Nghiên cứu giải pháp đo kiểm tra đánh giá độ mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn sử dụng robot mang đầu dò siêu âm

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Mô hình toán được xây dựng nhằm xác định quãng đường di chuyển ngắn nhất, dựa trên đặc điểm của phương pháp kiểm tra siêu âm PA và tính năng của robot mang đầu dò siêu âm PA.

- Đề xuất được phương án đo kiểm ứng dụng robot mang đầu dò siêu âm PA

3 kiểm tra mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn dựa trên cơ sở quỹ đạo quãng đường di chuyển ngắn nhất tìm được

Đề xuất một thuật toán ghép ảnh nhằm tạo dựng bản đồ mòn phù hợp với quy trình siêu âm PA, phục vụ cho việc đo kiểm độ mòn của bồn chứa xăng dầu có dung tích lớn, sử dụng robot mang đầu dò siêu âm PA.

Ứng dụng robot trang bị đầu dò siêu âm trong việc kiểm tra độ mòn của bồn chứa xăng dầu không chỉ rút ngắn thời gian kiểm tra mà còn giải phóng sức lao động, mang lại hiệu quả kinh tế cao Sản phẩm này góp phần nâng cao chất lượng kiểm tra, đảm bảo an toàn và hiệu suất trong ngành công nghiệp xăng dầu.

Nghiên cứu này đóng góp vào quá trình tự động hóa kiểm tra và đánh giá độ mòn của bồ chứa xăng dầu, mang lại giá trị ứng dụng cao trong thực tiễn.

- Giúp xây dựng bản đồ mòn của bồn chứa xăng dầu, cho phép giám sát và chủ động kế hoạch hoạt động, bảo trì bảo dưỡng bồn chứa.

Kết cấu của luận án

Kết cấu của luận án gồm các phần:

Nhu cầu từ thực tế cho thấy tính cấp thiết của việc nghiên cứu đề tài này, nhằm đáp ứng các yêu cầu và thách thức hiện tại Cơ sở lựa chọn đề tài được xác định dựa trên những vấn đề nổi bật trong lĩnh vực, đồng thời nhấn mạnh ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu Luận án được cấu trúc một cách hợp lý để trình bày rõ ràng các nội dung và kết quả nghiên cứu.

Bài viết trình bày các nội dung liên quan đến độ mòn và các phương pháp kiểm tra, đánh giá độ mòn hiện nay Ngoài ra, nghiên cứu về xác định quãng đường ngắn nhất và cách thức xây dựng bản đồ cũng được khảo sát và phân tích Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề này cũng được đánh giá một cách chi tiết.

Nghiên cứu khảo sát thực trạng đo mòn tại Việt Nam nhằm xác định các vấn đề tồn tại, từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu rõ ràng Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung vào các đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể, kết hợp với các phương pháp nghiên cứu phù hợp để thu thập dữ liệu và phân tích hiệu quả.

- Chương 2: Quy trình thực nghiệm đo kiểm tra độ mòn bồn chứa

Đề xuất thông số kỹ thuật cho thiết kế và chế tạo robot trang bị đầu dò siêu âm nhằm kiểm nghiệm độ tin cậy của robot Đồng thời, tiến hành lập sơ đồ trải bồn chứa và xác định diện tích quét trên thân bồn chứa để tối ưu hóa quy trình kiểm tra.

Nghiên cứu đề xuất quy trình thực nghiệm đo kiểm độ mòn bồn chứa dung tích lớn ứng dụng kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha (PAUT)

- Chương 3: Mô hình toán xác định quãng đường di chuyển ngắn nhất

Giới thiệu, xây dựng bài toán tìm quãng đường di chuyên ngắn nhất ứng dụng thuật toán PSO dựa trên đặc điểm của phương pháp kiểm tra siêu âm

Robot có khả năng đo kiểm và đánh giá độ mòn của bồn chứa, với các đặc điểm nổi bật như khả năng di chuyển linh hoạt và chính xác Dựa trên mô hình toán học đã được xác định, chúng tôi đề xuất phương án di chuyển tối ưu cho robot nhằm nâng cao hiệu quả trong quá trình kiểm tra.

- Chương 4: Nghiên cứu xây dựng bài toán ghép ảnh mòn

Bài viết trình bày kết quả phân tích và đánh giá dữ liệu hình ảnh thu được từ thực nghiệm đo mòn Chúng tôi đề xuất một thuật toán ghép ảnh mòn nhằm tạo ra bản đồ mòn và cung cấp thông tin về các thông số mòn ở các vị trí cụ thể trong môi trường Matlab.

- Chương 5: Thực nghiệm đo kiểm độ mòn và xây dựng bản đồ mòn

Bài viết trình bày kết quả thiết kế và chế tạo mô hình bồn chứa, cùng với việc thực nghiệm kiểm tra hiện tượng mòn bồn chứa bằng robot trang bị đầu dò siêu âm PA Ngoài ra, bài viết cũng đề cập đến hoạt động của phần mềm xây dựng bản đồ mòn, giúp theo dõi và phân tích tình trạng bồn chứa một cách hiệu quả.

- Kết luận và kiến nghị

Kết luận chung của luận án và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

- Danh mục tài liệu tham khảo

- Danh mục các công trình đã công bố của luận án

Nghiên cứu tổng quan

Các phương pháp đo mòn và bản đồ mòn

1.1.1 Phương pháp siêu âm thông thường

Phương pháp kiểm tra siêu âm dựa trên việc sử dụng sóng siêu âm tần số cao từ 0.5 đến 20 MHz, được truyền vào vật liệu cần kiểm tra Sóng âm phát ra từ đầu dò sẽ phản xạ trở lại khi gặp mặt phân giới giữa hai môi trường, trong khi một phần nhỏ sẽ bị khúc xạ Mức độ phản xạ này phụ thuộc vào trạng thái vật lý của vật liệu được đo.

Khi chùm siêu âm tương tác với các vùng không đồng nhất, hiện tượng phản xạ, thẩm thấu và biến đổi sóng sẽ xảy ra, từ đó cho phép phát hiện các khuyết tật trong vật đo thông qua sóng âm phản hồi Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm có khả năng xuyên sâu vào vật liệu vượt trội hơn so với phương pháp chụp ảnh bức xạ, giúp phát hiện những vết nứt nằm sâu bên trong vật liệu Nguyên lý cơ bản của phương pháp này được minh họa trong hình 1.1.

Hình 1.1: Nguyên lý của phương pháp siêu âm kiểm tra khuyết tật vật liệu [5]

+ Có độ nhạy cao nên phát hiện được các khuyết tật nhỏ

+ Cho phép kiểm tra các chi tiết dày

+ Vị trí, kích thước, hình dạng khuyết tật khi phát hiện đạt độ chính xác cao

+ Việc kiểm tra chỉ cần tiếp xúc một bên của vật đo

+ Cho đáp ứng nhanh nên thời gian kiểm tra ngắn và dễ dàng tự động hoá công việc đo kiểm

+ Hình dạng của vật thể kiểm tra có thể gây khó khăn cho việc kiểm tra + Khó kiểm tra các vật liệu có cấu tạo bên trong phức tạp

+ Cần phải sử dụng chất tiếp âm để thúc đẩy sự truyền năng lượng âm vào vật cần kiểm tra

Để đảm bảo việc kiểm tra chính xác, đầu dò cần phải tiếp xúc chặt chẽ và phù hợp với hình dạng bề mặt của vật đo Hướng khuyết tật cũng đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng phát hiện chính xác các khuyết tật.

1.1.2 Phương pháp siêu âm PA

Kiểm tra siêu âm PA (siêu âm tổ hợp pha) là một phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) tiên tiến, sử dụng sóng siêu âm để phát hiện các khiếm khuyết Đầu dò siêu âm PA có từ 16 đến 256 biến tử riêng biệt, được cách âm và có khả năng tạo xung độc lập Các biến tử này có thể được sắp xếp theo nhiều hình dạng khác nhau, như dải thẳng hoặc vòng tròn, và được kích thích bằng xung điện có độ trễ lập trình Sóng âm phát ra từ các biến tử sẽ giao thoa, tạo ra chùm siêu âm với góc phát và điểm hội tụ theo yêu cầu.

PA có thể được thiết kế để sử dụng tiếp xúc trực tiếp hoặc kết hợp với nêm, cho phép tạo ra các đầu dò với góc nghiêng tùy ý, thích hợp cho môi trường nước Dải tần số của đầu dò siêu âm PA thường nằm trong khoảng 2 – 10 MHz Nguyên lý hoạt động và dữ liệu thu thập là hai yếu tố quan trọng trong việc hiểu rõ cách thức hoạt động của thiết bị này.

