CENTER FOR NONDESTRUCTIVE EVALUATION BO CO TIN TI

CENTER FOR NONDESTRUCTIVE EVALUATION BÁO CÁO TIẾN ĐỘ ĐỀ TÀI CƠ SỞ 2014 Trình bày: Hà Nội, tháng 10/2014

Nội dung I. Thông tin đề tài và các nội dung nghiên cứu II. Tóm lược các nội dung đã thực hiện III. Kết luận

THÔNG TIN ĐỀ TÀI & NỘI DUNG NGHIÊN CỨU www. nde. com. vn

Thông tin đề tài Tên đề tài: Nghiên cứu, khai thác sử dụng thiết bị đo ứng suất dư Stressvision 2. 05 dựa trên hiệu ứng từ đàn hồi. Ø Thời gian thực hiện: 12 tháng (Từ 01 /2014 đến 12 /2014) Ø Kinh phí: 60 triệu VNĐ Ø Chủ nhiệm đề tài: Lưu Vũ Nhựt, kỹ sư vật liệu Ø Đơn vị chủ trì: Trung tâm Đánh giá không phá hủy- Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam Ø

Đặt vấn đề � Các phương pháp NDT truyền thống như siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, dòng điện xoáy…, có thể đánh giá và phát hiện các khuyết tật trong cấu kiện nhưng rất hạn chế để đánh giá tình trạng ứng suất (ứng suất dư) của nó. � Ứng suất dư bao giờ cũng lưu lại trong vật thể sau biến dạng và nhiệt luyện, làm giảm tính dẻo vật liệu, biến đổi phân bố ứng suất và giảm tính ổn định hình học; phá hoại tính hoàn chỉnh của tinh thể, tạo ra vết nứt trên bề mặt cấu kiện. � Phương pháp từ đàn hồi (magneto-elastic) dựa trên hiệu ứng từ Villari (nhà vật lý người Italia (1836 -1904)) được viện Đo lường Nga DIMENStest phát triển. Đây là phương pháp không phá hủy tiên tiến giúp kiểm tra nhanh ứng suất dư và dự đoán vị trí khuyết tật bên trong kết cấu www. nde. com. vn

Mục tiêu của đề tài �Nghiên cứu và thử nghiệm nhằm hoàn thiện phương pháp đo ứng suất dư để đánh giá, khảo sát mức độ tập trung và biến thiên của ứng suất dư trong vật liệu. Đây là các thông số rất quan trọng trong việc đánh giá và dự đoán tuổi thọ của đối tượng, và trong các hoạt động phòng ngừa hư hỏng. �Ứng dụng phương pháp kiểm tra NDT tiên tiến trong việc bảo trì, bảo dưỡng định kì và kiểm tra chất lượng các thiết bị, cấu kiện trong công nghiệp (các thiết bị, kết cấu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như tải trọng, áp suất, nhiệt độ cao như các thiết bị áp lực, đường ống dẫn dầu/khí, dầm cầu, cần cẩu, …). www. nde. com. vn

Nội dung nghiên cứu chính Nội dung 1: Nghiên cứu phương pháp �Tổng quan các phương pháp đo ứng suất dư được sử dụng hiện nay. �Nghiên cứu phương pháp từ đàn hồi Villari, bản chất vật lý. �Tìm hiểu và biên dịch hướng dẫn vận hành thiết bị Stressvision-2. 05. www. nde. com. vn

Nội dung nghiên cứu chính Nội dung 2: Hiệu chuẩn và Thử nghiệm � Xây dựng quy trình hiệu chuẩn và chuẩn thiết bị � Thử nghiệm khảo sát ứng suất dư các mẫu mối hàn trước và sau khi xử lý nhiệt bằng phương pháp từ đàn hồi (4 mẫu chưa xử lý nhiệt+3 mẫu đã xử lý nhiệt). � Thử nghiệm kiểm chứng bằng phương pháp khoan lỗ (1 mẫu) � Thu thập mẫu vỏ bình Gas và thực nghiệm kiểm tra ứng suất tại vị trí mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (2 mẫu). www. nde. com. vn

