A )Nứt bên trong b) Nứt trên bề mặt c) Phát hiện bằng chụp ảnh bức xạ
Kim loại cơ bản
Vùng ảnh hưởng nhiệt Trên mối hàn
1.2.5.2 Nứt ngang
Hiện tượng các vết nứt chạy vuơng gĩc theo trục mối hàn, các vết nứt này cĩ thể xuất hiện trên kim loại cơ bản, vùng ảnh hưởng nhiệt và trên mối hàn. Các vết nứt được phát hiện trên phim chụp ảnh bức xạ là một vết đen và cho một sĩng thẳng trên màn hình siêu âm. Tuy nhiên dạng nứt này thường cho tín hiệu sĩng phản xạ siêu âm rất kém do bề mặt vết nứt gần như song song với chùm sĩng âm.
Hình 1.28: Các vị trí thường xuất hiện vết nứt ngang
a) Nứt ngang b) Phát hiện bằng chụp ảnh bức xạ
Hình 1.29: Vị trí các vết nứt ngang [7]
1.2.5.3 Nứt tia
Hiện tượng các vết nứt xuất phát từ một vị trí và bị phân thành nhiều vết nứt ra mọi hướng, nứt tia và nứt hình sao về cơ bản là giống nhau, các vết nứt này cĩ thể xuất hiện trên kim loại cơ bản, vùng ảnh hưởng nhiệt và trên mối hàn. Các vết nứt được phát hiện trên phim chụp ảnh bức xạ là một vết đen hình sao và thường cho tín hiệu sĩng phản xạ siêu âm rất kém.
Kim loại cơ bản Trên mối hàn
Vùng ảnh hưởng nhiệt
Hình 1.30: Các vị trí thường xuất hiện vết nứt tia
1.2.5.4 Nứt rãnh hồ quang hàn
Hiện tượng các vết nứt xuất hiện ở điểm cuối mối hàn, chỉ xuất hiện tại rãnh hồ quang và ở trên bề mặt mối hàn, đơi khi vết nứt cĩ thể lan rộng đến vùng ảnh hưởng. Các vết nứt được phát hiện trên phim chụp ảnh bức xạ là một vết đen.
Hình 1.31: Vị trí vết nứt rãnh hồ quang 1.2.5.5 Nứt theo bản chất 1.2.5.5 Nứt theo bản chất
- Nứt nĩng (hot cracks): xuất hiện trong quá trình kết tinh của liên kết hàn khi nhiệt độ cịn khá cao (trên 10000C). Các vết nứt cĩ thể xuất hiện ở giữa mối hàn (centerline) hoặc ở vùng ảnh hưởng nhiệt.
- Nứt lạnh (cold cracks): là các vết nứt xuất hiện sau khi mối hàn nguội. Cĩ thể xuất hiện khoảng vài giờ hoặc vài ngày sau khi hàn.
- Nứt tầng
- Nứt kết tủa (precipitation induced cracks): nứt do các hợp chất kết tủa trong quá trình hàn.
Kim loại cơ bản
Trên mối hàn Vùng ảnh hưởng nhiệt
- Nứt cắt lớp (lamellar tearing): nứt cĩ dạng phân lớp trên kim loại mối hàn, nứt cắt lớp thường xuất hiện trong thép cán (chủ yếu là thép tấm), đặc điểm nhận dạng là vết nứt cĩ dạng hình bậc thang, các vết nứt này xuất hiện ở khắp nơi.
Hình 1.32: Nứt cắt lớp ở chân mối hàn [7]
1.2.6 Khuyết tật mối hàn chưa hoàn thiện và sai lệch về hình dạng, kích thước
Là các khuyết tật xảy ra khi hình dạng mối hàn và mối ghép chưa hồn thành như mong muốn giữa thực tế và thiết kế. Các khuyết tật này đơi khi ảnh hưởng đến mối hàn trong quá trình sử dụng, nhưng đơi khi chúng khơng gây ảnh nghiêm trọng đến mối hàn. Các khuyết tật này đơi khi được chấp nhận tồn tại trong mối ghép hàn nếu chúng được chứng minh sẽ khơng gây ảnh hưởng đến mối ghép khi đưa vào sử dụng. Các khuyết tật thuộc dạng này thường là:
1.2.6.1 Cháy thủng (Burn-Through)
Khuyết tật được tạo ra bởi một lượng nhiệt tập trung quá lớn tại vũng hàn hoặc một khoảng cách giữa hai mép hàn quá rộng, khuyết tật này được nhận thấy trên phim chụp ảnh bức xạ bằng một vết màu đen sậm.