Hình 1.2: Nguyên lý và dữ liệu thu thập của phương pháp siêu âm PA

Siêu âm PA là công nghệ hiệu quả trong việc kiểm tra và phát hiện vết nứt mối hàn, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không, năng lượng, dầu khí, chế tạo ống, và xây dựng Bên cạnh đó, siêu âm PA còn được sử dụng để xác định chiều dày trong các ứng dụng kiểm tra ăn mòn, góp phần quan trọng trong công tác bảo trì và bảo dưỡng đường ống.

Phương pháp siêu âm PA sử dụng chùm tia quét hình quạt, cho phép kiểm tra chi tiết ở nhiều góc khác nhau.

+ Việc kiểm tra các chi tiết có hình dạng phức tạp sẽ đơn giản hơn

Kích thước nhỏ gọn của đầu dò cùng khả năng quét chùm tia mà không cần di chuyển đầu dò giúp việc kiểm tra các chi tiết trong những vị trí khó tiếp cận trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn, ngay cả trong không gian hạn chế.

+ Các hệ thống PA đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị cao

+ Người vận hành phải qua đào tạo chuyên môn

Nguyên lý hoạt động của máy quét 3D dựa trên việc số hóa bề mặt quét, mang lại một phương pháp đáng tin cậy để đánh giá mức độ ăn mòn bề mặt so với các máy đo chiều dày truyền thống Máy quét 3D cung cấp bản đồ số hóa chi tiết và chính xác về độ dày, giúp người dùng dễ dàng đánh giá tình trạng ăn mòn của vật thể được kiểm tra.

Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động và dữ liệu thu thập của 3D Scanner [7]

+ Khả năng di chuyển linh hoạt

+ Hệ thống phần mềm và thiết bị khá thân thiện, dễ sử dụng

+ Máy và vật đo không cần gá đặt cố định

+ Cung cấp thông tin khá chính xác về dữ liệu mòn ngoài của bề mặt

+ Bề mặt đo kiểm cần được làm sạch, ví dụ như phun cát, để mang lại kết quả đo kiểm chính xác hơn

+ Chi phí đầu tư thiết bị cao, kỹ thuật viên phải có trình độ phù hợp

+ Chỉ xác định được hình ảnh, độ mòn bên ngoài bồn chứa (so với mặt chuẩn ngoài của bề mặt ngoài)

+ Việc đánh giá độ mòn bên trong bồn không thể thực hiện

1.1.4 Xây dựng bản đồ mòn sử dụng công nghệ PA

Bản đồ mòn (hay bản đồ ăn mòn) là hình ảnh số hóa bề mặt của vật thể, cung cấp thông tin về vị trí (tọa độ) và độ dày vật liệu thông qua màu sắc Bản đồ mòn có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.

- Bản đồ mòn cục bộ: là bản đồ mòn của một khu vực xác định (vùng) Đây là nơi nghi ngờ xảy ra hiện tượng ăn mòn

Bản đồ mòn tổng thể là công cụ quan trọng giúp xác định và đánh giá chi tiết độ mòn của toàn bộ vật đo, cho phép người dùng nắm bắt thông tin chính xác về tình trạng mòn tại bất kỳ vị trí nào của vật đó.

Hình 1.4: Bản đồ mòn điển hình sử dụng kỹ thuật siêu âm PA [7]

Việc xây dựng bản đò mòn là sử dụng các dữ liệu siêu âm để hình thành nên

Để xây dựng bản đồ mòn cho vật liệu, các thiết bị như siêu âm 2D, siêu âm PA và 3D Scanner được sử dụng để quét và thu thập dữ liệu Bài viết cung cấp 9 hình ảnh đồ họa màu minh họa cho hình dạng bề ngoài của các vật liệu đo.

Hình 1.5: Các loại bản đồ mòn của phương pháp UT 2D, PA, 3D Scanner [7]

 Siêu âm 2D chỉ xác định được độ dày của vật đo tại một vùng (khu vực) xác định

 Siêu âm PA có thể tạo ra một bản đồ mòn tổng thể cung cấp các thông tin vệ toạ độ, độ dày ở bất kỳ vị trí nào

 Phương pháp 3D Scanner cho kết quả một bản đồ mòn bề mặt bên ngoài của vật đo

 Phương pháp siêu âm 2D không phù hợp để xây dựng bản đồ mòn

 Xây dựng bản đồ mòn sử dụng phương pháp siêu âm PA đòi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí đầu tư rất cao

 Phương pháp 3D Scanner hình thành được bản đồ ăn mòn nhưng chỉ cho phép xác định mức độ ăn mòn của bề mặt vật đo

Bản đồ ăn mòn xây dựng bằng kỹ thuật siêu âm PA là phương pháp hiệu quả để biểu đồ hóa độ dày còn lại của vật liệu kim loại, sử dụng màu sắc để thể hiện và lưu trữ dữ liệu trên máy tính Phương pháp này được áp dụng phổ biến trong ngành dầu khí, đặc biệt cho các thiết bị như bồn chứa, đường ống và vỏ tàu thủy.

10 a) Xây dựng bản đồ mòn trực tiếp trên thiết bị siêu âm PA

Việc xây dựng bản đồ mòn phụ thuộc vào thiết bị siêu âm PA được sử dụng Một số máy siêu âm hiện đại đi kèm với phần mềm có chế độ cộng dồn, cho phép ghép các hình ảnh liên tiếp để tạo thành bản đồ mòn Phương pháp này thường được áp dụng để xây dựng bản đồ mòn cục bộ, giúp đo kiểm các khu vực nghi ngờ có hiện tượng mòn.

Bản đồ mòn được hình thành trên thiết bị

Hình 1.6: Bản đồ mòn được xây dựng trực tiếp trên OmniScan MX2 [3] b) Xây dựng bản đồ mòn gián tiếp với phần mềm TomoView

TomoView là phần mềm tích hợp trong hệ thống siêu âm PA OmniScan MX2, cho phép tạo lập bản đồ mòn gián tiếp trên PC Khi quét vật đo, người dùng có thể sử dụng phương án quét 1 hoặc 2 trục (Clicker, 2 encoder) để thu nhận ảnh mòn dạng C-Scan Dữ liệu hình ảnh C-Scan sẽ được lưu trữ trong thư mục xác định và tự động mã hóa theo thời gian quét Sau khi đồng bộ với PC, TomoView hỗ trợ ghép các hình ảnh liên tiếp để tạo thành bản đồ mòn, hiển thị vùng ăn mòn bằng màu sắc khác nhau giúp xác định mức độ ăn mòn vật liệu Người dùng có thể sử dụng con trỏ chuột để xác định vị trí, kích thước và chiều dày vật liệu còn lại tại khu vực có mòn.

Hình 1.7: Bản đồ mòn được xây dựng trên phần mềm TomoView [9, 10]

Thực trạng đo kiểm mòn bồn chứa ở Việt Nam

Ăn mòn kim loại trên bồn chứa thường xảy ra do các điều kiện vật lý và hóa học, dẫn đến sự hình thành các khuyết tật như ăn mòn đều, không đều, ăn mòn điểm và ăn mòn do khí quyển.

Hình 1.8: Các dạng ăn mòn bồn chứa [11]

Hiện tượng mòn thân bồn chứa dẫn đến giảm chiều dày thành bồn, ảnh hưởng đến khả năng vận hành Diện tích mòn trên thân bồn chứa, bao gồm kích thước và sự phân bố của các khuyết tật, được đánh giá theo tiêu chuẩn API 653 Việc kiểm định chất lượng bồn chứa và kiểm tra chiều dày còn lại là cần thiết để xác định mức độ mòn và diện tích ăn mòn.

Hình 1.9: Ăn mòn bồn chứa [11]

Hiện tượng ăn mòn trong bồn chứa xăng dầu thường xảy ra do các chất gây ăn mòn bên trong Để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động, cần tiến hành kiểm tra và bảo trì định kỳ mỗi 4-5 năm Việc đánh giá mức độ mòn qua từng giai đoạn sử dụng là rất quan trọng, vì nếu bồn chứa bị ăn mòn vượt quá giới hạn cho phép, nó có thể dẫn đến rò rỉ, biến dạng hoặc thậm chí phá hủy bồn chứa, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng vận hành và tuổi thọ của thiết bị.

Hình 1.10: Ảnh hưởng của ăn mòn làm biến dạng bồn chứa [13]

Hiện nay, việc kiểm tra và đánh giá chất lượng bồn chứa chủ yếu dựa vào kỹ thuật siêu âm thủ công, điều này gây ra nhiều khó khăn Do kích thước lớn của bồn chứa, cần thiết phải xây dựng hệ thống giàn giáo phụ trợ và sử dụng dây cáp treo trong quá trình thực hiện kiểm tra.

Kiểm tra chất lượng bồn thủ công là một bước quan trọng trong việc đảm bảo an toàn lao động Quá trình này tiềm ẩn nhiều nguy cơ và đòi hỏi thời gian đáng kể để dựng giàn giáo Việc thực hiện kiểm tra kỹ lưỡng giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn, từ đó giảm thiểu rủi ro và nâng cao hiệu quả công việc.