Nội dung nghiên cứu chính Nội dung 3: Quy trình kiểm tra �Xây dựng quy trình kiểm tra ứng suất dư sử dụng thiết bị Stressvision 2. 05 theo tiêu chuẩn Nga MDS 53 -2. 2004 www. nde. com. vn

TÓM LƯỢC MỘT SỐ NỘI DUNG ĐÃ THỰC HIỆN www. nde. com. vn

MỞ ĐẦU Ứng suất là gì? Ứng Suất (MPa): (sức căng) là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ. Các dạng ứng suất trong vật lý Ứng suất kéo (phát sinh khi thanh kim loại bị kéo) Ứng suất nén (phát sinh khi thanh kim loại bị nén) Ứng suất cắt Ứng suất uốn Áp suất (trong chất lỏng và chất khí) Nếu ứng suất vượt quá giới hạn ứng suất cho phép có thể gây phá hủy, hư hỏng kết cấu. Thanh chịu ứng suất kéo Thanh chịu ứng suất nén Bulông bị ứng suất cắt 11 Thanh chịu ứng suất uốn

Ứng suất dư là gì? Ứng suất tồn tại trong các bộ phận, kết cấu mà không do tác động của bất kỳ ngoại lực nào được gọi là ứng suất dư. Vết nứt tế vi Chịu tác dụng ngoại lực Khi bỏ ngoại lực, xuất hiện ứng suất tập trung tại vết nứt Phân bố ứng suất trong mối hàn 12

Nội dung 1: Tổng quan các phương pháp đo ứng suất dư: Nguồn gốc ứng suất dư - Ứng suất dư có thể sinh ra trong quá trình gia công vật phẩm từ thỏi đúc đến thành phẩm. - Các khâu gia công có thể tạo thành ứng suất dư có thể kể đến: cán, đúc, rèn hoặc cắt, uốn, kéo, gia công cơ (tiện, phay, . . . ), các nguyên công hàn hoặc trong quá trình gia công nhiệt hay quá trình luyện thép www. nde. com. vn

Các phương pháp kiểm tra ứng suất dư Các kỹ thuật đo ứng suất dư có thể được chia thành hai nhóm: kỹ thuật không phá hủy NDT và kỹ thuật phá hủy DT. www. nde. com. vn

Phương pháp khoan lỗ � Nguyên lý của phương pháp này là: Nếu trong vật liệu tồn tại ứng suất dư sẽ có mức độ biến dạng khác nhau tại các vị trí được gia công, điều này cung cấp dữ liệu để tính toán ứng suất dư. � Để khảo sát, trước hết cần khoan vào vật mẫu một lỗ có chiều sâu bằng đường kính lỗ và nhỏ hơn so chiều dày của mẫu (nếu chiều sâu lớn hơn đường kính của lỗ khoan thì rất khó đảm bảo được độ chính xác của phép đo). Đo biến dạng của lỗ gia công tại các vị trí khác nhau bằng phương pháp giao thoa moire, giao thoa lazer hoặc chụp ảnh giao thoa lazer. Các dạng bố trí lá đo điện trở theo ASTM E 837 -08 www. nde. com. vn

Phương pháp từ trường � Có hai phương pháp từ là từ giảo và nhiễu barkhausen. Phương pháp dựa trên cơ sở đo độ dẫn từ và độ cảm ứng từ, sau đó phân tích chuyển động trong miền từ. Nếu vật liệu từ giảo chịu ứng suất thì sẽ có miền từ thay đổi: miền này được định hướng cho sự lớn lên của ứng suất dư kéo (từ giảo dương) và ứng suất dư nén (từ giảo âm). www. nde. com. vn

