Nghiên cứu chế tạo hệ quét bức xạ (Gamma Scanner) ứng dụng trong kỹ thuật kiểm tra không phá hủy tại nhà máy lọc dầu

Bài viết Nghiên cứu chế tạo hệ quét bức xạ (Gamma Scanner) ứng dụng trong kỹ thuật kiểm tra không phá hủy tại nhà máy lọc dầu nghiên cứu chế tạo hệ quét bức xạ Gamma Scanner sử dụng để kiểm tra các bất thường trong đường ống, kiểm tra trạng thái đóng mở của van với độ nhạy cao, thiết bị có khả năng hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp, chi phí thấp.

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ QUÉT BỨC XẠ (GAMMA SCANNER) ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU Lê Thành Đạt, Bùi Ngọc Hà, Nguyễn Tùng Lâm Email: le.thn.dat@gmail.com;ha.buingoc@hust.edu.vn;tunglam20132208@gmail.com Đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt: Ngày nay, kỹ thuật hạt nhân ngày ứng dụng với phương pháp đo đạc đại sử dụng cơng nghiệp Q trình tương tác xạ với vật thể cần kiểm tra mang theo thông tin cấu trúc mật độ vật thể đó, cách ghi nhận chùm xạ truyền qua vật thể ta đánh giá tính chất vật lý vật cần kiểm tra với độ nhạy cao Một ưu điểm kỹ thuật khả đo đạc không tiếp xúc với vật thể nên trình kiểm tra tiến hành hệ thống hoạt động, điều thực hữu ích đối tượng kiểm tra tháp chưng cất, đường ống dẫn chất lỏng nhà máy hóa chất nhà máy lọc dầu Mục tiêu đề tài nghiên cứu chế tạo hệ quét xạ Gamma Scanner sử dụng để kiểm tra bất thường đường ống, kiểm tra trạng thái đóng mở van với độ nhạy cao, thiết bị có khả hoạt động tốt môi trường công nghiệp, chi phí thấp Sau kết thúc đề tài nhóm tác giả chế tạo thành công thiết bị Gamma Scanner sử dụng đầu dị nhấp nháy NaI(Tl), tồn phần điện tử khung khí chế tạo hồn toàn Việt Nam Hệ thiết bị trang bị kết nối khơng dây nhằm đảm bảo tính động làm việc trường, loại bỏ khả hỏng hóc gây cáp nối đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng Hệ thiết bị sử dụng để kiểm tra thực tế nhà máy lọc dầu Nghi Sơn với kết đánh giá cao Từ khóa: kỹ thuật quét gamma, gamma scan, kiểm tra mật độ, quét ống, tháp chưng cất I MỞ ĐẦU Kĩ thuật Chụp ảnh Bức xạ nói chung hay kĩ thuật “gamma scanning“ kĩ thuật ghi đo xạ gamma ứng dụng phổ biến rộng rãi việc kiểm định, kiểm tra không phá hủy công nghiệp (NDT) Với hệ quét xạ kĩ thuật, việc kết hợp để hệ thống phát huy tốt khả cơng việc đối mặt nhiều khó khăn hồn tồn khả thi, việc tìm hiểu ứng dụng công nghệ số áp dụng tốt kiến thức chuyên ngành để ngày hoàn thiện sản phẩm cung ứng cho nhu cầu Từ tiến hành nghiên cứu, chế tạo, phát triển thiết bị di động ứng dụng công nghệ số hóa gần nhằm đáp ứng, ứng dụng tiêu chuẩn Thiết bị quét xạ kĩ thuật “Gamma Scanner” ứng dụng công nghệ chụp ảnh xạ , trang bị tiêu chuẩn không dây với mục tiêu trở thành giải pháp tối ưu, đáp ứng cho yêu cầu khắt khe công nghiệp II NỘI DUNG Đối tượng Phương pháp nghiên cứu Các đối tượng ứng dụng kĩ thuật quét xạ mà nhóm tác giả hướng tới cấu trúc cơng nghiệp lọc hóa dầu bao gồm đường ống, đường van, tháp chưng cất, cấu kiện cấu tạo từ vật liệu kim loại Ảnh hưởng thay đổi tính chất vật lý q trình vận hành gây phá hủy cấu trúc vật lý rạn nứt, ăn mịn, vỡ,… phát thông qua đánh giá kết thay đổi bề dày vật liệu hay kiểm tra chu kì, dự đốn tuổi thọ cấu trúc dựa đánh giá mật độ vật liệu a Cơ sở lý thuyết Kĩ thuật quét xạ (gamma scanning) dựa tính chất truyền qua vật liệu xạ gamma[1] phụ thuộc