a) Vị trí khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng chụp ảnh bức xạ
1.2.6.1 Cháy chân (Undercut )
Cháy chân là một khuyết tật tạo thành một rãnh chạy dọc theo chân đường hàn trên kim loại cơ bản hoặc trên đường hàn (External undercut). Đặc trưng của khuyết tật này bao gồm: độ sâu, dài, rộng và độ sắc nét của khuyết tật. Khuyết tật này cĩ thể là nguyên nhân chính gây ra các vết nứt phá hủy chi tiết khi đưa vào sử dụng. Hình ảnh vết nứt được thể hiện trên phim chụp ảnh bức xạ là một vệt đen, hình ảnh siêu âm của dạng khuyết tật này tương tự như khuyết tật thiếu ngấu, chỉ khác ở vị trí.
Hình 1.34: Phân loại khuyết tật nứt theo BS EN [15]
a) Vị trí khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng chụp ảnh bức xạ
Hình 1.35: Khuyết tật cháy chân [7]
1.2.6.3 Chảy tràn (Overlap)
Khuyết tật mà kim loại mối hàn chảy tràn về một cạnh mối, gây nên tình trạng lệch mối hàn. Khuyết tật này thường gặp phải khi hàn các mối ghép ở vị trí hàn ngang.
Cháy chân (undercut)
Cháy chân đứt đoạn (intermittent) Cháy chân thành
đường liên tục (continuous)
Cháy chân giữa các lớp (inter-run)
Hình 1.36: Khuyết tật chảy tràn [7] 1.2.6.4 Quá thấu (Excess penetration) 1.2.6.4 Quá thấu (Excess penetration)
Hiện tượng một lượng lớn kim loại mối hàn thâm nhập qua mặt sau mối ghép vượt quá giới hạn qui định cho phép, hiện tượng kim loại vượt quá đơi khi là những chỗ lịi, lõm khơng đồng đều. Việc duy trì một lượng kim loại thấu đồng đều địi hỏi tay nghề người thợ rất cao.
a) Vị trí khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng chụp ảnh bức xạ
Hình 1.37: Khuyết tật quá thấu [7] 1.2.6.5 Chi tiết hàn bị lệch (Linear misalignment) 1.2.6.5 Chi tiết hàn bị lệch (Linear misalignment)
Hiện tượng hai chi tiết hàn trong hàn tấm bị lệch, sự lệch này cĩ thể là song song khơng đồng phẳng hoặc lệch nhau một gĩc. Lệch chi tiết khơng phải là một mối hàn bị khuyết tật, tuy nhiên cĩ thể làm tăng ứng suất khi chi tiết được đưa vào sử dụng.
Hình 1.38: Khuyết tật lệch cạnh [7]
Mối hàn bị khuyết tật cĩ thể làm giảm khả năng làm việc của kết cấu hàn. Vì vậy, trước khi đưa liên kết hàn vào sử dụng, chúng ta phải xác định các khuyết tật cần thiết bằng kỹ thuật kiểm tra khơng phá hủy. Việc đánh giá khuyết tật địi hỏi kỹ thuật viên phải cĩ trình độ, kinh nghiệm để giải đốn chính xác loại khuyết tật mối hàn.
1.3 Phương pháp kiểm tra
Phương pháp kiểm tra để kiểm tra đánh giá khuyết tật hàn hiện nay thường được chia thành hai nhĩm phương pháp chính: kiểm tra phá hủy và kiểm tra khơng phá hủy.
