GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Đường ống dẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, thủy điện, dầu khí, giao thông, hóa chất và thực phẩm Ngành công nghiệp dầu khí tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao Do đó, việc kiểm tra và đảm bảo chất lượng đường ống trong quá trình lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng trở nên cần thiết Phương pháp kiểm tra bằng đầu dò siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) đang được chú trọng, tuy nhiên, thiết bị hiện tại chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài do chúng ta chưa làm chủ được công nghệ này vì một số lý do nhất định.
- Phương pháp siêu âm tổ hợp pha chưa được ứng dụng nhiều ở nước ta
- Chưa có nhiều nghiên cứu trong nước về thiết bị kiểm tra khuyết tật và ăn mòn
- Có rất nhiều dự án lọc dầu nên nhu cầu kiểm tra, đảm bảo chất lượng đường ống rất lớn
- Chi phí đầu tư thiết bị kiểm tra tương đối cao
Nghiên cứu về khuyết tật của ống và xác định vị trí chính xác của chúng là rất quan trọng để đảm bảo an toàn trong vận hành và giảm thiểu thiệt hại Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra, đánh giá chất lượng ống sử dụng kỹ thuật siêu âm” đã được triển khai nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn, mở rộng khả năng ứng dụng và làm chủ công nghệ đánh giá chất lượng ống tại Việt Nam.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hiện nay, số lượng dự án đầu tư vào các công trình như nhà máy điện, nhà máy lọc dầu và ngành công nghiệp đóng tàu tại Việt Nam đang gia tăng Để đảm bảo chất lượng và tiến độ, các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) đang được áp dụng hiệu quả Phương pháp siêu âm truyền thống (UT) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ, trong khi siêu âm tổ hợp pha (PA) vẫn chưa được khai thác nhiều Bài viết này nhằm giới thiệu và tìm hiểu khả năng ứng dụng của siêu âm PA, đồng thời chế tạo thiết bị kết hợp đầu dò PA để kiểm tra khuyết tật một cách nhanh chóng với chi phí hợp lý, đảm bảo chất lượng và cập nhật công nghệ kiểm tra tiên tiến trên thế giới.
- Đề xuất đƣợc nguyên lý, kết cấu thiết bị kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống
- Xác định đƣợc qui trình đo kiểm và đánh giá chất lƣợng ống
- Làm chủ đƣợc công nghệ siêu âm khuyết tật hàn và kiểm tra ăn mòn ống
- Giảm giá thành sản phẩm khi mua sản phẩm cùng tính năng từ nước ngoài
- Đƣa việc kiểm tra thành tự động
- Đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực siêu âm tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Chế tạo thiết bị mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha
- Thiết lập qui trình sử dụng và vận hành của thiết bị.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài
- Các loại ống thép dùng trong công nghiệp
- Các dạng khuyết tật hàn và ăn mòn
- Siêu âm tổ hợp pha
- Thiết bị kiểm tra khuyết tật và ăn mòn đã có
- Cách thức phân tích, đánh giá kết quả kiểm tra
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
- Ống thép có đường kính từ 25mm tới 250 mm (1 inches – 12 inches)
- Các loại khuyết tật hàn, khuyết tật ăn mòn đường ống như:
Khuyết tật mối hàn giáp mối ống dẫn: nứt, rỗ khí, lẫn xỉ, không ngấu…
Khuyết tật ăn mòn ống dẫn: ăn mòn đều, ăn mòn không đều, ăn mòn điểm…
Khuyết tật về hình dáng hình học: ô-van, vặn, xoắn,…
- Thiết kế, chế tạo và đƣa vào hoạt động thử nghiệm nguyên mẫu thiết bị kiểm tra đánh giá chất lƣợng ống.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
- Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, nguyên lý từ đó đƣa ra yêu cầu thiết kế
- Dựa vào yêu cầu thiết kế dùng phần mềm mô phỏng đưa ra nhiều phương án từ đó lựa chọn phương án tốt nhất
- Từ phương án thiết kế được chọn tiến hành chế tạo thiết bị, thử nghiệm đánh giá thiết bị
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể a) Phương pháp lý thuyết
Tổng hợp tài liệu, sách, bài báo và tiêu chuẩn để so sánh và nghiên cứu nguyên lý đầu dò và các loại kiểm tra ăn mòn Phân tích các nguyên lý, chuyển động và phạm vi ứng dụng nhằm đưa ra nhiều phương án lựa chọn, yêu cầu tính toán và thiết kế Phương pháp thực nghiệm cũng được áp dụng trong quá trình nghiên cứu.
- Dùng phương pháp thử và sai để có các số liệu hoàn chỉnh trong phần thiết kế và kết cấu
- Phân tích, đánh giá kết cấu thiết kế bằng các phần mềm mô phỏng để xác định kết cấu khả thi nhất
Dựa trên thiết kế đề xuất, tiến hành chế tạo nguyên mẫu thiết bị và thực hiện thử nghiệm để hoàn thiện thiết kế Quá trình này bao gồm việc xác định quy trình vận hành và đánh giá chất lượng ống.
Kết cấu của luận văn
Kết cấu luận văn tốt nghiệp gồm 6 chương:
- Chương 1: Trình bày giới thiệu
- Chương 2: Trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu
- Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết
- Chương 4: Trình bày yêu cầu và phương án thiết kế
- Chương 5: Trình bày thiết kế và tính toán kết cấu
- Chương 6: Trình bày quá trình chế tạo và gia công chi tiết
- Chương 7: Quy trình kiểm tra, đánh giá và thực nghiệm
- Kết quả và kiến nghị
TỔNG QUAN
Phân loại ống thép theo công nghệ [12]
Dựa trên công nghệ chế tạo, ống thép được chia thành ống thép đúc cán nóng và ống thép đúc cán nguội Trong đó, ống thép đúc cán nguội lại được phân loại thành ống tròn và ống hộp, mỗi loại có các thành phần và tính năng riêng biệt.
Tiêu chuẩn GB/T8162-1999 quy định về ống đúc kết cấu, chủ yếu được sử dụng trong các kết cấu thông thường và kết cấu máy Nguyên liệu chính của tiêu chuẩn này bao gồm các mác thép như thép cacbon 20, thép 45, và các loại thép hợp kim như Q345, 40Cr, 20CrMo, 30-35CrMo, 42CrMo, v.v.
Tiêu chuẩn GB/3087-1999 quy định về ống đúc sử dụng trong lò áp lực thấp và vừa, chủ yếu phục vụ cho ngành công nghiệp lò luyện và ống dẫn dung dịch áp lực thấp và vừa trong các lò thông thường Các loại thép điển hình được sử dụng trong tiêu chuẩn này là thép số 10 và 20.
Tiêu chuẩn GB/5310-1995 quy định ống dùng trong lò cao áp, chủ yếu được sử dụng làm ống dẫn dung dịch và ống nước trong các trạm thủy điện cũng như lò chịu nhiệt tại trạm điện hạt nhân Các mác thép tiêu biểu cho loại ống này bao gồm 20G, 12Cr1MoVG, và 15CrMoG.
- GB/5312-1999 (dùng trong công nghiệp đóng tàu): chủ yếu là ống chịu áp cấp I,II dùng trong máy qua nhiệt Tiêu biểu là thép 360,410,460
Tiêu chuẩn GB/1479-2000 quy định về ống dẫn thiết bị hoá chất áp lực cao, chủ yếu được sử dụng để dẫn dung dịch áp lực cao trong ngành công nghiệp hoá chất Các loại vật liệu tiêu biểu cho ống dẫn này bao gồm thép 20, 16Mn, 12CrMo và 12Cr2Mo.
- GB9948-1988 (ống đúc dùng trong dầu khí) Dùng làm ống dẫn dung dịch trong lò luyện dầu khí Mác thép sử dụng: 20, 12CrMo, 1Cr19Ni11Nb
API SPEC5CT-1999 là tiêu chuẩn ống dẫn dầu phổ biến được công bố bởi Hiệp hội Dầu mỏ Mỹ (API) trên toàn cầu Tiêu chuẩn này quy định ống lồng, loại ống được sử dụng để lắp đặt trong giếng khoan dầu, cũng như ống dùng để tạo thành giếng Các loại thép chủ yếu được sử dụng bao gồm J55, N80 và P110.
- API SPEC 5L-2000: loại ống đƣợc sử dụng trên toàn thế giới do hiệp hội dầu mỏ Mỹ công bố Loại thép chủ yếu sử dụng là: B, X42, X65, X70
Hình 2.1:Qui trình công nghệ thép hàn
Phôi nguyên liệu chủ yếu để sản xuất ống thép là thép tấm và thép lá Dựa vào công nghệ hàn, ống thép được phân loại thành ống hàn lò, ống hàn điện và ống hàn tự động Theo hình thức hàn, có hai loại ống hàn chính là ống hàn thẳng và ống hàn xoắn Hơn nữa, dựa vào hình dáng đầu hàn, ống thép có thể được chia thành hàn tròn và hàn dị hình (như vuông, vát) Cuối cùng, các loại ống thép cũng được phân loại theo nguyên liệu và mục đích sử dụng.