vào bề dày, mật độ khối loại vật liệu chiếu chùm xạ gamma song song Tương tác chùm tia gamma với vật liệu xuất nhiều hiệu ứng phức tạp tán xạ Compton, hấp thụ quang điện, tạo cặp,… Tuy để giảm độ phức tạp vật lý, trọng tâm sở lý thuyết đề tài đề cập tới tỉ số cường độ chùm tia gamma truyền qua so với cường độ chùm tia gamma ban đầu, thông qua đánh giá thơng số bề dày mật độ khối cấu kiện (1) Với : : Cường độ chùm tia gamma xuyên qua vật liệu : Cường độ chùm tia gamma ban đầu : Hệ số hấp thụ tuyến tính tia gamma qua vật liệu ( 𝝆 : Mật độ khối vật liệu : Bề dày vật liệu ( b Cấu hình – thiết đặt khối đầu dò xạ Dựa sở lý thuyết, cấu hình ghi đo thiết lập sau: Nguồn phóng xạ phải đặt hướng vào bề mặt cấu kiện, cho chuẩn trực nguồn phóng xạ - cấu kiện – đầu dò đảm bảo Nguồn phóng xạ đầu dị che chắn cho đầu dị thu nhận tối đa chùm xạ tới ảnh hưởng hiệu ứng tán xạ không mong muốn tối thiểu Khối đầu dị với nguồn phóng xạ di chuyển song song vận tốc dọc theo mặt cắt cấu kiện cố định với mục tiêu ghi đo thay đổi dọc theo mặt cắt cấu kiện[2] Hình 1: Tương quan vị trí nguồn phóng xạ (vàng), vật thể ống – van, đầu dị (xanh) Với thơng số, tính chất đầu dị nhấp nháy NaI(Tl)[3], sơ đồ khối tương tự kèm đầu dò thiết kế nhằm đảm bảo đáp ứng hoạt động thu nhận, xử lý tín hiệu Hình 2: Sơ đồ khối lý thuyết Với sơ đồ trên, toàn khối xử lý cung cấp nguồn pin 5V, khối nguồn cao áp đầu dị, khối xử lý tín hiệu Toàn khối che chắn cho ảnh hưởng tán xạ nhiễu điện từ tới khối xử lý tín hiệu tối thiểu, cho xạ tới ghi nhận đầu dò qua khoảng không gian cửa sổ giới hạn nhằm đảm bảo xạ tới chùm song song Khối đầu dò ghi nhận tín hiệu đưa tới khối xử lý tín hiệu bao gồm mạch tiền khuếch xử lý, khuếch đại tín hiệu để xử lý khối vi điều khiển Lúc khối vi điều khiển có nhiệm vụ đếm thống kê, truyền liệu lên khối truyền phát khơng dây Hình 3: Sơ đồ khối xử lý, truyền phát tín hiệu (vùng xám) Khối tiền khuếch đại xây dựng dựa lý thuyết sở dạng Tiền khuyếch đại nhạy điện tích, có nhiệm vụ phối hợp trở kháng với đầu dị, nâng cao tỉ số tín hiệu tạp âm tích phân tín hiệu điện tích biến đổi chúng thành xung điện lối tỉ lệ với tín hiệu điện tích lối vào mà khơng phụ thuộc vào điện dung ký sinh detector Hình 4: Sơ đồ tiền khuếch đại nhạy điện tích tạo thành mạch vi phân: cho phép tín hiệu hoạt động từ tần số cắt trở đi, tín hiệu tần số thấp loại bỏ (2) tạo thành mạch tích phân : cho phép tín hiệu hoạt động từ -> tần số cắt, tín hiệu tần số cao loại bỏ (3) Để loại bỏ nhiễu tần số cao nhiễu tần số thấp khỏi tín hiệu, cần lựa chọn điện trở tụ điện cho: Biên độ tín hiệu (4) Đi kèm với khối tiền khuếch đại nhạy điện tích mạch chuẩn biên độ với mục đích tạo xung vng chuẩn 5V từ tín hiệu mạch khuếch đại cho đếm Hình 5: Dạng tín hiệu từ Tiền khuếch đại (trái) thơng qua xử lý mạch chuẩn biên độ (giữa) tạo thành tín hiệu chuẩn biên độ 5V (phải) c Khối xử lý, truyền dẫn hiển thị Tín hiệu tương tự sau xử lý làm rộng đỉnh xung đưa tới vi điều khiển Tín hiệu lúc số hóa, thống kê dựa đếm Timer/Counter Timer/Counter module độc lập với CPU (Central Processing Unit) Chức Timer/Counter, tên gọi chúng, định thời (tạo khoảng thời gian, đếm xác thời gian…) đếm kiện Các Timer/Counter chia theo độ rộng ghi chứa giá trị định thời hay giá trị đếm chúng, cụ thể chip ATmega 328P [1] sử dụng làm vi điều khiển có trang bị 01 Timer/Counter1 16 