Chuyên Đề

Các Phương Pháp NDT Cho Nhà Máy Điện Hạt Nhân

Mở đầu

Hiện nay, trên thế giới, kiểm tra không phá huỷ (NDT) đã được ứng dụng hết sức phổ biến nhằm đảm bảo tính toàn vẹn, sự an toàn trong quá trình chế tạo, vận hành cũng như bảo dưỡng của các nhà máy điện hạt nhân. NDT cho phép đảm bảo an toàn toàn bộ các cấu kiện/chi tiết/thiết bị quan trọng mà không làm hư hỏng hay phá huỷ chúng. Bên cạnh đó, NDT đã, đang và sẽ tạo ra sự hiệu quả to lớn về mặt giá thành.

Mỗi kỹ thuật hay phương pháp NDT đều có những ưu điểm cũng như hạn chế. Do đó, để giải một bài toán đáp ứng các yêu cầu cụ thể, thông thường chúng ta cần nhiều giải pháp khác nhau, cũng có thể chỉ một hoặc kết hợp đồng thời nhiều kỹ thuật NDT trong số các phương pháp sau đây: Kiểm tra trực quan (VT) , kiểm tra hạt từ (MT), kiểm tra thẩm thấu (PT), kiểm tra dòng điện xoáy (ET), kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (RT), kiểm tra siêu âm (UT), kiểm tra phát xạ âm (AET) và kiểm tra rò rỉ (LT).

Trong quá trình hoạt động của nhà máy điện hạt nhân sử dụng công nghệ VVER-1000, các cấu kiện có thể bị chiếu xạ và chịu tác động hoá học. Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của vật liệu dưới dạng: ứng suất, nhiệt độ, hấp thụ hidro, ăn mòn… làm vật liệu trở nên giòn, mỏi, biến dạng, lão hoá và/hoặc phát triển khuyết tật. Có hai công đoạn chủ yếu được thực hiện để kiểm soát các vấn đề trên bao gồm:

Kiểm tra trước vận hành (PSI)

Kiểm tra trước khi nhà máy bắt đầu hoạt động, kết quả của quá trình này được xem là dữ liệu cơ bản để so sánh với chuỗi ISI sau này. PSI đảm bảo các cấu kiện có thể chấp nhận về mặt chất lượng tuân theo các tiêu chuẩn/quy phạm áp dụng.

Kiểm tra trong quá trình vận hành (ISI)

ISI hàm chứa các quá trình kiểm tra các cấu kiện nhà máy điện hạt nhân trong thời gian sống. ISI bị chi phối bởi các tiêu chí nhằm đảm bảo việc phát hiện các hư hỏng/bất thường không thể chấp nhận được của các cấu kiện.

Sơ lược về nhà máy điện hạt nhận sử dụng công nghệ VVER-1000

VVER là ký  hiệu của lò phản ứng năng lượng nước-nước nghĩa là lò này sử dụng nước với cả hai chức năng làm chậm nơtron và làm mát vùng hoạt. Công nghệ VVER có dải công suất từ 300 (đối với thế hệ đầu tiên) đến 1700 MW (đối với mới nhất). Đây là loại thiết kế lò áp lực (PWR). Tuy nhiên, VVER có các điểm đặc trưng và nét riêng biệt so các lò PWR khác. Dưới đây là thiết kế cơ bản của NPP sử dụng công nghệ VVER.

Hình 1. Thiết kế lò sử dụng công nghệ VVER-1000

Dựa trên thiết kế, các cấu kiện được kiểm tra NDT trong một loạt các quá trính PSI/ISI đối với nhà máy điện hạt nhân sử dụng công nghệ VVER-1000 chủ yếu bao gồm:

Các cấu kiện ống (piping) Các mối hàn bình bồn (vessel welds) Các mối hàn đầu bồn (vessel head) Các cấu kiện bơm (pumps) Nozzles Bê tông (concrete) Van (valves) Các đường ống sinh hơi (steam generator tubes) Các đường ống trao đổi nhiệt (heat exchanger tubes) Các đường ống làm mát (coolant tubes) Các thiết bị phụ trợ…

Những vấn đề về NDT với nhà máy điện hạt nhân

Hiện nay, trên thế giới, NDT đã khẳng định được sự quan trọng và tầm ảnh hưởng lớn đến các vấn đề an toàn của nhà máy điện hạt nhân. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả và ý nghĩa của NDT (dù là quá trình PSI hay ISI) cũng cần phải có sự đồng bộ từ các khâu như: Hệ thống quản lý, các văn bản pháp luật, tiêu chuẩn/quy phạm áp dụng, đào tạo chứng nhận con người, thiết bị, phương pháp đến kỹ thuật và quy trình…

