Những kỹ thuật và công nghệ NDT tiên tiến - Thực tế và triển vọng áp dụng tại Việt nam

Phần 1. Giới thiệu

Kiểm tra không phá huỷ (NDT), một công cụ hiệu quả và có vai trò cốt yếu trong bất kỳ một chương trình đảm bảo và kiểm soát chất lượng (QA / QC), đang ngày càng được sử dụng phổ biến trong quá trình công nghiệp hoá đất nước.

Ngoài những kỹ thuật và công nghệ thông thường, “truyền thống”, có lịch sử già nửa thế kỷ áp dụng, như kiểm tra chụp ảnh phóng xạ phim, kiểm  tra siêu âm xung dội thủ công A-Scan, kiểm tra hạt từ, kiểm tra dòng điện xoáy thông thường…15-20 năm gần đây, thế giới đã chứng kiến sự phát triển có tính bùng nổ của nhiều kỹ thuật tiên tiến, hiện đại. Những kỹ thuật này ra đời và phát triển nhằm giải quyết những yêu cầu đặc thù, chuyên biệt và phức tạp của thực tế sản xuất công nghiệp một cách tin cậy và nhanh chóng.

Ở đây trình bày giới thiệu tóm tắt nguyên lý, phạm vi áp dụng một số kỹ thuật điển hình và thực tế cũng như triển vọng phát triển chúng tại Việt Nam.

Phần 2. Một số công nghệ và kỹ thuật NDT tiên tiến (Advanced NDT techniques)

I. Remote Video inspection – Videoscope (Kiểm tra quan sát từ xa trên màn hình)

- Là một kỹ thuật tiên tiến của phương pháp Kiểm tra quan sát trực tiếp (Visual Testing) vốn có từ lâu đời.

- Hệ thống kiểm tra bao gồm một tổ hợp các bộ phận như: một camera  (CCD) kích thước nhỏ (từ 3-7mm) nhưng tích hợp rất nhiều các phần tử cảm biến hình ảnh, nguồn sáng (thường là đèn phát hồ quang thuỷ ngân bay hơi) và các bộ vi xử lý điều khiển, lưu trữ, cáp sợi quang dẫn (chiều dài từ 5 đến hàng chục mét), màn hình có độ phân giải cao dạng cầm tay…

- Kỹ thuật này được áp dụng để kiểm tra các đối tượng hoặc khu vực thông thường mắt không tiếp cận được nếu đối tượng kiểm tra để nguyên dạng, không tháo, dỡ. Các ứng dụng điển hình như kiểm tra bất liên tục, hư hỏng bề mặt bên trong các đối tượng như bình, bồn, bể chứa, đường ống, lò hơi, bộ trao đổi nhiệt, tuốc bin, động cơ các loại…

- Các cán bộ Giáo sư tiến sỹ Viện khoa học kỹ thuật hạt nhân tham gia trong Dự án Phòng thí nghiệm Hội NDT đã bước đầu phối hợp cùng các đối tác kiểm định quốc tế (Công ty APAVE ) triển khai áp dụng kiểm tra bên trong mối hàn đường ống của Dự án mở rộng nhà máy bia TIGER thành phố Hồ Chí Minh, năm 2005.

II. Magnetic Flux Leakage (MFL) (Kiểm tra rò rỉ dòng từ thông)

- Nguyên lý của phương pháp về cơ bản giống như phương pháp kiểm tra hạt từ. Sự khác biệt là ở chỗ trường rò rỉ do sự hiện diện của bất liên tục không được “hiển thị” bởi phương tiện kiểm tra là các hạt từ như cách thông thường, mà được đo – phát hiện bằng chùm các đầu cảm biến (array sensor) hiệu ứng Hall.

- Kỹ thuật này được Công ty RTD (Hà Lan) phát triển vào những năm 1990, để kiểm tra phát hiện các bất liên tục như ăn mòn,... các mặt sàn bồn bể chứa lớn (Floorscanner) với độ tin cậy và năng suất cao. Các hệ thống với quy trình tương tự cũng đã được phát triển cho công nghệ kiểm tra các tuyến đường ống (Pipescan) và bình bồn (Wallscan).

- Thời gian gần đây Công ty ALPHA NDT đã ứng dụng kỹ thuật này để kiểm tra các hệ thống ống và bồn bể chứa thuộc Dự án TURNAROUND Nhà máy khí Dinh Cố, Bà Rịa Vũng Tàu.