1.3.1 Kiểm tra phá hủy (Destructive Testing – DT)
Là các phương pháp kiểm tra cơ học và hĩa học nhằm xác định độ bền cơ học và tính chất của mối hàn bao gồm các phương pháp cơ bản sau: kiểm tra hĩa học, kiểm tra ăn mịn, kiểm tra kim loại học, thử kéo, thử uốn, thử độ dai va đập, thử độ cứng, kiểm tra cấu trúc tế vi,….
Khi thực hiện kiểm tra đánh giá cần lấy mẫu từ chi tiết kiểm tra.
1.3.2 Kiểm tra khơng phá hủy (Non-Destructive Testing – NDT)
Là các phương pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc ở bề mặt mối hàn mà khơng làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng, mối hàn khơng bị phá hủy sau khi kiểm tra, bao gồm các phương pháp sau:
- Các phương pháp cĩ khả năng phát hiện các khuyết tật bề mặt (và gần bề mặt): kiểm tra bằng quan sát (Visual Testing - VT), kiểm tra bột từ (Magnetic
Particle Testing - MT), Phương pháp kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetrant Testing - PT),
- Các phương pháp cĩ khả năng phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong (và trên bề mặt) của đối tượng kiểm tra: chụp ảnh bức xạ dùng film (Radiographic Testing - RT), kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing - UT), kiểm tra dịng điện xốy (Eddy Current Testing - ET),....
Hình 1.39: Các phương pháp kiểm tra khuyết tật hàn [7]
Theo giới hạn phạm vi đề tài, phương pháp kiểm tra bằng ảnh chụp bức xạ (RT) sẽ được tập trung nghiên cứu, khảo sát.
1.3.3 Kiểm tra chụp ảnh bức xạ (Radiographic Testing – RT) 1.3.3.1 Nguyên lý
Phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT) sử dụng nguyên lý truyền qua và sự hấp thụ khác nhau đối với những năng lượng khác nhau của vật liệu để kiểm tra các khuyết tật bên trong đối tượng. Một chùm tia bức xạ tới sau khi đi qua các bề dày khác nhau
được ghi lại trên phim. Nếu cĩ một khuyết tật nằm bên trong cấu trúc của một mẫu vật nghĩa là cĩ sự thay đổi về bề dày (chẳng hạn như lỗ rỗng) hoặc sự thay đổi theo mật độ (chẳng hạn như các tạp chất của các vật liệu khác ở bên ngồi). Sự hiện diện của những khuyết tật này sẽ tạo ra những thay đổi tương ứng với cường độ của chùm bức xạ truyền qua và chùm bức xạ truyền qua này được ghi nhận trên phim tạo ra được một ảnh chụp bức xạ trên phim.
1-Nguồn bức xạ; 2-Tia bức xạ; 3-Vật chụp; 4-Khuyết tật; 5-Phim
Hình 1.40: Nguyên lý chụp ảnh bức xạ [9]
Ảnh chụp bức xạ là một ảnh bĩng của mẫu vật ghi nhận được trên phim ảnh khi bức xạ tia X hoặc tia Gamma truyền qua mẫu vật. Để nhận được một ảnh chụp bức xạ thì phải đặt mẫu cần chụp nằm ở giữa nguồn phát tia X/tia Gamma và một phim dùng trong chụp ảnh bức xạ, rồi thực hiện chiếu chụp trong một khoảng thời gian được xác định. Sau các quá trình tráng rửa phim ta nhận được ảnh chụp bức xạ của mẫu vật. Hình 4 giới thiệu ảnh chụp bức xạ được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
a) Khuyết tật thiếu ngấu chân
b) Khuyết tật nứt và khuyết tật rỗ khí
Hình 1.41: Ảnh chụp bức xạ trong thực tế 1.3.3.2 Cách thức giải đoán ảnh chụp bức xạ
Việc giải đốn để phân tích các khuyết tật từ ảnh chụp bức xạ được thực hiện theo quy trình sau:
a) Kiểm tra chất lượng phim chụp
Tất cả các phim chụp phải rõ ràng, khơng bị các lỗi sau:
- Dính hĩa chất, vết xước, vân tay, vết dơ, nhoè hoặc giọt chảy, vết sương mờ, các khuyết điểm trong quá trình rửa phim,….
a) Phim khơng đạt
b) Phim đạt
Hình 1.42: Kiểm tra chất lượng phim
- Độ đen phim nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn ASME Code Section V T-282 - 2015 Edition [9].