Phương pháp siêu âm � Sự thay đổi vận tốc siêu âm có thể đo đạc được khi vật liệu chịu ứng suất, sự thay đổi này có thể đo được ứng suất trung bình dọc theo đường sóng. Hệ số âm đàn hồi rất cần thiết cho sự phân tích, hệ số này được xác định bằng thực nghiệm. Các loại sóng khác nhau có thể được sử dụng nhưng phổ biến nhất trong phương pháp này là sóng dọc. Độ nhạy lớn nhất đạt được khi hướng truyền sóng và ứng suất giống nhau. Phương trình để tính toán ứng suất dư là: V = Vo + Kϭ Vo - vận tốc truyền sóng; ϭ - ứng suất; K - hệ số âm đàn hồi. www. nde. com. vn

Nhiễu xạ nơtron �Nhiễu xạ nơtron là phương pháp không phá hủy để xác định ứng suất dư trong vật liệu đơn tinh thể. Nhiễu xạ nơtron cho biết giá trị của thành phần biến dạng đàn hồi song với vectơ tán xạ, từ đó có thể tính được ứng suất. Nhiễu xạ nơtron đo các thành phần biến dạng từ sự thay đổi khoảng cách mạng tinh thể. Biến dạng mạng tinh thể được tìm ra từ phương trình của Bragg: 2 dsinθ = nλ với λ = ∆d/d = -cosθ ∆θ www. nde. com. vn

Nhiễu xạ tia X � Đây là một trong những phương pháp không phá hủy để đo ứng suất dư được sử dụng phổ biến nhất. � Phương pháp nhiễu xạ tia X xác định ứng suất dư trên cơ sở đo các góc với cường độ nhiễu xạ lớn nhất xảy ra khi chiếu tia X vào mẫu. Từ các góc này có thể biết được khoảng cách d giữa các mặt phẳng nhiễu xạ. Ứng suất dư trong vật liệu là nguyên nhân thay đổi khoảng cách giữa các mặt phẳng (d) so với trạng thái không tồn tại ứng suất. Sự thay đổi này được dùng để suy ra biến dạng đàn hồi thông qua sự thay đổi của góc nhiễu xạ. www. nde. com. vn

Nội dung 1: Nghiên cứu phương pháp từ đàn hồi Villari, bản chất vật lý �Phương pháp từ đàn hồi dựa trên hiệu ứng từ Villari là một phương pháp NDT tiên tiến giúp kiểm tra nhanh ứng suất dư và có khả năng dự đoán vị trí khuyết tật bên trong kết cấu, có thể kết nối máy tính và hiển thị bản đồ phân bố 2 D, 3 D vùng khảo sát ứng suất, thời gian cho một điểm đo từ 1 -2 s, không yêu cầu chuẩn bị bề mặt và chiều sâu đo được đến 12 mm. �Trên thế giới phương pháp từ đàn hồi – thiết bị Stressvision 2. 05 đã được sử dụng và phát triển trên 25 quốc gia: Russia, Canada, Brazil, Australia …thiết bị duy nhất tại Việt Nam www. nde. com. vn

Ưu điểm � Thời gian đo nhanh 1 - 2 s � Không yêu cầu người vận hành là NDT level 1, 2 � Mô phỏng 2 D, 3 D bản đồ phân bố ứng suất � Kiểm tra hệ số tập trung ứng suất. � Chi phí thấp � Độ nhạy cao � Thiết bị di động, 2, 5 kg � Không yêu cầu cao về chuẩn bị bề mặt (lớp sơn, phủ thể đến 4 mm). www. nde. com. vn có

NGUYÊN LÝ CƠ BẢN PHƯƠNG PHÁP TỪ ĐÀN HỒI Hiện tượng từ trễ � Được mô tả như sau: khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác. � Khi tồn tại ứng suất dư trong vật liệu sẽ làm thay đổi đường cong từ trễ, làm cho vật liệu khó từ hóa hơn. Hình bên mô tả quá trình từ hóa khi vật liệu tồn tại ứng suất từ 0, 40, 80 MPa. � Mối quan hệ giữa ứng suất dư và từ trường liên quan đến độ nhạy S, S =∂B/ ∂σ Ảnh hưởng ứng suất đến đường cong từ trễ www. nde. com. vn