Tiêu chuẩn GB/T3092-1993 và GB/T3091-1993 quy định về ống hàn mạ kẽm áp lực thấp, chủ yếu được sử dụng để dẫn nước, khí, không khí, khí chưng và các dung dịch áp lực thấp khác Loại thép được sử dụng trong sản xuất ống này là Q235A.
- GB/T14291-1992 (ống hàn dẫn dung dịch khoáng sản): chủ yếu dùng ống hàn thẳng dẫn nước thải trên núi Nguyên liệu chủ yếu là Q235A, thép B
Tiêu chuẩn GB/T142980-1994 quy định về ống hàn điện có đường kính lớn, được sử dụng chủ yếu để dẫn dung dịch áp lực thấp như nước, khí và không khí Nguyên liệu chính để sản xuất loại ống này là thép Q235A.
Tiêu chuẩn GB/T12770-1991 quy định về ống hàn không gỉ được sử dụng trong các kết cấu cơ khí, bao gồm ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, xe đạp, đồ gia dụng và khách sạn Nguyên liệu chính để sản xuất ống hàn này là các loại thép như 0Cr13, 1Cr17, 00Cr19Ni11 và 1Cr18Ni9.
- GB/T12771-1991 ( ống hàn không gỉ dùng dẫn dung dịch) : Mác thép chủ yếu là 0Cr13, 0Cr19Ni9, 00CrNi11, 00Cr17, ….
Phân loại ống thép theo vật liệu
2.2.1 Ống inox (ống thép không gỉ)
Thép không gỉ, hay còn gọi là inox, là hợp kim sắt có chứa ít nhất 10,5% crôm, giúp nó chống lại sự biến màu và ăn mòn tốt hơn so với thép thông thường.
Thép không gỉ chủ yếu được cấu thành từ các nguyên tố hóa học như crôm, niken, mô-lip-đen, ni tơ và carbon Nó được phân loại thành bốn loại chính: Austenitic, Ferritic, Austenitic-Ferritic (Duplex) và Martensitic.
Hình 2.2: Ống thép không gỉ
Kích thước của ống thép không gỉ giới hạn về đường kính từ 13.72 mm tới 508 mm đƣợc tra theo bảng tiêu chuẩn ống thép không gỉ ATSM A312 / 778 JIS G3459
- Vật liệu:ST44/ST52, E355/16MN, P265GH, P245/265TR1, P245/265TR1, Q2355
- Tiêu chuẩn: ASME, API 5L, ASTM A106GR.B, ASTM A53GR.B
- Đường kính phủ ngoài: 21.3 mm 355.6mm
- Áp suất làm việc: 16kg/cm 2
- Công dụng: đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp xăng, dầu, khí hóa lỏng, gas, công nghệ hạt nhân
Hình 2.3: Ống thép tròn đen 2.2.3 Ống thép mạ kẽm
- Tiêu chuẩn độ dày : SCH5, SCH10, SCH40, SCH80, XXS…
- Áp xuất làm việc : 16kg/cm 2
- Công dụng: cấp thoát nước, phòng cháy chữa cháy, xử lý môi trường
- Đường kính ngoài khoảng từ 21 610
Các loại mối hàn ống
Hàn là quá trình công nghệ sản xuất kết cấu không tháo rời từ kim loại, hợp kim và các vật liệu khác, cho phép liên kết hầu hết các kim loại và hợp kim với độ dày đa dạng Phương pháp hàn có thể áp dụng cho cả kim loại và hợp kim không đồng nhất Trong ngành công nghiệp, có ba loại mối hàn cơ bản: mối hàn dọc ống, mối hàn ngang ống và mối hàn xoắn ống.
2.3.1 Mối hàn dọc ống (mối hàn dọc trục)
Hình 2.5: Mối hàn dọc ống 2.3.2 Mối hàn ngang ống (mối hàn hướng kính)
Hình 2.6:Mối hàn ngang ống
Mối hàn soắn ống đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đường ống, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển, truyền tải và lưu trữ Để đảm bảo chất lượng, cần chú ý đến khuyết tật, đặc biệt là khuyết tật mối hàn nối và khuyết tật ăn mòn do tác động của môi trường Những yếu tố này có thể làm giảm độ dày của ống, do đó việc đánh giá khuyết tật ống cần dựa trên các tiêu chí cụ thể.
Khuyết tật mối hàn [3], [4], [8]
Khuyết tật của mối hàn là những sai lệch về hình dạng, kích thước và tổ chức kim loại so với tiêu chuẩn thiết kế, ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền và khả năng làm việc của kết cấu Trong quá trình hàn, các yếu tố như điều kiện kỹ thuật, cơ tính vật liệu và trình độ tay nghề của thợ hàn có thể dẫn đến sự xuất hiện của nhiều loại khuyết tật phổ biến trên ống thép và ống thép không gỉ.
Hình 2.8: Các khuyết tật của mối hàn 2.4.1 Nứt
Nứt là một trong những khuyết tật nghiêm trọng nhất trong liên kết hàn, vì khi chi tiết bị nứt, vết nứt có thể lan rộng theo thời gian, gây hư hỏng cho kết cấu Khuyết tật nứt thường được phân loại dựa trên nhiệt độ, kích thước và hình dạng của nó.
- Theo nhiệt độ vết nứt xuất hiện ta phân ra hai loại:
+ Nứt nóng: xuất hiện trong quá trình kết tinh của liên kết hàn khi nhiệt độ khá cao ( trên 1000 0 C)
+ Nứt nguội: xuất hiện sau khi kết thúc quá trình hàn nhiệt độ dưới
- Theo kích thước vết nứt có thể phân loại thành:
Vết nứt thô cực đại có khả năng gây hủy hoại kết cấu ngay trong quá trình hoạt động Trong khi đó, nứt tế vi sẽ dần phát triển và mở rộng, dẫn đến hình thành các vết nứt thô cực đại.
- Theo hình dạng vết nứt:
Nứt dọc trong hàn thường xảy ra do việc sử dụng vật liệu hàn không đúng cách, tồn tại ứng suất dư trong liên kết, tốc độ nguội quá nhanh, cũng như việc bố trí và thiết kế mối hàn không hợp lý.
+ Nứt ngang: do sử dụng vật liệu chƣa hợp lý, tốc độ nguội cao, mối hàn quá nhỏ so với liên kết
+ Nứt ở vùng kết thúc hồ quang: do vị trí kết thúc hồ quang bị lõm chứa nhiều tạp chất, hồ quang không đƣợc bảo vệ tốt
Các nguyên nhân gây nứt mối hàn:
- Sử dụng vật liệu hàn chƣa đúng
- Tồn tại ứng suất dƣ trong liên kết hàn
- Tốc độ làm nguội cao
- Liên kết hàn không hợp lý
- Bố trí các mối hàn chƣa hợp lý
- Mối hàn quá nhỏ so với liên kết
- Hồ quang không đƣợc bảo vệ tốt
- Vị trí kết thúc hồ quang bị lõm, tồn tại nhiều tạp chất
1 Nứt ngoài; 2 Nứt trong; 3 Nứt ở khu vực chịu ảnh hưởng nhiệt
Hình 2.9: Các kiểu nứt trong mối hàn
Hình 2.10: Ảnh chụp nứt mối hàn 2.4.2 Rỗ khí
Rỗ khí sinh ra do hiện tượng khí trong kim loại không kịp thoát ra ngoài trước
Nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng rỗ khí:
- Hàm lƣợng cacbon trong kim loại cơ bản hoặc trong vật liệu hàn quá cao
- Vật liệu hàn bị ẩm, bề mặt chi tiết hàn bị bẩn, dính sơn, dầu mỡ, gỉ, hơi nước…
- Chiều dài cột hồ quang lón, tốc độ hàn quá cao
- Dùng vật liệu hàn có hàm lƣợng cacbon thấp
Hình 2.11: Khuyết tật rỗ khí
1 bên trong mối hàn; 2 bề mặt mối hàn; 3 Ranh giới giữa kim loại cơ bản và kim loại đắp; 4 Phân bố, tập trung hoặc nằm rời rạc trong mối hàn
Hình 2.12 :Các vị trí tồn tại rỗ khí 2.4.3 Lẫn xỉ
Lẫn xỉ là một khuyết tật phổ biến trong quá trình hàn, có thể xuất hiện trong mối hàn, trên bề mặt hoặc giữa các lớp hàn và kim loại cơ bản Sự hiện diện của xỉ ảnh hưởng tiêu cực đến cơ tính của mối hàn, bao gồm độ dẻo, tính chịu va đập và khả năng làm việc của mối hàn.
