KIỂM TRA MỐI HÀN ỐNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM MẢNG ĐIỀU PHA (PAUT) TẠI KHO XĂNG DẦU VŨNG ÁNG, CẢNG VŨNG ÁNG – HÀ TĨNH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................ 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................... 9
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ ....................................................... 10
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................ 11
CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................... 12
1.1. Giới thiệu chung về phương pháp kiểm tra không phá hủy ........................12
1.1.1. Định nghĩa về phương pháp kiểm tra không phá hủy...........................12
1.1.2. Một số phương pháp kiểm tra không phá hủy phổ biến tại Việt Nam .12
1.2. Cơ sở của phương pháp kiểm tra siêu âm (UT) ..........................................12
1.2.1. Định nghĩa về phương pháp kiểm tra siêu âm ......................................12
1.2.2. Định nghĩa và đặc điểm của sóng siêu âm ............................................13
1.2.2.1. Một số đặc điểm của sóng siêu âm .................................................13
1.2.3. Các phương pháp kiểm tra siêu âm .......................................................20
1.2.3.1. Phương pháp truyền qua .................................................................20
1.2.3.2. Phương pháp xung phản hồi ...........................................................21
1.2.3.3. Phương pháp cộng hưởng ...............................................................22
1.2.3.4. Các phương pháp tự động và bán tự động ......................................22
1.3. Phương pháp kiểm tra siêu âm mảng điều pha (PAUT) .............................23
VŨ NGỌC VINH- 20134631

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.3.1. Định nghĩa và nguyên lý cơ bản của siêu âm mảng điều pha ...............23

1.3.2. Các thiết bị trong siêu âm, siêu âm mảng điều pha ..............................25
1.3.2.1. Đầu dò và phân loại ........................................................................25
1.3.2.2. Thiết bị kiểm tra siêu âm ................................................................29
1.3.2.3. Nêm .................................................................................................35
1.3.2.4. Chất tiếp âm ....................................................................................36
1.3.2.5. Mã hóa vị trí ....................................................................................37
1.3.2.6. Bộ quét ............................................................................................37
1.3.2.7. Các mẫu chuẩn ................................................................................37
CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM ............................................................................39
2.1. Kiểm tra, đánh giá chất lượng cho các ống thép dẫn xăng E100 ..................40
2.1.1. Thông số về đối tượng kiểm tra ...............................................................40
2.1.2. Lựa chọn thiết bị sử dụng ........................................................................44
2.1.3. Các bước tiến hành ..................................................................................55
2.1.3.1. Chuẩn bị.............................................................................................55
2.1.3.2. Thực hành tại hiện trường .................................................................60
2.2. Kết quả thu được và đánh giá ........................................................................63
KẾT LUẬN .............................................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................85
PHỤ LỤC ................................................................................................................86

VŨ NGỌC VINH- 20134631

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho em gửi lời cảm ơn đến Cử nhân Nguyễn Duy Lân đã trực tiếp
giúp em tiếp cận với kỹ thuật kiểm tra siêu âm Mảng điều pha – Phased array

Ultrasonic testing (PAUT), một kỹ thuật mới trên thế giới và Việt Nam. Đồng thời
Cử nhân Nguyễn Duy Lân cũng đã hỗ trợ rất nhiều về mặt cơ sở vật chất để chúng
em có cơ hội được thực tập tại các khu công nghiệp trong nước, trau dồi thêm nhiều
các kiến thức lý thuyết và tích lũy kinh nghiệm thực tế để em có thể hoàn thành đồ
án này một cách trọn vẹn.
Em cũng xin cảm ơn Kỹ sư Vũ Tiến Hà, giám đốc Trung tâm Đánh giá Không
phá hủy (NDE) đã tạo điều kiện để em có thể tiếp cận với các tài liệu kiểm tra không
phá hủy một cách thuận lợi và nhanh chóng.
Em xin gửi lời cảm ơn đến Thạc sĩ Lương Hữu Phước, giảng viên viện Kỹ
thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường là giáo viên hướng dẫn đã giúp đỡ em rất nhiều
trong quá trình hoàn thiện báo cáo đồ án tốt nghiệp.
Em cũng xin cảm ơn toàn bộ các thầy cô thuộc viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật
lý Môi trường đã giảng dạy và giúp đỡ em tiếp thu và trau dồi kiến thức trong suốt
quá trình học đại học.

