.7

Phƣơng pháp dùng tia bức xạ Xquang và Gamma ..........................................40

3.1.8

Phƣơng pháp kiểm tra thủy lực thử áp lực .......................................................42

3.2

Các loại đầu dò sử dụng trong siêu âm dọc trục ..............................................44

3.2.1

Đầu dò thông thƣờng .......................................................................................44

3.2.1.1 Đầu dò thẳng ....................................................................................................44
3.2.1.2 Đầu dò góc ......................................................................................................44
3.2.1.3 Đầu dò kép .......................................................................................................44
3.2.1.4 Đầu dò phased array (OLYMPUS) .................................................................45
3.2.2

Cấu tạo của các đầu dò thông thƣờng ..............................................................45

3.2.3

Cấu tạo của đầu dò tổ hợp pha (phased array) .................................................46

3.2.4

Nguyên lý kiểm tra dọc trục của đầu dò ..........................................................47

Chƣơng 4 PHƢƠNG HƢỚNG VÀ GIẢI PHÁP .........................................................49
4.1

Thông số thiết kế ..............................................................................................49

4.2

Phác thảo nguyên lý hoạt động ........................................................................49

4.2.1

Nguyên lý yêu cầu ..........................................................................................49

4.2.2

Nguyên lý định vị, vận hành ..........................................................................50

4.2.3

Nguyên lý mang thiết bị chạy dọc ống...........................................................51

4.2.4

Nguyên lý dẫn hƣớng .....................................................................................52

4.3

Phƣơng hƣớng và giải pháp thực hiện .............................................................53

4.4

Lựa chọn phƣơng án tối ƣu: .............................................................................59

4.5

Trình tự công việc tiến hành ............................................................................60

Chƣơng 5 .......................................................................................................................61
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU ....................................................................61
5.1

Yêu cầu thiết kế ...............................................................................................61

5.2

Tính toán, thiết kế các cơ cấu ..........................................................................61

5.2.1

Mô hình thiết kế thiết bị ...................................................................................61

5.2.2

Tính toán, thiết kế cụm truyền động ................................................................63

5.2.3

Tính toán, thiết kế cụm di trƣợt .......................................................................67

5.2.3.1 Tính lực kẹp cần thiết cho khối V di động.......................................................68
viii


5.2.3.2 Tính toán bộ truyền vít me – đai ốc kẹp ..........................................................68
5.2.3.3 Kiểm tra độ bền cho đòn kẹp ...........................................................................71
5.2.3.4 Kiểm tra điều kiện bền cho trục kẹp ϕ12: .......................................................73
5.2.4

Thiết kế cụm lắp đầu dò siêu âm .....................................................................74

5.3

Đề xuất mạch điều khiển cho cơ cấu ...............................................................75

Chƣơng 6 CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................79
6.1

Chế tạo và lắp ráp chi tiết ................................................................................79

6.2

Thử nghiệm ......................................................................................................81

6.2.1

Quy trình kiểm tra thử nghiệm.........................................................................81

6.2.1.1 Quy trình kiểm tra siêu âm...............................................................................81
6.2.1.2 Quy trình kiểm tra và vận hành thiết bị ...........................................................85
6.3

Thực nghiệm xác định lực của lò xo ................................................................88

6.3.1

Mục đích thực nghiệm .....................................................................................88

6.3.2

Dụng cụ và các thiết bị thử nghiệm .................................................................88

6.4

Thực nghiệm xác định sai số dọc trục .............................................................90

6.4.1

Mục đích thực nghiệm .....................................................................................90

6.4.2

Dụng cụ và thiết bị thử nghiệm.......................................................................90

6.5

Thực nghiệm đo với OmniScan và đầu dò ......................................................91

6.6

Kết quả kiểm tra thực nghiệm ..........................................................................95

6.7

Đánh giá ...........................................................................................................99

