1

GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP TIÊN TIẾN KIỂM TRA ỨNG SUẤT DƯ TRONG VẬT LIỆU

Center for Non-Destructive Evaluation140 Nguyen Tuan, Thanh Xuan, Ha noi, Viet NamTel. (84-4) 35 577881Fax: (84-4) 35 577882http://nde.com.vn/

Báo cáo: Lưu Vũ Nhựt

2

NỘI DUNG MỞ ĐẦU Các khái niệm cơ bản về ứng suất, ứng suất

dư, phân loại và ảnh hưởng Phương pháp khử và kiểm tra THIẾT BỊ Tính năng, ưu điểm, thông số Nguyên lý chung, quy trình và đánh giá THỰC NGHIỆM KẾT LUẬN

3

MỞ ĐẦUỨng suất là gì?Ứng Suất (MPa): (sức căng) là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ.Các dạng ứng suất trong vật lý

Ứng suất kéo (phát sinh khi thanh kim loại bị kéo)Ứng suất nén (phát sinh khi thanh kim loại bị nén)Ứng suất cắt Ứng suất uốn

Áp suất (trong chất lỏng và chất khí)Nếu ứng suất vượt quá giới hạn ứng suất cho phép có thể gây phá hủy, hư hỏng kết cấu.

Bulông bị ứng suất cắt

Thanh chịu ứng suất kéo

Thanh chịu ứng suất nén

Thanh chịu ứng suất uốn

4

Ứng suất tồn tại trong các bộ phận, kết cấu mà không do tác động của bất kỳ ngoại lực nào được gọi là ứng suất dư.

Chịu tác dụng ngoại lực

Khi bỏ ngoại lực, xuất hiện ứng suất tập trung tại vết nứt

Vết nứt tế vi

Ứng suất dư là gì?

Phân bố ứng suất trong mối hàn

5

Phân loại ứng suất dư

+ứng suất loại 1: nếu nó tác động và cân bằng trong phạm vi cỡ kích thước của vật hoặc từng phần (chi tiết) của nó.

+ứng suất loại 2: nếu nó tác động và cân bằng trong phạm vi một hoặc một số hạt tinh thể.

+ứng suất loại 3: nếu nó tác động giữa các phần tử của mạng tinh thể kim loại (ứng suất tế vi).

+ ứng suất một chiều (các chi tiết dạng thanh).+ ứng suất hai chiều (phẳng): các chi tiết dạng tấm và vỏ.+ ứng suất ba chiều (không gian): các chi tiết có cả ba chiều kích thước.

1. Theo phạm vi tác động

2. Theo hướng phân bố trong không gian:

6

Nguồn gốc của ứng suất dư? Có rất nhiều nguyên nhân sinh ra ứng suất dư. Ứng suất dư có thể sinh ra trong quá trình gia công vật phẩm từ thỏi đúc đến thành phẩm. Các khâu gia công có thể tạo thành ứng suất dư có thể kể đến: cán, uốn, rèn hoặc cắt, kéo, gia công cơ (tiện, phay,...) và nguyên công hàn.

a) ứng suất sinh ra do kết cấu bị nung nóng dưới ánh nắng mặt trời,

b) ứng suất trong mối hàn,

c) ứng suất khi mài

Ứng suất dư trong kết cấu ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của vật liệu, làm giảm tính dẻo, biến đổi phân bố ứng suất và giảm tính ổn định hình học, phá hoại tính hoàn chỉnh của tinh thể, tạo ra vết nứt trên bề mặt cấu kiện; nguyên công hàn (gây ra ứng suất dư kéo có thể đạt tới 400 MPa trong mối hàn).

Ảnh hưởng của ứng suất dư?

7

Tại sao phải quan tâm đến ứng suất dư? • Lịch sử đã có nhiều vụ tai nạn mà một nhân tố góp phần không nhỏ

vào sự phá hủy kết cấu đó chính là ứng suất dư.• Cụ thể là, Năm 1901 con tàu của Anh Navyship đã gặp tai nạn làm 36

thủy thủ chết, mặc dù con tàu này đã được thiết kế với độ an toàn cao, ứng suất cho phép cao…

• Năm 1967,kết cấu cây cầu treo ở viginia đã bị đổ sập, làm chết 46 lái xe và hành khách. Nguyên nhân là chi tiết móc treo được đúc với mức độ tập trung ứng suất dư cao-> sinh ra vết nứt-> vết nứt phát triển nhanh-> kết cấu bị phá hủy.