- Độ nhạy (Image Quality Indicator – IQI) đạt được chất lượng theo tiêu chuẩn ASME Code Section V Table T-276 - 2015 Edition [9].
b) Giải đốn ảnh
Kỹ thuật viên sẽ tiến hành kiểm tra bằng mắt các hiển thị trên phim (sử dụng đèn đọc phim). Nếu nhận thấy các bất liên tục thì sử dụng các dụng cụ đo để kiểm tra hình dạng, kích thước dựa trên các tiêu chuẩn đánh giá (chuẩn ASME). Nếu vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì sẽ đánh giá là khuyết tật. Các tiêu chuẩn đánh giá cho các sản phẩm khác nhau được sử dụng trong ngành dầu khí như sau:
- Bồn áp lực: ASME Boiler & Pressure Vessel Code [10]
- Đường ống ngầm: API 1104 Welding for Pipelines and Related Falcilities [13].
Hình 1.43: Kỹ thuật viên sử dụng đèn đọc phim để giải đốn ảnh chụp bức xạ 1.3.3.3 Hạn chế của phương pháp chụp ảnh bức xạ
Việc giải đốn ảnh chụp bức xạ bằng phương pháp RT bởi các kỹ thuật viên cịn tồn tại các hạn chế sau:
- Tốc độ xử lý chậm.
- Chất lượng đánh giá hồn tồn phụ thuộc vào kỹ năng, kinh nghiệm và trình độ của kỹ thuật viên.
1.4 Thực trạng kiểm tra phát hiện khuyết tật hàn qua ảnh bức xạ
Ở Việt Nam, khảo sát thực tế với các cơng ty trong nước chuyên thực hiện dịch vụ kiểm tra khơng phá hủy như cơng ty Alpha NDT, cơng ty QIS, cơng ty CA NDT, cơng ty TTA, cơng ty APAVE, Ban chánh hàn VietsovPetro thì cơng việc giải đốn ảnh chụp bức xạ vẫn được thực hiện thủ cơng bởi các kỹ thuật viên.
Ở nước ngồi, qua khảo sát sau khi làm việc với các nhà thầu nước ngồi như HSCP, Castoro Osto, JR Mac Demott, Hyundai, … thì việc giải đốn ảnh chụp bức xạ cũng vẫn được thực hiện thủ cơng bởi các kỹ thuật viên.
(Cơng tác khảo sát dựa trên việc liên hệ trực tiếp với các cơng ty và quy trình thực hiện RT của các cơng ty này).
1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.5.1 Các nghiên cứu trong nước
Cơng việc xử lý ảnh trong nước chưa được áp dụng trong việc giải đốn ảnh chụp bức xạ mà chỉ được nghiên cứu, ứng dụng trong các ngành cơng nghiệp như:
- Cơng nghiệp đĩng gĩi để kiểm tra xem các sản phẩm đã được dán nhãn chưa hoặc kiểm tra nhãn hiệu bao bì cĩ đúng với thành phần chuẩn bị được đĩng gĩi khơng [15].
- Cơng nghiệp dược phẩm để kiểm tra số lượng viên thuốc cĩ trong vỉ thuốc [15].
- Lĩnh vực điện, điện tử để phát hiện sự thiếu sĩt các mối hàn sau khi hàn các chân linh kiện vào board mạch [1].