Đường lực từ � Đường lực từ có dạng các vòng khép kín, không cắt nhau, có cường độ như nhau và tồn tại bên trong và xung quanh các vật thể có tính chất từ hay từ trường. Khi áp dụng từ trường này lên vật liệu sắt từ thì chúng sẽ từ hóa và tạo ra bên trong vật liệu sắt từ các đường lực từ cùng chiều với đường lực từ ban đầu. Nếu vật liệu không đồng nhất (do ảnh hưởng ứng suất dư) sẽ làm thay đổi đường đi của đường lực từ bên trong vật liệu đó. Vật liệu đồng nhất Vật liệu không đồng nhất (ảnh hưởng ứng suất dư) www. nde. com. vn

Nguyên lý thiết bị Khi đặt đầu dò vào bề mặt đối tượng kiểm tra, cuộn kích thích E 1 E 2 sẽ tạo ra một từ trường trong vật liệu, kích thích cuộn dây đo D 1 D 2 tạo ra sự thay đổi cảm ứng từ Bc, Sự thay đổi này gây ra suất điện động (điện áp U) trong cuộn dây, Điện áp này là một tham số chính để khảo sát trạng thái ứng suất trong vật liệu. U = K(ω2/ ω1)Bc S 0 f sin β Trong đó: Bc – Cảm ứng từ (Tesla); So – Tiết diện bao phủ bởi cuộn dây; K- Hệ số tỉ lệ; f – Tần số; β – Góc giữa cuộn dây đo ω2 và cảm ứng từ B; ω1, ω2 – số vòng dây. www. nde. com. vn Cấu tạo đầu dò

Nội dung 2: Thử nghiệm mẫu hàn Phân bố ứng suất dư trong mối hàn � Mặc định ứng suất tấm trước khi hàn bằng không. � Ứng suất sau khi hàn chia thành ba vùng chính: vùng mối hàn chịu ứng suất kéo, vùng kim loại cơ bản chịu ứng suất nền (có thể là kéo hoặc nén) và vùng chuyển tiếp chịu ứng suất nén. www. nde. com. vn

Nội dung 2: Thử nghiệm mẫu hàn Đối tượng kiểm tra Ø Phương pháp hàn: hồ quang tay, kích thước mẫu 150 x 10 mm. ØSố lượng điểm đo: 49 đến 60 điểm. ØÔ lưới: kẻ trên giấy, khoảng cách điểm đo x=15 mm, y=15 mm ØPhương pháp đo: khảo sát ứng suất dư 4 mẫu mối hàn trước và sau khi xử lý nhiệt ØChế độ nung theo „Welding Science and Technology“, Md, Ibrahim Khan Chuẩn bị vùng kiểm tra � Trước khi tiến hành kiểm tra cần làm sạch các vết bẩn do xỉ hàn, bụi đất và loại bỏ các bất thường lớn hơn 0. 5 mm ở bề mặt. � Kích thước tối thiểu vùng kiểm tra là 80 x 100 mm. � Có thể dùng sơn để kẻ các ô lưới trực tiếp lên bề mặt kiểm tra hoặc kẻ lên giấy rồi dán lên bề mặt kiểm tra. Số lượng điểm đo tối thiểu của ô lưới là 25, tương ứng 5 hàng x 5 cột. www. nde. com. vn

www. nde. com. vn

Kết quả thí nghiệm Chụp phim RT � Chụp ảnh bức xạ RT được thực hiện trước khi nung và sau khi đo ứng suất dư bằng máy STRESSVISION 2. 05. � Mục đích của kiểm tra RT mối hàn là để xem xét những mẫu tồn tại ứng suất dư cao liệu có tồn tại khuyết tật hay không? Thông thường kết quả kiểm tra ứng suất ở vùng mối hàn cao hơn hẳn so với kim loại cơ bản nên sẽ chụp tất cả các mẫu hàn để kiểm tra khuyết tật. www. nde. com. vn