Sự tạo xỉ trong mối hàn xảy ra khi dòng điện hàn quá nhỏ, không đủ nhiệt để làm nóng chảy kim loại Điều này dẫn đến xỉ khó thoát ra khỏi vũng hàn Ngoài ra, nếu mép hàn chưa được làm sạch, hoặc trong quá trình hàn đính hay hàn nhiều lớp mà không gõ sạch xỉ, cùng với góc độ hàn không hợp lý và tốc độ hàn quá lớn, sẽ làm nguội mối hàn quá nhanh, gây ra hiện tượng này.
1 Xỉ hàn và tạp chất tồn tại trong mối hàn; 2 Xỉ hàn nằm trên bề mặt mối hàn;
3 Xỉ hàn nằm giáp ranh giữa kim loại mối hàn và phần kim loại cơ bản; 4 Xỉ hàn nằm giữa các lƣợt hàn
Hình 2.13: Khuyết tật lẫn xỉ
Hình 2.14: Khuyết tật xỉ hàn
Hàn không ngấu là một loại khuyết tật nghiêm trọng, gây ra ứng suất dư tại vị trí hàn và có thể dẫn đến việc phá hủy mối hàn Khuyết tật này thường xuất hiện ở góc mối hàn, mép hàn hoặc giữa các lớp hàn.
Nguyên nhân của khuyết tật này là do: mép hàn chuẩn bị chƣa hợp lý, góc vát
(que hàn) và cách đƣa điện cực không hợp lý, chiều dài cột hồ quang không quá lớn, điện cực hàn chuyển động không đúng theo trục mối hàn
Hình 2.15: Khuyết tật hàn không ngấu
Hình 2.16: Hình chụp khuyết tật không ngấu
2.4.5 Lẹm chân và chảy loang
Lẹm chân là hiện tượng tạo ra rãnh dọc theo ranh giới giữa kim loại cơ bản và kim loại đắp, làm giảm tiết diện làm việc của liên kết Hiện tượng này gây ra sự tập trung ứng suất cao, có thể dẫn đến hủy hoại kết cấu trong quá trình sử dụng.
Chảy loang là hiện tượng kim loại lỏng lan rộng trên bề mặt liên kết hàn, dẫn đến sự tập trung ứng suất và làm biến dạng hình dạng của liên kết Nguyên nhân gây ra hiện tượng lẹm chân và chảy loang bao gồm góc nghiêng que hàn không hợp lý và cường độ dòng điện hàn quá cao.
Hình 2.17: Khuyết tật lẹm chân(cháy chân), chảy loang (tràn) 2.4.6 Khuyết tật về hình dạng
Loại khuyết tật này bao gồm những sai lệch nhƣ:
Nguyên nhân của loại khuyết tật này là do: góc lắp và cách chuẩn bị mối hàn chƣa hợp lý, chế độ hàn không ổn định
Hình 2.18: Các sai lệch hình dạng của mối hàn
Trong ngành công nghiệp dầu khí, các khuyết tật hàn phổ biến như nứt, ngậm xỉ và thiếu ngấu cạnh trên ống dẫn nhiên liệu cho các nhà máy là những vấn đề cần được chú ý Những khuyết tật này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ an toàn của hệ thống, do đó việc kiểm tra và khắc phục chúng là rất quan trọng.
Khuyết tật ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là hiện tượng tự nhiên dẫn đến sự phá hủy dần dần bề mặt của các vật liệu kim loại Hiện tượng này xảy ra do tác động hóa học hoặc điện hóa giữa kim loại và môi trường xung quanh.
2.5.1 Cấu tạo của kim loại và ảnh hưởng của nó đến quá trình ăn mòn
Cấu tạo của kim loại ảnh hưởng lớn đến quá trình ăn mòn, với kim loại và hợp kim thường ở trạng thái rắn, có ánh kim, dẫn nhiệt và điện Kim loại có cấu trúc mạng tinh thể, trong đó các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự nhất định và có khoảng cách giữa chúng Các ion nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân bằng, với mối liên kết trong kim loại tương tự như liên kết cộng hóa trị, nhưng điện tử hóa trị không chỉ dành riêng cho một cặp liên kết mà được chia sẻ toàn bộ khối kim loại Khi điện tử hóa trị tách khỏi nguyên tử, chúng di chuyển hỗn loạn, tạo thành lớp mây điện tử Mối liên kết này được gọi là liên kết kim loại, bên cạnh đó vẫn tồn tại dạng liên kết cộng hóa trị và hai dạng này có khả năng chuyển hóa cho nhau.
2.5.2 Sự ăn mòn kim loại
Gỉ kim loại là hiện tượng ăn mòn xảy ra chủ yếu trên sắt và các hợp kim sắt, với sản phẩm chính là hydroxyt hydrat hoá Khả năng ăn mòn của kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất vật liệu, môi trường xung quanh, nhiệt độ, thời gian và áp lực Để phân loại các dạng ăn mòn, chúng ta có thể dựa vào quá trình ăn mòn và môi trường mà chúng xảy ra.
Dựa theo quá trình ăn mòn:
- Ăn mòn trong khí : ôxy, khí sunfuarơ, khí H 2 S…
- Ăn mòn trong không khí : ăn mòn trong không khí ƣớt, ăn mòn trong không khí ẩm, ăn mòn trong không khí khô
- Ăn mòn trong chất lỏng (kiềm, axit, muối,…)
Ăn mòn xâm thực xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa các bề mặt rắn và dòng chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí, dẫn đến hiện tượng ăn mòn hóa học.
Dạng ăn mòn do tiếp xúc với các môi chất nhƣ axit, bazơ và có tác nhân điện gọi là ăn mòn điện hoá
Kim loại đen: nhƣ thép, gang bị ăn mòn mạnh nhất b) Quá trình ăn mòn
Ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn kim loại do phản ứng hóa học giữa vật liệu kim loại và môi trường xung quanh chứa chất xâm thực như O2, S2, Cl2 Quá trình này diễn ra trong môi trường khí và các chất lỏng không điện ly, thường ảnh hưởng đến các thiết bị và ống dẫn nhiên liệu lỏng cũng như các hợp chất sunfua Các chất không điện ly bao gồm crôm lỏng, lưu huỳnh nóng chảy và dung môi hữu cơ như benzen, cùng với nhiên liệu lỏng như dầu hỏa, xăng và dầu khoáng.
Hình 2.19: Dạng mòn các kim loại theo thời gian
1- Tốc độ ăn mòn hoá học, chiều dầy lớp gỉ tăng tuyến tính theo thời gian
2- Quá trình ăn mòn xảy ra chậm hơn
3-, 4- Quá trình ôxy hoá xảy ra rất nhanh nhƣng tạo nên lớp oxit rất bền vững, tốc độ ôxy hoá hầu nhƣ không tăng theo thời gian
Ăn mòn điện hoá là quá trình xảy ra khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện phân, tức là dung dịch chất điện ly, dẫn đến sự ăn mòn do phản ứng điện hoá diễn ra ở hai vùng khác nhau trên bề mặt kim loại Trong quá trình này, dòng điện tử chuyển động trong kim loại và các ion di chuyển trong dung dịch điện ly từ một điện cực đến điện cực khác, tạo ra tốc độ ăn mòn điện hoá mạnh mẽ hơn so với ăn mòn hoá học.
Dạng ăn mòn này rất phổ biến với những đặc điểm sau: tốc độ ăn mòn ở mọi chỗ trên bề mặt gần bằng nhau
Hình 2.20: Dạng ăn mòn đều
Ăn mòn cục bộ xảy ra chủ yếu tại những khu vực bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn, và hiện tượng này rất phổ biến cũng như đa dạng Các loại ăn mòn cục bộ có thể được phân loại thành nhiều dạng khác nhau.
- Ăn mòn tiếp xúc (Corrosion Ganvanic)
- Sự ăn mòn kim loại do sự chênh lệch khí
Hình 2.21: Dạng ăn mòn không đều
Ăn mòn lỗ, hay còn gọi là ăn mòn điểm, là một dạng ăn mòn cục bộ gây ra các lỗ nhỏ trên bề mặt kim loại Độ sâu của các lỗ này có thể lớn hơn đường kính của chúng Hiện tượng này thường xảy ra trên các kim loại và hợp kim có màng thụ động như nhôm, niken, titan, kẽm và thép không gỉ, hoặc trên các lớp phủ bảo vệ bị xuyên thủng.
Hiện tượng ăn mòn xảy ra khi môi trường có chứa các chất oxi hoá như NO3, NO2, CrO4, kết hợp với các chất hoạt hoá như Cl, Br, I, thường thấy trong môi trường nước biển, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị máy móc.