Ở nước ta hiện nay, do mới bắt đầu bước vào giai đoạn chuẩn bị nền tảng, hướng đến nhà máy điện hạt nhân, vì vậy vẫn còn tồn tại một số vấn đề như sau:

Thiếu các văn bản pháp luật cho NPP cũng như an toàn bức xạ cho NPP Hệ thống tiêu chuẩn/quy phạm thiếu đồng bộ, không nhất quán ngay cả với các

phương pháp NDT thông thường và chưa có các tiêu chuẩn/quy phạm cụ thể cho NPP

Không có hệ thống đào tạo/chứng nhận con người được công nhận. Thiết bị NDT cho NPP chưa được đầu tư bài bản ngay tại các phòng thí nghiệm

phục vụ cho mục đích này. Vì không có tiêu chuẩn/quy phạm cụ thể nên các vấn đề về quy trình và phương

pháp kỹ thuật không được tham chiếu rõ ràng.

Tuy vậy, trong phạm vi của chuyên đề tác giả chỉ xin đề xuất một số các phương pháp NDT phổ biến sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000.

Kiểm tra trực quan (Visual Testing)

Kiểm tra trực quan (VT) được xem như một trong những phương pháp NDT lâu đời nhất và rẻ tiền nhất. VT cũng được coi là một phương pháp quan NDT quan trọng nhất, có khả năng áp dụng trong tất các các công đoạn: từ xây dựng đến chế tạo, vận hành và bảo dưỡng. Trong quá trình kiểm tra, nếu VT tự thân có thể tìm ra những thông tin cần thiết để đưa ra các quyết định thì các phương pháp NDT khác tự nhiên không còn cần thiết xét đến nữa.

Hình 2. Kiểm tra trực quan một đối tượng

Kiểm tra trực quan thông thường được thực hiện bằng mắt trần. Hiệu quả của phương pháp có thể được cải thiện thông qua sự trợ giúp của các công cụ đặc biệt. Các công cụ đó bao gồm: kính quang học (fiberscopes), ống nội soi (borescopes), kính lúp và gương. Trong cả hai trường hợp, việc kiểm tra đều chỉ bị giới hạn bởi các vùng có thể quan sát trực tiếp được bằng mắt. Tuy vậy, với tính khả dụng của các thiết bị tiên tiến được biết đến như các ống nội soi, quá trình kiểm tra trực quan có thể mở rộng cho các đối tượng, các vùng khảo sát từ xa mà với điều kiện bình thường không thể tiếp cận bằng mắt thường. Các khuyết tật như ăn mòn trong đường ống nồi sinh hơi không thể quan sát bằng mắt thường có thể dễ dàng phát hiện và ghi lại thông qua sử dụng các thiết bị trên.

Mặc dù được xem như là phương pháp đơn giản nhất trong các phương pháp NDT tuy nhiên quá trình kiểm tra phải được thực hiện bởi các cá nhân có đầy đủ khả năng

quan sát cũng như trình độ. Thêm vào đó, kinh nghiệm liên quan đến đối tượng kiểm tra cũng hết sức cần thiết cho phép cá nhân đó đưa ra các quyết định chính xác khi xem xét tình trạng thực tế của đối tượng.

Các ưu điểm của VT:

Phương pháp NDT rẻ nhất Có thể áp dụng ở tất cả các giai đoạn từ xây dựng, chế tạo, vận hành và bảo dưỡng Không yêu cầu đào tạo chuyên sâu Có khả năng đưa ra kết quả ngay tức thì

Giới hạn của phương pháp :

Chỉ giới hạn trong kiểm tra bề mặt Yêu cầu ánh sáng đầy đủ Tầm nhìn tốt

Kiểm tra thẩm thấu (Liquid Penetrant Testing)

Kiểm tra thẩm thấu là phương pháp NDT sử dụng nguyên lý dựa trên hiện tượng mao dẫn, trong đó chất lỏng có tính chất vật lý phù hợp có thể thẩm thấu sâu vào các vết nứt hoặc rỗ, lõm rất nhỏ khi chúng mở ra trên bề mặt. Phương pháp này không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn.