www. nde. com. vn

Kết quả khảo sát ứng suất dư � Mẫu 1: Kết quả phân bố ứng suất dư mối hàn trước và sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 600 o. C, 30 phút- No defect � Nhận xét 1: � Kết quả kiểm tra cho thấy trước khi xử lý nhiệt, chênh lệch ứng suất DPMS lớn nhất là 400 đơn vị và hệ số tập trung ứng suất rất cao 8. 0, nhưng sau khi xử lý nhiệt 600 độ trong 30 phút, sự phân bố ứng suất DPMS và hệ số tập trung ứng suất MSC giảm xuống rõ rệt chỉ còn 200 đơn vị và 3. 0. Đồng thời, sự phân bố ứng suất ở mối hàn đều hơn, không xuất hiện các đỉnh tập trung ứng suất cao như trước khi xử lý nhiệt. www. nde. com. vn

Mẫu 2: Kết quả phân bố ứng suất dư mối hàn trước và sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 600 o. C, 60 phút –No defect Nhận xét 2: Trường hợp này, trước khi xử lý nhiệt chênh lệch DPMS lớn nhất là 220, MSC lớn nhất là 3. 25. Sau khi xử lý nhiệt 600 độ - 60 phút, DPMS là 170, MSC là 2. 4 đơn vị. Kết quả kiểm tra cho thấy trước và sau xử lý nhiệt ứng suất giảm không đáng kể, nhưng phân bố ứng suất trong mối hàn đồng đều hơn. www. nde. com. vn

Mẫu 3: Kết quả phân bố ứng suất dư mối hàn trước và sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 600 o. C, 120 phút- No defect Nhận xét 3: • Trước khi xử lý nhiệt, chênh lệch DPMS khoảng 300 đơn vị, MSC là 2. 8. Sau khi xử lý nhiệt DPSM giảm xuống còn 180 đơn vị, MSC là 2. 8. • Tương tự như ở mẫu 1 và 2, ứng suất phân bố đồng đều ở vùng hàn và không xuất hiện sự tập trung ứng suất cục bộ. www. nde. com. vn

Mẫu 4: Kết quả phân bố ứng suất dư mối hàn trước và sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 600 o. C, 120 phút- LOP defect Nhận xét 4: • Trước khi xử lý nhiệt, chênh lệch DPMS khoảng 360 đơn vị, MSC là 6. 0. Sau khi xử lý nhiệt DPSM giảm xuống còn 280 đơn vị, MSC là 2. 5. • Trước và sau khi xử lý nhiệt ứng suất phân bố trong mối hàn giảm không đáng kể. Nguyên nhân là vì mẫu 4 có khuyết tật không thấu dọc mối hàn. Vì vậy, ứng suất lớn trong mối hàn sau khi xử lý nhiệt là do ảnh hưởng của khuyết tật. • Thực nghiệm này chứng tỏ khả năng phát hiện không chỉ ứng suất dư trong mối hàn mà cả www. nde. com. vn khuyết tật của thiết bị STRESSVISION 2. 05.

Mẫu 5: Mẫu mối hàn chuẩn để kiểm tra siêu âm UT PL 15351 Nhận xét 5: Mẫu thép tấm tiêu chuẩn siêu âm UT PL 15351, dày 10 mm, biết trước vị trí khuyết tật. Ở vùng mối hàn, tại vị trí khuyết tật, sự chênh lệch ứng suất DPMS là 360 đơn vị tại tọa độ (3; 4), tập trung ứng suất MSC là 5. 5, theo khuyến cáo nhà sản xuất thì chi tiết chịu ứng suất dư khá cao (nằm trong vùng 350 -420) nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép và phải kiểm tra thường xuyên chu kì 6 hoặc 12 www. nde. com. vn tháng.