VŨ NGỌC VINH- 20134631

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

NDT

Non-Destructive Testing

Kiểm tra không phá hủy

ASME

American Society of Mechanical

Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ

Engineers
NDE

Non-Destructive Evaluation

Đánh giá không phá hủy

RT

Radiographic Testing

Phương pháp chụp ảnh phóng xạ

MT

Magnetic Particle Testing

Phương pháp kiểm tra bột từ

PT

Liquid Penetrant Testing

Phương pháp thẩm thấu chất lỏng

UT

Utrasonic Testing

Phương pháp kiểm tra siêu âm

ET

Eddy Current Testing

Phương pháp kiểm tra dòng điện
xoáy

PAUT

Phased Array Ultrasonic Testing

Kiểm tra siêu âm mảng điều pha

E5

Ethanol 5%

Xăng E5

TCG

Time Corrected Gain

Tăng âm hiệu chỉnh theo thời
gian

DAC

Distance Amplitude Curve

Đường cong biên độ khoảng cách

LW

Longitudinal Wave

Sóng dọc

SW

Shear Wave

Sóng ngang

S-Scan

Sectorial Scan

Kiểu quét hình quạt

L-Scan

Linear Scan

Kiểu quét tuyến tính

Zero & Velocity

Hiệu chuẩn “zero” và vận tốc

Wedge Delay Wizard

Đồ thuật hiệu chuẩn độ trễ nêm
cho toàn bộ các chùm tia siêu âm
trong một phép quét

VŨ NGỌC VINH- 20134631

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TOPVIEW

Hiển thị tích lũy nhìn từ trên
xuống (Tương tự như phim chụp
RT)

ENDVIEW

VŨ NGỌC VINH- 20134631

Hiển thị tích lũy nhìn từ bên sang

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình ảnh

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Quá trình phản xạ và truyền qua của sóng siêu âm khi góc