Chƣơng 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................100

ix


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1: Kiểm tra mối hàn ố ng bằng tay [13]
2
Hình 1. 2: Kiểm tra bằng tay mối hàn phẳ ng bằng đầu do siêu âm [13] .........................2
Hình 1. 3 : Kiểm tra bằng tay mố i hàn nố i bồ n bằng phƣơng pháp siêu âm [13] ...........2
Hình 2. 1:Nguyên lý kiểm tra mối hàn bằng siêu âm ......................................................6
Hình 2. 2: Sơ đồ liên kết mối hàn ....................................................................................7
Hình 2. 3: Sơ đồ dò liên kết giáp hàn mối .......................................................................7
Hình 2. 4: Các dạng sơ đồ quét để kiểm tra khuyết tật mối hàn [14] ..............................8
Hình 2. 5: Mô phỏng quá trình siêu âm [14] ...................................................................9
Hình 2. 6: Ống thép không gỉ [8] ..................................................................................10
Hình 2. 7: Ống thép tròn đen [8] ...................................................................................10
Hình 2. 8: Ống thép mạ kẽm [8] ....................................................................................13
Hình 2. 9: Quy trình hàn thép không gỉ sử dụng phôi tấm [8] .....................................14

Hình 2. 10: Quy trình công nghệ hàn ống thép [8]........................................................15
Hình 2. 11: Tổng hợp các khuyết tật của mối hàn.........................................................16
Hình 2. 12: Phân loại khuyết tật nứt theo TCVN 6115-1:2005 ....................................17
Hình 2. 13: Vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) ....................................................................17
Hình 2. 14: Các vị trí thƣờng xuất hiện vết nứt dọc ......................................................18
Hình 2. 15: Vị trí thƣờng xuất hiện các vết nứt dọc ......................................................18
Hình 2. 16: Các vị trí thƣờng xuất hiện vết nứt ngang ..................................................18
Hình 2. 17: Vị trí các vết nứt ngang ..............................................................................19
Hình 2. 18: Nứt cắt lớp ở chân mối hàn [10].................................................................19
Hình 2. 19: Phân loại khuyết tật rỗ khí theo BS EN [10] .............................................20
Hình 2. 20: Các dạng khuyết tật rổ khí [10] .................................................................21
Hình 2. 21: Rỗ khí bên trong mối hàn [10] ..................................................................21
Hình 2. 22: Ngậm xỉ bên trong đƣờng hàn
Hình 2. 23: Ngậm xỉ bên ngoài đƣờng hàn ...................................................................22
Hình 2. 24: Sơ đồ phân loại các khuyết tật ngậm xỉ [10] ..............................................22
Hình 2. 25: Phân loại khuyết tật không thấu [10] .........................................................23
Hình 2. 26:Khuyết tật không thấu chân [10] .................................................................23
Hình 2. 27:Khuyết tật không thấu chân [10] .................................................................24
Hình 2. 28:Khuyết tật cháy thủng [10,12] .....................................................................24
Hình 2. 29: Phân loại khuyết tật cháy chân theo theo BS EN [10] ..............................24
Hình 2. 30: Khuyết tật cháy chân [10,12] ....................................................................25
Hình 2. 31: Kiểm tra mối hàn ống bằng tay sử dụng máy quét COBRA Scanner [9] ..25
x


Hình 2. 32: Thiết bị siêu âm mối hàn OmniScan [9] ....................................................26
Hình 2. 33: Thiết bị kiểm tra mối hàn nối Olympus OmniScan sử dụng bằng tay [9] .26
Hình 2. 34: Máy siêu âm mối hàn Olympus [9] ............................................................26
Hình 2. 35: Máy kiểm tra mối hàn sử dụng trong nhà máy sản xuất ống [9]................27
Hình 2. 36: Thiết bị tự động kiểm tra mối hàn bồn PV – 300 [9] .................................28