• Và còn nhiều những vụ tai nạn khác xảy ra ở các kết cấu thép, đường ống, bình bồn…

8

Phương pháp khử ứng suất dư?• Phương pháp Nhiệt luyện có thể giải phóng ứng suất còn tích trữ trong cấu trúc vật liệu sau các khâu gia công trước đó .• Nhiệt luyện khử ứng suất là sự nung nóng đồng nhất trên toàn bộ hoặc một phần của chi tiết đến một nhiệt độ thích hợp ở dưới khoảng nhiệt độ chuyển biến (nhiệt độ Ac1 với thép ferrite), giữ tại nhiệt độ đó trong thời gian xác định và làm nguội đồng nhất sau đó.

Phương trình Larson-Miller mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian

• Lựa chọn nhiệt độ và thời gian nhiệt luyện phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu. Nếu chế độ nhiệt luyện không đúng sẽ không có tác dụng làm giảm ứng suất mà có thể làm độ bền kết cấu kém hơn. Vì vậy phải kiểm tra tình trạng ứng suất sau khi nhiệt luyện và sau gia công.

Vậy có những phương pháp nào để kiểm tra ứng suất dư?

9

Hiện nay có rất nhiều phương pháp để đo ứng suất dư như phương pháp khoan lỗ hole drilling, nhiễu xạ, siêu âm …

Phương pháp kiểm tra ứng suất dư

10

Ở Nga, viện đo lường DIMENStest đã phát triển và chế tạo thiết bị đo ứng suất STRESSVISION. Đây là một phương pháp không phá hủy mới, hiện đại dựa trên hiệu ứng từ đàn hồi giúp kiểm tra và phân loại mức độ tập trung ứng suất của các vật liệu sắt từ trong kết cấu và các thiết bị chịu áp lực.

THIẾT BỊ ĐO ỨNG SUẤT STRESSVISION

- Hệ số tập trung ứng suất MSC- Đánh giá sự chênh lệch ứng suất chính ở những vùng nguy hiểm DPMS- Thiết bị không chỉ phát hiện khuyết tật trong sản phẩm mà còn khả năng dự đoán vị trí khuyết tật trong tương lai gần.

Thiết bị tích hợp nhiều tính năng để xác định các thông số như :

Thiết bị đo ứng suất Stressvision

11

ƯU ĐIỂM?• Thời gian đo nhanh 1-2s• Chiều dày đo đến 12mm• Độ chính xác 10-20 MPa• Mô phỏng 2D,3D bản đồ phân bố ứng suất• Hệ số tập trung ứng suất.• Chi phí thấp• Độ nhạy cao• Thiết bị di động, 2,5kg• Không yêu cầu cao về chuẩn bị bề mặt (lớp sơn, phủ có

thể đến 4mm). • Không yêu cầu người vận hành là NDT level 1 hay 2

12

THÔNG SỐ KỸ THUẬT Stt Thông số Đơn vị Gía trị

1.        Diện tích kiểm tra tối thiểu mm*mm 90х90

2.        Số điểm đo tối thiểu lines*points 5х5=25

3.        Số điểm đo tối đa line*point 14433

4.        Số vùng đo tối đa   577

5.        Thời gian cho 1 điểm đo s 1-2

6.        Điện áp nguồn  V + 6.0 ±0.6

7.        Dòng điện cực đại А 0,25

8.        Thời gian làm việc liên tục ở 20oC h 8

9.        Thời gian chuẩn máy min 0,5

13

NGUYÊN LÝ CHUNG• Nguyên lý chung dựa trên hiệu ứng từ đàn hồi. tức là vật liệu sắt từ

(ferromagnetic materials ) thay đổi tính chất từ dưới ảnh hưởng của ứng suất dư bên trong vật liệu. Mối quan hệ giữa ứng suất dư và từ trường liên quan đến độ nhạy S, S =əB/əσ

Nếu đặt một từ trường vào bề mặt của vật liệu đồng nhất thì đường sức từ đi qua trong vật liệu sẽ đồng nhất.