III. Alternating Curent Field Measurement (ACFM) (Đo trường dòng xoay chiều)

- Được phát triển nhằm phát hiện và đo đạc kích thước (chiều dài, chiều sâu/chiều cao) các khuyết tật dạng nứt bề mặt hoặc gần bề mặt các kết cấu ngoài khơi, phần nổi cũng như chìm, trong ngành công nghiệp khai thác dầu khí.

- Kỹ thuật này có một số ưu điểm so với các kỹ thuật thông thường như MT hoặc PT (không cần loại bỏ lớp sơn hoặc phủ bề mặt), hoặc ET (không chịu ảnh hưởng hiệu ứng Lift-off và những biến đổi tính chất như tại các vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn...).

- Quy trình nguyên lý kỹ thuật có thể tóm tắt như sau: Một đầu dò đặc biệt gồm một hệ thống cảm ứng trường tạo ra dòng điện xoay chiều đồng nhất trong đối tượng kiểm tra, và một đầu cảm biến nhỏ để đo từ trường được tạo ra. Độ thấm từ Bx sẽ thay đổi, cùng với mật độ dòng xoay chiều trên bề mặt, dọc theo chiều dài vết nứt, và cho thông tin chỉ thị về chiều sâu của vết nứt này. Độ thấm từ Bz với mức độ đáp ứng dương hay âm tại các đầu mút vết nứt, cho thông tin chỉ thị về chiều dài vết nứt.

- Kỹ thuật này được một số công ty công nghệ NDT tiên tiến trên thế giới áp dụng thành công và hiệu quả trong lĩnh vực dầu khí như đã nói ở trên.

IV. Pulsed Eddy Current – PEC (Kỹ thuật dòng xoáy xung)

- Kỹ thuật do công ty dầu khí Hoa Kỳ ARCO áp dụng đầu tiên, và công ty RTD Hà Lan phát triển rất thành công dưới tên INCOTEST (Isulated Component Test).

- Dòng sơ cấp được kích phát trong một thời gian ngắn (xung) tạo ra một từ trường trong đối tượng được kiểm tra. Kết thúc thời gian kích phát, dòng sơ cấp và từ trường này triệt tiêu, kết quả là một dòng điện xoáy được cảm ứng ở trên bề mặt đối tượng đo. Dòng điện xoáy này sẽ khuyếch tán dọc theo chiều dày và suy giảm với một tốc độ nào đó, và đặc biệt suy giảm nhanh khi nó đạt tới bề mặt xa (đáy) của đối tượng đo. Thời gian để dòng này khuếch tán tới bề mặt đáy được đo và dùng để tính toán xác định độ dày của đối tượng kiểm tra.

- Kỹ thuật PEC được sử dụng rất hiệu quả và tin cậy để kiểm tra thành ống (xác định chiều dày còn lại do ăn mòn...) mà không cần loại bỏ các lớp cách biệt (sơn, bảo ôn, bảo nhiệt) do đó rất phù hợp cho các kiểm tra In-Service. Tại Việt Nam, ALPHA NDT Co. đã áp dụng kỹ thuật này cho kiểm tra các hệ thống ống Dự án TURNAROUND Nhà máy khí Dinh Cố, Bà Rịa -Vũng Tàu.

V. Remote Field Eddy Current (Dòng xoáy trường xa)    

- Kỹ thuật được áp dụng kiểm tra các ống lò hơi, bộ trao đổi nhiệt (từ tính và không từ tính) rất hiệu quả và tin cậy.

- Mô tả nguyên lý quy trình như sau: hai đầu dò phát và thu được đặt cách nhau một khoảng cách khoảng ba lần đường kính ống kiểm tra. Đầu phát tạo ra hai trường điện từ - trường sơ cấp và trường xa. Trường sơ cấp suy giảm rất nhanh theo khoảng cách từ đầu phát. Trường xa yếu hơn trường sơ cấp và lan truyền dọc suốt chiều dày thành ống rồi phản xạ lại, được thu nhận bởi đầu thu, được xử lý để đánh giá những thay đổi biến đỏi chiều dày thành ống (do ăn mòn...).

- Các ống có đường kính từ 9 đến 150mm và chiều dày đến 10mm là có thể kiểm tra hiệu quả với kỹ thuật này. Năng suất kiểm tra một ngày có thể từ 150 đến 500 ống của lò hơi hoặc 150 đến 250 ống của các bộ trao đổi nhiệt.

- Tại Việt Nam, ALPHA NDT Co. đã áp dụng kỹ thuật này cho kiểm tra các hệ thống ống Dự án TURNAROUND Nhà máy khí Dinh Cố, Bà Rịa - Vũng Tàu.

