Ứng dụng phương pháp kiểm tra siêu âm tự động thay cho chụp ảnh phóng xạ trong kiểm tra mối hàn

Hình 7: Kiểm tra bồn chứa lớn sử dụng AUT và bộ quét đẩy bằng tay.

Tóm tắt nội dung

Bài viết này đưa ra các lý do kỹ thuật về sự lựa chọn siêu âm kiểm tra tự động (AUT) thay thế chụp ảnh phóng xạ (RT) trong kiểm tra chất lượng mối hàn. Ngoài cả hai lý do về kỹ thuật và thực hành, AUT còn là kỹ thuật thích hợp hơn hẳn cho các phương pháp phân tích dữ liệu và vật liệu hiện đại, đặc biệt với hai công nghệ mới đã được thương mại hoá trong những năm gần đây là kỹ thuật thời gian truyền âm nhiễu xạ (Time-Of-Flight Diffraction- TOFD) và siêu âm tổ hợp pha (Phased Array- PA). Chuẩn riêng ASME Code Case 2235, một chuẩn về AUT được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu, có thể được áp dụng để phê chuẩn cho cho hai kỹ thuật trên, cũng như tất cả các kỹ thuật AUT khác, nếu chúng vượt qua được phép thử đánh giá năng lực (Performance Demonstration) và tất cả các yêu cầu kỹ thuật của chuẩn.
Tài liệu này cũng giới thiệu nhiều kỹ thuật và thiết bị có thể thoả mãn đựơc tiêu chuẩn riêng này. Bài báo cũng minh hoạ một ứng dụng điển hình của kiểm tra siêu âm tự đông tiết kiệm đáng kể thời gian kiểm tra và ( vì vậy chi phí sản xuất cũng được tiết kiệm hơn) lại vừa có chất lượng kiểm tra tốt hơn hẳn phương pháp RT.

Đặt vấn đề

Chụp ảnh phóng xạ (Radiography – RT) được sử dụng rộng rãi để kiểm tra mối hàn trong nhiều thập kỷ qua; tuy nhiên RT có các hạn chế cơ bản cả về khía cạnh kỹ thuật lẫn ứng dụng. Các hạn chế chính về ứng dụng có thể được kể đến dưới đây:

– Vấn đề về an toàn phóng xạ
– Vấn đề về cấp phép làm việc với nguồn phóng xạ đặc biệt
– Làm gián đoạn tiến trình công việc khi tiến hành chụp
– Các chất thải hoá chất
– Tốn nhiều phim chụp
– Vấn đề liên quan đến bảo quản và nguy cơ giảm chất lượng phim
– Năng suất làm việc tương đối thấp.

Không chỉ cần chú ý đến độ an toàn, việc cấp giấy phép cũng là một vấn đề lớn cần phải chú trọng đến.
Ngoài các hạn chế trên, chụp ảnh phóng xạ còn có các hạn chế xuất phát từ nguyên lý vật lý cố hữu của phương pháp, nhất là đối với các khuyết tật dạng phẳng bao gồm:

– Khả năng phát hiện các khuyết tật dạng phẳng, như các vết nứt và không ngấu kém.
– Không cho biết kích thước về độ sâu của khuyết tật, trong khi đó thông số này lại rất quan trọng cho các yều cầu về đánh giá tới hạn kỹ thuật (ECA), cơ chế gãy đứt hay tiên đoán xu hướng phát triển của khuyết tật.
– Đối với các bồn chứa dày, gía thành chụp và mức độ độc hại phóng xạ có thể rất cao.

Giải pháp đề xuất dưới đây sử dụng phương pháp kiểm tra siêu âm tự động (AUT) thay thế RT đem lại nhiều lợi ích.

Giải pháp kiểm tra siêu âm tự động – AUT

AUT khắc phục hiệu quả mọi hạn chế RT gặp phải và hiện nay nó đã trở thành lựa chọn có nhiều ưu thế:

– Khả năng phát hiện các khuyết tật tốt hơn
– Khả năng xác định được chiều sâu của khuyết tật
– Kết quả có thể lưu trữ và tra soát được, không giống như phương pháp kiểm tra siêu âm truyền thống
– Phép kiểm tra có thể tuỳ biến theo từng loại mối hàn và khuyết tật
– Tuyệt đối an toàn cho con người và môi trường.