Hình dáng các lỗ do ăn mòn gây ra phụ thuộc vào bản chất các lớp phủ
Hình 2.22: Dạng ăn mòn điểm
Ăn mòn giữa các tinh thể
Hình 2.23: Dạng ăn mòn không đều
Các dạng ăn mòn khác
Ăn mòn ranh giới là hiện tượng liên quan đến sự tồn tại của các pha dị thể tại biên giới các hạt trong hợp kim đa tinh thể Hiện tượng này có thể ảnh hưởng đến độ bền và tính chất cơ học của vật liệu, gây ra sự suy giảm hiệu suất trong các ứng dụng công nghiệp Việc hiểu rõ cơ chế ăn mòn ranh giới là cần thiết để cải thiện chất lượng và độ bền của hợp kim.
- 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 là hiện tượng mà các kim loại chịu tải trọng động có thể bị gãy dưới một tải trọng nhỏ hơn so với tải trọng cực đại mà chúng có thể chịu đựng trong điều kiện tĩnh Hiện tượng này dẫn đến sự hình thành các vết nứt do mỏi.
Ăn mòn chọn lọc là hiện tượng xảy ra khi một thành phần trong hợp kim bị hòa tan, ví dụ như kẽm trong hợp kim đồng thau khi ngâm trong dung dịch axit H2SO4 loãng Sau một thời gian, kẽm sẽ bị hòa tan, để lại một khối đồng xốp Sự ăn mòn này được gọi là ăn mòn chọn lọc.
Ăn mòn mài mòn xảy ra khi kim loại bị tác động bởi các vật thể rắn, dẫn đến việc các hạt bụi kim loại bị tách ra khỏi bề mặt Hiện tượng này cũng có thể xảy ra do dòng chảy của chất lỏng tác động lên bề mặt vật rắn, gây ra sự mài mòn.
- Ăn mòn do ma sát: thường gặp tại chỗ ghép nối của vòng bi trên một
Trong ngành công nghiệp dầu khí, các ống dẫn nhiên liệu cho nhà máy thường gặp phải những khuyết tật hàn phổ biến như nứt, ngậm xỉ và thiếu ngấu cạnh Những khuyết tật này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động mà còn được đặc biệt chú ý trong nghiên cứu và cải tiến quy trình hàn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng ống
Có hai phương pháp để kiểm tra, đánh giá chất lượng mối hàn là kiểm tra phá hủy và kiểm tra không phá hủy [6], [7],[14]
Chi tiết mẫu bị phá hủy để kiểm tra các yếu tố sau:
- Kiểm tra định lƣợng để xác định các cơ tính nhƣ trị số về độ bền , độ cứng…
- Kiểm tra về định tính để đánh giá chất lƣợng liên kết
Có các phương pháp để kiểm tra phá hủy như sau: a) Kiểm tra thử kéo kim loại đắp
Mục đích : Để kiểm tra tính năng của vật liệu hàn ( que hàn, dây hàn…) b) Kiểm tra thử độ dai va đập
Mục đích thử: xác định mức năng lƣợng hấp thụ trong mẫu thử bị phá hủy c) Kiểm tra thử độ cứng
Mục đích: xác định độ cứng của mối hàn d) Kiểm tra thử phá gãy mối
Mục đích: phá gãy liên kết hàn tại vị trí mối hàn để xem xét bề mặt gãy
3.1.2 Kiểm tra không phá hủy (NDT)Non-Destructive-Testing
Kiểm tra không phá hủy là phương pháp sử dụng các kỹ thuật vật lý để phát hiện khuyết tật bên trong hoặc bề mặt của vật thể mà không làm hỏng khả năng sử dụng của chúng.
Các phương pháp kiểm tra NDT áp dụng cho kiểm tra đánh giá chất lượng ống Phương pháp kiểm tra chủ yếu:
- Kiểm tra bằng thị giác và quang học (Visual Test - VT)
- Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu hay thấm màu (Penetrant test - PT)
- Kiểm tra bằng bột từ (Magnetic particle test – MT)
- Dòng xoáy điện (Eddy Current Test - ET)
- Chụp ảnh bức xạ hay còn gọi là chụp phim (Radiographic test – RT)
- Kiểm tra bằng truyền âm (Acoustic Emission Testing - AET)
- Kiểm tra rò rỉ (Leak Testing - LT)
- Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic test – UT)
Hình 2.24: Các phương pháp kiểm tra chủ yếu
Các biện pháp UT và RT được áp dụng để phát hiện các khuyết tật ẩn sâu bên trong kết cấu, trong khi các biện pháp VT, MT, PT và ET được sử dụng cho các mục đích khác nhau trong việc kiểm tra chất lượng và độ bền của vật liệu.
PT, MT và ET) sử dụng khi cần kiểm tra các khuyết tật nằm trên bề mặt hay lớp dưới bề mặt
Trong luận văn này sẽ nói về các phương pháp kiểm tra siêu âm
Kiểm tra bằng siêu âm có hai phương pháp chính, trong đó phương pháp truyền qua được áp dụng Đầu dò phát và đầu dò thu được đặt đối diện nhau trên hai phía của đối tượng kiểm tra Sự tồn tại của bất liên tục sẽ được thể hiện qua sự suy giảm hoặc mất tín hiệu hiển thị trên màn hình.
Hình 2.25: Kiểm tra siêu âm bằng phương pháp truyền qua
Hình 2.26: Ảnh thực tế kiểm siêu âm bằng phương pháp truyền qua
- Kiểm tra được vật liệu có kích thước lớn
-Không cho biết vị trí bất liên tục
Phương pháp xung dội - phản xạ phụ thuộc vào sự thẳng hàng của hai đầu dò, trong đó đầu dò được đặt trên một phía của đối tượng kiểm tra để phát và thu tín hiệu.
-Phương pháp phổ biến nhất
- Chỉ tiếp cận một phía
- Cho biết khích thước, vị trí, loại bất liên tục
- Suy giảm âm nhanh, khó kiểm tra vật liệu cấu trúc hạt thô, kích thước lớn c) Phương pháp cộng hưởng
Sóng siêu âm lan truyền trong vật liệu có chiều dày bằng bội số lần của một nửa chiều dài sóng thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng
Sử dụng kiểm tra chiều dày, mối ghép dán…
Thiết bị kiểm tra khuyết tật hiện tại
3.3.1 Trong nước Ở trong nước, luận văn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị phát hiện khuyết tật và ăn mòn đường ống dẫn sử dụng đầu dò siêu âm tổ hợp pha” của tác giả Lê DuyTuấn thực hiện năm 2013 có nghiên cứu và đề xuất về thiết bị kiểm tra khuyết tật và ăn mòn đường ống Tuy nhiên, đề tài chỉ mới đề xuất được phương án kết cấu mang tính chất nguyên lý và không sử dụng đƣợc trong thực tế Kết cấu thiết bị có các hạn chế sau:
Chuyển động của đầu dò quanh ống không chính xác do được dẫn hướng bằng vành tròn gắn trên bề mặt ống thông qua cơ cấu lò xo, dẫn đến việc lần quét sau không trùng khớp với lần quét trước.
Vành dẫn hướng tròn là một thiết bị được lắp đặt vào ống kiểm tra theo kiểu lồng, giúp hạn chế việc kiểm tra ống đang hoạt động nếu không có một đầu tự do.
- Phải có vành dẫn hướng riêng cho từng kích cỡ ống
Khi kiểm tra mòn ở vị trí dưới ống, trọng lượng của thiết bị mang đầu dò có thể làm cho đầu dò bị hở, dẫn đến không đảm bảo khoảng cách và khả năng tiếp xúc với ống, gây ảnh hưởng đến độ chính xác của việc đo kiểm.
- Khi kiểm tra mối hàn ghép ống, nếu đường hàn không thẳng thiết bị không có khả năng bám theo đường hàn
Hình 2.30: Thiết bị kiểm tra ăn mòn ống 3.3.2 Nước ngoài [10], [11] a) Máy quét bằng tay MODEL 4020
Máy quét bằng tay MODEL 4020 của WesDyne NDE được trang bị bộ quét tay với hai trục X và Y, cùng bộ mã hóa giúp xác định vị trí quét, từ đó truyền dữ liệu đến hệ thống nhận.
Hình 2.31: Thiết bị đo kiểm bằng tay
Model 4020 có khả năng gắn cảm biến đầu dò siêu âm và đầu dò dòng xoáy tương thích với AMDATA IntraSpect, giúp thu thập dữ liệu hình ảnh hệ thống Thiết bị này có thiết kế gọn nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển trong quá trình kiểm tra, với độ chính xác định vị đạt ± 0,02 mm và sai lệch lặp lại là 0,2 mm, tuy nhiên độ chính xác vẫn chưa cao Bên cạnh đó, model 4020 sử dụng đầu hút chân không thông thường, dẫn đến sự không ổn định trong quá trình đo.