Hình 2. 37: Kiểm tra mối hàn bồn áp lực bằng thiết bị PV – 300 [9] ...........................28
Hình 3. 1: Ống phát tia X [15] ......................................................................................32
Hình 3. 2: Nguyên lý phát hiện khuyết tật bằng phƣơng pháp siêu âm [15] ................33
Hình 3. 3: Thiết bị siêu âm kiểm tra mối hàn [9] ..........................................................34
Hình 3. 4: Nguyên lý kiểm tra bằng siêu âm [9] ...........................................................35
Hình 3. 5: Các bƣớc chuẩn bị trƣớc khi kiểm tra [11] ..................................................36
Hình 3. 6: Nguyên lý kiểm tra bằng phƣơng pháp từ tính [15] .....................................38
Hình 3. 7: Thiết bị kiểm tra khuyết tật mối hàn bằng dòng xoáy [15] ..........................40
Hình 3. 8: Nguyên lý kiểm tra bằng bức xạ [15] ...........................................................41
Hình 3. 9: Kiểm tra mối hàn giáp mối bằng Xquang ....................................................41
Hình 3. 10: Sơ đồ phƣơng pháp kiểm tra áp lực [11] ....................................................43
Hình 3. 11: Đầu dò thẳng [9] .........................................................................................44
Hình 3. 12: Đầu dò góc [9] ............................................................................................44
Hình 3. 13: Đầu dò kép [9] ............................................................................................45
Hình 3. 14: Đầu dò phased array (OLYMPUS) [9] ......................................................45
Hình 3. 15: Đầu dò đơn tinh thể và đầu dò tinh thể kép................................................45
Hình 3. 16: Cấu tạo của các đầu dò thông thƣờng [9] ...................................................46
Hình 3. 17: Cấu tạo Đầu dò siêu âm phased array [9]..................................................46
Hình 3. 18: Cấu tạo của đầu dò đa tinh thể Phased Array [9] ......................................46
Hình 3. 19: Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm truyền thống [9] ........................................47
Hình 3. 20: Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm TOFD [9] ..................................................47
Hình 3. 21: Phƣơng pháp kiểm tra siêu âm phased array [9] ........................................48
Hình 4. 2: Nguyên lý yêu cầu của thiết bị .....................................................................49
Hình 4. 3: Nguyên lý định vị, vận hành ........................................................................50
Hình 4. 4: Phƣơng án lựa chọn định vị và vận hành bởi hai khối V .............................51
Hình 4. 5: Nguyên lý mang thiết bị chạy dọc ống .........................................................51
Hình 4. 6: Bộ truyền vitme – đai ốc dẫn động đƣợc chọn theo phƣơng án 2................52
Hình 4. 7: Nguyên lý dẫn hƣớng cho thiết bị ................................................................52
Hình 4. 8: Nguyên lý dẫn hƣớng cho thiết bị đƣợc chọn theo phƣơng án 2 .................53
Hình 4. 9: Mô hình phƣơng án 1 ...................................................................................54