13

tới thẳng góc
Hình 1.2

Quá trình phản xạ và truyền qua của sóng siêu âm khi góc

15

tới xiên góc
Hình 1.3

Hình ảnh mô phỏng chùm tia siêu âm

16

Hình 1.4

Nguyên lý phương pháp truyền qua

20

Hình 1.5

Nguyên lý phương pháp xung phản hồi

21

Hình 1.6

Siêu âm mảng điều pha trong kiểm tra ăn mòn ống

23

Hình 1.7

Nguyên lý cơ bản của siêu âm mảng điều pha

24

Hình 1.8

Đầu dò tiếp xúc trực tiếp trong UT

26

Hình 1.9

Đầu dò góc sử dụng nêm trong UT

26

Hình 1.10

Đầu dò trễ sử dụng trong UT

27

Hình 1.11

Đầu dò kép sử dụng trong UT

28

Hình 1.12

Nguyên lý cơ bản của đầu dò đa biến tử sử dụng trong

28

PAUT
Hình 1.13

Hiển thị A-Scan trong siêu âm

31

Hình 1.14

Hiển thị B-Scan trong siêu âm

32

Hình 1.15

Hiển thị C-Scan trong PAUT

33

Hình 1.16

Hiển thị S-Scan trong PAUT

34

Hình 1.17

Hiển thị dạng TOPVIEW trong PAUT

34

Hình 1.18

Hiển thị dạng ENDVIEW trong PAUT

35

Hình 1.19

Đầu dò và nêm khi ta quét thử trên mẫu

35

Hình 2.1

Hiện trường kiểm tra các ống dẫn xăng

40

VŨ NGỌC VINH- 20134631

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.2

Sơ đồ phân bố các loại ống tại Kho xăng dầu Vũng Áng

41

Hình 2.3

Thiết bị kiểm tra siêu âm

45

Hình 2.4

Bình áp suất để cung cấp chất tiếp âm

50

Hình 2.5

Chất tiếp âm SONAGEL

50

Hình 2.6

Mẫu chuẩn V1

52

Hình 2.7

Mẫu chuẩn V2

53

Hình 2.8

Mẫu chuẩn TCG

54

Hình 2.9

Mẫu ống có rãnh khía

54

Hình 2.10

Hiển thị của thiết bị siêu âm khi chuẩn nêm

57

Hình 2.11

Cách đặt đầu dò khi thực hiện chuẩn vận tốc

58

Hình 2.12

Hình ảnh của S-Scan khi trên thiết bị siêu âm khi chuẩn

58

vận tốc
Hình 2.13

Hiển thị của lỗ khoan sườn thứ nhất trên S-Scan

59

Hình 2.14

Hiển thị của lỗ khoan sườn thứ hai trên S-Scan

60

Hình 2.15

Mối hàn sau khi được làm sạch

61

Hình 2.16

Sơ đồ hệ đo trong phòng thì nghiệm

61

Hình 2.17

Hệ đo kiểm tra mối hàn siêu âm mảng điều pha và các

62

thiết bị
Hình 2.18

Khuyết tật thiếu ngấu

67

Hình 2.19

Khuyết tật thiếu ngấu chân

68

Hình 2.20

Khuyết tật rỗ khí

68

Hình 2.21

Khuyết tật nứt

69

Hình 2.22

Khuyết tật xỉ

69

Hình 2.23

Dữ liệu quét khi kiểm tra mối hàn cơ bản

73

Hình 2.24

Dữ liệu quét mối hàn 2-1

75

Hình 2.25

Dữ liệu quét mối hàn 2-2

76

VŨ NGỌC VINH- 20134631

7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.26

Dữ liệu quét mối hàn 2-3

77

Hình 2.27

Dữ liệu quét mối hàn 3-1

78

Hình 2.28

Dữ liệu quét mối hàn 3-2

78

Hình 2.29

Dữ liệu quét mối hàn 3-3

79

Hình 2.30

Dữ liệu quét mối hàn 3-4

79

Hình 2.31

Dữ liệu quét mối hàn 4-1

80

Hình 2.32

Dữ liệu quét mối hàn 4-2

80

Hình 2.33

Dữ liệu quét mối hàn 4-3 với điểm nghi ngờ 1

82

Hình 2.34

Dữ liệu quét mối hàn 4-3 với điểm nghi ngờ 2

83

PL1.1

Hình ảnh minh họa khuyết tật nứt

87

PL1.2

Hình ảnh minh họa khuyết tật rỗ khí

87

PL1.3

Hình ảnh minh họa khuyết tật lẫn xỉ

88

PL1.4

Hình ảnh minh họa khuyết tật hàn không ngấu

89

PL1.5

Hình ảnh minh họa khuyết tật về hình dáng liên kết

90

VŨ NGỌC VINH- 20134631

8

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng

Nội dung

Trang

Bảng 2.1

Danh sách các mối hàn, đặc điểm và vị trí của chúng

43

Bảng 2.2

Thông số kỹ thuật của máy siêu âm VEO+

48

Bảng 2.3

Các mối hàn ống đường kính 2 inch

64

Bảng 2.4

Các mối hàn ống đường kính 3 inch

65

Bảng 2.5

Các mối hàn ống đường kính 4 inch

66

VŨ NGỌC VINH- 20134631

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ
Kỹ thuật: Là một phương pháp cụ thể trong đó sử dụng một phương pháp
NDT đặc thù. Mỗi kỹ thuật kiểm tra được nhận dạng bởi ít nhất một tham số thay
đổi quan trọng đặc biệt từ một kỹ thuật khác trong phạm vi của phương pháp đó. (Ví
dụ: Phương pháp kiểm tra siêu âm Mảng điều pha có các kỹ thuật đầu dò kép, kỹ
thuật nhúng…).
Quy trình: Trong kiểm tra không phá hủy, quy trình kiểm tra là một dãy thứ
tự các quy tắc hoặc các hướng dẫn được trình bày một cách chi tiết, ở đâu, như thế
nào và ở bước nào thì một phương pháp NDT nên được áp dụng vào một quá trình
sản xuất.
Tiêu chuẩn: Là các tài liệu quy định và hướng dẫn các cách thực hiện khác
nhau diễn ra trong quá trình chế tạo một sản phẩm công nghiệp. Những tiêu chuẩn

mô tả những yêu cầu kỹ thuật đối với một vật liệu, quá trình gia công, sản phẩm, hệ
thống hoặc dịch vụ. Chúng cũng chỉ ra những quy trình, phương pháp, thiết bị hoặc
quá trình kiểm tra để xác định rằng những yêu cầu đó đã được thỏa mãn.

VŨ NGỌC VINH- 20134631

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI MỞ ĐẦU
Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa và đang đà từ
nước đang phát triển trở thành nước phát triển. Chính vì thế nhu cầu về xây dựng,
công nghiệp đang được chú trọng hàng đầu, không chỉ về số lượng mà chất lượng
mới là yếu tố quan trọng để đất nước ta có thể đi lên hội nhập với thế giới một cách
bền vững.
Chính vì vậy kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT) ngày càng được chú
trọng và phát triển tại nước ta, đi từ các phương pháp truyền thống như kiểm tra chụp
ảnh phóng xạ (RT), thẩm thấu (PT), hạt từ (MT), quang học (VT), siêu âm (UT),
dòng điện xoáy (ET) qua các phương pháp cao cấp sử dụng công nghệ cao hơn như
chụp ảnh phóng xạ kỹ thuật số (CR&DR), siêu âm mảng điều pha (PAUT)…
Vấn đề đặt ra của chúng ta là nhân lực để có thể làm chủ được công nghệ cao
đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển để áp dụng chúng vào thực tiễn một cách
hiệu quả nhất.
Kỹ thuật siêu âm truyền thống (UT) để kiểm tra các khuyết tật bên trong thực
tế đã được phát triển từ những năm 1940, tuy nhiên kỹ thuật PAUT với rất nhiều ưu
điểm mới được phát triển và áp dụng trong khoảng 10 năm gần đây.
Kỹ thuật PAUT có thể giúp chúng ta kiểm tra các khuyết tật mối hàn, vật đúc,
kiểm tra ăn mòn một cách dễ dàng thông qua hình ảnh hiển thị được mã hóa màu và

thông tin tọa độ 3D. Đồng thời nó cũng giúp tăng năng suất kiểm tra và độ tin cậy.
Nội dung Đồ án tốt nghiệp dưới đây của em sẽ giúp chúng ta hình dung rõ
ràng hơn về kỹ thuật này thông qua ứng dụng của nó trên các mối hàn ống tại Kho
Xăng dầu Vũng Áng, cảng Vũng Áng, tỉnh Hà Tĩnh.