Việt Nam b) Kỹ thuật viên kiểm tra chất lượng bồn với thiết bị thủ công

Hình 1.11: Kiểm tra bồn chứa bằng phương pháp thủ công [2]

Hiện nay, kỹ thuật viên siêu âm tại Việt Nam đang thiếu hụt và chưa được cập nhật công nghệ mới như siêu âm PA Để đào tạo kỹ thuật viên lành nghề, yêu cầu phải có trình độ chuyên môn và khả năng ngoại ngữ cao, cùng với nguồn kinh phí lớn cho đào tạo và đầu tư thiết bị siêu âm PA Môi trường làm việc khắc nghiệt, quy trình kiểm tra nghiêm ngặt và áp lực công việc cao do thời gian dừng vận hành bồn chứa ảnh hưởng đến kế hoạch kinh doanh.

Công việc kiểm tra đánh giá trực tiếp tại hiện trường không thu hút nhiều kỹ thuật viên, dẫn đến số lượng kỹ thuật viên tham gia vào công việc này rất hạn chế.

Một giải pháp hiệu quả để khắc phục tình trạng thiếu kỹ thuật viên là các công ty tiến hành phân tích và đánh giá hình ảnh siêu âm tại phòng thí nghiệm Điều này cho phép sử dụng công nhân hoặc kỹ thuật viên cấp thấp để thu thập dữ liệu siêu âm trong quá trình kiểm tra mòn Các kỹ thuật viên này sẽ quét dữ liệu mòn trên thân bồn chứa, lưu trữ vào thiết bị nhớ và gửi về phòng thí nghiệm để đánh giá Tuy nhiên, chất lượng hình ảnh đầu vào có ảnh hưởng lớn đến công việc đánh giá sau này Khi phát hiện các lỗi như hình ảnh không đạt độ phân giải hoặc không liên tục, việc tổ chức siêu âm lại sẽ gặp khó khăn.

Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong quá trình kiểm tra mòn bồn chứa tại Việt Nam, các công ty chưa chú trọng xây dựng phương án đo do phụ thuộc vào giàn giáo và việc đo được thực hiện thủ công, dẫn đến khó khăn trong việc di chuyển ở các góc vuông Điều này khiến cho việc tự động hóa quá trình đo trở nên không khả thi Thực tế, các công ty chỉ xác định các khu vực mòn bằng phương pháp cảm quan và tiến hành đo ở những khu vực đó, sử dụng đầu dò siêu âm 2D di chuyển theo phương thẳng đứng hoặc ngang Quá trình này tốn thời gian và độ chính xác của dữ liệu hình ảnh thu thập không cao, phụ thuộc vào tay nghề của kỹ thuật viên và điều kiện thời tiết Hơn nữa, việc chỉ kiểm tra các khu vực nghi ngờ không cung cấp đủ dữ liệu để xây dựng bản đồ mòn bồn chứa.

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Các nghiên cứu nước ngoài

Robot Scorpion B-Scan được thiết kế để kiểm tra khuyết tật hàn và mức độ ăn mòn trên bề mặt bồn chứa xăng dầu Với kích thước 385 mm x 222 mm x 102 mm và trọng lượng 4.74 kg, robot này sử dụng bốn động cơ 12 VDC để di chuyển với tốc độ 25 mm/s Lực hút nam châm vĩnh cửu khoảng 13.6 kg giúp robot bám chắc trên bề mặt Trang bị đầu dò siêu âm, robot thu thập dữ liệu dưới dạng A-Scan và B-Scan, cho phép kỹ thuật viên xác định vị trí và loại khuyết tật một cách nhanh chóng Phần mềm B-Scan Scorpion hỗ trợ phân tích và đánh giá chính xác độ ăn mòn Tuy nhiên, robot vẫn cần sự điều khiển trực tiếp từ con người và chưa có phương án di chuyển tự động trên bồn chứa.

15 a) Robot Scorpion B-Scan [14] b) Phần mềm lập bản đồ mòn của B-

Hình 1.12: Hệ thống đo kiểm của robot Scorpion [14]

Robot RMS2 (Rinaldi Mechatronic Systems) là thiết bị kiểm tra độ ăn mòn bồn chứa bằng phương pháp siêu âm PA, sử dụng chức năng C-Scan để xác định chiều dày và đánh giá mức độ ăn mòn của bồn chứa và đường ống lớn Hệ thống điều khiển chuyển động và mã hóa X/Y được tích hợp vào phần mềm máy tính, cho phép robot di chuyển theo phương thẳng đứng và quét ngang với chiều cao quét lên tới 50 m Thiết bị này có khả năng thu thập dữ liệu dạng A-Scan, B-Scan, C-Scan và lập bản đồ mòn hiệu quả.

Hình 1.13: Kiểm tra đánh giá độ mòn bồn chứa bằng robot RMS2 [15]

Bài báo “Path planning & measurement registration for robotic structural asset monitoring” của S G Pierce và các cộng sự (2014) [16] đã trình bày một cách

Bài viết trình bày cách tiếp cận ứng dụng CAD/CAM trong việc lập phương án đo và lưu trữ hình ảnh dữ liệu trên mô hình CAD Robot với đầu dò siêu âm sẽ di chuyển theo quỹ đạo thẳng hoặc tròn trên bề mặt phẳng, có khả năng tránh chướng ngại vật để thu thập dữ liệu Phương án đo được thiết kế phù hợp với hình dạng vật đo cụ thể, trong đó các khuyết tật và độ mòn được thể hiện qua bản đồ mòn đơn giản, chỉ ra vị trí và độ dày còn lại Dữ liệu thu thập được ở dạng điểm, không phải hình ảnh liên tục Mặc dù phương pháp này được thử nghiệm trên mô hình thí nghiệm, nhưng vẫn chưa có thông tin về ứng dụng thực tế.

Hình 2.31: Quỹ đạo di chuyển của robot và vị trí các khuyết tật [16]

Hình 1.14: Phương án đo và quỹ đạo di chuyển qua mô hình CAD [16]

Bài báo “Solving the Path Planning Problem in Mobile Robotics with the Multi-Objective Evolutionary Algorithm” của tác giả Yang Xue, Jian-Qiao Sun

Năm 2018, một mô hình toán học đã được phát triển để lập kế hoạch đường dẫn trên các tuyến đường có vật cản, với điều kiện biết trước điểm bắt đầu và điểm mục tiêu Mô hình này ứng dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (MOEA - Multi-Objective Evolutionary Algorithm).

Bài báo đã tiến hành mô phỏng và tính toán các kết quả liên quan đến độ dài, độ an toàn và độ trơn tru của đường dẫn, đảm bảo rằng không xảy ra va chạm với các vật cản.

Hình 1.15: Đường dẫn ngắn nhất ứng dụng thuật toán MOEA [17]

Hạn chế của thuật toán này:

- Thuật toán chỉ phù hợp với bài toán lập kế hoạch đường dẫn ngoại tuyến

- Chưa đề cập việc lập kế hoạch đường dẫn cho một mô hình thực tế và thí nghiệm so sánh với mô hình thực tế

- Chi mới thức hiện về mặt lý thuyết, mô phỏng mà chưa triển khai thử nghiệm trong thực tế với một mô hình thực, một robot xác định

Hình 1.16: Kết quả mô phỏng độ dài, độ an toàn và độ trơn tru của đường dẫn [17]

Tác giả HaiyanWang, Zhiyu Zhou đã giới thiệu trong bài báo “A Heuristic Elastic Particle Swarm Optimization Algorithm for Robot Path Planning” (2019)

Để xây dựng mô hình toán A* nhằm tìm quãng đường ngắn nhất cho robot MT-R có đường kính 50cm và tốc độ tối đa 2.5 m/s, cần áp dụng thuật toán tối ưu PSO trong môi trường di chuyển phẳng, chẳng hạn như trong nhà Mô hình này giúp cải thiện hiệu suất di chuyển của robot trong không gian hạn chế.

Hình 1.17: Mô phỏng đường dẫn tối ưu sử dụng thuật toán PSO [18]

Hạn chế hiện tại là việc tìm kiếm đường dẫn tối ưu chưa xem xét đến yếu tố an toàn và độ trơn tru của lộ trình, đồng thời cũng chưa chú ý đến những đặc điểm riêng biệt của robot.

Firas A Raheem và cộng sự trong công bố “Path Planning Algorithm using D*

Bài viết "Phương pháp Heuristic Dựa trên PSO trong Môi Trường Động" (2018) đã giới thiệu một phương pháp cải tiến cho thuật toán tìm kiếm đường đi D*, ứng dụng PSO để điều hướng trong môi trường động có chướng ngại vật, nhằm tối ưu hóa lộ trình đến điểm đích cuối cùng.