xi


Hình 4. 10: Mô hình phƣơng án 2 .................................................................................55
Hình 4. 11: Mô hình phƣơng án 3 .................................................................................57
Hình 4. 12: Mô hình phƣơng án 4 .................................................................................58
Hình 4. 13: Mô hình phƣơng án đã lựa chọn.................................................................59
Hình 5. 1: Mô hình thiết bị thiết kế ...............................................................................61
Hình 5. 2: Mô hình phân rả thiết bị ...............................................................................62
Hình 5. 3: Bản vẽ cụm chi tiết truyền động ...................................................................63
Hình 5. 4: Bản vẽ bộ truyền vítme – đai ốc bi...............................................................66
Hình 5. 5: Bản vẽ cụm chi tiết di trƣợt ..........................................................................67
Hình 5. 6: Sơ đồ phân tích lực kẹp tác dụng lên khối V ...............................................68
Hình 5. 7: Đòn kẹp theo thiết kế....................................................................................71
Hình 5. 8: Biểu đồ nội lực của đòn kẹp .........................................................................72
Hình 5. 9: Biểu đồ phân bố ứng suất trên tiết diện đòn kẹp ..........................................72
Hình 5. 10: Biểu đồ nội lực của trục kẹp .......................................................................73
Hình 5. 11: Bản vẽ cụm chi tiết lắp đầu dò siêu âm ......................................................74
Hình 5. 12: Mạch động lực ............................................................................................77
Hình 5. 13: Mạch điều khiển .........................................................................................78
Hình 5. 14: Tủ điện sau khi thiết kế và lắp đặt hoàn chỉnh ...........................................78
Hình 6. 1:Mô hình thiết bị thiết kế ban đầu ...................................................................79
Hình 6. 2: Thiết bị sau khi gia công lắp ráp hoàn chỉnh................................................80
Hình 6. 3: Hƣớng nhìn khác của thiết bị sau khi gia công lắp ráp hoàn chỉnh .............80
Hình 6. 4: Sơ đồ tổng quát qui trình kiểm tra siêu âm [9] .............................................81
Hình 6. 5: Sơ đồ thiết bị đo [9] ......................................................................................84
Hình 6. 6: Xử lý file sau khi quét để báo cáo [9] ..........................................................88
Hình 6. 7: Bộ phận kẹp đầu dò và lực kế ......................................................................88
Hình 6. 8: Lò xo và bộ kẹp đầu dò ................................................................................89
Hình 6. 9: Thiết bị và dụng cụ thử nghiệm sai số dọc trục ...........................................90

Hình 6. 10: Máy phân tích, hiển thị dữ liệu và đầu dò siêu âm tổ hợp pha [9] .............92
Hình 6. 11: Đầu dò và nêm nghiêng góc 550[9] ...........................................................92
Hình 6. 12:
Hình 6. 13:
Hình 6. 14:
Hình 6. 15:
Hình 6. 16:
Hình 6. 17:

Hiệu chỉnh calib đầu dò với mẫu chuẩn và encoder..................................92
Điều chỉnh đầu dò so với mối hàn [9] .......................................................93
Điều chỉnh đầu dò so với mối hàn [9] .......................................................93
Gá lắp và điều chỉnh cụm đầu dò so với mối hàn cần kiểm tra trên ống ..94
Kiểm tra và điều chỉnh khoảng cách đầu dò đúng theo yêu cầu ...............94
Quá trình vận hành máy siêu âm và thiết bị đo .........................................94
xii


Hình 6. 18: Kết quả thực nghiệm lần 1 ........................................................................96
Hình 6. 19: Kết quả thực nghiệm lần 2 ........................................................................97
Hình 6. 20: Kết quả thực nghiệm lần 3 ........................................................................99

xiii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1: Góc vào trong từng vật liệu ...........................................................................8
Bảng 2. 2: Chiều dài giới hạn của vật kiểm tra ...............................................................9
Bảng 2. 3: Kích thƣớc tiêu chuẩn của ống thép đen tròn [8].........................................11
Bảng 2. 4: Kích thƣớc ống thép mạ kẽm [8] .................................................................12

Bảng 2. 5: Kích thƣớc ống thép không gỉ, ống hàn [8] ................................................13
Bảng 2. 6: Kích thƣớc ống thép chế tạo bằng phƣơng pháp hàn [8] .............................15

Bảng 5. 1: Bảng giá trị ΨH và Ψh ...................................................................................64