Hình 2.32: Thiết bị kiểm tra ăn mòn ống
Thiết bị Hydro form của hãng Olympus được sử dụng để kiểm tra ăn mòn trên ống tròn có đường kính lớn hơn 98 mm, kết hợp với bộ OmniScan ® để hiển thị và phân tích hình ảnh thu được, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
- Khớp nối linh hoạt thay thế dễ dàng với các đường kính khác nhau
- Dùng tay chỉnh vị trí đầu dò sau mỗi lần quét
- Tốc độ quét nhanh 100 mm/s và chuyển động theo hai trục X, Y một trục tự động, một trục bằng tay
- Hướng quét vòng tròn gắn tối đa được 4 đầu dò
- Bề rộng đường quét lớn 60 mm/lần giúp kiểm tra nhanh hơn
- Hệ thống nhỏ gọn và tháo lắp dễ dàng
Bên cạnh đó thiết bị còn có những mặt hàn chế nhƣ:
- Kiểm tra ăn mòn phải điều chỉnh hướng dọc ống của đầu dò sau mỗi lần quét
- Phải chế tạo nhiều khớp nối cho các loại đường kính khác nhau c) SWIPE của Phoenix
Hình 2.33: Thiết bị kiểm tra ăn mòn tấm phẳng
Quét Swipe là thiết bị kiểm tra ăn mòn, hoạt động quét bằng tay theo hai trục X và Y, tích hợp công nghệ kiểm tra siêu âm tổ hợp pha (UT-PA) và được trang bị hai encoder Thiết bị này cho phép quét trên các bề mặt phẳng rộng một cách hiệu quả.
- Thiết bị nhỏ gọn, đơn giản
- Thao tác bằng tay dễ dàng, ổn định
- Khoảng cách cánh tay hoạt động từ 400 mm dưới 800 mm
- Khóa chuyển động ngang để đảm bảo trong quá trình quét
- Có nút chức năng khởi động, dừng và lưu điều chỉnh bằng tay nhanh
- Độ phân giải encoder: X = 10 xung/ mm, Y = 1000 xung/ mm
- Vận hành bằng tay nên tốc độ không ổn định đều phụ thuộc tay nghề công nhân ảnh hưởng tới độ chính xác
- Bề mặt kiểm tra phải rộng lớn
- Chỉ kiểm tra ăn mòn d) Manual One-Axis Scanner của hãng Olympus (HSMT- Compact Weld Inspection)
Hình 2.34: Thiết bị kiểm tra mối hàn bằng tay
Kiểm tra mối hàn trên bề mặt ống và mặt phẳng sử dụng 4 đầu dò có đường kính lớn hơn 100 mm Thiết bị cho phép tùy chỉnh vị trí bánh xe và được trang bị encoder với độ phân giải 12 xung/mm, cùng với bộ phân phối nước tích hợp Bánh xe nam châm được sử dụng để bám chặt vào thành ống, đảm bảo quá trình kiểm tra chính xác và hiệu quả.
-Gá đặt điều chỉnh dễ dàng
-Kiểm tra đƣợc nhiều chỉ tiêu do gắn đƣợc 6 đầu dò
- Hoạt động ổn định nhờ 4 bánh xe từ
- Bơm nước tự động giúp sóng siêu âm kiểm tra tốt hơn
- Có thước điều chỉnh khoảng cách đầu dò so với mối hàn
- Chỉ kiểm tra khuyết tật trên mối hàn
- Kiểm tra trên khoảng đường ống kích thước vừa
- Vận hành bằng tay nên phụ thuộc tay nghề công nhân.
Các tồn tại và định hướng nghiên cứu
Các thiết bị kiểm tra nước ngoài hiện tại vẫn còn một số hạn chế, như chỉ có khả năng phát hiện một số khuyết tật nhất định như ăn mòn, mối hàn dọc và mối hàn vòng ống riêng biệt Hơn nữa, phần lớn thiết bị kiểm tra vẫn được vận hành bằng tay, do đó, chất lượng kiểm tra phụ thuộc nhiều vào tay nghề của người sử dụng.
Việt Nam đã phát triển nhiều nhà máy lọc và khai thác dầu khí, dẫn đến nhu cầu kiểm tra chất lượng rất cao, tuy nhiên, thiết bị máy móc phục vụ cho việc này thường phải nhập khẩu với chi phí đắt đỏ Việc ứng dụng công nghệ kiểm tra siêu âm tổ hợp pha vào quy trình kiểm tra chất lượng vẫn chưa được triển khai rộng rãi.
Dựa trên những hạn chế hiện tại, đề tài sẽ phát triển thiết bị đo lường nhiều dạng khuyết tật trên các loại đường ống khác nhau Thiết bị này sẽ ứng dụng công nghệ siêu âm tổ hợp pha, mang lại kết quả nhanh chóng, rõ ràng và hình ảnh màu 3 chiều.
YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Phân tích đối tƣợng thiết kế
Tiêu chuẩn thiết kế thiết bị:
- Đối với thiết bị kiểm tra đường ống phải đảm bảo các tiêu chí trong tiêu chuẩn nhƣ sau:
- Thiết bị kiểm tra mối hàn nối của ống thẳng phải có chuyển động tròn quanh ống
- Thiết bị kiểm tra ăn mòn phải có hai chuyển động tròn và chuyển động dọc quanh ống
Hình 4.1: Các chuyển động cần có của thiết bị
- Thiết bị kiểm tra mối hàn phải sử dụng 1 thiết bị để xác định vị trí khuyết tật
- Thiết bị kiểm tra kiểm tra ăn mòn phải sử dụng 2 thiết bị theo hai chuyển động tròn ống và dọc ống để xác định vị trí khuyết tật
- Sai số của encoder xác định vị trí khuyết tật không quá ± 1%
- Tốc độ di chuyển của thiết bị khoảng 150mm/s
- Sử dụng tối thiểu 2 đầu dò siêu âm đối với kiểm tra mối hàn
- Sử dụng 1 đầu dò siêu âm đối với kiểm tra ăn mòn
- Tần số siêu âm phát ra trong pham vi 1MHz đến 5 MHz
- Xây dựng qui trình kiểm tra đối với các ống khác nhau
- Hiệu chỉnh (Calib) thiết bị đầu dò, encoder trước khi kiểm tra
- Kết nối đầu dò và encoder với thiết bị ghi nhận hình ảnh khuyết tật.
Phương án chọn lựa thiết kế cho cơ cấu kẹp và dẫn động
4.2.1 Phương án thiết kế cho cơ cấu kẹp a) Phướng án 1: Sử dụng mâm cặp 3 chấu tự định tâm
Hình 4.2: Thiết bị dùng mâm cặp 3 chấu
- Dùng mâm cặp 3 chấu tự định tâm để định vị và kẹp chặt thiết bị vào ống, kết hợp với động cơ tạo ra chuyển động vòng ống
- Khả năng định vị và kẹp chặt tốt với nhiều loại đường kính ống khác nhau
- Chế tạo khó, cơ cấu cơ khí nặng, khó tháo lắp nhanh b) Phương án 2: Dùng bộ kẹp cố định dạng cần gạt
1.Ống thép 115; 2 Bộ kẹp; 3Bulong cố định; 4 Má kẹp; 5 Chốt định vị; 6.Vòng đỡ; 7 Then
Hình 4.3 : Bộ kẹp cố định
- Bộ kẹp đƣợc lắp cố định trên vòng dẫn động và có thể điều chỉnh để kẹp được nhiều đường kính ống khác nhau
- Tháo lắp nhanh, dễ thay thế và bảo dƣỡng
- Khả năng tự định tâm thấp
- Chi phí đầu tƣ cao c) Phương án 3: Dùng bộ kẹp vit me tự định tâm
Hình 4.4: Bộ kẹp cố định trên ống
- Bộ kẹp đƣợc lắp cố định trên vòng dẫn động và có thể điều chỉnh để kẹp được nhiều đường kính ống khác nhau
- Tháo lắp nhanh, dễ thay thế và bảo dƣỡng
- Khả năng tự định tâm cho nhiều loại đường kính khác nhau
- Trục vít me bị mòn sau một thời gian sử dụng d) So sánh các phương án và lựa chọn
Bảng 4.1: So sánh các phương án chuyển động tròn
STT Tiêu chí so sánh
Mâm cặp 3 chấu Bộ kẹp cố định dạng cần gạt
Bộ kẹp vit me tự định tâm
1 Cấu tạo Phức tạp Phức tạp Đơn giản
2 Thao tác vận hành Đơn giản Đơn giản Đơn giản
3 Mức độ ổn định Cao Thấp Cao
4 Độ chính xác vị trí Cao Thấp Cao
5 Tuổi thọ Cao Cao Cao
6 Bảo trì, thay thế Đơn giản Đơn giản Đơn giản
7 Chi phí Cao Trung bình Thấp
9 Khối lƣợng Nặng Vừa Vừa
Phương án lựa chọn là sử dụng bộ vít me tư định tâm lắp cố định trên vòng dẫn động
1 Khối kẹp; 2 Càng; 3 Đế; 4 Tấm giữ; 5 Trục vít me; 6 Con trƣợt
Hình 4.5: Cụm chi tiết bộ kẹp vít me tự định tâm
Chọn cơ cấu tay quay cho bộ kẹp
1 Tay quay; 2 Tip 17; 3 Lục giác
Hình 4.6:Cơ cấu tay quay cho bộ kẹp 4.2.2 Phương án chuyển động dọc ống a) Phương án1: Xi lanh khí nén
Hình4.7 Xi lanh khí nén dẫn hướng
-Dùng xi lanh khí nén mang đầu dò chuyển động tịnh tiến dọc theo trục của ống
- Phương án này có thế chuyển động có thế điều chỉnh lực, tốc độ
- Thay thế, bảo trì dễ dàng, thiết bị chuẩn hóa cao
- Nguồn khí nén dồi dào, ổn định, an toàn khi quá tải
- Khi sử dụng phải dùng thêm máy nén khí mang theo ra công trường nên bất tiện
Thiết bị có độ bền hạn chế khi hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao và bụi bẩn Một giải pháp khả thi là sử dụng thanh trượt bi kết hợp với bộ truyền động đai để nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị.