VŨ NGỌC VINH- 20134631

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.

Giới thiệu chung về phương pháp kiểm tra không phá hủy [1]

1.1.1. Định nghĩa về phương pháp kiểm tra không phá hủy
Kiểm tra không phá hủy (Non- Destructive Testing- NDT) là việc sử dụng các
phương pháp vật lý, hóa học 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.
Một số ứng dụng của kiểm tra không phá hủy như là phát hiện các khuyết tật
như vết nứt, rỗ khí, ngậm xỉ, tách lớp, không ngấu, không thấu trong các mối hàn,
kiểm tra ăn mòn của kim loại, tách lớp của vật liệu composite.
1.1.2. Một số phương pháp kiểm tra không phá hủy phổ biến tại Việt Nam
- Phương pháp chụp ảnh phóng xạ (RT)
- Phương pháp kiểm tra siêu âm (UT)
- Phương pháp thẩm thấu chất lỏng (PT)
- Phương pháp kiểm tra hạt từ (MT)

- Phương pháp kiểm tra dòng xoáy (ET)
- Phương pháp quang học (VT)
- Phương pháp chụp ảnh kỹ thuật số (CR&DR)
- Phương pháp siêu âm mảng điều pha (PAUT)
1.2.

Cơ sở của phương pháp kiểm tra siêu âm (UT)

1.2.1. Định nghĩa về phương pháp kiểm tra siêu âm
Phương pháp kiểm tra siêu âm sử dụng chùm sóng âm có tần số trên ngưỡng
con người nghe được (siêu âm) đập vào vùng cần kiểm tra. Nếu không có khuyết tật,
chùm siêu âm sẽ đi thẳng, còn nếu gặp khuyết tật, chùm siêu âm sẽ phản xạ trở lại,
tương tự như tiếng vọng ta nghe được từ vách núi. Thiết bị siêu âm có thể giúp ta
VŨ NGỌC VINH- 20134631

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

thấy được sóng âm phản hồi và từ đó có thể biết được khuyết tật nằm ở đâu trong
vật kiểm tra. Dựa vào mức độ mạnh yếu của chùm âm vọng, ta cũng có thể đánh giá
được kích thước của khuyết tật.
Phương pháp siêu âm là một trong sáu phương pháp được ứng dụng rộng rãi
để đo chiều dày vật liệu đánh giá ăn mòn, phát hiện tách lớp và phát hiện khuyết tật
trong mối hàn và các kết cấu kim loại và composite. Ưu điểm nổi bật của phương
pháp là nhanh, chính xác, thiết bị tương đối rẻ, và có thể cho ta biết cả chiều sâu của
khuyết tật. Tuy nhiên, phương pháp cũng có nhiều hạn chế như bỏ sót nhiều khuyết
tật có mặt phẳng định hướng song song với chùm siêu âm, kết quả kiểm tra phụ
thuộc rất nhiều vào kỹ năng của kỹ thuật viên và số liệu không lưu trữ, kiểm chứng

được.
1.2.2. Định nghĩa và đặc điểm của sóng siêu âm [2]
Sóng siêu âm là tên gọi được sử dụng cho các sóng âm có tần số vượt khỏi dải
tần số mà con người nghe được, tức là vượt quá 20 kHz.
1.2.2.1. Một số đặc điểm của sóng siêu âm
- Quá trình phản xạ và truyền qua của sóng siêu âm
 Khi góc tới thẳng góc
Sóng tới

Sóng phản xạ

môi trường 1 (Z1)
môi trường 2 (Z2)

Sóng truyền qua

Hình 1.1: Quá trình phản xạ và truyền qua của sóng siêu âm khi góc tới thẳng góc
VŨ NGỌC VINH- 20134631

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Khi sóng siêu âm tới thẳng góc với mặt phân cách giữa hai môi trường
có âm trở khác nhau thì một phần sóng sẽ bị phản xạ lại và một phần sóng sẽ
truyền qua ranh giới này. Phần sóng âm phản xạ hoặc truyền qua phụ thuộc
vào sự khác biệt giữa âm trở của hai môi trường.
Nếu sự khác biệt này lớn thì phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại và một
phần nhỏ năng lượng truyền qua ranh giới. Ngược lại nếu sự khác biết âm trở

là nhỏ thì phần lớn năng lượng siêu âm sẽ truyền qua và một phần nhỏ bị phản
xạ ngược trở lại.
Hệ số phản xạ =

𝐶ườ𝑛𝑔 độ 𝑐ủ𝑎 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠𝑖ê𝑢 â𝑚 𝑝ℎả𝑛 𝑥ạ 𝑡ạ𝑖 𝑟𝑎𝑛ℎ 𝑔𝑖ớ𝑖
Cường độ của sóng siêu âm tới ranh giới