Bảng 6. 1: Kết quả thực nghiệm xác định lực lò xo .....................................................90
Bảng 6. 2: Kết quả thực nghiệm sai số dọc của đầu dò ................................................91

xiv


Chƣơng 1

GIỚI THIỆU
Trong công nghiệp dầu khí, điện lực, giao thônghiện nay có rất nhiều đƣờng
ống thép có đƣờng kính khác nhau, đặc biệt là các ống nhỏ, đƣợc sử dụng để dẫn chất
lỏng, chất khí,… Các đƣờng ống này từ lúc sản xuất ra đến suốt cả thời gian sử dụng
ống đều phải kiểm tra đánh giá chất lƣợng để đi đến quyết định về khả năng tiếp tục
sử dụng hay bị thay thế. Với vai trò quan trọng đó, việc nâng cao năng suất, chất lƣợng
mối hàn cũng nhƣ phƣơng pháp đo kiểm đánh giá chất lƣợng ốngkhisản xuất và trong
quá trình sử dụng luôn là vấn đề cấp bách đƣợc 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 lao động gấp nhiều lần và có độ tin cậy cao.
Vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu thiết kế một thiết bị kiểm tra mối hàn
dọc ống mang đầu dò siêu âm để đo kiểm, đánh giá chất lƣợng mối hàn dọc ốnglà một
vấn đề thời sự và cấp bách.

1.1

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam vẫn đang áp dụng nhiều phƣơng

pháp kiểm tra chất lƣợng của đƣờng ống. Tuy nhiên việc kiểm tra này còn mang tính
thủ công hoặc bán tự động,vì vậy việc kiểm tra vẫn còn có một số nhƣợc điểm sau:
- Thời gian đo kiểm lớn.
- Công tác vận hành kiểm tra tƣơng đối phức tạp.
- Đội ngũ cán bộ kiểm tra đòi hỏi phải có kinh nghiệm.
- Tốc độ di chuyển của thiết bị kiểm tra bằng tay không ổn định gây ảnh
hƣởng lớn đến kết quả kiểm tra.
- Ở một số đƣờng ống dài việc kiểm tra bằng thủ công sẽ không hiệu quả về
mặt thời gian, nhân công,…
- Thiết bị kiểm tra bằng tay tƣơng đối cồng kềnh, đòi hỏi phải có đƣờng ray
dẫn do đó chi phí mua sắm thiết bị tƣơng đối cao.
Hình 1.1 đến 1.5 trình bày một số hình ảnh về công việc kiểm tra và thiết bị
kiểm tra chất lƣợng mối hàn ống sử dụng kỹ thuật siêu âm.
1


Hình 1. 1: Kiểm tra mối hàn ố ng bằng tay [13]

Hình 1. 2: Kiểm tra bằng tay mối hàn phẳ ng bằng đầu do siêu âm [13]

Hình 1. 3: Kiểm tra bằng tay mố i hàn nố i bồ n bằng phƣơng pháp siêu âm [13]

Hình 1. 4: Thiết bị tự động kiểm tra mối hàn cho mố i nố i đƣờng ố ng [13]
2


Hình 1. 5: Thiết bị tự hành kiểm tra ống cáp quang dƣới đáy biển [14]
Đòi hỏi từ thực tế là cần phải khắc phục các hạn chế khi kiểm tra bằng các thiết

bị thủ công nhƣ trên và yêu cầu có một thiết bị kiểm tra mối hàn ống có khả năngtự
hành, có tính kinh tế trong sử dụng. Do vậy, việc nghiên cứu một thiết bị tự hành có
thể mang đầu siêu âm kiểm tra đƣợc mối hàn do ̣c ống là một nhu cầu cấp bách.