Ngược lại,đường sức từ đi qua trong vật liệu sẽ không đồng nhất nếu đặt một từ trường vào bề mặt của vật liệu không đông nhất (ảnh hưởng ứng suất dư).

14

- Đầu dò được chế tạo bằng 2 cuộn dây hình chữ U đặt vuông góc với nhau (cuộn dây kích hoạt E1E2 và cuộn dây đo D1D2) như hình bên.- Khi bị ảnh hưởng bới tập trung ứng suất sẽ gây ra sự thay đổi cảm ứng từ Bc trong cuộn dây đo D1D2, Sự thay đổi này gây ra suất điện động EMF(điện áp U) trong cuộn dây, đầu dò đo lại điện thế này để đánh giá sự bất đồng nhất từ trường, từ đó chuyển đổi thành giá trị tương đối sự chênh lệch ứng suất chính. U = K(ω2/ ω1)Bc S0 f sin β

Trong đó Bc – Cảm ứng từ (Tesla); So – Tiết diện bao phủ bởi cuộn dây; K- Hệ số tỉ lệ; f – Tần số. β – Góc giữa cuộn dây đo ω2 và cảm ứng từ B; ω1, ω2 – số vòng dây

Điện áp đầu ra là một tham số quan trọng để xác định trạng thái ứng suất trong vật liệu.

- Nếu vật liệu đồng nhất từ -> suất điện động ở cuộn đo bị bão hòa-> tín hiệu đầu ra (điện áp) bằng “không”

- Nếu vật liệu không đồng nhất từ -> không cân bằng suất điện động-> đầu ra xuất hiện tín hiệu điện áp U

Sự không cân bằng suất điện động phụ thuộc rất nhiều vào phương, hướng của ứng suất chính bên trong vật liệu

Nguyên lý đo

Cấu tạo đầu dò

15

ỨNG DỤNG• Phân tích ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tính chất vật liệu.• Chuẩn đoán, phát hiện khuyết tật và đánh giá mức độ tập trung ứng suất mối hàn.• Khảo sát và đánh giá tập trung ứng suất trong các lĩnh vực như dầu khí, hóa chất, nhà máy điện, xây dụng và các ngành công nghiệp khác.• Kiểm tra các sản phẩm thép như: thép hình, thép cán, thép dập…và các sản phẩm thép đúc sau khi chế tạo và ủ nhiệt.• Hoạt động kiểm tra, bảo trì thường xuyên…

16

QUY TRÌNH1. Chuẩn bị

- Làm sạch bề mặt cần khảo sát- Kẻ ô lưới trực tiếp hoặc kẻ trên giấy các đường và điểm đo (số điểm đo tối thiểu là 25 tương ứng 5 đường*5 điểm).- Dán ô kẻ trực tiếp trên vùng cần kiểm tra

Kẻ ô lưới trực tiếp lên chi tiết Kẻ trên giấy và được dán trên vùng cần kiểm tra

17

2. Chuẩn máyBao gồm check1 và check2, mất khoảng 1phút

3. Thiết lập các thông số đo Loại đầu dò, vùng đo, số điểm và đường

4. Kiểm tra

Việc đo phải thực hiện đầy đủ với các thông số đã cài đặt nếu không sẽ không thể hiển thị trên máy tính.

Mọi dữ liệu đo đạc phải được copy vào máy tính thông qua cổng RS232.