Nhận xét chung • Kết quả đo ứng suất dư DPMS và MSC ở 5 mẫu hàn: • Từ các kết quả trên chứng tỏ rằng: xử lý nhiệt chỉ có tác dụng làm giảm một phần ứng suất trong mối hàn. Sau khi XLN, chênh lệch ứng suất. DPMS còn lại trong mối nằm trong khoảng 170 -200 đơn vị. Ứng suất phân bố rất đồng đều ở vùng mối hàn và không xuất hiện các vị trí cục bộ tập trung MSC cao. • Biểu đồ phân bố DPMS-3 D của các mẫu có khuyết tật sẽ xuất hiện các đỉnh lồi, nơi tập trung ứng suất cao và xử lý nhiệt chỉ làm giảm một phần ứng suất trong mối hàn có khuyết tật. • Kiểm tra ứng suất các mẫu có khuyết tật chứng tỏ khả năng của thiết bị STRESSVISION trong việc phát hiện các vị trí nguy hiểm, nơi tồn tại khuyết tật và có MSC tập trung rất cao ở mối hàn. www. nde. com. vn

KẾT QUẢ KIỂM TRA ỨNG SUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN LỖ Mục đích kiểm tra ứng suất dư bằng phương pháp khoan lỗ là để kiểm chứng giá trị đo được của phương pháp từ đàn hồi. Nhận xét: So sánh kết quả kiểm tra DPMS bằng phương pháp khoan lỗ tại vị trí mối hàn có tọa độ (4, 4) là -62. 9 MPa và kết quả đo bằng thiết bị STRESSVISION 2. 04 là -69. 6 đơn vị, nhận thấy rằng: • Hai phương pháp đo có giá trị tương đương nhau (lệch 6. 7 MPa). • Kết quả khoan lỗ là giá trị tuyệt đối (MPa) của ứng suất dư theo chiều sâu lỗ khoan, còn kết quả của phương pháp từ là giá trị tương đối. Vì vậy, cần thêm nhiều thực nghiệm để kiểm www. nde. com. vn chứng sự tương thích của hai phương pháp này.

Phương pháp đánh giá � Giá trị chênh lệch ứng suất chính mà thiết bị đo được không phải là giá trị tuyệt đối MPa, giá trị đó chỉ mang ý nghĩa tương đối và thể hiện sự chênh lệch phân bố ứng suất, phát hiện những vùng tồn tại ứng suất cao, từ đó có thể dự đoán khả năng xuất hiện khuyết tật trong tương lai gần. � Do đó nhà sản xuất có đưa ra một số khuyến cáo để đánh giá như sau: ü Nếu sự chênh lệch ứng suất chính (DPSM) đến 350 đơn vị (chênh lệch điểm cao nhất và thấp nhất), chi tiết làm việc ở điều kiện cho phép. ü Giá trị DPSM 350 đến 420 chi tiết làm việc với ứng suất cao, có thể chấp nhận nhưng phải kiểm tra thường xuyên chu kì 6 đến 12 tháng. ü Giá trị DPSM 420 đến 450. ứng suất dư rất cao, khuyết tật có thể đã phát triển, khuyến cáo thay thế càng sớm càng tốt. ü Giá trị DPSM 450 đến 500 khuyến cáo phải có biện pháp khắc phục ngay lập tức, ngay cả khi không có khuyết tật trong vật liệu. www. nde. com. vn

Kết luận �Nghiên cứu ứng dụng thiết bị Stressvision có một ý nghĩa quan trọng trong công tác kiểm tra bảo dưỡng và theo dõi sự già hóa của cấu kiện, thiết bị. Cung cấp dữ liệu để dự đoán vị trí khuyết tật và đưa ra phương án khắc phục kịp thời www. nde. com. vn