R=

𝐼𝑟
𝐼𝑖

𝑍2−𝑍1 2

=(

𝑍1+𝑍2

)

(1)

R: Hệ số phản xạ
Ii: Cường độ sóng siêu âm tới
Z1: Âm trở của môi trường 1
Z2: Âm trở của môi trường 2
Hệ số truyền qua =

𝐶ườ𝑛𝑔 độ 𝑐ủ𝑎 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠𝑖ê𝑢 â𝑚 đượ𝑐 𝑡𝑟𝑢𝑦ề𝑛 𝑞𝑢𝑎
Cường độ của sóng siêu âm tới ranh giới

T=

𝐼𝑡
𝐼𝑖

4𝑍1.𝑍2

=(𝑍1+𝑍2)2 = 1 − 𝑅

(2)

It: Cường độ sóng siêu âm truyền qua
 Khi góc tới xiên góc

VŨ NGỌC VINH- 20134631

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

L1

S1

L1

αT
αL

L2
βT
S2
βL
Hình 1.2: Quá trình phản xạ và truyền qua của sóng siêu âm khi góc tới xiên góc

αL: Góc tới của sóng dọc
αT: Góc phản xạ của sóng ngang
βL: Góc khúc xạ của sóng dọc
βT: Góc khúc xạ của sóng ngang
Khi sóng tới xiên góc thì hiện tượng phản xạ và truyền qua trở nên phức
tạp hơn. Khi đó sẽ xảy ra hiện tượng chuyển đổi dạng sóng (thay đổi về bản
chất của dao động sóng) và khúc xạ (thay đổi về phương truyền sóng).
Về phương diện toán học ta có định luật Snell:
sin 𝛼
sin 𝛽

=

𝑣1
𝑣2

(3)

Trong đó: α: Góc tới
𝛽: Góc khúc xạ
v1, v2: Vận tốc sóng tới và sóng phản xạ
VŨ NGỌC VINH- 20134631

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Chùm tia siêu âm

Hình 1.3: Hình ảnh mô phỏng chùm tia siêu âm

Vùng mà sóng siêu âm truyền từ một biến tử siêu âm được gọi là chùm
tia siêu âm. Cho mục đích kiểm tra vật liệu bằng siêu âm, dạng đơn giản nhất
của chùm tia siêu âm của một biến tử hình đĩa tròn như mô tả ở trên. Chùm
tia có hai vùng khác biệt và được phân thành vùng trường gần và vùng trường
xa.
Cường độ biến thiên dọc theo khoảng cách trục đối với một biến tử thực
tế cho thấy cường độ thay đổi qua một số cực đại và cực tiểu. Cực tiểu sau
cùng xuất hiện ở N/2 còn cực đại xuất hiện tại N. Trong đó N được ký hiệu là
chiều dài của trường gần.
 Trường gần
Một biến tử áp điện được xem là tập hợp của các nguồn điểm, mà mỗi
điểm phát sóng siêu âm cầu vào môi trường xung quanh. Các sóng cầu giao
thoa với nhau và tạo thành chuỗi các cực đại và cực tiểu của cường độ trong
VŨ NGỌC VINH- 20134631

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

vùng gần biến tử. Vùng này gọi là vùng trường gần. Trường gần của một chùm

tia siêu âm có độ rộng gần bằng đường kính của tinh thể biến tử. Tuy nhiên,
nó bị giảm dần đến cuối trường gần được gọi là điểm hội tụ.
Những khuyết tật nằm ở vùng trường gần phải được giải đoán một cách
cẩn thận vì rằng một khuyết tật xuất hiện ở vùng này có thể gây ra nhiều chỉ
thị xung và biên độ của xung phản xạ từ khuyết tật biến thiên rất đáng kể nếu
khoảng cách hiệu dụng đến đầu dò thay đổi. Điều này đặc biệt đúng trong
trường hợp các khuyết tật nhỏ hơn kích thước tinh thể. Các vấn đề phức tạp
của trường gần có thể giảm bớt hoặc khắc phục hoàn toàn bằng cách sử dụng
các nêm nhựa ở phía trước tinh thể phát sóng siêu âm.
Ta có thể tính toán chiều dài của trường gần bằng công thức sau:

𝑁=

𝐷2
4𝜆

=

𝐷2 𝑓
4𝑉

(4)

Trong đó:
N: Chiều dài trường gần
D: Đường kính của biến tử
V: Vận tốc sóng âm trong vật liệu
f: Tần số
 Trường xa:
Vùng ở ngoài trường gần gọi là trường xa. Mặt sóng siêu âm trong

trường xa ở khoảng cách bằng ba lần chiều dài trường gần tính từ biến tử là
mặt cầu so với mặt sóng trong trường gần là mặt phẳng. Vùng ở trường xa