5.Kết nối máy tính

Đầu dò quét theo hàng ngang và dọc

18

6. Phân tích và đánh giá

Hệ số tập trung ứng suấtSự chênh lệch ứng suất chính 2D, 3DHệ số không đồng nhấtPhân tích theo độ sâu (Thin layer 3mm, second layer 6mm)

Sự chênh lệch ứng suất chính 2D, 3D

19

ĐÁNH GIÁ? 1. Dựa trên sự biến dạng dẻo, điểm chảy dẻo của vật liệu

để đưa ra các chỉ tiêu đánh giá:

- Sự chênh lệch ứng suất dư không vượt quá ứng suất chảy của vật liệu - Hệ số tập trung ứng suất và hệ số không đồng nhất xấp xỉ bằng 1 . - Gradient DPMS của sự chênh lệch ứng suất xấp xỉ 0

Trong đó (σ1−σ3) – sự chênh lệch ứng suất chính (DPMS); σТ – ứng suất chảy của vật liệu; G – DPMS gradient; MSC – Hệ số tập trung ứng suất; HSC – hệ số không đồng nhất ứng suất chính;

20

- Sự chênh lệch ứng suất chính DPSM đến 350 đơn vị (chênh lệch điểm cao nhất và thấp nhất) -> chi tiết làm việc ở điều kiện cho phép.

- Giá trị DPSM 350-420 chi tiết làm việc với ứng suất cao, có thể chấp nhận nhưng phải kiểm tra thường xuyên chu kì 6-12 tháng.

- Giá trị DPSM 420-450. ứng suất dư rất cao,khuyết tật có thể đã phát triển, khuyến cáo thay thế càng sớm càng tốt

- Giá trị DPSM 450-500 khuyến cáo phải có biện pháp khắc phục ngay lập tức, ngay cả khi không có khuyết tật trong vật liệu.

ĐÁNH GIÁ?2. Dựa theo khuyến cáo của nhà sản xuất

21

THỰC NGHIỆM

Thép tấm tiêu chuẩn PL15351 dành cho siêu âm, dày 10mm, biết trước vị trí khuyết tật và được đo bằng thiết bị stressvision. Ở vị trí vùng mối hàn, sự chênh lệch ứng suất của điểm cao nhất và thấp nhất là 360 đơn vị tại tọa độ (3;4), theo khuyến cáo nhà sản xuất thì chi tiết chịu ứng suất dư khá cao (nằm trong vùng 350-420) nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép và phải kiểm tra thường xuyên chu kì 6 hoặc12 tháng.

Vị trí khuyết tật

Hệ số tập trung ứng suất (MSC)

Chênh lệch ứng suất chính (DPMS)

22

Tương tự với ống thép tiêu chuẩn P15354, đường kính 100mm,được kiểm tra và đã xác định được vị trí khuyết tật tồn tại ứng suất dư khá cao 320 đơn vị

Vị trí khuyết tật

23

Đối với ống thép P15229, đường kính 300mm.Tại vị trí khuyết tật đo được 460 đơn vị. Theo khuyến cáo nhà sản xuất thì nên có biện pháp khắc phục ngay lập tức, ngay cả khi không có khuyết tật trong vật liệu.

Vị trí khuyết tật

24

KẾT LUẬN• Đây là một phương pháp NDT tiên tiến, đã được sử dụng

rộng rãi trong công nghiệp để kiểm tra chất lượng công trình và kết cấu mối hàn (Russia, Canada, Brazil, Australia…).

• Thiết bị có thể đánh giá mức độ tập trung ứng suất, sự chênh lệch ứng suất và các thông số quan trọng khác của vật liệu,

• Sự chênh lệch ứng suất không được vượt quá ứng suất chảy của vật liệu.

• Kết hợp với các phương pháp NDT khác để kiểm tra đánh giá chất lượng cấu kiện, giảm sự kiểm tra bằng các phương pháp RT, UT.

• Đây là phương pháp mới và chưa có tiêu chuẩn nhưng được chấp nhân như một phương pháp NDT để đo ứng suất dư.

• Tại Việt Nam đây là thiết bị đầu tiên và đang được triển khai tại Trung tâm NDE.

25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Operation manual of “Stressvision-2.05”.2. ASM Handbook Volume 4: Heat treating 3. Capabilities of the method for evaluation of stressed-

deformed state at inspection of nuclear power facilities. Yermakov Ye.L., Tivanova О.V.

4. Seen Invisible - Innovative technology for reliability of industrial safety. Isaac Einav.

5. http://advantech.my/Other%20Products/StressVision2.htm. STRESSVISION  is a novel non destructive testing system.

6. http://stressvision.ru7. http://www.ndt.ru/articles/d_test.shtml

26

Thank You!