Hình 1.18: Quãng đường di chuyển khi ứng dụng D* và D* dựa trên PSO [19]

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp tìm kiếm đường đi D* dựa trên thuật toán PSO tạo ra các đường dẫn tối ưu hơn về độ dài, an toàn và độ trơn tru so với thuật toán D* truyền thống [19].

Hạn chế của thuật toán này là không đề cập đến việc lập kế hoạch đường dẫn để đo kiểm, chủ yếu dành cho robot di chuyển trên mặt phẳng và tránh vật cản.

Bài báo "Thuật Toán Lập Kế Hoạch Đường Đi Ngắn Nhất - Cách Tiếp Cận Tối Ưu Bầy Đàn Hạt (PSO)" của tác giả Patience I Adamu và cộng sự (2018) đã trình bày phương pháp lập kế hoạch đường đi cho robot di động trong môi trường đã biết với các chướng ngại vật tĩnh Nghiên cứu này đã xác định được lộ trình tối ưu từ điểm khởi đầu đến điểm kết thúc trong một khu vực xác định.

Thuật toán này có hạn chế là không đề cập đến việc lập kế hoạch đường đi cho robot trong quá trình đo kiểm, cũng như khả năng hạn chế tránh vật cản trên bề mặt phẳng xy.

Hình 1.19: Kết quả mô phỏng đường dẫn ngắn nhất khi tránh 3 vật cản [20]

The article "Robot Path Planning with Avoiding Obstacles in Known Environment Using Free Segments and Turning Points Algorithm" by Imen Hassani and colleagues (2018) presents a method for planning the path of a mobile robot, focusing on length and safety while considering known starting and ending points amidst obstacles This study is limited to the xy-plane and obstacle avoidance, lacking discussions on measurement and specific scanning methods.

Hình 1.20: Kết quả mô phỏng xác định đường dẫn ngắn nhất [21]

Khi xây dựng bản đồ mòn, người dùng thường sử dụng phần mềm đi kèm với thiết bị, như TomoView™, hoạt động trên nền tảng PC Phần mềm này được phát triển bởi công ty Olympus và được sử dụng trong các thiết bị siêu âm của họ, chẳng hạn như hệ thống siêu âm PA OmniScan MX2 TomoView cho phép thu nhận hình ảnh C-Scan, ghép ảnh, hiển thị hình ảnh màu theo thời gian thực của tín hiệu và phân tích dữ liệu một cách hiệu quả.

Hình 1.21: Kết quả xử lý ảnh khi ứng dụng TomoView trong thực tế [22]

Các tồn tại, định hướng và nội dung nghiên cứu

Hiện nay, việc đánh giá độ mòn của bồn chứa phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm trang thiết bị, trình độ kỹ thuật viên, phương pháp đo kiểm, phần mềm xây dựng bản đồ mòn và các điều kiện đặc biệt khác Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác và hiệu quả của quá trình đánh giá.

- Thiết bị: việc kiểm tra đánh giá độ mòn hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp siêu âm thông thường hoặc siêu âm PA

Robot đã được ứng dụng trong quá trình kiểm tra siêu âm, chủ yếu nhằm phát hiện khuyết tật hàn và độ mòn của đường ống Ngoài ra, robot cũng được sử dụng để đo độ mòn của bồn chứa, góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong kiểm tra.

Việc kiểm tra đánh giá độ mòn ở một khu vực xác định vẫn là yếu tố quan trọng, tuy nhiên, không cần quá chú trọng vào phương án đo kiểm và ghép ảnh gián tiếp Điều này cũng đồng nghĩa với việc chi phí cho công nghệ bản quyền có thể rất cao.

- Kỹ thuật viên: phải được đào tạo từ các chuyên gia nước ngoài

- Phương án đo kiểm: chưa thấy đề cập đến phương án đo cụ thể cho từng loại robot

Nhiều bài báo đã nghiên cứu về quãng đường di chuyển ngắn nhất, nhưng chủ yếu chỉ dừng lại ở lý thuyết hoặc quét trên mặt phẳng và tránh vật cản Một số nghiên cứu đã áp dụng các thuật toán như PSO và GA để cải thiện hiệu quả trong việc tìm kiếm quãng đường ngắn nhất.

Để xác định phương án di chuyển tối ưu nhằm tìm quãng đường ngắn nhất hoặc tránh vật cản, hiện tại chủ yếu dựa vào mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình thực tế Tuy nhiên, việc đánh giá mức độ ăn mòn bồn chứa ở Việt Nam vẫn chưa có công bố nào áp dụng phương pháp đo kiểm với quãng đường di chuyển ngắn nhất, mà chủ yếu vẫn sử dụng phương pháp thủ công di chuyển đầu dò bằng tay để thu thập hình ảnh mòn.

Bản đồ mòn được tạo ra chủ yếu bằng cách ghép ảnh trực tiếp trên thiết bị siêu âm hoặc gián tiếp trên PC với bản đồ mòn cục bộ, sử dụng phần mềm độc quyền Điều này dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu cao, và công nghệ chỉ được chuyển giao thông qua các gói dịch vụ Hiện tại, chưa có công bố nào về xử lý ảnh nói chung, cũng như ghép ảnh để xây dựng bản đồ mòn cho đường ống dẫn và bồn chứa.

Quá trình kiểm tra siêu âm tại nước ngoài đã phát triển mạnh mẽ với việc ứng dụng robot trong việc đo độ mòn bồn chứa xăng dầu Tuy nhiên, mỗi loại robot có cách hoạt động khác nhau do mục đích sử dụng đa dạng, dẫn đến việc chưa tối ưu hóa phương án đo kiểm nhằm giảm thiểu thời gian và nâng cao độ tin cậy cũng như chất lượng hình ảnh thu thập Hơn nữa, vì robot chỉ hoạt động trong một phạm vi nhỏ nghi ngờ có mòn, nên việc lập bản đồ ăn mòn tổng thể vẫn chưa được chú trọng.

1.4.2 Định hướng và nội dung nghiên cứu

Phương pháp siêu âm PA đang được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam, tuy nhiên, việc sử dụng thiết bị đắt tiền và yêu cầu đào tạo nghiêm ngặt cho nhân viên kiểm tra là một thách thức lớn Các quy trình đo lường và giải mã hình ảnh đòi hỏi phải được chuyển giao công nghệ hoặc mua bản quyền, trong khi phương pháp đo kiểm thủ công hiện tại có năng suất và độ chính xác thấp, tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn lao động Với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế Việt Nam, nhu cầu kiểm tra và bảo trì các bồn chứa xăng dầu lớn ngày càng tăng, điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc áp dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến, đảm bảo độ tin cậy và an toàn trong công việc đo đạc Từ đó, định hướng nghiên cứu trong luận án được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong lĩnh vực này.

Nghiên cứu về bồn chứa xăng dầu lớn tập trung vào các khuyết tật mòn thường gặp, đồng thời khảo sát các phương pháp đo kiểm độ mòn Đặc biệt, phương pháp kiểm tra độ mòn bằng siêu âm PA được chú trọng nhằm nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện và đánh giá tình trạng bồn chứa.

Nghiên cứu phương thức phân mảnh bồn chứa sử dụng thiết bị đo khoảng cách laser và thiết bị cân bằng độ vuông góc để quét các diện tích trên bồn chứa Đồng thời, định vị robot và đầu đo siêu âm PA bằng camera quan sát là một phần quan trọng trong quá trình này Bài toán đặt ra là làm thế nào để robot tránh các vật cản toàn cục, bao gồm các ống chờ và các mặt bích, nhằm di chuyển đến các điểm bắt đầu thực hiện các đường quét tiếp theo một cách hiệu quả.

- Nghiên cứu thiết kế robot có thể mang đầu dò siêu âm PA phục vụ kiểm tra mòn bồn chứa dung tích lớn

- Nghiên cứu quy trình đo kiểm tra bằng phương pháp siêu âm PA trên bồn chứa xăng dầu sử dụng robot mang đầu đo PA

Nghiên cứu mô hình toán nhằm xác định quãng đường di chuyển ngắn nhất sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn PSO Mục tiêu là đề xuất giải pháp đo kiểm hiệu quả, góp phần cải thiện quy trình vận chuyển.

29 đo) đánh giá độ ăn mòn của một diện tích quét cụ thể đã được phân mảnh bồn chứa xăng dầu

- Nghiên cứu cách thức thu thập dữ liệu từ phương pháp siêu âm PA để có thể ghép nối các dữ liệu tạo thành bản đồ mòn

- Nghiên cứu, xây dựng thuật toán ghép ảnh, lập bản đồ mòn từ dữ liệu C- Scan thu thập bằng phương pháp siêu âm PA

Nghiên cứu ứng dụng robot trang bị đầu dò siêu âm để kiểm tra độ mòn trên mô hình bồn chứa dựa trên kết quả lý thuyết Việc so sánh với kỹ thuật kiểm tra truyền thống giúp xác định độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp đo lường mới này.