Phương pháp kiểm tra thấm thấu (PT) hàm chứa sự lắng đọng của một chất lỏng đặc biệt trên bề mặt đối tượng, chất lỏng sẽ bị hút vào bất cứ bề mặt khuyết tật nào nếu có thông qua tác dụng mao dẫn. Chất lỏng có đặc tính khả năng làm ướt bề mặt tốt, được áp dụng lên bề mặt đối tượng sau khoảng thời gian cho phép để thấm vào những vị trí khuyết tật phá ra trên bề mặt (Hình 2). Sau đó chất thấm dư thừa được loại bỏ khỏi bề mặt trước khi chất hiện được áp dụng, tác dụng mao dẫn ngược cùng với sự hỗ trợ của chất hiện làm hé lộ sự xuất hiện của khuyết tật giúp chúng có thể được kiểm tra và đánh giá bằng mắt thường. Phương pháp PT có thể được sử dụng trên các chi tiết kim loại hoặc phi kim, có từ tính hoặc không có từ tính.

Kiểm tra thấm lỏng nói chung thường bao gồm các bước sau:

Làm sạch ban đầu

Ở công đoạn này, bề mặt của chi tiết kiểm tra được làm sạch khỏi bất cứ vết bẩn nào có thể làm đóng sự “mở ra” trên bề mặt của bất liên tục. Quá trình làm sạch được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau như làm sạch bằng bay hơi, dung môi và siêu âm v.v…

Áp dụng chất thấm

Sau khi bề mặt đã được làm sạch sẽ áp dụng chất thấm. Chất thấm có thể là chất thấm màu thường hoặc màu huỳnh quang. Quá trình áp dụng chất thấm được thực hiện thông qua nhúng, phun xịt hoặc chải quét, phụ thuộc vào bản chất hoặc đối tượng được kiểm tra. Quá trình thấm sau đó được duy trì trên bề mặt trong một khoảng thời gian xác định được gọi là thời gian thấm. Trong thời gian này, nếu có bất cứ khuyết tật nào, chất thấm sẽ thấm sâu vào trong nó.

Hình 3. Nguyên lý kiểm tra thẩm thấu

(a) Áp dụng chất thấm (b) Loại bỏ chất thấm dư

(c) Áp dụng chất hiện (d) Kiểm tra sự xuất hiện của các bất liên tục

Hình 4. Chuẩn bị đối tượng để thực hiện PT

Loại bỏ chất thấm dư

Chất thấm dư cần được loại bỏ khỏi bề mặt nhằm phục vụ cho các bước kiểm tra sau. Việc loại bỏ chất thấm dư có thể đạt được thông qua áp dụng nước, dung môi hoặc chất nhũ tương, theo sau đó là nước (phụ thuộc vào loại chất thấm được sử dụng) trên bề mặt đối tượng. Trong công đoạn này, tất cả chất thấm không mong muốn sẽ bị loại bỏ khỏi bề mặt, chỉ để lại chất thấm bị giữ lại bên trong bất liên tục nếu có.

Áp dụng chất hiện

Chất hiện sau đó được áp dụng lên bề mặt đối tượng kiểm tra. Chất hiện có thể dưới dạng chất hiện bột khô hoặc chất hiện ướt, có tác dụng như một tờ giấy thấm, hút chất thấm ra khỏi bất liên tục.

Sau khi làm như vậy, chất thấm sẽ rỉ ra tạo thành một chỉ thị mà hình dạng của chỉ thị đó phụ thuộc vào loại bất liên tục xuất hiện trong vật liệu. Mỗi chỉ thị được lưu lại thông qua áp dụng một loại băng đặc biệt hoặc thông qua chụp ảnh

Làm sạch sau khi kiểm tra

Quá trình áp dụng chất thấm và chất hiện làm cho bề mặt bị nhiễm bẩn. Vì thế quá trình làm sạch sau kiểm tra là quan trọng nhằm tránh xảy ra ăn mòn vật liệu nếu có có thể ảnh hưởng đến đặc tính sử dụng sau này.

Cũng như các phương pháp NDT khác, kiểm tra thẩm thấu cũng có ưu điểm và giới hạn:

Ưu điểm:

Quá trình thực hiện đơn giản Chi phí không cao Có thể áp dụng cho các vật liệu với hình dạng phức tạp

Giới hạn

Chỉ phát hiện các bất liên tục mở ra trên bề mặt Không thể áp dụng cho các vật liệu rỗ xốp Yêu cầu tiếp cận được trong quá trình trước và sau khi làm sạch Bề mặt phức tạp có thể làm xuất hiện chỉ thị không liên quan

Kiểm tra hạt từ (Magnetic Particle Testing)