VŨ NGỌC VINH- 20134631

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

nằm giữa một lần và ba lần chiều dài trường gần gọi là vùng chuyển tiếp vì có
sự chuyển tiếp về hình dạng từ phẳng sang cầu ở vùng này.
Cường độ trong vùng trường xa, dọc theo trục khoảng cách tính từ biến
tử, ngoài ba lần chiều dài trường gần, giảm theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách. Cường độ trong vùng chuyển tiếp của trường xa biến
thiên theo hàm mũ.
Cường độ phản xạ của sóng siêu âm từ khuyết tật nằm trong vùng
trường xa phụ thuộc vào kích thước của khuyết tật trong tương quan kích
thước chùm tia. Nếu khuyết tật rộng hơn chùm tia thì cường độ phản xạ tuân
theo quy luật tỷ lệ nghịch với khoảng cách, nếu kích thước của khuyết tật nhỏ
hơn kích thước chùm tia thì cường độ phản xạ biến thiên tỷ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách.
- Sự suy giảm của chùm tia siêu âm
 Sự tán xạ của sóng siêu âm
Sự tán xạ của sóng siêu âm là do thực tế trong vật liệu sóng siêu âm lan
truyền là không đồng nhất hoàn toàn. Các chỗ không đồng nhất có thể là bất
cứ vật gì hình thành nên ranh giới phân chia hai vật liệu có âm trở khác nhau
chẳng hạn như các tạp chất. Một vài vật liệu bản thân nó đã là không đồng
nhất ví dụ như Gang.
 Sự hấp thụ sóng âm

Hấp thụ sóng âm là hệ quả của việc chuyển đổi một phần năng lượng
âm thành nhiệt. Trong bất kỳ vật liệu nào không ở nhiệt độ không tuyệt đối,
thì các hạt đều chuyển động hỗn loạn do vật liệu có nhiệt lượng nhất định. Khi
nhiệt độ tăng sẽ làm chuyển động các hạt tăng lên. Khi một sóng siêu âm lan
VŨ NGỌC VINH- 20134631

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

truyền trong vật liệu nó sẽ kích thích các hạt. Các hạt bị kích thích va chạm
với các hạt không bị kích thích thì năng lượng được truyền sang làm cho chúng
dao động nhanh hơn. Chuyển động này tiếp tục duy trì sau khi sóng âm đã đi
qua, do vậy năng lượng của sóng truyền qua đã chuyển thành nhiệt trong vật
liệu.
 Sự suy giảm do quá trình tiếp xúc và sự thô nhám của bề mặt
Khi một biến tử được áp vào một bề mặt rất trơn nhẵn của mẫu khi sử
dụng chất tiếp âm (chất liên kết) thì biên độ tín hiệu từ mặt đáy thay đổi theo
bề dày của chất tiếp âm.
Sự suy giảm truyền âm do độ thô nhám bề mặt gây ra được thấy rõ khi
sử dụng mẫu chuẩn. Một mẫu chuẩn được chế tạo từ một vật liệu tương đương
về phương diện âm với mẫu kiểm tra. Thế nhưng, mẫu kiểm tra không thể lúc
nào cũng có bề mặt nhẵn như mẫu chuẩn. Sự khác biệt đó do sự suy giảm ở
bề mặt tiếp xúc.
 Sự khúc xạ
Một đặc tính quan trọng của sóng siêu âm là chúng có khả năng đi bao
quanh và vượt qua vật cản có kích thước cỡ bước sóng. Sự giao thoa hay khúc
xạ này xảy ra nếu sóng gặp các tạp chất hay rỗ khí nhỏ trong kim loại. Một
phần năng lượng chạy uốn quanh khuyết tật và sự phản xạ rất nhỏ. Một khả

năng khác của hiện tượng này là sự uốn quanh của sóng siêu âm gần biên,
mép của mẫu vật. Sự uốn quanh này có thể làm chệch hướng đi của sóng siêu
âm khỏi nơi cần truyền đến và đến nơi khác.
 Ảnh hưởng tổng cộng của sự suy giảm
Thêm vào sự suy giảm năng lượng sóng âm do các nguyên nhân trên
VŨ NGỌC VINH- 20134631

19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

còn có các nguyên nhân khác như suy giảm do tán xạ ở bề mặt thô nhám của
vật phản xạ và sự mở rộng của chùm tia. Khi đó sự suy giảm sẽ là tổng của tất
cả các nguyên nhân trên vì chúng đều tác động đến sóng âm truyền đến và
phản xạ trở về từ các vùng quan tâm trong vật kiểm tra.
1.2.3. Các phương pháp kiểm tra siêu âm [2]
1.2.3.1. Phương pháp truyền qua