Về tổng thể, AUT thích ứng tốt với các khái niệm về ECA, đặc biệt với các kỹ thuật hàn tự động. Hơn nữa, AUT giúp tốc độ kiểm tra nhanh hơn, khả năng phát hiện khuyết tật tốt hơn.
Có rất nhiều công trình nghiên cứu về khả năng (xác suất) phát hiện khuyết tật (Probability of Defect Detection – POD) của các kỹ thuật hiện hành ở các điều kiện khác nhau, và hầu hết các kết quả đều cho thấy AUT có khả năng kiểm tra tốt hơn.

Hình 1 dưới đây minh hoạ kết quả nghiên cứu cơ bản về khả năng phát hiện khuyết tật của các phương pháp NDT của Viện Hàn Đức (1). Cần chú ý rằng các kết quả về khả năng phát hiện khuyết tật thực tế phụ thuộc vào các mẫu, các khuyết tật, quy trình, các phương pháp kỹ thuật, vì thế sẽ có sự khác nhau về khả năng phát hiện khuyết tật.

Thông qua các dữ liệu được thống kê qua các kiểm tra/thử nghiệm đặc biệt này, ta có thể thấy TOFD có xác suất phát hiện khuyết tật cao hơn hẳn kỹ thuật xung vọng tự động . Tuy nhiên, gần đây, còn có thêm nhiều thiết bị có thể kết hợp cả TOFD và kỹ thuật sung vọng để mang lại khả năng phát hiện khuyết tật tốt hơn.

Hình 1: Khả năng phát hiện khuyết tật của UT, RT và AUT
Hình 1: Khả năng phát hiện khuyết tật của UT, RT và AUT

Xác định kích thước khuyết tật dựa trên các kỹ thuật AUT tốt hơn hẳn các kỹ thuật khác, nhất là so với kỹ thuật UT truyền thống, và vì RT không có khả năng xác định độ sâu khuyết tật một cách hữu hiệu. Trong khi đó xác định chiều sâu khuyết tật đóng vai trò quan trọng trong bất kỳ một đánh giá tới hạn kỹ thuật nào, do đó RT là kỹ thuật bị loại ngay nếu sử dụng các tiêu chuẩn chấp nhận kiểu “nhân công chủ lực” trên, vì RT không tận dụng được các đặc tính và chu trình cải tiến của vật liệu.

Các kỹ thuật dựa trên sự nhiễu xạ âm cho thấy khả năng xác định kích thước khuyết tật tốt hơn nhiều. Hình 2 giới thiệu kết quả đánh giá kích thước trên các mẫu thử Robin tròn thuộc một nhà máy điện nguyên tử.
Kết quả của tất cả các phương pháp được chỉ ra ở hình 2a bên trái, trong khi đó kết quả của kỹ thuật TOFD được giới thiệu ở hình 2b bên phải. Sự khác biệt là rất lớn.

Hình 2: (a) bên trái, DDT sử dụng tất cả các phương pháp UT
(b) bên phải: DDT chỉ sử dụng TOFD.

Chuẩn ASME Case 2235

Năm 1996, từ các kiến thức và kinh nghiệm thu được từ các nghiên cứu về hạt nhân, Hội các kỹ sư Cơ khí Mỹ (American Society of Mechanical Engineers- ASME) đã xây dựng một chuẩn riêng về sử dụng AUT thay cho RT (3). Chuẩn này giờ đây rất được thịnh hành và đã trải qua 9 lần tái bản. Chuẩn riêng Code Case 2235 này dựa trên năng lực thực tế của nhà thầu thông qua phép thử đánh giá về năng lực trước khi chấp nhận. Về cơ bản, nhà thầu phải trình các tài liệu kỹ thuật và quy trình kiểm tra bằng văn bản, sau đó được chỉ định tiến hành kiểm tra trên các mẫu thử có chứa 3 khuyết tật (phía ngoài, trong và trên bề mặt thành mẫu). Để được chấp nhận, tất cả các khuyết tật này phải được phát hiện.