Kiểm tra hạt từ (MT) là phương pháp NDT sử dụng hiện tượng từ tính. Vật liệu kiểm tra ban đầu được từ hoá thông qua một trong rất nhiều các cách từ hoá khác nhau. Sau khi từ hoá, từ trường được thiết lập bên trong và các vùng lân cận của vật liệu. Sau đó, các hạt sắt nhỏ phủ màu được áp dụng lên mẫu. Những hạt từ này bị hút lại bởi từ trường rò rỉ và sẽ chụm lại hình thành nên một chỉ thị trực tiếp trên bất liên tục. Chỉ thị của khuyết tật đó có thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Sự xuất hiện của các bất liên tục trên bề mặt và gần bề mặt của vật liệu gây nên từ trường rò và truyền qua không khí. Từ trường như vậy được gọi là từ trường rò rỉ. Khi hạt từ được phun xịt lên bề mặt từ trường rò rỉ sẽ hút các hạt từ (hay bột từ), tạo thành chỉ thị có hình dạng tương tự bất liên tục. Chỉ thị này có thể phát hiện bằng mắt thường dưới những điều kiện ánh sáng phù hợp.

Hình 5: Nguyên lý kiểm tra hạt từ

Hình 6: Đường sức từ trường và sự rò rỉ từ trường bởi vết nứt

Kiểm tra hạt từ (MT) được sử dụng để xác định các bất liên tục hay khuyết tật bề mặt và gần bề mặt. Kiểm tra hạt từ chỉ có thể áp dụng trên các vật liệu từ tính.

Có nhiều kỹ thuật từ hoá vật liệu khác nhau, trong đó có kỹ thuật sử dụng nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, việc sử dụng nam châm điện được xem như ưu việt và hiệu quả hơn để từ hoá. Ngoài ra, còn một cách khác để tạo từ trường bên trong vật liệu là thông qua sử dụng cuộn dây mang điện.

Bằng cách này, từ trường dọc được thiết lập trên các đối tượng dài như các thanh và các vật hình trụ dài. Mặt khác, từ trường vòng được sinh ra bằng cách cho dòng điện chạy dọc trên các cấu kiện hình trụ. Từ trường bên trong vật liệu kiểm tra có thể sinh ra được thông qua sử dụng dòng xoay chiều (AC) và dòng một chiều (DC). Nói chung, việc sử dụng dòng DC sinh ra từ trường sâu hơn bên dưới bề mặt cho phép phát hiện bất liên tục nằm gần bề mặt.

Các bất liên tục có thể được phát hiện tốt nhất khi vuông góc với hướng từ trường. Cơ hội phát hiện giảm khi góc giữa từ trường và hướng khuyết tật giảm. Khi góc giữa từ trường và hướng khuyết tật bằng không (từ trường song song với hướng khuyết tật) cơ hội để phát hiện khuyết tật bằng không.

MT thường có các bước sau:

Làm sạch ban đầu Từ hoá Áp dụng hạt từ Khử từ

MT có các ưu điểm và giới hạn như sau:

Ưu điểm

Chi phí rẻ Thiết bị linh hoạt Thiết bị dễ dàng sử dụng Đưa ra kết quả ngay tức thì Nhạy với các bất liên tục bề mặt và gần bề mặt

Giới hạn

Chỉ có thể áp dụng với các vật liệu sắt từ Không nhạy với các khuyết tật bên trong Yêu cầu từ hoá và khử từ vật liệu kiểm tra Yêu cầu hạt từ cung cấp để từ hoá Lớp phủ sơn tương phản có thể che lấp chỉ thị Vật liệu có thể bị đốt cháy trong quá trình từ hoá

Phương pháp điện từ hay kiểm tra dòng điện xoáy (Electromagnetic or Eddycurrent Testing)

Phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy (ET) là một trong số các phương pháp NDT sử dụng nguyên lý điện từ làm cơ sở để tiến hành kiểm tra. Để sinh ra dòng điện xoáy trong quá trình kiểm tra, một đầu dò sẽ được sử dụng. Đầu dò là vật liệu dẫn điện được cấu thành dưới dạng một cuộn dây. Dòng điện xoay chiều tác dụng lên cuộn dây làm hình thành một từ trường động xung quanh nó. Khi vật liệu dẫn điện được đặt trong từ trường động của cuộn dây sẽ xảy ra hiện tượng cảm ứng điện từ dẫn tới việc sinh ra dòng điện xoáy trong vật liệu đó. Dòng điện xoáy chạy trong vật liệu sẽ sinh ra từ trường thứ cấp của riêng chúng, có hướng đối ngược với tư trường sơ cấp. Toàn bộ quá trình cảm ứng điện từ sinh ra dòng điện xoáy có thể xảy ra từ hàng trăm tới hàng ngàn lần mỗi giây, phụ thuộc vào tần số kiểm tra.