Hình 1.4: Nguyên lý phương pháp truyền qua

Trong phương pháp này, sử dụng hai đầu dò siêu âm. Một là đầu dò phát và một
là đầu dò thu. Các đầu dò này được đặt ở hai bề mặt đối diện của vật thể kiểm tra.
Trong phương pháp này, sự hiện diện của khuyết tật trong vật thể kiểm tra được
chỉ thị bởi sự giảm biên độ tín hiệu, trong trường hợp khuyết tật lớn thì tín hiệu có
thể biến mất hoàn toàn.
Phương pháp này được dùng để kiểm tra các thỏi đúc và các vật đúc lớn, đặc biệt
khi có sự suy giảm mạnh và có các khuyết tật lớn. Phương pháp này không đưa ra

VŨ NGỌC VINH- 20134631

20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

kích thước và vị trí khuyết tật. Ngoài ra cần có sự tiếp xúc tốt và sự đồng trục về vị
trí hai đầu dò.
1.2.3.2. Phương pháp xung phản hồi

Hình 1.5: Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi

Đây là phương pháp phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm. Đầu
dò phát và thu được đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật được
chỉ thị bằng sự nhận được xung phản hồi trước xung phản hồi đáy. Hầu hết các đầu
đều có thể hoạt động ở chế độ thu và phát.
Một vật kiểm tra có các bề mặt song song với nhau không những cho ta một
xung phản hồi đáy mà còn cho nhiều xung phản hồi liên tiếp cách đều nhau, tạo ra
một dải đo đủ lớn trên màn hình để quan sát. Ta có điều đó vì xung đầu tiên phản xạ
từ đáy về đầu dò chỉ truyền một phần nhỏ năng lượng của chùm sóng âm đi đến đầu
dò, còn lại năng lượng sẽ phản xạ xuống mặt đáy. Độ cao của các xung phản hồi này
sẽ thấp dần do mỗi lần phản xạ năng lượng lại thấp xuống.

VŨ NGỌC VINH- 20134631

21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong phương pháp xung phản hồi, có hai cách để truyền sóng siêu âm vào
vật thể kiểm tra là: Kỹ thuật chùm tia thẳng và kỹ thuật chùm tia xiên góc.
Phương pháp xung phản hồi dùng những xung siêu âm ngắn thay vì những
sóng liên tục. Một chuỗi sóng được tập hợp thành nhóm sóng ngắn, trước hoặc sau
nó không có sóng và nói chung thường được coi như là một xung.
1.2.3.3. Phương pháp cộng hưởng
Điều kiện cộng hưởng tồn tại khi nào bề dày của vật liệu bằng một nửa hoặc
bằng số bước sóng của sóng âm. Phương pháp cộng hưởng siêu âm rất được ưa
chuộng trong sử dụng đo bề dày các mẫu mỏng như các ống nhiên liệu của lò phản
ứng hạt nhân. Ngày nay phương pháp này đã được thay thế bằng phương pháp xung
phản hồi do thiết kế biến tử đã được cải thiện.
1.2.3.4. Các phương pháp tự động và bán tự động
Phương pháp kiểm tra siêu âm bán tự động và những hệ thống điều khiển kiểm
tra siêu âm từ xa đang phát triển nhanh chóng, ngày nay nó bao trùm trên tất cả các
ngành công nghiệp với nhiều ứng dụng rất đa dạng và phong phú.
Mục đích sử dụng:
- Hạn chế được các thao tác chuyển đổi nên hạn chế được những lỗi do con
người gây ra trong quá trình kiểm tra.
- Vận hành thiết bị bằng tay gặp khó khăn hoặc không thể thực hiện được.
- Tiết kiệm được sức người hoặc giảm được thời gian làm việc do tăng tốc độ
kiểm tra.
- Ghi lại chính xác kết quả và khả năng xử lý số liệu.
- Tự động phân tích và đánh giá kết quả nhờ hệ thống được điều khiển bằng
máy tính.

VŨ NGỌC VINH- 20134631

22

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.3.

Phương pháp kiểm tra siêu âm mảng điều pha (PAUT)

1.3.1. Định nghĩa và nguyên lý cơ bản của siêu âm mảng điều pha [3]

Hình 1.6: Siêu âm mảng điều pha trong kiểm tra ăn mòn ống

Siêu âm mảng điều pha là một phương pháp siêu âm phức tạp sử dụng kết hợp
đầu dò có nhiều biến tử sắp xếp theo một dãy, các biến tử này phát ra các chùm tia
siêu âm với độ trễ theo một chương trình được lập trình trước, từ đó ta có thể điều
chỉnh chùm tia siêu âm với các góc quét và độ hội tụ… theo ý muốn và khi nhận
được tín hiệu từ các biến tử được truyền về màn hình máy, máy sẽ mã hóa màu các
dữ liệu thu được và hiển thị trên màn hình. Từ đó ta có thể chẩn đoán các bất liên
tục. Ngoài ra ta còn có thể lưu được dữ liệu quét và thay đổi thông số của chúng để
so sánh.
Siêu âm mảng điều pha sử dụng đầu dò dãy tổ hợp pha thường bao gồm từ 16
đến 256 biến tử nhỏ riêng biệt, mỗi biến tử có thể tạo xung riêng rẽ. Chúng có thể
được sắp đặt theo dải, vòng tròn, hoặc có hình dạng phức tạp hơn. Cũng như đối với
đầu dò thông thường, các đầu dò dãy tổ hợp pha có thể được thiết kế cho sử dụng
tiếp xúc trực tiếp, hoặc kết nối với phần nêm để tạo các đầu dò góc, hoặc sử dụng
VŨ NGỌC VINH- 20134631