VI. IRIS Ultrasonic testing (Kiểm tra siêu âm IRIS)

- Kỹ thuật do công ty Shell Developmnet thiết kế năm 1979 rồi chuyển giao cho B.I.X phát triển hoàn thiện.

- Đây là kỹ thuật kiểm tra siêu âm xung dội - nhúng, phát sóng âm qua nước từ một đầu dò quay kết hợp với một hệ thống gương tới bề mặt thành ống.

- Cùng với kỹ thuật dòng xoáy trường xa, đây là công cụ tin cậy để kiểm tra các ống lò hơi và bộ trao đổi nhiệt. Dải chiều dày ống kiểm tra được từ 1 đến 8mm và đường kính từ 9.5mm đến 150mm với mọi loại vật liệu.

- Tại Việt Nam, ALPHA NDT Co. đã áp dụng kỹ thuật này cho kiểm tra các hệ thống ống Dự án TURNAROUND Nhà máy khí Dinh Cố, Bà Rịa - Vũng Tàu.  

VII. Time of flight Diffraction UT - TOFD UT  

- Kỹ thuật do Phòng thí nghiệm Harwell tập đoàn AEA, Anh Quốc, phát triển vào giữa những năm 70 thế kỷ trước. Đây là một phương pháp cho phép xác định khá chính xác kích thước xuyên thành (through wall size) vết nứt trong các cấu kiện, bộ phận đang hoạt động (in-service) của ngành công nghiệp hạt nhân.

- Kỹ thuật này sử dụng hai đầu dò, một phát một thu. Điều khác biệt so các kỹ thuật kiểm tra siêu âm khác (truyền qua, xung dội, cộng hưởng) là nó ghi nhận các sóng nhiễu xạ tại các đầu mút bất liên tục, đây là các sóng có năng lượng rất yếu so với các dạng khác.

- Kỹ thuật này có rất nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật truyền thống khác, đặc biệt là độ tin cậy trong phát hiện các bất liên tục thuộc dạng xuyên thành (Through wall Crack), được cho là cao hơn ngay cả so với phương pháp chụp ảnh phóng xạ.

- Theo một số thông tin, hiện tại Liên doanh dầu khí Việt Xô đang xây dựng kế hoạch trang bị hệ thống kiểm tra này trong tương lai gần phục vụ cho các công tác đảm bảo chất lượng chế tạo, bảo dưỡng...

VIII. Phased Array probe UT

- Bản chất là phương pháp kiểm tra siêu âm xung dội. Hệ thống đầu dò gồm nhiều (64 hoặc 128) biến tử phát ra một chùm rộng các tia siêu âm tại  các  thời  điểm khác nhau (rất nhỏ). Bằng cách kiểm soát thời gian trễ giữa các phần tử biến tử, chùm tia có các góc xiên, khoảng cách hội tụ, kích thước hội tụ khác nhau sẽ được tạo ra. Xung dội từ các điểm hội tụ quan tâm về các phần tử biến tử khác nhau có một sự khác biệt thời gian có thể tính toán được. Tín hiệu thu được tại mỗi phần tử biến tử được tách biệt thời gian trước khi tổng hợp lại với nhau.

- Kỹ thuật này mở ra một loạt khả năng, tiện ích mới:
 + Thay đổi góc nhanh, quét toàn bộ không cần di chuyển đầu dò
 + Khả năng phát hiện bất liên tục tăng mạnh bất kể sự định hướng của chúng
 + Kiểm tra các bộ phận có hình dạng phức tạp

- Tại Việt nam, các Giáo sư, Tiến sỹ của Viện khoa học và kỹ thuật hạt nhân năm vừa qua đã phối hợp với Công ty Dịch vụ Kiểm định Việt Nam (VISCO) chuyển giao thành công hệ thống thiết bị và công nghệ hiện đại này cho ngành dầu khí ứng dụng (Công ty dịch vụ dưới nước Petro Viet nam Under Water Service Co.).

IX. Computed Tomography (CT) - Chụp hình cắt lớp

- Sự ra đời của phương pháp rất tiên tiến này xuất phát từ những nghiên cứu phát triển phương pháp chụp hình từng lớp riêng biệt của cơ thể phục vụ cho công tác chẩn đoán y khoa hình thành từ những năm đầu 20 thế kỷ trước. Kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ thông thường nói chung chỉ cho hình ảnh bóng (shadow-projecttion) của đối tượng hoặc chi tiết quan tâm.