bit Hình 6: Sơ đồ chế hoạt động đếm vi điều khiển Với ưu điểm tối giản hóa đảm bảo trình truyền phát khơng bị tín hiệu ảnh hưởng đứt - nứt dây dẫn dây dẫn kết nối, chế truyền phát không dây Bluetooth [3] khối đầu dị phần hiển thị ln đảm bảo số đếm thống kê lúc gửi tới thiết bị hiển thị - lưu trữ thông qua giao tiếp “nối tiếp không đồng bộ” UART (Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter), thiết bị hiển thị - lưu trữ lúc nơi thể liệu dạng đồ thị 2D khái quát, biểu diễn mối tương quan số đếm – thời gian Thông tin thời gian quy đổi thơng tin vị trí tương quan mẫu vật thơng qua q trình chuyển động khối đầu dị theo cấu hình đo mẫu vật Tuy nhiên ảnh hưởng chế truyền phát không dây Bluetooth ghi TIMSK1 phải khoảng thời gian lần gửi tín hiệu nên gọi khoảng thời gian “chết” đếm Để đảm bảo ảnh hưởng thời gian “chết” đếm tối thiểu viết có tính chất ứng dụng khơng sâu vào phân tích chế kết nối Bluetooth nên vi điều khiển lập trình đặt mặc định khoảng thời gian đếm 100 mili-giây lần đọc giá trị ghi TIMSK1 Sau số đếm thống kê gửi đi, thiết bị thu tín hiệu tiến hành đồng lưu trữ số đếm, đồng thời hiển thị trực quan dạng đồ thị 2D thể mối quan hệ vị trí (hồnh độ) với số đếm (tung độ) Tuy nhiên với chu kì 100 mili-giây thiết lập mặc định khối phát với số trường hợp mẫu vật dày, không đủ lượng số đếm cần thiết vị trí cần thiết đảm bảo độ lệch chuẩn phép đo Dựa xác định quy luật thống kê Poisson: (6) ̅ ∑ ̅ Với ̅ √ ̅ (7) : độ lệch chuẩn ̅ : Số đếm trung bình điểm đo k : số điểm đo mẫu vật Xác định ̅ dựa yêu cầu số điểm đo để ước chừng Chu kì thống kê Với chu kì gửi tín hiệu Khối đếm truyền Bluetooth số đếm điểm đo mẫu ghi với thời gian theo bội số 100 mili-giây Hình 7: Sơ đồ chế thu tín hiệu khơng dây xử lý số hóa thiết bị cuối Kết Từ phương pháp nghiên cứu tiến hành khảo sát, tính tốn, chế tạo, liên kết thành phần thiết bị Gamma Scanner Đầu tiên dựa mục tiêu chi phí yêu cầu tối ưu kích thước, chúng tơi lựa chọn loại đầu dị tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 2x2 inch với mục tiêu ghi nhận cường độ xạ đẳng hướng chiếu từ nguồn phát rã gamma Mặc dù để gia tăng hiệu ghi đo gia tăng kích thước tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) gia tăng tỉ số tán xạ Compton tổng yếu tố cần loại bỏ để đáp ứng mức độ vật lý cần thiết Nên với kích thước 2x2 inch tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) lựa chọn phù hợp cân đối chi phí đáp ứng ghi đo Đối với khối đầu dò lựa chọn đầu dò nhấp nháy Canberra Model 802 hãng Canberra sản xuất, thơng số kích thước khối tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) 2x2 inch, cửa sổ nhôm dày 0.5mm, kèm khối ống nhân quang cấp cao áp hoạt động 1100V, bọc lớp kim loại Mu (hợp kim Niken sắt) có tác dụng chống hiệu ứng nhiễu từ.Tiến hành chế tạo mạch tiền khuếch đại thực tế khảo sát: Hình 8: Tín hiệu lối sau ống nhân quang (trái) tín hiệu lối mạch tiền khuếch đại (phải) Tín hiệu từ anode ống nhân quang (cao áp 1100V) xung nhọn âm, biên độ 72mV, = 10.7mV, độ rộng xung 2.5µS, xung nhọn có bướu dương 10mV với độ rộng bướu dương 7µS Tỉ số tín hiệu tạp âm là: (8) S/N = 20 = 20 = 16.5 dB Xung từ tầng khuếch đại nhạy điện tích có biên độ 1.1 V, = 118.4mV, độ rộng xung 8µS, bướu âm biên độ 100mV, độ rộng bướu âm 4µS Tỉ số tín hiệu tạp âm: (9) S/N = 20 = 20 = 19.36 dB Độ rộng bướu âm giảm đáng kể tỉ số