1.2

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

1.2.1 Tính thực tiễn của đề tài
Thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm đo kiểm đánh giá chất lƣợng mối hàn dọc
ống có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ : kiểm tra chất lƣợng mối hàn ống trong
các ngành dầu khí , thủy lợi , và các đƣờng ống chứa chất lỏng nhằm phát hiện các
khuyết tật của mối hàn dọc ống để loại bỏ các ống bị hƣ hỏng. Có thể ứng dụng tốt
trong các nhà máy chế tạo ống. Trong một số trƣờng hợp đặc biệt các ống kiểm tra hàn
theo một dãy với nhiều hàng ống song song thì việc kiểm tra thủ công hoặc các
phƣơng pháp khác khó thực hiện nhƣng thiết bị này vẫn có thề sử dụng đƣợc.
Thiết bị tự hành hoạt động độc lập mà không phụ thuộc vào các thiết bị kèm
theo phụ trợ trong quá trình hoạt động nhƣ là đƣờng ray dẫn hƣớng.
Với các đƣờng ống cần kiểm tra dài thì thiết bị hoạt động sẽ có hiệu quả hơn
các thiết bị kiểm tra bằng tay hoặc bán tự động.
1.2.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Hƣớng nghiên cứu của đề tài là hƣớng nghiên cứu thiên về lĩnh vực robot. Kết
quả của đề tài là thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm để đo kiểm, đánh giá chất lƣợng
mối hàn dọc ống. Đề tài có một số ý nghĩa khoa học sau:
3


- Đề xuất đƣợc nguyên lý hoạt động tự hành dọc theo ống lấy ống làm đƣờng
dẫn theo nguyên lý co duỗi (chuyển động của con sâu);
- Khả năng thay thế, kẹp chặt với một phạm vi xác định các ống có đƣờng kính

khác nhau;
- Cung cấp khả năng đo hành trình và khả năng điều khiển qua máy tính khi
thay bộ điều khiển tiếp điểm bằng bộ điều khiển ứng dụng vi điều khiển;
- Giới thiệu một thiết bị đo với nguyên lý hoạt động tự hành thay thế cho các
thiết bị vận hành thủ công.

1.3

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Đề tài nghiên cứu về kỹ thuật đo, phƣơng pháp đo siêu âm, đặc biệt là siêu

âm tổ hợp pha. Qua đó đề xuất qui trình đo kiểm sử dụng thiết bị tự hành mang đầu dò
siêu âm tổ hợp pha.
- Thử nghiệm, phát triển các cơ cấu kẹp có điều khiển;
- Thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm kiểm tra,
đánh giá chất lƣợng mối hàn dọc ống.

1.4

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu
- Ống công nghệ đƣờng kính nhỏ.
- Các dạng khuyết tật hàn thƣờng gặp trên ống khi chế tạo hoặc sau một thời
gian sử dụng.
- Kỹ thuật đo siêu âm, thiết bị siêu âm tổ hợp pha
- Các cơ cấu kẹp, di chuyển, cụm gá đầu đo, …
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Lĩnh vực tự động là một lĩnh vực tƣơng đối rộng lớn, nhƣng kiến thức và thời
gian làm luận văn có hạn. Do đó, đề tài này chỉ nghiên cứu về thiết bị tự hành kiểm tra

mối hàn dọc đƣờng ống, nghiên cứu các phƣơng án cho thiết bị kiểm tra đi trên đƣờng
ống và mang thiết bị kiểm tra siêu âm mối hàn dọc ống.

4


1.5

Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp

chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu. Qua phân tích, xử lý thông
tin thu đƣợc đề xuất qui trình chế tạo và kiểm tra ống nhỏ.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành chế tạo thử nghiệm thiết bị kiểm tra
ống nhỏ sử dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha, thử nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh
thiết kế.

1.6

Nội dung của đề tài
- Chƣơng 1: Giới thiệu
- Chƣơng 2: Tổng quan
- Chƣơng 3:Cơ sở lý thuyết
- Chƣơng 4: Phƣơng hƣớng và giải pháp
- Chƣơng 5: Tính toán thiết kế các cơ cấu
- Chƣơng 6: Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá
- Chƣơng 7: Kết luận và kiến nghị

5

Chƣơng 2

TỔNG QUAN
Phƣơng pháp kiểm tra mối hàn bằng siêu âm

2.1

2.1.1 Nguyên lý kiểm tra siêu âm
Sóng siêu âm đƣợc truyền qua môi trƣờng kèm theo sự suy giảm năng lƣợng do
tính chất của môi trƣờng. Cƣờng độ sóng âm hoặc đƣợc đo sau khi phản xạ (xung phản
hồi) tại các mặt phân cách ( khuyết tật) hoặc đo tại bề mặt đối diện của vật kiểm tra
(xung truyền qua). Chùm sóng âm phản xạ đƣợc 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 vào nhiều yếu tố 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 trƣng của vật
liệu đó.