1.5.2 Các nghiên cứu ngồi nước
Trong những năm trước đây, một vài phương pháp nhận diện khuyết tật qua hình ảnh bức xạ đã được nghiên cứu. Việc phân tích hình ảnh từ thủ cơng chuyển sang nhận diện, đánh giá bằng hệ thống máy tính đã được áp dụng. Một số về các giải pháp đã được áp dụng trên thế giới như sau:
- Năm 2008, Reza Nejatpour, Ali Asmari Sadabad thuộc Ferdowsi University of Mashhad đã cơng bố phương pháp tự động nhận diện khuyết tật mối hàn bằng xử lý ảnh và phương pháp CAD [3]. Qua đĩ cơng tác đánh giá khuyết tật trên bề mặt mối hàn được thực hiện bằng cách kết hợp xử lý ảnh và thuật tốn CAD để đánh giá, phân tích và giải đốn. Hình ảnh sau khi được thu thập sẽ được xử lý bằng phương pháp ma trận nhị phân (binary matrix). Sau đĩ sẽ mơ phỏng trên CAD và nhận diện khuyết tật thơng qua hình ảnh 3D trên CAD bằng việc so sánh mơ phỏng mối hàn thực tế với mơ phỏng mối hàn khơng cĩ khuyết tật. Do đĩ chỉ áp dụng cho việc đánh giá ngoại quan mối hàn cho sản phẩm giống nhau trong sản xuất hàng loạt. Nếu thay đổi kích thước và hình dạng mối hàn thì phải tính tốn, mơ phỏng lại. Việc này sẽ làm tăng thời gian phân tích giải đốn khi thay đổi liên tục kích thước và biên
Hình 1.44: Sơ đồ nguyên lý thực hiện thu thập ảnh trên bề mặt mối hàn [3]
Hình 1.45: Mơ phỏng mối hàn cĩ khuyết tật khơng đạt yêu cầu [3]
- Năm 2005, N. Nacereddine, M. Zelmat, S. S. Belạfa và M. Tridi đã trình bày những khuyến nghị cho việc xử lý ảnh chụp bức xạ kỹ thuật số với các phương pháp ngưỡng Otsu, Niblack và Sauvola Thresholding [4]. Tuy nhiên, hệ thống phát hiện để xác định các khuyết tật hàn đã khơng được phát triển.
Hình 1.46: Xử lý ảnh chụp bức xạ kỹ thuật số với các phương pháp ngưỡng Otsu,
Niblack và Sauvola Thresholding [4]
- Năm 2015, Saba Madani, Mortaza Azizi đề xuất phương pháp xử lý hình ảnh phim chụp ảnh bức xạ bằng cách sử dụng thuật tốn K-Means để đưa các màu tương tự của hình ảnh đến một khoảng cách nhất định [5]. Kết quả cơ bản chỉ dừng lại ở phương pháp xử lý ảnh để hiện rõ chỉ thị khuyết tật hàn, qua đĩ hỗ trợ cho phân tích viên đánh giá kết quả cho chính xác đĩ chỉ sử dụng cho nghiên cứu và phát triển.
Hình 1.47: Xử lý hình ảnh phim chụp ảnh bức xạ bằng cách sử dụng thuật tốn K-
Means [5]
- Năm 2010, H. Kasban, O.Zahran, H.Arafa, M.El-Kordy, S.M.S.Elaraby, F.E. Abd El-Samie đã cơng bố phương pháp nhận diện khuyết tật hàn trên ảnh chụp bức xạ bằng cách tiếp cận Cepstral [6]. Các hình ảnh được xử lý, trích xuất đặc trưng và sau đĩ sử dụng hệ thống mạng nơ-ron tế bào nhân tạo (artificial neural networks) để phân tích, xử lý và phân loại khuyết tật. Phương pháp này chia làm 2 giai đoạn: huấn luyện và kiểm tra.
+ Ở giai đoạn huấn luyện: hệ thống cơ sở dữ liệu hình ảnh được sử dụng để trích xuất đặc trưng của mỗi hình ảnh từ các tín hiệu DWT, DCT và DST. Các
+ Ở giai đoạn kiểm tra: đặc trưng được trích xuất từ mỗi hình ảnh cần kiểm tra qua các tín hiệu DWT, DCT, DST và so sánh với các đặc trưng trong hệ thống dữ liệu để đánh giá và ra quyết định.
Phương pháp này đánh giá được chính xác các khuyết tật như: quá thấu, cháy chân, nứt dọc, ngậm tungsten, rỗ khí, cháy thủng, thiếu ngấu. Tuy nhiên cơng nghệ cao, phức tạp và hiện đại dẫn đến giá thành và chi phí sản xuất cao hơn so với phương