tín hiệu tạp âm tăng lên so với tín hiệu từ dinode, chứng tỏ mạch khuếch đại nhạy điện tích việc hiệu quả, khử nhiễu tốt Thông số đáp ứng kĩ thuật Khối xử lý tín hiệu có tốc độ đếm cực đại 5MHz, trở kháng lối vào , nguồn ni ± 5V, tín hiệu đầu xung vuông biên độ 5V, công suất tiêu thụ 100mW Tiến hành chế tạo khối vi điều khiển – truyền phát không dây đáp ứng tần số xung vuông cực đại 5MHz, nguồn nuôi 5V, công suất tiêu thụ 50mW sử dụng tiêu chuẩn không dây Bluetooth 2.0, sai số đếm khoảng 0.2%, khoảng cách đáp ứng 15m Tồn khối đầu dị, khối xử lý tín hiệu thiết kế đặt gọn khối hộp trụ Dựa số liệu kích thước ống danh định, thiết kế hệ khung với kích thước đáp ứng tối đa lên tới 800x800mm, hệ khung đảm bảo chịu lực, chống ăn mịn Hình 9: Sản phầm hồn thiện hệ Gamma Scanner (trái) thông số sản phẩm (phải) Thiết bị cầm tay “Gamma Scanner Handheld” xây dựng với kích thước nhỏ gọn (178x110 mm), lập trình vi điều khiển STM32F103C8T với module hình cảm ứng 3.2 inch, module thẻ nhớ, module thời gian thực, module Bluetooth Mục tiêu phục vụ công tác ghi đo cách linh động, dễ dàng thao tác di chuyển, kích thước nhỏ gọn, hoạt động thời gian dài (> tiếng) hỗ trợ đắc lực cho công tác đánh giá trực tuyến Phần mềm “Gamma Scanner RealTime” ứng dụng lập trình công cụ NI LabVIEW cài đặt môi trường hệ điều hành (phần mềm hỗ trợ đa tảng Microsoft Windows, Mac OSX, GNU/Linux) Phần mềm hỗ trợ lưu trữ ghi trích xuất ghi sang định dạng PNG nhằm đính kèm, lưu trữ sử dụng liệu trích xuất báo cáo Hình 10: Thông số thiết bị Gamma Scanner Handheld (trái) & mô tả khối(giữa): 1vỏ mặt sau; 2- vỏ mặt trước; 3- nút bấm; 4- hình cảm ứng; – nắp pin & Giao diện hình thiết bị cầm tay Gamma Scanner Handheld Hình 11: Phần mềm Gamma Scanner RealTime hệ điều hành Windows SP1 Bàn luận Quá trình đo đạc trường kết kiểm tra thể hình 11 Dựa yêu cầu kiểm tra trạng thái cấu van khóa trạng thái khóa, nhân viên vận hành tiến hành đặt thiết bị vào vị trí thân van, sau tiến hành mở khóa van đóng khóa van lại theo tốc độ vặn khóa van Dữ liệu sau ghi lại trực tiếp phần mềm Gamma Scanner cho kết sau: Hình 1: Hình ảnh hệ Gamma Scanner thiết lập cấu hình đo (trái) kết kiểm tra (phải) mẫu vật van Từ kết thu được[4], nhận thấy hệ quét xạ kĩ thuật Gamma Scanner hoạt động hiệu đáp ứng yêu cầu mà nhóm nghiên cứu đề Thiết bị bộc lộ rõ ưu điểm khối lượng nhẹ, chất lượng tốt, đảm bảo kĩ thuật dễ dàng vận hành, thiết lập/thiết kế quy trình kiểm tra Với nhận xét, đánh giá, đóng góp tích cực từ phía đặt hàng cơng ty PV NDT q trình thử nghiệm cho thấy sản phẩm “Hệ quét xạ kĩ thuật Gamma Scanner” sản phẩm tốt đáp ứng phù hợp với yêu cầu kĩ thuật sẵn sàng thương mại hóa Mặc dù thiết bị trình phát triển nên tránh khỏi lỗi kĩ thuật gặp phải thiết kế chưa tối ưu, phải vận hành tay số khâu vặn van khóa, kéo chỉnh hệ đầu dị khơng vận tốc dẫn tới liệu thu thập bị ảnh hưởng chưa thực xác theo mong muốn nhóm nghiên cứu IV KẾT LUẬN Hệ quét xạ “Gamma Scanner” sản phầm thiết kế gia cơng hồn tồn Việt Nam, với mục tiêu tìm hiểu sâu ứng dụng có kĩ thuật “gamma scanning”, phục vụ công tác kiểm tra không phá hủy ứng dụng công nghiệp Việc tập trung vào đối tượng ban đầu cấu kiện nhà máy lọc dầu đường ống, đường van, tháp chưng cất, giúp cho nhóm nghiên cứu mở rộng đối tượng ứng dụng rộng rãi Hệ quét ảnh xạ “Gamma Scanner” ứng dụng tiêu chuẩn khơng dây, lập