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

cho kỹ thuật nhúng với sóng âm truyền qua nước tới chi tiết kiểm tra. Tần số đầu dò
thường nằm trong dải từ 2 MHz đến 10 MHz. Hệ thống dãy tổ hợp pha cũng bao
gồm thiết bị máy tính tinh vi có khả năng điều khiển đầu dò đa biến tử, thu nhận và
số hóa xung quay trở lại và biểu diễn thông tin của xung trên các khổ tiêu chuẩn
khác nhau. Không giống như các thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường, Hệ
thống dãy tổ hợp pha có thể quét chùm tia dưới cả dải góc khúc xạ hoặc theo dọc
theo đường thẳng, hoặc hội tụ ở những độ sâu khác nhau (tối đa là chiều dài trường
gần), do đó tăng tính linh hoạt và khả năng trong thiết lập kiểm tra.

Hình 1.7: Nguyên lý cơ bản của siêu âm mảng điều pha

Hệ thống dãy tổ hợp pha sử dụng nguyên tắc vật lý của sóng để tạo pha, thay
đổi thời gian phát giữa các xung siêu âm từ các phần tử theo cách sao cho từng mặt
sóng tạo bởi mỗi từng biến tử của dãy kết hợp với nhau để tăng thêm hoặc triệt tiêu
năng lượng theo chiều có thể dự đoán để hướng và tạo hình dạng cho chùm tia một
cách hiệu quả. Nó được thực hiện bởi dao động của các biến tử đầu dò ở những thời
gian khác nhau chút ít. Thường thường các biến tử sẽ bị dao động theo nhóm từ 4
đến 32 để tăng độ nhạy một cách hiệu quả bằng cách giảm độ mở chùm tia không
VŨ NGỌC VINH- 20134631

24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

mong muốn và có thể hội tụ sắc nét hơn. Phần mềm sử dụng các định luật về hội tụ
để thiết lập thời gian trễ phát xung cho từng nhóm các biến tử nhằm tạo ra chùm tia
có hình dạng như mong muốn phù hợp với khả năng của đầu dò, đặc tính của phần
nêm cũng như kích thước hình học và tính chất âm của vật liệu kiểm tra. Chuỗi xung
được lập trình chọn bởi phần mềm hoạt động của thiết bị sau đó từng sóng âm đó

được đưa vào vật liệu kiểm tra. Những sóng âm đó sẽ kết hợp với nhau tăng thêm
hoặc triệt tiêu để tạo thành một sóng đơn sơ cấp truyền qua vật liệu kiểm tra và phản
xạ lại từ các vết nứt, bất liên tục, mặt đáy và các mặt phân cách khác như sóng siêu
âm thông thường. Chùm tia có thể được hướng theo các góc, tiêu cự, kích thước tiêu
điểm khác nhau theo cách mà một đầu dò đơn có khả năng kiểm tra vật liệu với các
phối cảnh khác nhau. Sự hướng chùm tia xảy ra rất nhanh nên quét với nhiều góc
hoặc độ sâu hội tụ khác nhau có thể thực hiện trong một phần nhỏ của giây. Xung
phản xạ lại được thu bởi các biến tử khác nhau hoặc nhóm các biến tử và thời gian
được thay đổi cần thiết cho sự thay đổi của phần trễ sau đó tổng hợp lại. Không
giống như đầu dò một biến tử siêu âm thông thường hợp nhất tất cả thành phần chùm
tia đập vào biến tử, đầu dò dãy tổ hợp pha có thể chọn những sóng âm phản xạ về
theo thời gian và biên độ tại mỗi biến tử. Khi phần mềm của thiết bị đã xử lý, thông
tin sẽ được hiển thị trên bất kì dạng nào.
1.3.2. Các thiết bị trong siêu âm, siêu âm mảng điều pha
1.3.2.1. Đầu dò và phân loại
- Đầu dò tiếp xúc trực tiếp
Các đầu dò tiếp xúc trực tiếp được sử dụng để tiếp xúc trực tiếp với các chi
tiết cần kiểm tra. Năng lượng âm truyền vuông góc với bề mặt, và thường sử dụng
để phát hiện các lỗ rỗng, rỗ khí, và các vết nứt hoặc tách lớp song song với bề mặt
ngoài của chi tiết, cũng như để đo chiều dày.

VŨ NGỌC VINH- 20134631

25