ASME CC 2235 là chuẩn tổng quát và chấp nhận tất cả các phương pháp AUT vượt qua được phép kiểm tra. Nó có thể chấp nhận TOFD, PA, hay cả hai kết hợp. Đặc biệt Chuẩn riêng này đòi hỏi phép thử phải được tiến hành trên toàn vùng mẫu kiểm tra, số liệu phải được thu thập và lưu trữ đầy đủ và phải sử dụng bộ mã hoá. CC 2235 còn đòi hỏi phải có kế hoạch quét, quy trình kiểm tra bằng văn bản và nhân sự phải được đào tạo tốt. Các tiêu chuẩn thống kê cùng với phương pháp xác định các xung phản hồi do hình học cũng phải được chỉ rõ. Khác với phần lớn các tiêu chuẩn loại bỏ-chấp nhận được dựa trên độ lớn biên độ xung hay chiều dài khuyết tật khác, tiêu chuẩn chấp nhận của ASME CC 2235 được xây dựng trên cơ sở của ECA (cơ chế Nứt gãy-Fracture Mechanics).

TOFD là kỹ thuật đã được thiết lập bởi nhiều Chuẩn. Chuẩn BS 7706 (3) và EN583_6 (5) là các chuẩn Châu Âu về TOFD, ASTM có E-2373-4 (5), còn ASME có cả chuẩn TOFD (6) và chuẩn về giải đoán các kết quả TOFD (7). ASME hiện đang xây dựng các chuẩn riêng cho bộ quét có mã hoá và các phased array tự động , nhưng xét về tổng thể, kỹ thuật kiểm tra AUT đã được bao quát bởi các chuẩn.
Ở dạng phát hành đầu tiên, các công nghệ AUT chính bao gồm các phép kiểm tra sử dụng dạng quét zic-zắc và TOFD. Với các phát triển mới trong về kỹ thuật quét tuyến tình, giờ đây ASME CC 2235 chấp nhận cả quét theo một đường thẳng. Hình 3 (a) và (b) minh hoạ các khái niệm trên.

Hình 3. (a) Quét theo kiểu zig-zac và quét theo một đường thẳng

Một lẽ tự nhiên, nhiều tổ chức lập chuẩn cũng xây dựng các chuẩn về AUT, nhưng chưa có một chuẩn nào được phát triển và vạn năng như ASME và CC 2235. Thêm vào đó, các dạng khác của ASME CC 2235 cũng được xây dựng, đặc biệt là ASME B31.3 Code Case 181.(8)

Các thông tin phản hồi về ASME CC 2235

Trước hết, chuẩn riêng này đã được chấp nhận rộng rãi vì nó dựa trên các tiêu chí về kỹ thuật và và phép kiểm tra năng lực trên các mẫu có các khuyết tật không được biết trước. Trong thực tế, CC 2235 được đã chứng tỏ:

– Tuân thủ tốt hơn các yêu cầu về xây dựng, không gây gián đoạn cho quá trình sản xuất, thi công.
– Đảm bảo sản phẩm đạt các tiêu chuẩn đề ra
– Thích hợp cho cả kiểm tra sau chế tạo và trong quá trình sử dụng cho các cơ sở hạt nhân.
– Tiết kiệm được đáng kể chi phí (chủ yếu do không phải ngừng sản xuất).
Các đánh giá thực tế cho thấy:
– AUT không tương ứng với RT; AUT “nhìn” thấy các khuyết tật dạng khác (các khuyết tật dạng phẳng và rỗ khí).
– RT loại bỏ sản phẩm dựa trên các khuyết tật, nhiều khi các khuyết tật này không gây ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu; Còn AUT đặc hiệu hơn, đặc biệt đối với các khuyết tật dạng phẳng.
– AUT có thể giảm đáng kể các sửa chữa không cần thiết, nhờ đó giảm đáng kể giá thành sản xuất.
– Đôi khi AUT thấy những khuyết tật lớn mà RT lại không thấy.
Tất nhiên cũng có nhiều phản bác về CC 2235 (và AUT):
– Sự mở rộng chùm tia khiến độ nhậy ở khoảng cách xa giảm (hạn chế này có thể giải quyết bằng cách hội tụ chùm).
– Sử dụng các khuyết tật nhân tạo để chuẩn máy
– Chỉ giới hạn cho chiều dày 12.7 mm trở lên (giới hạn này thay đổi với CC 181).