Hình 2. 1:Nguyên lý kiểm tra mối hàn bằng siêu âm
2.1.2 Kỹ thuật kiểm tra bằng siêu âm
Kỹ thuật kiểm tra siêu âm thƣờng đƣợc chia ra làm ba tiêu chí phân nhóm chủ
yếu:
- Xung phản hồi và truyền qua (liên quan đến năng lƣợng đƣợc sử dụng phản
xạ hay truyền qua).
- Chùm tia vuông góc và xiên góc (liên quan đến góc mà năng lƣợng âm thanh
đi vào vật kiểm).
- Tiếp xúc và nhúng (liên quan đến phƣơng pháp tiếp âm biến tử với vật
kiểm).
6

2.1.3 Nguyên tắc kiểm tra
Với việc kiểm tra mối hàn giáp mối ta sử dụng phƣơng pháp xung phản hồi với
việc đƣa đầu dò vào theo sơ đồ phối hợp.

Hình 2. 2: Sơ đồ liên kết mối hàn
- Định vị khuyết tật: a = S.sinα; b = S.cosα
- Sử dụng đầu dò có góc α = 350 ÷ 500
- Để đảm bảo tin cậy ngƣời ta sử dụng hai đầu dò. Đầu dò có góc phát (góc
tới) 500 dùng để phát hiện các khuyết tật có thể tồn tại trong vũng hàn mà không thể
dò với góc phát nhỏ.
- Các mối hàn có chiều dày nhỏ (<100 mm) có thể dò trên một bề mặt của kim
loại cơ bản bằng tia phản xạ trực tiếp và phản xạ một lần (sơ đồ 2.2). Lúc đó góc vào
kim loại β thƣờng đƣợc chọn sao cho trục chùm tia ở một trong những đầu dò cắt trục
đối xứng của tiết diện mối hàn tại độ sau 0,5δ.

a) Trực tiếp

b) Gián tiếp

Hình 2. 3: Sơ đồ dò liên kết giáp hàn mối

7


Lựa chọn góc phát đầu dò
- Góc đầu dò β = 900 ÷ θ/2
- Trong đó θ – là góc vát mép ( chữ V, X, K)
- Góc đầu dò thay đổi theo từng loại vật liệu của vật kiểm tra. Bảng sau chỉ ra
giá trị góc của chùm tia thay đổi tùy thuộc vào các loại vật liệu khác nhau.

Bảng 2. 1: Góc vào trong từng vật liệu
Xác định vùng dịch chuyển đầu dò góc khi kiểm tra tiết diện mối hàn
- Để quét hết với tia trực tiếp
δ.tgβ ≥ (b + 2e)

(sơ đồ 2.2)

- Với tia phản xạ một lần:
δ.tgβ ≥ (b + 2z)

(sơ đồ 2.2)

- Khoảng cách z thƣờng lấy bằng 5 mm là cần thiết để đảm bảo phần lớn năng
lƣợng của chùm siêu âm trong vùng kiểm.
- Chiều dày kim loại cơ bản càng nhỏ thì góc vào càng lớn , vì với việc giảm
chiều dày δ thì chiều rộng b giảm xuống không đáng kể, khi đó để quét mối hàn bằng
tia trực tiếp thì luôn cần góc vào lớn hơn so với khi quét bằng tia phản xạ vào mặt đối
diện của kim loại cơ bản .
- Đối với mối hàn góc và mối hàn chữ T ta cũng sữ dụng phƣơng pháp phản
hồi xung.
- Sơ đồ quét:

Hình 2. 4: Các dạng sơ đồ quét để kiểm tra khuyết tật mối hàn [14]
8