Hình 7. Nguyên lý kiểm tra dòng điện xoáy

Trong quá trình kiểm tra ống, thông quá các thao tác phân tích một cách cẩn thận về pha của tín hiệu dòng xoáy và so sánh chúng với tín hiệu dòng xoáy nhận được từ một chuỗi các lỗ với độ sâu khác nhau trong ống hiệu chuẩn, có thể ước lượng được lượng mất mát thành ống.

Các ưu điểm và giới hạn của phương pháp dòng xoáy như sau:

Ưu điểm

Kết quả nhận được ngay tức thì Hệ thống kiểm tra có thể dễ dạng được tự động hoá Là phương pháp không tiếp xúc Thiết bị xách tay và phù hợp với các lĩnh vực ứng dụng Một vài thiết bị được chế tạo chuyên dụng cho các phép đo đặc biệt (ví dụ,. độ dẫn

điện, độ sâu vết nứt, v.v…)

Giới hạn

Chỉ có thể áp dụng cho các vật liệu dẫn điện Nếu được sử dụng cho các vật liệu sắt từ, đối tượng phải được bão hoà từ để giảm

thiểu tác động từ độ thấm từ Yêu cầu người thực hiện có nhiều kỹ năng và kinh nghiệm Chỉ có thể áp dụng để phát hiện các bất liên tục bề mặt và gần bề mặt

Kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (Radiographic Testing)

Chụp ảnh phóng xạ là phương pháp NDT sử dụng tính chất đâm xuyên của bức xạ, dựa trên sự sai khác của quá trình hấp thụ bức xạ trong từng phần của cấu kiện kiểm tra. Trong phương pháp này nguồn bức xạ có thể là các nguồn phóng xạ, chủ yếu là Irridium-192, Cobalt-60, Caesium-137 phát tia gamma hoặc các máy phát tia X.

Hình 8. Nguyên lý chụp ảnh phóng xạ

Hình 9. Ảnh chụp phóng xạ

Có rất nhiều phương pháp NDT, nhưng chỉ có một vài trong số đó kiểm tra thể tích của một mẫu; còn lại chủ yếu để phát hiện các khuyết tật bề mặt. Một trong số những phương pháp tốt nhất được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là phương pháp chụp ảnh phóng xạ - sử dụng tia X và tia gamma để sinh ra ảnh chụp của một mẫu vật: biểu diễn bất cứ sự thay đổi nào về chiều dày, các khuyết tật (bên trong và bên ngoài) và cấu trúc chi tiết v.v…

Trong quá trình tia X hoặc tia gamma đâm xuyên qua vật liệu, bức xạ chịu sự tác động của cấu trúc bên trong vật liệu, thể hiện thông qua các quá trình hấp thụ và tán xạ. Nếu cấu trúc bên trong là đồng nhất, quá trình hấp thụ và tán xạ sẽ là giống nhau trong cả vật liệu, bức xạ thoát ra từ vật liệu sẽ có cường độ giống nhau.

Những bức xạ này sau đó được lưu lại bởi một vật trung gian, chủ yếu là phim chụp. Khi phim được xử lý, vùng ảnh tối đơn nhất sẽ xuất hiện trên phim chỉ ra tính đồng nhất của vật liệu kiểm tra. Tính đồng nhất này sẽ khác đi khi vật liệu chứa các bất liên tục

hoặc có sự biến đổi về chiều dày. Nói chung, quá trình hấp thụ bức xạ bởi vật liệu phụ thuộc vào chiều dày hiệu dụng mà bức xạ đâm xuyên qua.

Các bất liên tục như nứt, ngậm xỉ, rỗ khí, không thấu và không ngấu làm giảm chiều dày hiệu dụng của vật liệu. Vì thế, sự xuất hiện của các bất liên tục phần lớn làm bức xạ chịu ít sự hấp thụ hơn so với những vùng không có bất liên tục. Kết quả là trong những vùng chứa bất liên tục sẽ chứa nhiều hơn các bức xạ thoát ra, được lưu lại trên phim và hình thành vùng ảnh tối biểu diễn cấu trúc bên trong của vật liệu.

Hình dạng của bất liên tục trên ảnh chụp bức xạ như thế nào còn phụ thuộc vào loại bất liên tục đó. Ví dụ các vết nứt sẽ sinh ra một đường mảnh, tối và bất thường, trong khi đó rỗ khí lại sinh ra trên ảnh những vùng tối tròn kích cỡ khác nhau.

