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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯƠNG ĐÌNH SĨ

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH KIỂM TRA
VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG ỐNG NGẦM
SỬ DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 4 4 4 0

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯƠNG ĐÌNH SĨ

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH KIỂM
TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG ỐNG NGẦM
SỬ DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103


Quê quán:

Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu:
Địa chỉ liên lạc: 68, Đƣờng 79, Tổ 8, KV 3, F. Phƣớc Long B, Quận 9, TP.HCM.
Điện thoại riêng: 093 7202 686
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng chính quy:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 2000 - 2003

Nơi học: Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 2004 - 2007

Nơi học: Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy
Tốt nghiệp: Năm 2007
Ngƣời hƣớng dẫn:
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2012 đến 10/2014


XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC

Ngƣời khai ký tên

Trƣơng Đình Sĩ

ii


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 10 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trƣơng Đình Sĩ

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu, phát triển thiết bị tự hành
kiểm tra và đánh giá chất lượng đường ống ngầm sử dụng kỹ thuật siêu âm”, tôi đã
nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ của quý thầy, cô các chuyên gia, các công ty, bạn bè và
gia đình. 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.

inside and outside to the thickness of pipes.
Currently there are many testing methods such as testing weld joint, testing
along the pipe by hand or automatic, testing corrosion, testing gasoline tank. However,
all of testing equipments are imported so the cost is very high.
From the practical problem and difficulties due to the corrosion inspection
process in reality, this research will focus to studying the self – propelled device that
it’s capability can walk in the pipe with diameter varies from 8 inch ÷ 10 inch. Over
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.
v


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ....................................................................................................i
MỤC LỤC ......................................................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................ix
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... xiii
Chƣơng 1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................1
1.1

Đặt vấn đề ..........................................................................................................1

1.2

Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................2

1.3


1.7

Nội dung của đề tài ............................................................................................5

Chƣơng 2 TỔNG QUAN................................................................................................6
2.1

Các dạng ống thƣờng dùng trong công nghiệp ..................................................6

2.1.1

Ống inox (ống thép không gỉ)............................................................................6

2.1.2

Ống thép tròn đen ..............................................................................................6

2.1.3

Ống thép mạ kẽm ...............................................................................................8

2.1.4

Quy trình chế tạo các ống thép ..........................................................................9

2.2

Các dạng khuyết tật và hƣ hỏng của ống thép .................................................12

2.2.1


2.5

Các nghiên cứu liên quan đến đề tài ................................................................28

2.5.1

Các nghiên cứu ngoài nƣớc .............................................................................28
vi


2.5.2

Các nghiên cứu trong nƣớc ..............................................................................32

2.5.3

Các tồn tại ........................................................................................................34

Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................35
3.1

Các phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy ......................................................35

3.1.1

Kiểm tra bằng thị giác và quang học ...............................................................35

3.1.2


3.3

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

3.3.1

Đầu dò thông thƣờng .......................................................................................45

3.3.2

Cấu tạo của các đầu dò thông thƣờng ..............................................................46

3.3.3

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

Chƣơng 4 YÊU CẦU VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ .................................................48
4.1

Phân tích đối tƣợng thiết kế .............................................................................48

4.1.1

Thông số thiết kế .............................................................................................48

4.2

Phƣơng án thiết kế ...........................................................................................48

4.2.1

Nội dung tính toán, thiết kế .............................................................................53

5.2

Tính toán kích thƣớc robot ..............................................................................53

5.3

Tính toán modul dẫn động ...............................................................................56

5.3.1

Tính toán bộ truyền bánh vít – trục vít ............................................................57

5.3.2

Tính toán chọn công suất động cơ ...................................................................61

5.3.3

Tính toán sơ bộ cho bộ bánh răng ...................................................................62
vii


5.3.4

Tính toán sơ bộ cụm lò xo trục chính ..............................................................65

5.3.5



6.2.4

Chế tạo board mạch điều khiển .......................................................................75

6.3

Thử nghiệm ......................................................................................................77

6.3.1

Thử nghiệm thiết bị .........................................................................................77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................80