- Bằng cách sử dụng nhiều góc độ chụp, dựa trên thuật toán tái cấu trúc hình ảnh từ vô số hình chiếu thu được của một đối tượng hai chiều hoặc ba chiều do nhà toán học Radon người Úc chứng minh năm 1917, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử và tin học (Array dectector, máy tính tốc độ cao, chương trình tính toán xử lý đồ sộ...) , công nghệ CT đã có sự phát triển vượt bậc, đặc biệt trong lĩnh vực chẩn đoán y khoa, với các hệ thống thiết bị hiện đại thuộc thế hệ 5, và 6. Thời gian gần đây, các nhu cầu ứng dụng trong ngành công nghiệp cũng có bước gia tăng, đặc biệt nhu cầu kiểm tra các đối tượng có hình dạng phức tạp (cánh tuốc bin, chi tiết cơ khí đắt tiền), có tầm quan trọng tới hạn (nhiên liệu động cơ tên lửa vũ trụ, thuốc nổ đầu đạn quân sự...). Đây cũng là một phương pháp khá định lượng để phân tích vật lý nhằm tối ưu hoá quá trình chế tạo (vật liệu tổng hợp, vật liệu gia cường sợi...) và phân tích kích thước các đối tượng có hình dạng phức tạp.

X. Back scattering Radiography / Radiation Scanning

- Kỹ thuật chụp ảnh thông thường và cả CT đều cần tiếp cận đối tượng kiểm tra từ hai phía đối diện; một phía để bố trí nguồn bức xạ, một phía để bố trí phương tiện ghi (phim, detector...). Trong một số trường hợp, nhu cầu kiểm tra trong điều kiện chỉ tiếp cận một phía (In-Service) được đặt ra thì kỹ thuật kiểm tra sử dụng các bức xạ tán xạ ngược là một giải pháp hay. Thu nhận và xử lý các bức xạ tán xạ ngược có thể cho thông tin dưới dạng hình ảnh (như mô tả chi tiết trong ASTM 1931, 2003, X ray Compton Scatter Tomography) hoặc các dạng khác về tình trạng điều kiện đối tượng kiểm tra.

- Tại Việt nam, các giáo sư tiến sỹ Viện khoa học và kỹ thuật hạt nhân đã có nhiều cố gắng nghiên cứu triển khai xây dựng hệ thống mô phỏng (Prototype) kỹ thuật này với các kết quả ban đầu được trình bày tại Hội nghị NDT toàn thế giới lần thứ 14 tổ chức tại Roma, Italia năm 2000. Các hệ thống dạng thương phẩm Gamma Scaner (kỹ thuật truyền qua) và Neutron Scaner (tán xạ ngược) cũng được ALPHA NDT Co. áp dụng hiệu quả trong Dự án TURNAROUND Nhà máy khí Dinh Cố, Bà Rịa - Vũng Tàu.

- Một kỹ thuật tổ hợp, mặc dù không sử dụng thuần tuý bức xạ tán xạ ngược mà là tổng hợp các kỹ thuật Gamma tức thời, Gamma trễ và phân tích kích hoạt Neutron, chỉ cần tiếp cận một phía, đã được các tiến sỹ của Viện khoa học và kỹ thuật hạt nhân phối hợp với Công ty VISCO chuyển giao áp dụng hiệu quả cho việc rà phá bom mìn và giải quyết một số vấn đề liên quan đến lĩnh vực an ninh, quốc phòng quốc gia trong thời gian qua.

XI. Thermal / Infrared (Infrared thermography) – IRT (Chụp ảnh hồng ngoại)

- Cơ sở lý thuyết được xây dựng trên năm định luật nổi tiếng (Stefan-Bolzmann, Wein, Bảo toàn năng lượng, Cân bằng nhiệt, và Vật đen tuyệt đối ). Phương pháp công nghệ hoàn chỉnh đã được thiết lập đúng 50 năm trước (1955), nhưng với sự phát triển mạnh của công nghệ hình ảnh và tin học những thập kỷ gần đây, với việc chế tạo được các camera có kích thước và trọng lượng nhỏ như các loại gia dụng, kỹ thuật này hiện đã được phát triển thành một phương pháp hàng đầu về kiểm tra giám sát tình trạng.

- Kỹ thuật này thông qua việc phát hiện các dị thường (phát xạ) nhiệt của đối tượng (thường là các hệ thống toàn thể), để ghi nhận, xử lý hiển thị hình ảnh những bất thường, bất liên tục trong hoạt động của chúng.