Một số bất liên tục xuất hiện trong vật liệu như ngậm tungsten trong thép có mật độ lớn hơn xung quanh nó. Trong trường hợp này, chiều dày hiệu dụng cần thiết để bức xạ xuyên qua ở trên một cấp độ nào đó là lớn hơn. Nói cách khác, nhiều bức xạ bị hấp thụ hơn. Tại những vùng này kết quả là cường độ bức xạ thoát ra sau khi xuyên qua sẽ nhỏ hơn ở các vùng khác, tạo thành vùng ảnh trắng hơn có hình dạng của ngậm tungsten trong vật liệu.

Chụp ảnh phóng xạ được sử dụng rộng lớn trong công nghiệp. Ảnh chụp cố định hai chiều giúp phương pháp này trở thành một trong những phương pháp NDT phổ biến nhất ứng dụng trong công nghiệp. Tuy vậy, bức xạ sử dụng trong chụp ảnh phóng xạ có những nguy hiểm tiềm tàng cho người chụp và dân chúng xung quanh vì vậy chúng cần được kiểm soát nghiêm ngặt bởi các cơ quan chức năng.

Gần như toàn bộ các quốc gia trên thế giới đều có ‘khung pháp lý’ quy định cho việc sử dụng phóng xạ. Chính điều này làm RT trở thành một trong những phương pháp NDT tốn kém nhất.

Ưu điểm và giới hạn của phương pháp như sau:

Ưu điểm

Có thể áp dụng trên hầu hết tất cả các vật liệu Tạo ra ảnh cố định có thể đọc và đối chiếu trong thời gian dài Có thể phát hiện được các bất liên tục bề mặt, gần bề mặt và bên trong vật liệu Có thể phát hiện lỗi ở các công đoạn chế tạo khác nhau Nhiều thiết bị có tính cơ động cao

Giới hạn

Phóng xạ sử dụng nguy hiểm cho người thực hiện và dân chúng xung quanh Phương pháp đắt tiền Không có khả năng phát hiện các bất liên tục tách lớp Một vài thiết bị cồng kềnh Chụp ảnh sử dụng máy phát tia X cần nguồn điện Yêu cầu tiếp cận được cả 2 phía (phía phim và phía nguồn) Không đưa ra kết quả ngay tức thì (yêu cầu xử lý phim sau đó là giải đoán và đánh

giá)

Yêu cầu đào tạo cao về chụp phim cũng như an toàn bức xạ

Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing)

Bắt nguồn từ tên gọi, siêu âm là một phương pháp NDT sử dụng sóng âm có tần số bên ngoài dải nghe của tai người. Sóng âm có tần số khoảng 50kHz đến 100 kHz được sử dụng phổ biến để kiểm tra các vật liệu phi kim, trong khi đó sóng âm có tần số 0,5 MHz lên tới 10 MHz được sử dụng phổ biến để kiểm tra các vật liệu kim loại.

Phương pháp kiểm tra siêu âm sử dụng tần số sóng âm cao để đo các tính chất hình học và vật lý trong vật liệu. Sóng âm băng qua các vật liệu khác nhau ở các vận tốc khác nhau. Sóng âm sẽ tiếp tục băng qua vật liệu ở một vận tốc đã cho và không quay trở lại trừ khi nó đập vào một chi tiết tạo phản xạ. Chi tiết tạo phản xạ có thể xem như bất cứ đường biên nào giữa 2 vật liệu khác nhau, hoặc khuyết tật. Đầu dò phát và nhận sóng siêu âm, so sánh cả 2 tín hiệu (phát và bị phản xạ trở lại) vị trí của khuyết tật và kích cỡ của chúng có thể đo được.

Sóng âm tần số cao truyền vào trong vật liệu, chúng bị phản xạ ngược trở lại từ các bề mặt hoặc các khuyết tật. Năng lượng sóng âm phản xạ được hiển thị cùng với thời gian, và người kiểm tra có thể hình dung mặt cắt ngang của mẫu biểu thị độ sâu của các đặc trưng sóng âm phản xạ. (Hình 10)

Hình 10. Nguyên lý kiểm tra siêu âm

Cũng như chụp ảnh phóng xạ, siêu âm là một phương pháp NDT được sử dụng để phát hiện các bất liên tục chủ yếu bên trong vật liệu. Trong kiểm tra siêu âm, sóng âm sinh ra bởi đầu dò được chế tạo từ các vật liệu có hiệu ứng áp điện. Vật liệu có hiệu ứng áp điện là các vật liệu có khả năng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng sóng âm và ngược lại. Vật liệu áp điện sử dụng chủ yếu là thạch anh. Khi tinh thể thạch anh được cắt theo các hướng và chiều dày nhất định chúng có khả năng phát ra sóng âm phù hợp để kiểm tra siêu âm. Phụ thuộc vào hướng cắt tinh thể, sóng âm sinh ra từ tinh thể thạch anh có thể là sóng dọc hoặc sóng ngang. Hình 11 biểu diễn quá trình kiểm tra siêu âm trong phòng thí nghiệm.