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Những sự cố quan trọng trong đường ống dẫn chất lỏng [13] ......................1
Hình 1.2: i m tra đ dày ống
Hình 1.3: Thiết ị ki m tra

ng si u m [13] .........................................................3

ng đầu do si u m [13] ...................................................3

Hình 1.4: Ro ot ki m tra đ mòn

n ngoài ống [13] ...................................................3

Hình 2.22: huyết tật cháy thủng [10, 12] ...................................................................20
Hình 2.23: Ph n loại khuyết tật cháy chân theo theo BS EN [10] ...............................20
Hình 2.24: huyết tật cháy chân [10, 12] ....................................................................20
Hình 2.25: Dạng mòn các kim loại theo thời gian .......................................................21
ix


Hình 2.26: Dạng ăn mòn đều........................................................................................22
Hình 2.27: Dạng ăn mòn không đều .............................................................................23
Hình 2.28: Dạng ăn mòn không đều .............................................................................23
Hình 2.29: Dạng ăn mòn không đều .............................................................................23
Hình 2.30: i m tra khuyết tật

ng si u m với chùm tia thẳng góc .........................25

Hình 2.31: Nguy n lý ki m tra chiều dày, khuyết tật

ng si u m .............................25

Hình 2.32: Sơ đồ li n kết mối hàn ................................................................................26
Hình 2.33: Sơ đồ dò li n kết giáp hàn mối ...................................................................26
Hình 2.34: Các dạng sơ đồ quét đ ki m tra khuyết tật mối hàn [14] .........................27
Hình 2.35: Mô phỏng quá trình si u m [14] ..............................................................28
Hình 2.36: i m tra mối hàn ống

ng tay ..................................................................29

Hình 2.37: Thiết ị si u m mối hàn OmniScan [9] .....................................................29
Hình 2.38: Thiết ị ki m tra mối hàn nối .....................................................................29
Hình 2.39: Ro ot ki m tra đ mòn ống [9] ..................................................................30

x


Hình 3. 11: Đầu dò thẳng .............................................................................................45
Hình 3.12: Đầu dò góc .................................................................................................45
Hình 3.13: Đầu dò kép ..................................................................................................45
Hình 3.14: Đầu dò phased array (OLYMPUS) ............................................................45
Hình 3.15: Đầu dò đơn tinh th và đầu dò tinh th kép ...............................................46
Hình 3.16: Cấu tạo của các đầu dò thông thường .......................................................46
Hình 3.17: Cấu tạo Đầu dò si u m phased array .......................................................46
Hình 3.18: Cấu tạo của đầu dò đa tinh th Phased Array ...........................................47
Hình 4.1: Nguy n lý hoạt đ ng của thiết ị ..................................................................49
Hình 4.2: Nguy n lý sử dụng 3 đ ng cơ cho 3 cụm ánh xe ........................................49
Hình 4.3: Mô hình tổng th của ro ot ..........................................................................50
Hình 5.1: Mô hình tổng quát của thiết ị tự hành ........................................................52
Hình 5.2: Hệ thống ro ot trong đường ống ..................................................................53
Hình 5.3: Tính toán ro ot trong đường ống .................................................................54
Hình 5.4: Ro ot trong đường ống.................................................................................55
Hình 5.5: Mô hình ph n rã cụm dẫn đ ng ...................................................................56
Hình 5.6: Mô hình ph n rã modul cụm dẫn đ ng ........................................................56
Hình 5.7: Mô hình

ánh răng truyền đ ng ..............................................................62

Hình 5.8: Mô tả phần mềm eMachine ..........................................................................63
Hình 5.9: Mô tả phần mềm Gear Template Generator ................................................64
Hình 5.10: Mô hình lắp ráp cụm trục chính .................................................................65
Hình 5.11: Sơ đồ tính cơ cấu ung ...............................................................................65
Hình 5.12: Cấu tạo cụm điều khi n, ki m tra ...............................................................67
Hình 5.13: Mô hình ph n rã cụm mặt đầu ...................................................................68

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: ích thước ti u chuẩn của ống thép đen tròn [8] .........................................7
Bảng 2.2: ích thước ống thép mạ kẽm [8] ...................................................................8
Bảng 2.3: Bảng quy chuẩn trọng lượng ống thép mạ kẽm [8] ......................................9
Bảng 2.4: ích thước ống thép không gỉ, ống hàn [8] .................................................10
Bảng 2.5:

ích thước ống thép chế tạo

ng phương pháp hàn [8] ...........................11

Bảng 2.6: Góc vào trong từng vật liệu..........................................................................26
Bảng 4.1: So sánh các phương án ...............................................................................50
Bảng 5.1: Các chi tiết của cơ cấu dẫn đ ng .................................................................57
Bảng 5.2: Bảng thông số hình học của trục vít ánh vít...............................................60
Bảng 5.3: Bảng thông số hình học của

ánh răng. .................................................64

Bảng 5.4: Bảng mô tả cấu tạo cụm đi u khi n, ki m tra ..............................................67
Bảng 5.5: Bảng mô tả cấu tạo cụm mặt đầu .................................................................68

xiii


Chƣơng 1
GIỚI THIỆU


Tính cấp thiết của đề tài
Tất cả các vật làm bằng cấu trúc kim loại thông thƣờng đều có thể bị ăn mòn.

Vấn đề đặc biệt quan trọng mà nhiều ngành công nghiệp phải đối mặt là đo chiều dày
còn lại của thành các đƣờng ống, bể chứa… bị ăn mòn ở mặt trong. Sự ăn mòn nhƣ
vậy thƣờng không thể phát hiện bằng phƣơng pháp quan sát nếu không cắt hoặc tháo
dời chúng. Trong các nhà máy dầu khí, hoá chất các ống dẫn bằng thép rất dễ bị ăn
mòn. Ăn mòn làm giảm chiều dày nguyên bản của kim loại. Nếu không đƣợc phát hiện
trong thời gian dài, ăn mòn sẽ làm yếu thành và có thể dẫn đến cấu trúc bị hỏng và
nguy hiểm. Kiểm tra siêu âm là phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy đƣợc chấp nhận
rộng rãi để thực hiện công việc kiểm tra đánh giá độ mòn của ống và kiểm tra siêu âm
ống kim loại bị ăn mòn thƣờng đƣợc thực hiện bằng kỹ thuật siêu âm 3D cho kết quả
tốt, cho phép dựng đƣợc bản đồ độ mòn ống.
Hiện nay trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam vẫn đang áp dụng nhiều phƣơng
pháp kiểm tra chất lƣợng cũng nhƣ độ mòn của đƣờng ống. Tuy nhiên việc kiểm tra
này chủ yếu ở bên ngoài ống ngoài ra nó còn mang tính thủ công hoặc bán tự động, vì
vậy dẫn đến việc kiểm tra, đánh giá 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 kiểm tra đánh giá 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 chất lƣợng hình ảnh cũng nhƣ 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 lực,…
- Thiết bị kiểm tra bằng tay tƣơng đối cồng kềnh, đòi hỏi phải có thiết bị dẫn
hƣớng do đó chi phí mua sắm thiết bị tƣơng đối cao.
Một số hình ảnh về công việc kiểm tra và thiết bị kiểm tra chất lƣợng mối hàn,
độ dày cũng nhƣ độ mòn ống sử dụng kỹ thuật siêu âm.


có hiệu quả hơn các thiết bị kiểm tra bằng tay hoặc bán tự động.
1.3.2 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
và độ mòn bên trong ống. Đề tài có một số ý nghĩa khoa học sau:
- Nêu ra đƣợc nguyên lý hoạt động của thiết bị tự hành chạy trong lòng ống
dẫn dùng cơ cấu bung tự định vị.
- Giới thiệu một thiết bị đo với nguyên lý hoạt động tự hành thay thế cho các
thiết bị vận hành thủ công.
1.4

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Đề tài nghiên cứu về kỹ thuật đo, nghiên cứu phƣơng pháp kiểm tra sử dụng

kỹ thuật siêu âm 3D. Qua đó đề xuất kết cấu thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm để
đánh giá chất lƣợng đƣờng ống nhỏ ngầm.

4


- Thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm kiểm tra,
đánh giá chất lƣợng, độ mòn bên trong ống.
1.5

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tƣợng nghiên cứu
- Các đƣờng ống sử dụng trong ngành dầu khí có đƣờng kính từ 8 inch đến 10
inch
- Công nghệ siêu âm 3D sử dụng để kiểm tra, đánh giá độ mòn.


K

L

0

0

2

1

5

4