1 Tấm căng đai; 2 Thanh trƣợt dẫn động; 3 Đai truyền động; 4 Bộ phận mang đầu dò; 5 Động cơ 24VDC; 6 Pully truyền động
Hình 4.8: Bộ truyền đai và thanh trƣợt bi
-Khi động cơ quay truyền chuyển động qua puly kéo đai chuyển động theo thanh trượt dẫn hướng
- Thiết bị di chuyển chính xác nhờ thanh trƣợt bi
- Chuyển động êm, an toàn, ổn định với tải trọng nhỏ
- Thay thế, bảo dƣỡng dễ dàng khi hƣ hỏng, chuẩn hóa cao
- Kết hợp với động cơ có sẵn encoder để lấy vị trí chính xác khi đo
- Sử dụng lâu dài phải hiệu chỉnh, căng đai c) Phương án 3: Bộ truyền trục vít me kết hợp thanh trượt
Hình 4.9: Bộ trục vít và thanh trƣợt bi
- Khi động cơ quay truyền chuyển động qua trục vít làm đai ốc mang đầu dò quay dịch chuyển dọc theo thanh trượt dẫn hướng
- Thiết bị di chuyển chính xác nhờ thanh trƣợt bi
- Dịch chuyển chính xác nhờ bước vít và encoder phản hồi vị trí chuyển động
- Thay thế, bảo dƣỡng dễ dàng khi hƣ hỏng, chuẩn hóa cao
- Khối lượng của vít me và thanh trượt lớn ảnh hưởng tới quá trình di chuyển d) So sánh các phương án và lựa chọn
Bảng 4.2: So sánh các phương án chuyển động dọc ống
STT Tiêu chí so sánh Các phương án
Xi lanh khí nén Đai, thanh trƣợt Trục vít, thanh trƣợt
1 Cấu tạo Đơn giản Trung bình Phức tạp
2 Thao tác vận hành Đơn giản Đơn giản Đơn giản
3 Mức độ ổn định Thấp Cao Cao
4 Độ chính xác vị trí Thấp Cao Cao
5 Tuổi thọ Cao Cao Cao
6 Bảo trì, thay thế Đơn giản Đơn giản Phức tạp
7 Chi phí Trung bình Trung bình Cao
9 Khối lƣợng Nhẹ Vừa Nặng
Phương án lựa chọn là bộ truyền đai kết hợp thanh trượt bi
Phương án thiết kế, lựa chọn bộ truyền đai kết hợp với thanh trượt bi
Phương án 1: Sử dụng 2 thanh trượt
Hình4.10: Thiết kế cơ cấu sử dụng 2 thanh trƣợt
Phương án 2: Sử dụng 3 thanh trượt
Hình 4.11:Thiết kế cơ cấu sử dụng 3 thanh trƣợt
Bảng 4.3:So sánh và lựa chọn phương án thanh trượt bi kết hợp truyền động đai
STT Tiêu chí so sánh Phương án
Sử dụng 2 thanh trƣợt Sử dụng 3 thanh trƣợt
1 Độ cứng vững Thấp Cao
4 Tháo lắp Đơn giản Đơn giản
Sử dụng 3 thanh trượt kết hợp với truyền động đai là phương án tối ưu để nâng cao độ cứng vững và ổn định cho hệ thống.
Phương án thiết kế cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống
Yêu cầu thiết kế: Đạt đƣợc dộ cứng vững và khả năng tự lựa, chuyển động tròn theo vòng định vị quanh ống
1 Con lăn; 2 Trục dẫn bánh xe; 3 Trục nối;4 Thanh nối; 5 Tấm đỡ;
6 Vòng lót; 7 Bạc đạn; 8 Kẹp; 9 Bánh răng; 10 Ổ đỡ;11 Khớp nối;
Cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống được thiết kế với động cơ quay dẫn động cho bánh răng, kết hợp với bánh răng trên vòng định vị Hệ thống này tạo ra chuyển động tròn quanh thành ống, trong khi con lăn giúp định vị cụm thanh trượt và động cơ, đảm bảo độ cứng vững tốt cho toàn bộ hệ thống.
1 Bánh xe; 2 Trục dẫn bánh xe; 3 Bạc đạn dẫn; 4 Vòng lót;
Hình 4.13: Chi tiết cụm bánh xe phương án 1
- Tạo đƣợc sự chuyển động đều
- Khả năng ăn khớp với vòng định vị tốt
- Vẫn còn có độ rơ giữa cụm bánh xe với tấm nối và cụm thanh trƣợt phía sau
- Khối lượng của cụm chi tiết bị nghiêng về phía sau ảnh hưởng đến độ cứng vững
1 Con lăn; 2 Trục dẫn bánh xe; 3 Trục nối; 4 Thanh nối; 5 Tấm đỡ; 6 Vòng lót; 7 Bạc đạn; 8 Kẹp; 9 Bánh răng; 10 Ổ đỡ; 11 Khớp nối12 Động cơ;
13 Bạc đạn giữ; 14 Vòng định vị; 15 Bu lông
Hình 4.14: Cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống theo phương án 2
- Nguyên lí hoạt động tương tự phương án 1
1 Bánh xe; 2 Trục dẫn bánh xe; 3 Bạc đạn dẫn; 4 Vòng lót; 5 Trục nối; 6 Bạc đạn đỡ; 7 Ống lót; 8 Vòng định vị; 9 Bu lông; 10 Kẹp
- Tạo đƣợc sự chuyển động đều
- Khả năng ăn khớp với vòng định vị tốt
- Giảm lực do khối lƣợng dồn về phía sau
4.3.3So sánh và lựa chọn phương án chuyển động tròn quanh ống
Bảng 4.4:so sánh và lựa chọn phương án chuyển động tròn quanh ống
STT Tiêu chí Các phương án
1 Tính ổn định Thấp Cao
2 Độ cứng vững Thấp Cao
4 Tháo lắp Đơn giản Đơn giản
Chọn phương án 2 (sử dụng bạc đạn đỡ chặn) giúp tăng độ cứng vững và ổn định hơn cho hệ thống.
Phương án chọn lựa thiết kế cho cơ cấu đo mối hàn đường ống
4.4.1 Phân tích kẹp, lực áp đầu dò vào ống
Phải sử dụng hai đầu đò siêu âm tổ hợp pha ở hai bên mối hàn
Hình 4.16: Đặt đầu dò so với mối hàn
Hình 4.17: Khoảng cách lớn nhất của nêm so với mặt cong 0,5mm
Hình 4.18: Hướng đặt đầu dò siêu âm tổ hợp pha 4.4.2 Phương án thiết kế cụm mang đầu dò siêu âm kiểm tra đường hàn
Yêu cầu thiết kế: Đầu dò phải tiếp xúc với mặt cong của ống, có thể thay đổi khoảng cách giữa 2 đầu dò a) Phương án 1:
1 Đầu dò; 2 Thanh giữ; 3 Thanh nối; 4 Thanh dọc; 4 Thanh ngang
Hình 4.19: Cụm mang đầu dò phương án 1 b) Phương án 2:
1.Đầu dò; 2 Thanh giữ; 3 Thanh ngang; 4 Thanh dọc
Hình 4.20: Cụm mang đầu dò phương án 2 c) So sánh các phương án và lựa chọn
Bảng 4.5: So sáng và lựa chọn phương án cụm mang đầu dò
STT Tiêu chí Các phương án
1 Cấu tạo Phức tạp Đơn giản
3 Độ cứng vững Thấp Cao
Phương án lựa chọn là cụm mang đầu dò theo phương án 2
Phương án thiết kế cụm mang đầu dò siêu âm kiểm tra mòn
Đầu dò siêu âm tổ hợp pha cần phải tiếp xúc liên tục với bề mặt ống, và để di chuyển trên bề mặt cong của ống, thiết bị kẹp phải có khả năng quay một góc nhất định theo mặt cong, với sự giới hạn bởi chốt.