Các nội dung sau đây sẽ được tập trung nghiên cứu:

 Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về bồn chứa xăng dầu dung tích lớn và kỹ thuật đo độ mòn

- Nghiên cứu các phương pháp đo độ mòn mới nhất hiện nay

- Phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

- Thực trạng đo kiểm tra độ mòn tại Việt Nam

- Phương pháp nghiên cứu: thu thập thông tin, lý thuyết, thực nghiệm,…

 Nội dung 2: Nghiên cứu quy trình đo kiểm bồn chứa sử dụng robot mang đầu dò siêu âm PA

- Nghiên cứu đề xuất kết cấu và yêu cầu kỹ thuật của robot

- Đề xuất phương án thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot mang đầu dò siêu âm PA

- Kiểm nghiệm độ tin cậy của robot

- Đề xuất quy trình đo kiểm tra mòn bồn chứa ứng dụng kỹ thuật siêu âm (PAUT) sử dụng robot mang đầu dò siêu âm PA

 Nội dung 3: Nghiên cứu mô hình toán tìm quãng đường di chuyển ngắn nhất

- Nghiên cứu, phân tích các phương án di chuyển phù hợp với điều kiện của robot đã được chế tạo

- Xây dựng mô hình bài toán tìm thời gian ngắn nhất cho một chu kỳ quét

30 thu thập hình ảnh mòn

- Ứng dụng thuật toán PSO để xác định quang đường di chuyển cho một chu kỳ quét là ngắn nhất (thời gian ngắn nhất) trong phần mềm Matlab

- Phân tích, đề xuất phương án đo kiểm phù hợp

 Nội dung 4: Nghiên cứu xây dựng thuật toán ghép ảnh, lập bản đồ mòn

- Nghiên cứu, xây dựng thuật toán ghép ảnh, lập bản đồ mòn từ dữ liệu C- Scan thu thập được bằng phương pháp siêu âm PA

- Nghiên cứu xây dựng thuật toán ghép ảnh, lập bản đồ mòn Phát triển phần mềm xây dựng bản đồ mòn ứng dụng phần mềm Matlab

 Nội dung 5: Thực nghiệm đo mòn và xây dựng bản đồ mòn

- Thiết kế và chế tạo mô hình một phần bồn chứa

- Thực nghiệm đo kiểm mòn trên mô hình bồn chứa

- Ghép ảnh tạo lập bản đồ mòn bằng phần mềm Matlab với dữ liệu hình ảnh đã thu thập trên mô hình bồn chứa.

Mục tiêu, phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu, đề xuất giải pháp xây dựng bản đồ mòn bồn chứa xăng dầu dung tích lớn sử dụng robot mang đầu dò siêu âm PA

- Nghiên cứu đề xuất các thông số kỹ thuật của robot mang đầu dò siêu âm

PA ứng dụng kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha (PAUT) cho kiểm tra đánh giá độ mòn bồn chứa xăng dầu

Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa lộ trình di chuyển của robot nhằm rút ngắn quãng đường di chuyển, từ đó giảm thiểu thời gian thu thập hình ảnh cho một diện tích quét nhất định.

Nghiên cứu phương án di chuyển tối ưu cho robot trong việc thu thập ảnh mòn nhằm rút ngắn quãng đường di chuyển và dễ dàng xác định các ảnh mòn kề liền nhau Điều này giúp quá trình ghép ảnh và hình thành bản đồ mòn trở nên thuận lợi hơn.

31 thuật toán được phát triển để xây dựng bản đồ mòn và đánh giá độ mòn của bồn chứa, đi kèm với các thông số cụ thể.

- Bồn chứa xăng dầu trụ đứng có đường kính không quá 30 m, chiều cao không quá 18 m, dung tích lớn từ 10,000 m 3 trở lên, vật liệu chế tạo bồn là thép

- Robot mang thiết bị siêu âm kiểm tra độ mòn bên trong của bồn tự chế tạo

Phương án đo kiểm và đánh giá độ mòn chí được áp dụng cho phần thân của bồn, trong khi phần mái và đáy bồn không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án này.

Chương trình ghép ảnh trên phần mềm Matlab giúp tạo ra bản đồ mòn từ dữ liệu ảnh mòn thu thập được trong quá trình kiểm tra siêu âm bồn chứa.

Với các mục tiêu trên, các đối tượng nghiên cứu của đề tài có thể được xác định bao gồm:

- Khuyết tật mòn bên trong trên thân bồn chứa xăng dầu dung tích lớn

- Ảnh mòn, bản đồ mòn

- Robot mang đầu dò siêu âm PA, thiết bị siêu âm PA.

Phương pháp nghiên cứu

1.6.1 Phương pháp thu thập thông tin

Thu thập tài liệu từ các bài báo khoa học, tạp chí, sách giáo trình và tài liệu chuyên ngành, cũng như nguồn từ internet trong và ngoài nước, là bước quan trọng trong nghiên cứu Quá trình này giúp tìm hiểu và phân tích các thông tin liên quan đến nội dung nghiên cứu, từ đó nâng cao chất lượng và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

Khảo sát, tìm hiểu các trang thiết bị, dụng cụ, cơ sở vật chất sẵn có để thực hiện thí nghiệm kiểm chứng

1.6.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết bao gồm:

- Nghiên cứu các loại bồn chứa

- Nghiên cứu các khuyết tật mòn thường gặp trên bồn chứa

- Nghiên cứu các dạng robot có thể di chuyển trên bề mặt kim loại

- Nghiên cứu bài toán tối ưu xác định quãng đường di chuyển của robot

- Nghiên cứu thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO để xác định phương án đo kiểm

Nghiên cứu các phương pháp kiểm tra và đánh giá độ mòn cho bồn chứa xăng dầu có dung tích lớn, đặc biệt chú trọng đến ứng dụng của phương pháp siêu âm, là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc quản lý và bảo trì các bồn chứa này Phương pháp siêu âm không chỉ giúp phát hiện sớm các dấu hiệu của sự ăn mòn mà còn cung cấp thông tin chính xác về tình trạng của bồn chứa, từ đó hỗ trợ trong việc đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

- Nghiên cứu thông số kỹ thuật và tính năng của máy siêu âm OmniScan

- Nghiên cứu thuật toán ghép ảnh tạo lập bản đồ mòn trên phần mềm Matlab

1.6.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Xây dựng mô hình bồn chứa và chế tạo robot để thực nghiệm đánh giá phương án đo mòn hợp lý Đồng thời, phát triển thuật toán ghép ảnh nhằm tạo lập bản đồ mòn, cho phép đánh giá độ mòn tại bất kỳ vị trí nào trên thân bồn chứa.

Thực hiện tiến hành thực nghiệm một cách chủ động để có thể kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết:

- Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm: mô hình bồn chứa, robot mang đầu dò siêu âm PA, phần mềm xây dựng bản đồ mòn chuyên dụng

Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của nhóm Nghiên cứu trọng điểm Kỹ thuật Cơ khí và Môi trường (REME LAB), thuộc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

1.6.4 Phương pháp thu thập dữ liệu

1.6.4.1 Thu thập dữ liệu theo 1 trục Đây là cách thức thu thập dữ liệu khi thiết bị di chuyển theo 1 trục xác định (OX hoặc OY) [9] được mô tả ở hình 1.30 Khi di chuyển theo 1 trục ta sẽ có được dữ liệu vị trí và dữ liệu hình ảnh phục vụ chẩn đoán khuyết tật tương ứng với vị trí

Dữ liệu vị trí được cung cấp bởi một encoder kết nối với bánh xe, trong khi dữ liệu hình ảnh sẽ được tạo ra thông qua phương thức C-Scan, với đầu dò chỉ di chuyển theo một trục.

Hình 1.30: Sơ đồ nguyên lý thu thập dữ liệu từ 1 trục [9]

Hình 1.31: Dữ liệu thu thập từ 1 trục [9]

1.6.4.2 Thu thập dữ liệu theo 2 trục

Việc thu thập dữ liệu theo hai trục X và Y cho phép thu thập liên tục dữ liệu vị trí và hình ảnh mà không bị gián đoạn Hai encoder được gắn trên các bánh xe riêng biệt giúp xác định vị trí theo phương X và Y Thiết bị tự động thu thập dữ liệu hình ảnh tương ứng với tọa độ (X, Y) thông qua phương thức C-Scan.