Trong khi kiểm tra, sóng âm sinh ra từ đầu dò truyền vào vật liệu kiểm tra thông qua chất tiếp âm. Sóng âm này băng qua vật liệu với vận tốc phụ thuộc vào từng loại vật

liệu. Ví dụ, sóng dọc truyền với tốc độ 5960 m/s trong thép và 6400 m/s trong nhôm. Khi không có bất liên tục trong vật liệu, sóng âm tiếp tục truyền đến khi va chạm với thành sau của vật liệu.

Hình 11 biểu diễn kiểm tra siêu âm trong phòng thí nghiệm

Tại thành sau, sóng âm bị phản xạ và tiếp tục truyền trong vật liệu cho tới khi nó quay trở lại đầu dò. Trong đầu dò, biến tử áp điện biến đổi năng lượng âm thành xung điện. Xung điện sau đó được khuếch đại và hiển thị trên màn hình như một tín hiệu của thành sau.

Tuy nhiên, nếu tồn tại các bất liên tục bên trong vật liệu, một phần năng lượng sóng âm bị phản xạ bởi các bất liên tục này trong khi phần còn lại tiếp tục truyền trong vật liệu tới khi chạm vào thành sau và phản xạ ngược trở lại. Trong tình huống này, phần sóng âm bị phản xạ bởi bất liên tục sẽ tới đầu dò đầu tiên và sau đó là tín hiệu bị phản xạ từ thành sau. Trong cả hai trường hợp các năng lượng sóng âm được biến đổi thành tín hiệu điện sau đó được hiển thị trên màn hình thể hiện tín hiệu thành sau và tín hiệu do bất liên tục. Thông qua các bước hiệu chuẩn phù hợp, cả vị trí bất liên tục cùng với vị trí thành sau và kích cỡ bất liên tục có thể được xác định.

Thực tế đã chứng minh siêu âm không tồn tại nhưng nguy hiểm tiềm tàng cho người thực hiện, điều đó làm cho phương pháp này trở thành một đối trọng khi so sánh với phương pháp chụp ảnh phóng xạ. Tuy nhiên, người thực hiện yêu cầu có nhiều kinh nghiệm và kỹ năng để giải đoán chính xác kết quả kiểm tra. Không giống như chụp ảnh phóng xạ tại đó các kết quả hiển thị dưới dạng hình ảnh, kết quả kiểm tra siêu âm hoàn toàn dưới dạng tín hiệu điện. Kiến thức về vật liệu, dịch chuyển đúng cách đầu dò và chính xác trong hiệu chuẩn là tuyệt đối cần thiết để đánh giá chính xác kết quả kiểm tra.

Hiện tại, các thiết bị siêu âm đã được ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến như siêu âm mảng điều pha (PAUT) và nhiễu xạ thời gian bay (TOFD)… có khả năng hiển thị kết quả trong cả 2 chiều và 3 chiều. Sự phát triển này đem đến sức mạnh lớn hơn cho phương pháp siêu âm khi cạnh tranh với phương pháp chụp ảnh phóng xạ.

Những ưu điểm và giới hạn của phương pháp siêu âm như sau:

Ưu điểm

Chỉ yêu cầu tiếp cận từ một phía Có khả năng phát hiện các khuyết tật bên trong Không gây nguy hại cho người vận hành Có thể áp dụng để đo chiều dày, phát hiện bất liên tục, và xác định các tính chất

của vật liệu. Có thể đưa ra kích cỡ bất liên tục được phát hiện Rất nhạy với bất liên tục dạng mặt Phù hợp để tự động hoá Thiết bị linh hoạt phù hợp trong lĩnh vực kiểm tra Có khả năng đo chiều dày vật liệu

Giới hạn

Không có khả năng phát hiện các bất liên tục dạng mặt song song với hướng truyền âm

Cần sử dụng chất tiếp âm để cải thiện quá trình truyền sóng âm Yêu cầu các khối hiệu chuẩn và quy chuẩn tham chiếu Yêu cầu người thực hiện phải có nhiều kinh nghiệm và kỹ năng Không tin cậyđối với các bất liên tục bề mặt và gần bề mặt do nhiễu giữa xung

ban đầu và tín hiệu do bất liên tục.