Nhìn chung, các phản hồi là tốt, và ASME CC 2235 đã trở thành chuẩn toàn cầu về kiểm tra mối hàn.

Một số hệ thống kiểm tra đáp ứng chuẩn ASME Code Case 2235

Nhờ sự linh hoạt của chuẩn này mà rất nhiều thiết bị kiểm tra trên thị trường thoả mãn được chuẩn này, từ hệ thống quét đơn giản, đến hệ thống quét sử dụng rơ-bôt phức tạp, từ các hệ thống siêu âm truyền thống đa kênh, đến các hệ thống siêu âm phased array tốc độ cao. Lựa chọn hệ thống kiểm tra phụ thuộc vào chuẩn áp dụng, yêu cầu của nhà thầu, chiều dày thành ống, tốc độ yêu cầu, ngân sách cho phép…
Tương tự, các kỹ thuật tối ưu cho từng ứng dụng cũng thay đổi: Phần lớn đều chọn phương pháp TOFD bổ sung cho PA mặc dù chỉ PA riêng không thôi cũng có thể thể bao phủ toàn bộ vùng kiểm tra. Đối với các đối tượng rất dày, kết hợp với kỹ thuật sóng trượt sẽ có thể bao quát tốt vùng gần bề mặt.
Các phần sau đây sẽ tập trung vào kỹ thuật TOFD kết hợp với kỹ thuật xung vọng (PE) như chỉ ra ở hình 4. Ở đây phần đáy của mối hàn được bao phủ bằng đầu dò 600 từ 2 bên (vàng ); phần chóp của mối hàn được bao quát bởi đầu dò 450 từ 2 phía (hồng), và phần giữa của mối hàn sẽ bao phủ bởi các đầu dò TOFD (xanh lục), các đầu dò này có các vùng chết ở đỉnh và đáy hàn.

Hình 4: Phương án kết hợp TOFD và xung dội để thoả mãn chuẩn ASME Code Case 2235.
Hình 4: Phương án kết hợp TOFD và xung dội để thoả mãn chuẩn ASME Code Case 2235.

Hình ảnh các thiết bị do hãng Olympus NDT cung cấp được giới thiệu ở hình 5.

Hình 5: Thiết bị MS5800 (trên cùng), OmniScan MX (trái) và Focus LT (phải)

Tương tự, trên thị trường cũng có rất nhiều bộ quét khác nhau, như mô tả ở hình 6. Tất cả các bộ quét này đều được trang bị với bộ mã hoá để thoả mãn yêu cầu của CC 2235; một số loại được điều khiển bằng mô-tơ (chúng được gọi là các bộ quét tự động hoàn toàn), trong khi đó một số được đẩy bằng tay để giảm bớt giá thành và các thao tác thiết lập máy (các bộ quét bán tự động). Cần chú ý rằng các bộ quét đẩy bằng tay có gắn với bộ mã hoá sẽ cũng vẫn không được chuẩn ASME chấp nhận nếu các dữ liệu thu nhận bằng các bộ quét này không tra soát được.

Hình 6. Một số bộ quét của Olympus NDT

Một số ứng dụng phổ biến

Ứng dụng này dành cho bồn chứa lớn có thành ống rất dày (hình 7). RT không thực hiện được vì thành ống quá dày và vì ảnh hưởng của phương pháp đến tiến độ sản xuất. Mục tiêu là phải tối thiểu hoá thời gian kiểm tra/vận hành (do đó giúp cho giá thành kiểm tra cũng được tối thiểu hoá) và phải được thực hiện kiểm tra sao cho kịp tiến độ hàn. Kiểm tra siêu âm thủ công cần đến 10 người với tổng cộng thời gian là 8h để hoàn thành một đường hàn, trong khi đó AUT chỉ cần tốn 2 nhân viên trong 40 phút cho mỗi một đường hàn, do đó có thể nói đây là sự thay thế hết sức thành công.