Hình 1.32: Sơ đồ nguyên lý quét dữ liệu 2 trục (Raster scan) [2], [10]

Hình 1.33: Dữ liệu thu thập từ 2 trục [2],[10]

1.6.5 Phân tích hình ảnh độ mòn thu thập

Phân tích dữ liệu bản đồ ăn mòn được thực hiện thông qua thao tác bảng màu trên vị trí C-Scan nhằm tối đa hóa độ tương phản để hiển thị các khu vực ăn mòn Đồng thời, việc phân tích điểm dữ liệu riêng lẻ trên A-Scan và S-scan giúp đánh giá sự bất thường, đặc tính ăn mòn và loại bỏ các giá trị đọc nghi ngờ Ngoài ra, quá trình phân tích cũng bao gồm việc điều chỉnh vị trí cổng và logic cổng để đảm bảo đọc chiều dày chính xác (T A/, T B/-A/…).

[8] Hình 1.34 mô tả màu sắc trong ảnh thể chiều dày ăn mòn trong C-Scan

Hình 1.34: Màu trong kiểm tra siêu âm PA C-Scan ăn mòn [8]

1.6.5.1 Phạm vi chiều dày C-Scan

Dữ liệu được thu thập từ bảng màu của vị trí C-Scan được điều chỉnh theo tỷ lệ trên toàn bộ chiều dày và sau đó được phân tích để phù hợp với tình trạng ăn mòn Hình 1.35 minh họa chi tiết quy trình kiểm tra với chiều dày 20 mm.

35 và việc thu thập ban đầu được thực hiện với bảng màu được chia tỉ lệ trong phạm vi từ 2 – 20 mm

Hình 1.35: Tỷ lệ bảng màu và chiều dày [8]

Trong hệ OmniScan MX2, phạm vi chiều dày được nhập trong các mục [Gates], [Thickness], [Min và Max] Giá trị này được cấu hình nhằm giới hạn việc đọc chiều dày cho Tmin và TminZ, giúp phát hiện các bất thường gần bề mặt một cách hiệu quả.

1.6.5.2 Bảng màu C-Scan Để xác định được chiều dày vật cần đo và tham chiếu thang đo được mô tả ở hình 1.36 cho thấy độ dày thường được mặc định có cùng giá trị nhưng có chức năng khác nhau và là cấu hình độc lập Trước khi thay đổi dãy chiều dày [Min và Max.], màu của C-Scan chỉ ra phạm vi đọc chiều dày gần đúng được chứa trong vùng màu xanh dương của bảng màu

Hình 1.36: So sánh màu và thang đo chiều dày [8]

Khi tăng giá trị [Min và Max], nếu xuất hiện một hoặc nhiều điểm ảnh màu đỏ trong C-Scan, điều này cho thấy khu vực bị ăn mòn nghiêm trọng nhất Như hình 1.37 minh họa, điểm ảnh màu đỏ xuất hiện ở độ dày 13.12 mm, xác định giá trị đọc mỏng nhất trong C-Scan.

Để xác định chiều dày còn lại nhỏ nhất và lớn nhất, cần định vị các con trỏ dữ liệu trên điểm đỏ nhằm hiển thị khẩu độ đầu dò trong S-Scan và A-Scan riêng lẻ Việc trực quan hóa A-Scan là cần thiết để đảm bảo rằng kết quả đọc là hợp lệ, không bị ảnh hưởng bởi giao diện ở mức 0 mm can thiệp vào cổng Gate hoặc các bất thường khác Nếu cần thiết, hãy định vị lại cổng Gate để cập nhật C-Scan, vì độ ăn mòn thường được báo cáo là điểm dữ liệu mỏng nhất.

Để xác định các giá trị độ mòn (corrosion), người dùng có thể tham khảo hình 1.39 và các danh sách cấu hình mặc định trong ứng dụng hoặc chọn riêng lẻ trong mục [Measurement], [Readings] Có tổng cộng 8 giá trị đọc được hiển thị trong hai nhóm, có thể kích hoạt bằng cách chạm vào màn hình trong khu vực người dùng Các giá trị này liên quan đến bản đồ ăn mòn và sẽ được hiển thị trong bảng chỉ thị và báo cáo.

Hình 1.39: Bảng các giá trị độ mòn trong thiết bị MX2 [8]

Giá trị tổn thất vật liệu (ML) được xác định bằng cách hiển thị mức độ tổn thất tại điểm dữ liệu hiện tại theo phần trăm so với chiều dày được nhập trong [Group\Part] → [Part] → [Thickness] Ví dụ, Hình 1.40 cho thấy chiều dày còn lại ở điểm hiện tại là 3.70 mm, với tổn thất (độ mòn) đạt 58.9% so với chiều dày ban đầu là 9 mm.

Quy trình thực nghiệm đo kiểm tra độ mòn bồn chứa

Đề xuất thông số kỹ thuật thiết kế, chế tạo robot mang đầu dò siêu âm

Để thực hiện việc đo kiểm và đánh giá độ mòn của bồn chứa dung tích lớn làm bằng thép, đầu dò siêu âm và thiết bị tự hành (robot) cần đáp ứng một số yêu cầu nhất định.

Robot di chuyển bằng 4 bánh xe nam châm từ, có khả năng di chuyển trên mặt phẳng XY Nó có thể tự hành tiến, lùi, và rẽ phải, trái thông qua điều khiển tay hoặc lập trình trước.

- Robot bám dính vào thành bồn bằng nam châm vĩnh cửu, mang được tải trọng robot và các phụ kiện kèm theo khoảng 20 kg

- Tốc độ của robot có thể đạt đến 100 mm/s, hoạt động ổn định ở tốc độ 25 -

50 mm/s (tốc độ khi thực hiện đo kiểm bằng siêu âm PA)

- Robot có khả năng di chuyển linh hoạt trên bề mặt thành bồn và dễ dàng vượt qua đường hàn hoặc các chỗ lồi, lõm

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của robot

Robot di chuyển nhờ vào 4 bánh xe nam châm từ, giúp bám dính vào bề mặt thành bồn chứa thép Các bánh xe này cho phép robot di chuyển trên mặt phẳng thẳng đứng, được điều khiển bởi 4 động cơ gắn với bánh xe Đầu dò siêu âm được lắp vào cơ cấu nâng hạ, giúp vượt qua các đường hàn gồ ghề Toàn bộ cơ cấu mang đầu dò được lắp ở phía trước robot và thực hiện theo các chuyển động của robot.

2.1.3 Mô hình thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot

Qua khảo sát các robot trang bị đầu dò siêu âm PA hiện có trên thị trường, như robot Scorpion B-Scan và Rinaldi Mechatronic Systems, bài viết đề xuất mô hình thiết kế và chế tạo robot mang đầu dò siêu âm PA, được minh họa trong hình 2.1.

43 a) Mô hình thiết kế robot b) Robot đã hoàn thiện

Hình 2.1: Robot mang đầu do siêu âm PA [33]

2.1.4 Cơ sở, giải pháp định vị đầu dò siêu âm PA

Để đảm bảo định vị chính xác cho robot trong quá trình di chuyển và xác định sai số, có thể sử dụng cảm biến đo khoảng cách nhằm cải thiện độ chính xác vị trí của robot.

Cảm biến siêu âm Ultrasonic HY-SRF05 là một giải pháp hiệu quả để đo khoảng cách từ vật thể đến cảm biến nhờ vào sóng siêu âm, với thời gian phản hồi nhanh và độ chính xác cao Trong thí nghiệm trên mô hình bồn chứa nhỏ, việc sử dụng cảm biến này giúp xác định tọa độ vị trí của robot Để đánh giá độ tin cậy của robot, chúng ta áp dụng hai phương pháp đo theo chiều đứng và ngang, với thước chuẩn được đặt theo phương x, y như mô tả trong hình 2.2.

Thước chuẩn theo phương y x2 x1 d/2 d d: độ lệch của robot

Hình 2.3: Mô tả độ lệch của robot theo hai phương x, y

Hình 2.3 thể hiện giá trị tọa độ x1 và x2 mà cảm biến siêu âm sử dụng để xác định vị trí của robot trong quá trình di chuyển Độ lệch d cho biết sự sai lệch của robot so với phương thẳng đứng Trong quá trình này, robot có thể gặp hai trường hợp khác nhau khi bị lệch.

- Trường hợp 1: x2 > x1 thì robot lệch bên trái, so sánh các giá trị về tọa độ x ta được x1 < x và x 2 > x, dựa theo hình 2.3: ta có x 2 – x 1 = d

Giảm dần số xung của bánh xe bên phải trên động cơ giúp điều chỉnh quá trình di chuyển của robot Để robot duy trì trạng thái cân bằng, cần đảm bảo điều kiện tọa độ x2 – x = d/2.

- Trường hợp 2: x1 > x 2 thì robot lệch bên phải, so sánh các giá trị về tọa độ x ta được x1 > x và x2 < x, dựa theo hình 2.3: ta có x1 – x2 = d

Giảm dần số xung bánh xe bên trái của động cơ giúp điều chỉnh quá trình di chuyển của robot, đảm bảo robot đạt trạng thái cân bằng với điều kiện tọa độ x1 – x = d/2 Điều này cho phép robot tự động hiệu chỉnh độ lệch vị trí so với vị trí thiết lập ban đầu Để thực hiện điều này, cần định vị thước chuẩn bằng Laser và lắp đặt thước chuẩn một cách chính xác.