1 Má kẹp 2 Chốt 3 Đầu dò 4 Thanh điều chỉnh 5 Thanh trƣợt
6 Lò xo 7 Bulong 8 Thanh đỡ 9 Bàn trƣợt 10 Thanh đỡ
Hình 4.21: Bộ kẹp dùng thanh trƣợt với lò xo
- Lò xo ép đầu do luôn sát vào thành ống và ổn định nhờ thanh trƣợt bi
- Giá thành rẻ, lắp đặt dễ dàng, độ ổn định cao
- Lục nén lo xo giảm sau thời gian sử dụng.
Thiết kế cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò
Yêu cầu thiết kế: Thay đổi đƣợc góc xoay, khoảng cách từ đầu dò đến đường ống
Hình 4.22: Cụm chi tiết xoay
1 Thanh trƣợt; 2 Thanh chặn; 3 Thanh giữ; 4 Miếng trƣợt
Hình 4 23:Cụm chi tịnh tiến
1 Bạc đạn; 2 Ray trƣợt; 3 Thanh đứng
Thiết kế cơ cấu cụm bánh xe từ
Yêu cầu thiết kế: Giúp cụm thanh trƣợt bám sát vào thành ống, khả năng tự điều chỉnh góc xoay theo thành ống
1 Nắp chặn; 2 Ống lót; 3 Bạc đạn bánh xe; 4 Bạc đạn giữa ; 5 Thanh giữ ;
6 Thanh trƣợt; 7 Vít; 8 Lò xo; 9 Đế giữ; 10 Thanh chữ Y; 11 Trục bánh xe;
Thiết kế hộp động cơ
1 Hộp động cơ; 2 Động cơ; 3 Nút điều khiển; 4 Ắc quy;
Lựa chọn phương án thiết kế
4.9.1 Phương án 1: Sử dụng bộ kẹp kết hợp bánh xe từ
Hình 4.27: Phương án thiết kế bộ kẹp kết hợp với bánh xe từ
Khi động cơ quay, sự ăn khớp giữa báng răng động cơ và vòng răng lớn trên vòng định vị sẽ truyền động cho hệ thống cụm thanh trượt dọc ống Cụm bánh xe từ giúp giảm moment uốn của hệ thống, chống lại trọng lực do lực hút khi cụm chi tiết ở phía dưới vòng ống, đảm bảo cơ cấu mang đầu dò bám vào thành ống dễ dàng.
- Khả năng tháo lắp nhanh
- Đo đƣợc ống có độ lồi lõm nhờ cơ cấu tự bám của đầu dò có sử dụng lò xo
Cần phải tính toán lực hút cho bánh xe từ
4.9.2 Phương án 2: Sử dụng 2 bộ kẹp ở 2 đầu
Hình 4.28: Cơ cấu mang đầu dò sử dụng 2 bộ kẹp ở hai đầu
Cơ cấu hoạt động như phương án 1 nhưng sử dụng 2 động cơ và 2 bộ kẹp dẫn động ở 2 đầu
- Hạn chế đƣợc mômen uốn ở 2 đầu thanh trƣợt
- Chống rung lắc đầu dò
- Dễ phát sinh moomen xoắn trong quá trình điều khiển
Phương án chọn lựa thiết kế đo mối hàn vòng ống
4.10.1 Xác định sai lệch của đầu dò so với mối hàn Đối với kiểm tra mối hàn một vòng quét của thiết bị đầu dò lệch không quá 1mm so với vị trí của mối hàn a) Phương án 1: Sử dụng cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn
Hình 4.29: Cảm biến nhận diện mép ngoài mối hàn
Nguyên lý hoạt động của thiết bị là sử dụng hai cảm biến đặt ở hai bên mép hàn Khi thiết bị di chuyển, nếu phát hiện sự lệch lạc, cảm biến sẽ không nhận tín hiệu và gửi thông tin đến bộ điều khiển để điều chỉnh động cơ.
- Nhận biết đƣợc thiết bị lệch so với mối hàn dễ dàng
- Thiết bị chuẩn hóa, thay thế dễ dàng
- Mối hàn chỉ lệch không thẳng khó nhận điện
- Kết hợp với bộ điều khiển để điều chỉnh làm phức tạp hơn trong quá trình vận hành
- Nhiệt độ, ánh sáng môi trường ngoài ảnh hưởng tới cảm biến b) Phương án 2: Dùng đèn laser đường
Sử dụng laser đường để nhận biết được sai lệch của thiết bị so với mối hàn sau đó dừng thiết bị và điều chỉnh bằng tay
- Lắp đặt dễ dàng, đơn giản
- Chi phí đầu tƣ thiết bị không cao
- Chúng ta phải giám sát đường chiếu của đèn khi hoạt động để dừng thiết bị nếu lệch
- Nguồn laser không tốt khi chiếu vào người c) Phương án 3: Dùng Camera
Hình ảnh camera nhận về sẽ tự động xác định bề rộng của mối hàn từ đó phát tín hiệu để bộ điều khiển điều chỉnh nếu bị lệch
- Tự động nhận diện mối hàn
- Thiết bị chuẩn hóa nhiều chức năng lựa chọn
- Chi phí đầu tư thiết bị tương đối cao
- Ứng dụng vào thiết bị để điều khiển tương đối phức tạp d) So sánh các phương án và lựa chọn
Bảng 4.6: So sánh lựa chọn cảm biến xác định sai lệch so với mối hàn
STT Tiêu chí so sánh Các phương án
Cảm biến Đèn laser đường Camera
1 Cấu tạo Trung bình Đơn giản Phức tạp
2 Mức độ ổn định Thấp Cao Cao
3 Điều khiển Dễ Dễ Phức tạp
4 Tuổi thọ Cao Cao Cao
5 Bảo trì, thay thế Đơn giản Đơn giản Trung bình
Phương án lựa chọn là laser đường
4.10.2 Phân tích lựa chọn thiết bị phản hồi vị trí: Đối với thiết bị kiểm tra đường ống thì xác định chính xác vị trí khuyết tật rất quan trọng, trong luận văn này đề xuất 2 phương án như sau: a) Phướng án 1: Dùng Encoder
Hình 4.32: Encoder gắn trên động cơ
Encoder đƣợc gắn với động cơ và đƣợc đặt theo chiều chuyển động tròn của ống để đo vị trí tại mỗi thời điểm đầu dò đi qua
- Đƣa về chính xác vị trí tại mỗi thời điểm đo, độ chính cao
- Thiết bị chuẩn hóa cao, thay thế dễ dàng và chuyên dùng để đo chuyển động quay tròn
- Sai số do trượt giữa bánh xe so với đường ống
- Đo đƣợc chuyển động tròn ổn định hơn tịnh tiến
- Hƣ hỏng phải thay thế không sữa chữa đƣợc b) Phương án 2: Dùng thước quang
Hình 4.33: Hình dáng thước quang
Phản hồi vị trí chính xác được thực hiện bằng cách đo trực tiếp thông qua việc đối chiếu mã code và tính toán tương đối của đầu đo so với bộ phận di động của thước.
- Chuẩn hóa, thay thế dễ dàng
- Giá trị phản hồi về chính xác, ổn định
- Chỉ đo đƣợc chuyển động tịnh tiến
- Hƣ hỏng phải thay thế không sữa chữa đƣợc c) So sánh các phương án và lựa chọn
Bảng 4.7:So sánh phương án lựa chọn thiết bị đo
STT Tiêu chí so sánh Các phương án
1 Cấu tạo Đơn giản Đơn giản
2 Thao tác vận hành Đơn giản Đơn giản
3 Mức độ ổn định Cao Trung bình
4 Độ chính xác vị trí tròn Cao Trung bình
5 Độ phân giải Cao Trung bình
6 Bảo trì, thay thế Đơn giản Đơn giản
7 Chi phí Trung bình Cao
8 Điều khiển Phức tạp Phức tạp
9 Giải pháp điều khiển Linh hoạt Linh hoạt
Phương án lựa chọn là dùng encoder
Thiết kế thiết bị đo mối hàn vòng ống
1 Cụm chuyển động tròn quanh ống; 2 Hộp bánh răng; 3 Động cơ; 4 Thanh nối 1; 5 Thanh nối 2; 6 Thanh nối 3; 7 Thanh trƣợt; 8 Trục vít me
Hình 4.34: Thiết kế thiết bị đo mối hàn vòng ống
Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo mối hàn vòng ống tương tự như cơ cấu đo bằng bánh xe từ, nhưng thiết kế của nó có khoảng hành trình nhỏ hơn Điều này giúp việc điều chỉnh, vận hành và kiểm tra mối hàn với biên dạng đơn giản quanh ống trở nên dễ dàng hơn.