- Kỹ thuật IRT hiện hành được áp dụng trong:
+ Khảo sát: An toàn, an ninh nhà máy, Tìm kiếm và cứu hộ, Phòng chống cháy nổ, quan sát ban đêm hoặc điều kiện sương mù
+ Bảo dưỡng: trong các lĩnh vực Điện, Hơi, Cách điện bảo nhiệt, thông khí, cơ khí ...

- Công ty VISCO đã chuyển giao công nghệ này cho Đại học Bách Khoa Hà Nội phục vụ công tác nghiên cứu đánh giá chất lỏng (nước) trong các kết cấu khoang rỗng tổ ong (honey comb).

XII. Phân tích kim loại, nhận dạng hợp kim

- Các phương pháp, quy trình tiêu chuẩn đảm bảo chất lượng cho việc phân tích thành phần và đánh giá lý tính kim loại, theo truyền thồng, phải là các phương pháp phân tích hoá học và thử nghiệm cơ tính. Tuy nhiên những kỹ thuật truyền thống này mặc dù có độ tin cậy cao, nhưng thường đòi hỏi lấy và chuẩn bị mẫu, tiêu tốn nhiều cả thời gian lẫn tiền bạc, và đặc biệt không thích hợp cho các ứng dụng tại chỗ, hoặc liên tục (on-site, on-line).

- Một số kỹ thuật NDT đã được phát triển để đáp ứng những nhu cầu phân tích này, ngoài phương pháp điện từ dòng xoáy thông thường, một số kỹ thuật phân tích và nhận dạng tiên tiến khác cũng được phát triển mạnh ở dạng thương phẩm trong những năm gần đây, như: phổ huỳnh quang tia X, quang phổ phát xạ, nhiệt điện, ma sát điện (triboelectric), tia lửa điện (spark)... Việc lựa chọn kỹ thuật nào để ứng dụng, là phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ chính xác, độ nhạy, thành phần kim loại, kích thước hình dạng, trọng lượng, quá trình chế tạo xử lý, kết qủa định tính/định lượng...

- Các đơn vị thành viên của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt nam là những địa chỉ có uy tín về tri thức, kinh nghiệm và thiết bị (INST - thiết bị phòng thí nghiệm, NEAD - thiết bị xách tay) về kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X. Hội NDT và công ty NEAD thời gian gần đây cũng đã xây dựng được hệ thống thiết bị di động phân tích nhận dạng kim loại theo kỹ thuật quang phổ phát xạ tiên tiến.

Phần 3. Một số suy nghĩ và đề xuất

- Trên đây là những trình bày rất vắn tắt một số kỹ thuật NDT tiên tiến điển hình được phát triển mạnh trên thế giới cũng như những triển khai bước đầu tại Việt nam.

- Một nhận định chung là các kỹ thuật này mặc dù có vẻ đòi hỏi ít “ kỹ năng thao tác” kiểm tra hơn, nhưng đều có hàm lượng tri thức khoa học - công nghệ đặc biệt cao, thiết bị rất đắt tiền, chuyên biệt....

- Do vậy, trong bối cảnh đất nước chưa thật dồi dào về tài vật và nhân lực, nên chăng xây dựng một hoặc một số Phòng thí nghiệm quốc gia các kỹ thuật NDT tiên tiến, nhằm:
 + tạo điều kiện cho nhiều đối tượng tiếp cận và phổ biến các kỹ thuật tiên tiến
 + sử dụng một cách hợp lý, toàn diện và hệ thống các kỹ thuật tiên tiến
 + nâng cao mặt bằng tri thức công nghệ của ngành NDT nước nhà trong bối cảch hội nhập và cạnh tranh toàn cầu...

- Những thông tin chi tiết, sâu sát hơn về những vấn đề trên, độc giả có thể liên hệ với các đơn vị và cá nhân sau:

1. Giáo sư tiến sỹ Võ Văn Thuận, Viện trưởng Viện khoa học và kỹ thuật hạt nhân

2. Giáo sư tiến sỹ Võ Đắc Bằng, Cố vấn cao cấp Viện Năng lượng nguyên tử Việt nam

3. Giáo sư tiến sỹ Trần Đại Nghiệp, Cố vấn kỹ thuật Viện khoa học và kỹ thuật hạt nhân

4. Tiến sỹ Nguyễn Trọng My, Nghiên cứu viên cao cấp Viện khoa học và kỹ thuật hạt nhân, Cố vấn khoa học Công ty VISCO

5. NDT Level III Đào Quang Long, Phó giám đốc Trung tâm ứng dụng kỹ thuật hạt nhân

6. Vũ Tiến Hà, Giám đốc Trung tâm NDT và Kỹ thuật hạt nhân, Công ty NEAD