Kiểm tra phát xạ âm (Acoustic Emission Testing)

Kiểm tra phát xạ âm là phương pháp sử dụng để cung cấp thông tin về sự đứt gãy tiềm tàng của từng phần trong các chi tiết kỹ thuật, phần lớn là các cấu kiện kim loại.

Hình 12. Nguyên lý quá trình kiểm tra phát xạ âm

Phát xạ âm là các tác động vi chấn bắt nguồn từ trong đối tượng kiểm tra khi chịu một tải trọng bên ngoài. Phát xạ âm được gây ra bởi các nhiễu loạn cục bộ như nứt tế vi, sự chuyển dịch trật khớp, ma sát bất thường v.v. Trong NDT, phát xạ âm thường được áp dụng để giám sát liên tục các vết nứt chịu tải trọng ngoài. Sự phát triển của vết nứt sẽ phát ra sóng âm có tần số cao theo các hướng khác nhau. Bằng cách đặt các cảm biến

xung quanh vết nứt, giám sát thời gian đến của tín hiệu, quan sát tần số phát xạ và biên độ của sự kiện, bản chất của vết nứt tế vi trong vật liệu có thể được định lượng

Các nguồn phát xạ âm được xác định thông qua tính toán sự khác nhau về thời gian để sóng đến các cảm biến khác nhau. Vận tốc của sóng âm trong đối tượng kiểm tra được xác định sử dụng phương pháp tốc độ xung. Ưu điểm đáng chú ý nhất của kỹ thuật này là nó cung cấp thông tin một cách định lượng động thái của vết nứt và tốc độ lan truyền. Tuy nhiên, kỹ thuật này được xem là rất phức tạp đòi hỏi con người có trình độ cao.

Kiểm tra rò rỉ (Leak Testing)

Phương pháp kiểm tra rò rỉ tập trung chủ yếu đến các cấu kiện chứa khí nguy hiểm có thể gây chết người. Việc rò rỉ trong các cấu kiện có thể dẫn tới hậu quả nghiêm trọng.

Nếu có chứa khí độc sẽ gây hại cho công nhân làm việc trong nhà máy. Nếu có chứa khí dễ cháy có thể dẫn tới cháy nổ. Vì thế kiểm tra rò rỉ cấu thành nên một trong những phương pháp quan trọng nhất để đánh giá tuổi thọ của nhà máy.

Có nhiều các kỹ thuật khác nhau để kiểm tra rò rỉ. Các kỹ thuật đánh dấu bao gồm việc tiêm chất phóng xạ đánh dấu vào trong hệ thống và giám sát nó thông qua sử dụng đầu dò độ nhạy cao đã được áp dụng thành công để phát hiện rò rỉ trong các bộ trao đổi nhiệt và đường ống. Các kỹ thuật khác để phát hiện rò rỉ bao gồm thử áp suất, thử hydro và thử helium.

Hình 13. Kiểm tra rò rỉ

Kết luận

Trên đây là một số phương pháp NDT cơ bản ứng dụng cho nhà máy điện hạt nhân sử dụng công nghệ VVER-1000. Quá trình áp dụng và sự hiệu quả của NDT cho nhà máy điện hạt nhân cũng như bao lĩnh vực khác, cho dù là quá trình PSI hay ISI đều phải đi kèm một hệ thống các yêu cầu cốt lõi khác nhau như đã được trình bày trong các phần trên.

08 phương pháp miêu tả trên đây đều là các phương pháp thiết yếu tuy nhiên còn có những phương pháp khác, các kỹ thuật tiên tiến khác của NDT có thể áp dụng để giải quyết các bài toàn thực tế trong nhà máy điện hạt nhân, ví dụ như phương pháp chụp ảnh nhiệt, phương pháp sóng dẫn hướng, kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ số (DR, DIR,..) / siêu âm tiên tiến (PAUT, TOFD,…).

Nhằm phát triển cả ‘về chất và về lượng’ đối với lĩnh vực NDT nói chung và hướng đến các phương pháp NDT cho nhà máy điện hạt nhân nói riêng. Bên cạnh sự đầu tư về phương pháp, kỹ thuật còn cần cả một quá trình đầu tư dài hạn về nguồn lực con người đây là quá trình tốn kém nhất nhưng lại đem lại hiệu quả nhất và là yếu tố tiên quyết nhất giúp cho mục tiêu làm chủ NDT cho nhà máy điện hạt nhân của Việt Nam được thành công.