Hình 2.4: Định vị và lắp đặt thước chuẩn theo hai phương x, y

Hình 2.4 minh họa quy trình lắp đặt thước chuẩn, bao gồm việc xác định diện tích quét, cân chỉnh độ vuông góc và xác định cao độ bằng thước chuẩn laser Quy trình này là cơ sở để định vị đầu dò siêu âm và lắp đặt thước chuẩn theo sơ đồ trong hình 2.1.

46 a) Cài đặt các thông số robot b) Robot di chuyển trên bồn chứa

Hình 2.5: Định vị robot bằng cảm biến siêu âm SRF05

Hình 2.5 trình bày việc sử dụng 4 cảm biến siêu âm SRF05, trong đó 2 cảm biến được lắp đặt ở phía trước và 2 ở phía sau, nhằm đo và so sánh các giá trị khoảng cách tọa độ x, y Quá trình này cho phép xác định độ sai lệch vị trí, từ đó hiệu chỉnh tốc độ các bánh xe để đảm bảo robot di chuyển ổn định và chính xác, đồng thời định vị được các vị trí của robot trên mô hình bồn chứa.

2.1.5 Kiểm nghiệm độ tin cậy robot

2.1.5.1 Robot di chuyển theo phương thẳng đứng a) Mục đích

- Đánh giá độ chính xác khả năng di chuyển (quỹ đạo di chuyển thẳng) theo phương đứng của robot

Để xác định độ lệch giữa điểm đầu và điểm cuối sau quá trình di chuyển thẳng đứng của robot, tiến trình thí nghiệm đã được thực hiện nhằm kiểm nghiệm độ tin cậy và độ chính xác Các thực nghiệm này được mô tả chi tiết trong hình 2.6.

- Cho robot di chuyển theo phương thẳng đứng từ dưới lên trên với quãng đường di chuyển s = 1000 mm (di chuyển từ điểm A đến điểm B)

- Tốc độ di chuyển trung bình được thiết lập cho robot là v tb = 35 (mm/s), với thời gian dự kiến là t s = s/v tb = 1000 / 35 = 28.571 (s)

- Thực nghiệm được tiến hành 3 lần với số lần lặp là 3 c) Thiết bị thí nghiệm

Các thiết bị sử dụng để tiến hành thí nghiệm bao gồm:

- Robot mang đầu dò siêu âm PA

- Thiết bị siêu âm tổ hợp pha Olympus MX2 và các phụ kiện kèm theo

Sơ đồ quãng đường di chuyển từ điểm A đến B theo phương thẳng đứng được mô tả và thực nghiệm mô hình bồn chứa được trình bày ở hình 2.6

(0,0) a) Quãng đường di chuyển b) Điểm đầu c) Điểm cuối

Hình 2.6: Sơ đồ quãng đường di chuyển của robot theo phương đứng d) Kết quả thí nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm khi robot di chuyển theo phương đứng được trình bày ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Dữ liệu hoạt động của robot khi di chuyển theo phương đứng

Vận tốc trung bình v tb (mm/s)

Thời gian di chuyển t s (s) STT Lặp

Dựa trên kết quả từ bảng 2.1, chúng ta có thể xây dựng đồ thị so sánh độ sai lệch chuẩn của thời gian di chuyển của robot qua ba lần lặp Khoảng tin cậy 95% Δϭ được xác định bằng 1.96 lần độ sai lệch chuẩn ϭ.

T hờ i g ia n di c hu yể n th eo ph ươ ng đ ứn g t( s) t s  

Hình 2.7: Thời gian quét theo phương đứng qua 9 lần thí nghiệm

Dựa vào bảng dữ liệu bảng 2.1 và hình 2.7 ta có thể nhận xét như sau:

Thời gian di chuyển theo phương thẳng đứng trong 9 lần thực nghiệm được hiển thị trong hình 2.7, đều nằm trong giới hạn 95% khoảng tin cậy, với giá trị trung bình là ̅ Cụ thể, thời gian di chuyển theo phương đứng (ts) nằm trong khoảng từ 28.50 đến 28.66.

Sai lệch theo phương đứng của quãng đường trung bình là 1000.39 mm, với quãng đường ngắn nhất là 999.57 mm, cho thấy sai lệch so với quãng đường chuẩn là 0.43 mm Sai lệch này khá nhỏ và không ảnh hưởng đến việc nhận dạng biên ảnh, do đó có thể bỏ qua.

Lập sơ đồ trải phân mảnh và xác định diện tích quét trên bồn chứa

Khi robot di chuyển để quét và thu thập dữ liệu trên thân bồn chứa, các vật cản như mặt bích, cầu thang bộ và các tấm hàn cao sẽ cản trở hoạt động của nó Do đó, những khu vực này không thể được kiểm tra siêu âm bằng robot mà phải thực hiện kiểm tra bằng tay thông qua việc phân mảnh Phân mảnh giúp tách biệt các khu vực có vật cản và mã hoá các khu vực của bồn chứa, từ đó hỗ trợ việc ghép các bản đồ mòn thành phần thành bản đồ mòn tổng thể.

Việc mã hóa các khu vực không chỉ giúp xác định tọa độ thành phần của diện tích mà còn hỗ trợ định vị chính xác vị trí của robot khi thực hiện quét và thu thập dữ liệu trên thân bồn chứa.

Hình 2.12: Phân mảnh (chia lưới) các diện tích trên bồn chứa

Hình 2.13 minh họa việc đánh số hiệu để phân chia bồn thành các khu vực, giúp lập kế hoạch siêu âm bằng robot và thủ công Việc mã hóa các khu vực này cho phép xác định tên và tạo cơ sở ghép các bản đồ mòn thành phần, từ đó xây dựng bản đồ mòn tổng thể Các khu vực được chỉ định cho siêu âm bằng robot sau khi chia lưới sẽ có diện tích đồng nhất Đồng thời, các khu vực siêu âm thủ công như mặt bích, ống dẫn và cầu thang lên nắp bồn cũng được phân chia sao cho diện tích tương đương với khu vực siêu âm bằng robot nếu có thể.

Hình 2.13: Sơ đồ trải phân mảnh thân bồn chứa

Để thuận tiện cho việc thực nghiệm và ghép bản đồ mòn tổng thể, hình 2.13 mã hóa vị trí các diện tích đã phân mảnh trên sơ đồ trải Các vị trí mảnh được xác định theo trục tọa độ x, y với mã hóa S (iii, jjj).

- Các mảnh được mã hóa theo trục x có giá trị i = 1 ÷ m

- Các mảnh được mã hóa theo trục y có giá trị j = 1 ÷ n

Các khu vực có chứa ống chờ, mặt bích, cầu thang và đường ống sẽ được mã hóa bằng ký hiệu S (iii, jjj) và được thực hiện quét thủ công để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình kiểm tra.

Công việc thực nghiệm đo kiểm tra độ mòn trên bồn chứa xăng dầu cần chế tạo một phần thân bồn được mô tả như hình 2.14

1000 2000 3000 a) Mô tả mô hình một phần bồn chứa b) Kích thước mô hình bồn chứa

Để xác định vị trí và diện tích khu vực quét trên bồn chứa, cần xác định 4 điểm góc vuông Việc sử dụng nhiều máy đo laser giúp xác định các điểm này, từ đó tạo ra tọa độ cho khu vực quét và làm điểm chuẩn cho việc điều khiển và hiệu chỉnh vị trí của robot Robot sẽ được trang bị cảm biến đo khoảng cách để xác định khoảng cách khi di chuyển, như mô tả trong hình 2.15.

Máy Laser 1 đo khoảng cách Máy Laser 2 đo khoảng cách

Hình 2.15: Xác định vị trí một khu vực (diện tích) quét cụ thể

Phạm vi đo 0.05 – 100 m Độ chính xác đo lường ± 1.5 mm Tia laser 635 nm

Nguồn cấp điện pin ion lithium gắn trong 3.7V / 1.25Ah Trọng lượng, xấp xỉ 0.14 kg

Hình 2.16: Thông số kỹ thuật máy đo khoảng cách Bosch GLM 100C

Từ vị trí đáy bồn chứa ta có thể xác định các điểm tham chiếu 0, 1, 2, 3, 4, 5,

Các điểm 6, 7, 8 được sử dụng để tính toán và xác định vị trí khu vực của các mảnh quét trên bồn chứa Để thực hiện điều này, cần sử dụng cảm biến đo khoảng cách GLM100C và máy đo tia vuông góc (laser level) để xác định các giá trị L1, H1, H2 Việc chia lưới và xác định vị trí diện tích các mảnh cần quét trên bồn chứa là bước quan trọng trong quá trình này.