Hình 7: Kiểm tra bồn chứa lớn sử dụng AUT và bộ quét đẩy bằng tay.
Hình 7: Kiểm tra bồn chứa lớn sử dụng AUT và bộ quét đẩy bằng tay.

 

Kết quả kiểm tra điển hình sử dụng bộ quét đẩy bằng tay với TOFD và xung dội trên mẫu chuẩn được giới thiệu ở hình 8. Các kênh ngoài cùng bên phải và bên trái là các kênh 2 quãng chạy toàn phần dành cho kiểm tra mũ mối hàn. Các kênh trong cùng bên phải và bên trái là các kênh xung dội chân mối hàn trong khi kênh trung tâm là TOFD. Các số liệu ở hình 8 là từ khối chuẩn dùng để đánh giá kỹ thuật, còn ở hình 9 là đối với khuyết tật thực.

Hình 8: Hiển thi kết quả TOFD và PE 450 và PE 600
Hình 8: Hiển thị kết quả TOFD và PE 450 và PE 600
Hình 9: Hiển thị dạng quét B (B-scan) và TOFD
Hình 9: Hiển thị dạng quét B (B-scan) và TOFD

Kết luận

Tài liệu này chỉ ra rằng AUT là kỹ thuật kiểm tra siêu âm tự động được chấp nhận hoàn toàn bởi Tiêu chuẩn về bồn chứa cao áp và nồi hơi của ASME qua chuẩn riêng Code Case 2235. Tiêu chuẩn này rất thuận tiện và linh hoạt và nó yêu cầu số liệu phải được thu nhận đầy đủ, quy trình phải được lập thành văn bản, và phải qua phép thử về năng lực. Có rất nhiều hệ thống thiết bị và kỹ thuật kiểm tra siêu âm tự động thỏa mãn chuẩn riêng này, chủ yếu là TOFD, PA, PE và sự kết hợp giữa chúng.

Olympus NDT có một số hệ thống đáp ứng được các yêu cầu của chuẩn CC 2235, từ các hệ đa kênh cầm tay đến các hệ PA cao cấp cùng với rất nhiều bộ quét tự động và bán tự động.

Tài liệu tham chiếu

1. Bouma T. et al., 1996 NIL summary report no. FF 96-43, Dutch Welding Institute.
2. Charlesworth J.P. and J.A.G. Temple, 1989, “Ultrasonic Time of Flight Diffraction”,
Research Studies Press.
3. BS7706, “Guide to Setting Up and Calibration of the Ultrasonic Time-Of Flight
Diffraction (TOFD) Technique for the Detection, Location and Sizing of Flaws”, BSI
4. EN583_6, “Nondestructive testing – Ultrasonic examination – Part 6 : Ultrasonic time of-flight diffraction technique as a method for defect detection and sizing”, European
Committee for Standardization.
5. ASTM E-2373-04, “Standard Practice for the Use of the Ultrasonic Time-Of-Flight
Diffraction” (TOFD) Technique”, ASTM July 2004.
6. ASME TOFD Code, ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section V Article 4
Appendix III, “Time of Flight Diffraction (TOFD) Technique”, American Society of
Mechanical Engineers, July 2004.
7. ASME Interpretation Manual, ASME B&PV Code Section V Article 4 Nonmandatory Appendix N, “Time of Flight Diffraction (TOFD) Interpretation”, 2004.
8. ASME B31.3 Code Case 181, “Use of Alternative Ultrasonic Examination Acceptance Criteria in ASME B31.3”, January 23, 2007.
9. M. Rana, D. Cowfer, O. Heddon and R. Boyce, “Technical Basis for ASME Section
VIII Code Case 2235 on Ultrasonic Examination of Welds in Lieu of Radiography”,
ASME PVP-Vol 407, Pressure Vessel and Piping Standards, Book No. H01175-2000.