trình tảng nhằm làm điểm tựa để tiếp tục phát triển, ứng dụng IoT xây dựng hệ thống phân tích ứng dụng chung chức Nhóm nghiên cứu mong muốn phát triển Hệ quét xạ “Gamma Scanner” trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực, cải thiện chất lượng lao động kĩ sư vận hành đảm bảo bắt kịp phát triển công nghệ theo nhịp độ cơng nghiệp hóa đại hóa, tăng hội cạnh tranh với sản phẩm, dịch vụ cung ứng có thị trường TÀI LIỆU THAM KHẢO     CANTI, Introduction of technologies and services of CANTI as applied to petrochemical industry, p 20 On-line, non-intrusive diagnostic techniques for pipeline inspection and flow assurance - Lee Robins, Tracerco (2003) Glenn Knoll , Radiation detection and measurent, Third Editon, p 234 -237, 1989 2nd demo report for investigation of the movement of valves’s discs (under inch) during operating the handles by gamma scan technique at Nghi Son Refinery and Petrochemical LLC (2017) RESEARCH AND MANUFACTURE OF GAMMA SCANNING SYSTEM (GAMMA SCANNER) FOR NONDESTRUCTIVE TESTING TECHNIC IN REFINERY FACTORY Le Thanh Dat, Bui Ngoc Ha, Nguyen Tung Lam Email: le.thn.dat@gmail.com; ha.buingoc@hust.edu.vn; tunglam20132208@gmail.com; Hanoi University of Science and Technology Abstract: Nucleonic measurement methods are frequently used in modern industrial measurement systems Ionizing radiation responds to the fundamental physical properties of materials such as density and the interaction of ionizing radiation can be used for measurement of physical properties of object with high sensitivity Also, these methods are noncontacting and mostly performed while the units are operating therefore they are suitable for inspecting objects such as distillation columns, pile, valve in chemical or refinery factories The purpose of this project is manufacture of a Gamma Scanner system, which is used to inspect, troubleshoot abnormalities in the pipeline, check valve statute with high sensitivity Gamma Scanner system can operate well in an industrial environmental and have a low operating cost After finishing project, we successfully manufactured the Gamma Scanner system, this system using NaI(Tl) detector from Canberra, the entire electronic circuit and mechanical parts were made in Vietnam (by our team) To ensure the mobility of system when working in field, system was designed to have wireless connection and power by battery The wireless connection can eliminate the possibility of damage caused by cable connection and increase radiation safety for worker during testing process This system was used for actual inspection at Nghi Son Refinery and got high evaluated by users Keyword: gamma scanning technic, gamma scanner, density profile, troubleshooting, Distillation column ... tiêu tìm hiểu sâu ứng dụng có kĩ thuật “gamma scanning”, phục vụ công tác kiểm tra không phá hủy ứng dụng công nghiệp Việc tập trung vào đối tượng ban đầu cấu kiện nhà máy lọc dầu đường ống, đường... nhóm nghiên cứu mở rộng đối tượng ứng dụng rộng rãi Hệ quét ảnh xạ “Gamma Scanner” ứng dụng tiêu chuẩn khơng dây, lập trình tảng nhằm làm điểm tựa để tiếp tục phát triển, ứng dụng IoT xây dựng hệ. .. ảnh hệ Gamma Scanner thiết lập cấu hình đo (trái) kết kiểm tra (phải) mẫu vật van Từ kết thu được[4], nhận thấy hệ quét xạ kĩ thuật Gamma Scanner hoạt động hiệu đáp ứng yêu cầu mà nhóm nghiên cứu