Hình 2.17: Xác định vị trí và định vị diện tích quét trên mô hình bồn chứa

Việc lắp ghép dữ liệu từ các khu vực của thân bồn chứa đã được phân mảnh nhằm tạo ra một bản đồ mòn tổng thể, tương tự như cách lập bản đồ mòn cho từng khu vực cụ thể Qua việc sử dụng các số hiệu thu được trong quá trình mã hoá bồn, chúng ta có thể xác định thứ tự ghép các bản đồ mòn khu vực, từ đó xây dựng bản đồ mòn tổng thể một cách hiệu quả.

Định vị robot trên bồn chứa

Robot tự động quét các mảnh diện tích mã hóa trên bồn chứa bằng camera Phase One IXU-RS160 Trên robot, các marker màu xanh và đỏ được dán trên thân robot hoặc đầu dò siêu âm PA, giúp camera phát hiện vị trí A, B, C trên bồn chứa Qua đó, robot có thể xác định chính xác vị trí của mình.

60.5 MP resolution Input DC 12 - 30V Kết nối bằng USB 3.0 Kết nối trực tiếp với GPS

Hình 2.18: Thông số kỹ thuật của Camera Phase One IXU-RS160

Robot bắt đầu quét diện tích S1 từ vị trí A và sẽ trở về vị trí A sau khi hoàn thành quét, trước khi di chuyển đến diện tích tiếp theo, có thể là vị trí B của S2 hoặc vị trí C của S3 Thông qua camera, robot có thể được phát hiện tại các vị trí A, B, C, giúp nó tiếp tục quét các diện tích khác nhau trên bồn chứa.

Robot a) Camera quan sát robot b) Sơ đồ trải các vị trí A, B, C

Hình 2.19: Định vị robot trên bồn chứa bằng Camera

Để định vị chính xác robot tại các vị trí A, B, C, có thể sử dụng thuật toán điều khiển để viết chương trình xác định tự động vị trí x, y của robot bằng phần mềm Matlab hoặc C+ Tuy nhiên, luận án này chỉ tập trung vào việc đưa ra giải pháp định vị robot cho các khu vực cần quét, mà không đi sâu vào nghiên cứu thuật toán điều khiển.

Đề xuất quy trình đo mòn bằng phương pháp siêu âm PA

2.4.1 Mục tiêu và phạm vi ứng dụng

Quy trình này hướng dẫn kiểm tra độ mòn cho thân bồn chứa xăng dầu dung tích lớn bằng phương pháp siêu âm tổ hợp pha với thiết bị Olympus OmniScan MX2, áp dụng theo tiêu chuẩn API 650:2016.

Quy trình kiểm tra độ mòn bằng phương pháp siêu âm tổ hợp pha (PAUT) là bước quan trọng để xác định độ dày còn lại của thân bồn chứa xăng dầu Kỹ thuật PAUT hiện đang được áp dụng thông qua việc sử dụng robot mang đầu dò PA, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quá trình kiểm tra.

Khi kiểm tra độ mòn của bồn chứa xăng dầu dung tích lớn bằng kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha, các tiêu chuẩn liên quan đến bồn chứa và kỹ thuật siêu âm đã được nghiên cứu và áp dụng một cách hiệu quả.

– ASME Section V, article 4, Edition 2019 : “ASME Boiler & Pressure Vessel Code –Nondestructive Examination” [35]

Tiêu chuẩn ASME Section V cung cấp hướng dẫn chi tiết về quy trình đo kiểm cho các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT), bao gồm cả phương pháp kiểm tra siêu âm PA Tiêu chuẩn này cũng hướng dẫn cách thức đánh giá và phát hiện các khuyết tật bên ngoài và bên trong vật liệu.

– API 653, Edition 2014: “Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction” [12]

API 653, do Viện Dầu khí Hoa Kỳ phát triển và xuất bản, quy định việc kiểm tra, sửa chữa, thay đổi và tái chế các bồn chứa bằng thép trên mặt đất, phục vụ cho ngành dầu khí và các ngành công nghiệp hóa chất.

– ASTM E 2491, Edition 2008 – Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Testing Instruments and Systems [36]

Tiêu chuẩn này quy định các quy trình đánh giá đặc tính hoạt động của thiết bị và hệ thống kiểm tra siêu PA Mục đích của việc đánh giá là để so sánh các thiết bị và hệ thống, cũng như thực hiện kiểm tra định kỳ nhằm phát hiện những thay đổi lâu dài trong các đặc tính của thiết bị hoặc hệ thống Điều này giúp đánh giá các dấu hiệu của sự cố sắp xảy ra, và nếu phát hiện vượt quá giới hạn cho phép, sẽ cần thực hiện bảo trì và sửa chữa.

– ISO EN 9712 : Qualification and certification on NDT personnel [37]

Tiêu chuẩn quy định các yêu cầu về nguyên tắc đối với năng lực và chứng chỉ của kỹ thuật viên thực hiện kiểm tra không phá hủy (NDT) trong ngành công nghiệp Những yêu cầu này đảm bảo rằng kỹ thuật viên có đủ trình độ và kỹ năng cần thiết để thực hiện các phương pháp kiểm tra hiệu quả, từ đó nâng cao chất lượng và an toàn trong quy trình sản xuất Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của các sản phẩm và dịch vụ trong lĩnh vực công nghiệp.

– ASNT SNT-TC-1A, Edition 2016: “Recommended Practice No: SNT-TC- 1A”, Personnel qualification and certification in nondestructive testing [38]

Tiêu chuẩn SNT-TC-1A (2016) hướng dẫn người sử dụng lao động trong việc thiết lập các chương trình chứng nhận nội bộ cho nhân viên kiểm tra không phá hủy, nhằm đảm bảo trình độ và chứng nhận của đội ngũ kiểm tra đạt yêu cầu.

2.4.3 Trình độ kỹ thuật viên

Kỹ thuật viên thực hiện kiểm tra PAUT phải có đủ trình độ và được chứng nhận như sau:

Các chương trình đào tạo siêu âm được cấp chứng nhận bởi các trung tâm và tổ chức có giấy phép quốc gia hoặc quốc tế, như chứng nhận ASNT (ACCP) hoặc các chương trình theo tiêu chuẩn ISO 9712, có thể được chấp nhận để đáp ứng yêu cầu về đào tạo và kinh nghiệm.

Phương pháp PAUT chỉ được thực hiện bởi nhân viên có chứng chỉ PAUT cấp II trở lên Chỉ những người này mới có quyền xem xét và đánh giá dữ liệu cùng các báo cáo liên quan đến PAUT.

2.4.4 Thiết bị kiểm tra siêu âm tổ hợp pha

Thiết bị kiểm tra siêu âm tổ hợp pha Omni MX2 là loại xung dội, được trang bị bộ khuếch đại hoặc bộ kiểm soát mức suy giảm dB đã được hiệu chuẩn với mức tăng tối đa 2dB Hệ thống OmniScan có 16 hoặc 32 kênh thu/phát độc lập, cho phép tạo và hiển thị hình ảnh quét quạt, có khả năng lưu trữ và tái hiện để phân tích sau này.

Kỹ thuật viên sử dụng hình ảnh quét quạt thời gian thực trong suốt quá trình quét để đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác Hình ảnh này cung cấp thông tin về độ sâu phản xạ và biên độ tín hiệu chiếu cho góc khúc xạ của chùm tia siêu âm.

Hệ thống tổ hợp pha mang đến nhiều khả năng phân tích, bao gồm hiển thị A-scan và đọc thông số với các con trỏ phần mềm Hình ảnh từ máy quét quạt, cùng với hình ảnh xem đầu và cuối, hỗ trợ hiệu quả trong công tác đánh giá.

Hệ thống tổ hợp pha OmniScan được trang bị phần mềm tạo quy tắc trọng tâm on-board, cho phép người dùng chỉnh sửa trực tiếp các đặc tính của tia siêu âm Để hoạt động hiệu quả, hệ thống này cần một thiết bị lưu trữ bên ngoài, và máy tính cầm tay từ xa kết nối qua Ethernet có thể được sử dụng cho mục đích này.

Máy tính không chỉ lưu trữ dữ liệu mà còn được kỹ thuật viên sử dụng để phân tích dữ liệu sau khi thu thập Phần mềm phân tích dữ liệu tương tự như phần mềm trong hệ thống tổ hợp pha OmniScan MX2.

41] cũng sẽ được sử dụng trên máy tính từ xa để phát lại dữ liệu

Tham khảo sổ tay hướng dẫn vận hành của nhà sản xuất để hiểu rõ hơn về những đặc điểm vận hành của thiết bị [39]

Mô hình toán quãng đường di chuyển ngắn nhất

Nghiên cứu xây dựng bài toán ghép ảnh mòn

Nghiên cứu thực nghiệm đo kiểm và xây dựng bản đồ mòn