Phương án tháo lắp vòng định vị
Sử dụng chốt tháo lắp giúp làm giảm thời gian lắp ráp, tháo dỡ thiết bị kiểm tra trong quá trình làm việc và sửa chửa
4.12.1Chốt tháo lắp (locking pin)
Hình 4.36: Nguyên lí hoạt động của chốt tháo lắp
Sử dụng lực phản hồi từ lò xo kết hợp với thiết kế dạng côn ngược cho phép đẩy đồng thời hai viên bi, giúp việc định vị và lắp ghép các chi tiết trở nên nhanh chóng, gọn gàng và dễ dàng hơn.
4.12.2 Phương án 1: Dùng bu lông để tháo lắp
Hình 4.37: Phương án dùng bu lông để tháo lắp
- Sau khi tiến hành cố định hai phần của các vòng ray lại với nhau ta dùng 4 bu lông để định vị
- Khó khăn trong việc tháo lắp sửa chữa và thay thế
4.12.3Phươngán 2: Dùng chốt tháo lắp ( locking pin)
Hình 4.38: Phương án dùng chốt tháo lắp
- Dùng 4 chốt tháo lắp nhanh để cố định vòng định vị
4.12.4 Phương án 3: Dùng chốt định vị kết hợp với chốt tháo lắp(locking pin)
Hình 4.39: Phương án dùng chốt định vị kết hợp với chốt tháo lắp
- Sau khi dùng chốt định vị cố định các vòng ray lại với nhau sau đó ta mới dùng chốt tháo
- Phải gia công các vòng ngoài phức tạp hơn
4.12.5 So sánh các phương án và lựa chọn
Bảng 4.8: so sánh các phương án tháo lắp nhanh
STT Tiêu chí so sánh Các phương án
Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3
1 Cấu tạo Đơn giản Đơn giản Đơn giản
2 Hiệu quả tháo lắp nhanh Thấp Cao Cao
3 Chi phí Thấp Cao Thấp
4 Bảo trì, thay thế Đơn giản Đơn giản Đơn giản
Phương án lựa chọn là sử dụng cơ cấu tháo lắp nhanh dùng chốt tháo lắp kết hợp với chốt định vị.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU
Kết cấu tổng thể của cơ cấu
Hình 5.1: Bản thiết kế kết cấu tổng thể 5.2 Tính toán cơ khí
5.2.1 Tính toán bộ truyền bánh răng a) Thông số đầu vào
* Momen trên trục động cơ
* Khoảng cách trục giữa hai bánh răng a w = 160 mm
* Modul bánh răng m = 1.25 b) Tính toán bộ truyền bánh răng
Tính toán số răng bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn z 1 + z 2 = z 1 1 + u = 2a w m
Tính toán lại tỉ số truyền
Khi cần thiết phải kiểm tra sai số : ε u ≤ 2 ÷ 3%
Thông số hình học của bộ truyền
- Đường kính vòng chia + Bánh dẫn d 1 = m.z 1 = 1.25 x 32 = 40 (mm) + Bánh bị dẫn d 2 = m.z 2 = 1.25 x 224 = 280 (mm) -Đường kính vòng đỉnh
+ Bánh dẫn d a1 = d 1 + 2m @ + 2x1.25 = 42.5 (mm) + Bánh bị dẫn d a2 = d 2 + 2m (0 + 2x1.25 = 282.5 (mm) -Đường kính vòng đáy
+ Bánh dẫn d f1 = d 1 – 2.5m = 40 – 2.5x1.25 = 36.875 (mm) + Bánh bị dẫn d f2 = d 2 – 2.5m = 280 – 2.5x1.25 = 276.875 (mm)
Các giá trị lực tác dụng lên bộ truyền
F r2 = F r1 = F t1 × tan α w = 286.5 x tan20 = 208.6 (N) α w : góc ăn khớp hay góc áp lực α w = 20 0
5.2.2 Tính toán bộ truyền đai a) Thông số đầu vào
12 = 7958 (N mm) b) Thiết kế bộ truyền đai
Modul m đƣợc xác định theo công thức thực nghiệm m = k P 1 C r n 1
3 = 35× 3 0.001×1 12 = 1.53 suy ra bước đai: p = mπ = 1.53 x 3.14 = 4.8 (mm) trong đó:
P1:công suất truyền kW n 1 : sốvòng quay bánh dẫn, vg/ph k = 35: đai gờ hình thang
C r : hệ số tải trọng động, có giá trị 1,3…2,4 (giá trị lớn với thiết bị làm việc có va đập hoặc quá tải cục bộ thường xuyên)
Sau khi tính toán chọn m hoặc p theo giá trị tiêu chuẩn bảng 5.1
Bảng5.1: Các thông số bộ truyền đai răng gờ hình thang [9]
Chiều rộng b của đai răng
Chiều rộng b của đai răng đƣợc xác định theo công thức: b = 1000P 1 C r ψ C c vz 0 h[p] z
C c : hệ số xét đến việc có sử dụng con lăn căng hoặc con lăn dẫn hướng:
C c = 1 khi không sử dụng; C c = 0,9 khi sử dụng 1 con lăn; C c = 0,8 khi sử dụng
[p] z : áp lực cho phép Mpa
Z 0 : số răng ăn khớp trong bánh đai nhỏ
H: chiều cao đai Ψ: hệ số phân bố tải trọng không đều giữa các răng ψ = 1,1…1,2
Theo bảng 5.1 chọn giá trị b tiêu chuẩn: b = 10 (mm)
Các thông số hình học khác
- Chiều rộng nhỏ nhất của răng
- Đường kính vòng chia d 1 = d 2 = mz 1 = 1.5 x 15 = 22.5 (mm)
- Đường kính vòng đỉnh d a1 = d a2 = d 1 -2δ= 22.5 – 2x0.4 = 21.7 (mm)
Trong đó δ là khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải, tra theo bảng 5.1
- Đường kính vòng đáy d f1 = d a1 – 1.8m = 21.7 – 1.8 x 1.5 = 19 (mm)
- Khoảng cách trục nhỏ nhất
Chọn aP0mm theo hành trình mong muốn
QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO, GIA CÔNG CHI TIẾT
Chế tạo bộ kẹp
Hình 6.1:Bộ kẹp Bảng 6.1:Danh mục các chi tiết trong bộ kẹp
STT Tên chi tiết Số lƣợng Vật liệu1
4 Trục vít me giữa 1 Thép C45
7 Nắp ngang (phía trong) 1 Thép C45
8 Nắp ngang (phía ngoài) 1 Thép C45
Chế tạo cụm chi tiết chuyển động tròn quanh ống
Hình 6.3: Tấm đỡ Bảng 6.2: Danh mục các chi tiết trong cụm chuyển động tròn quanh ống
STT Tên chi tiết Số lƣợng Vật liệu
1 Trục dẫn bánh xe 8 Nhôm 6061
Chế tạo cơ cấu chuyển động dọc ống
Hình 6.4: Cơ cấu chuyển động dọc ống Bảng 6.3: Danh mục các chi tiết trong cơ cấu chuyển dộng dọc ống
STT Tên chi tiết Số lƣợng Vật liệu
4 Tấm lắp động cơ 1 Nhôm 6061
Chế tạo cơ cấu mang đầu dò
Hình 6.5: Cơ cấu giữ đầu dò
Bảng 6.4: Danh mục các chi tiết trong cơ cấu mang đầu dò
STT Tên chi tiết Số lƣợng Vật liệu
Chế tạo cơ cấu cụm bánh xe từ
Hình 6.6: Cơ cấu cụm bánh xe từ Bảng 6.5:Danh mục các chi tiết trong cơ cấu cụm bánh xe từ
STT Tên chi tiết Số lƣợng Vật liệu
3 Trục bánh xe từ 2 Nhôm 6061
Chế tạo cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò
Hình 6.7:Cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò Bảng 6.6: Danh mục các chi tiết trong cơ cấu điều chỉnh cụm đầu dò
STT Tên chi tiết Số lƣợng Vật liệu
