Kiểm tra mối hàn không phá huỷ: siêu âm, chụp X quang, thẩm thấu màu

Kiểm tra mối hàn không phá huỷ là tìm khuyết tật bên trong và trên bề mặt mối hàn mà không phải cắt hay làm hỏng chi tiết. Năm phương pháp chính là quan sát bằng mắt, thẩm thấu màu, bột từ, siêu âm và chụp ảnh bằng tia X hoặc tia gamma. Cầu thép, bồn chịu áp lực, đường ống dẫn dầu khí phải kiểm từng mối quan trọng vì một vết nứt nhỏ giấu bên trong có thể lớn dần theo năm tháng và gây vỡ đột ngột.

Mối hàn có thể có những khuyết tật nào?

Mối hàn là một mẻ đúc thu nhỏ: kim loại lỏng đông đặc trong vài giây, dưới tay thợ hoặc robot. Rất nhiều thứ có thể sai. Các tiêu chuẩn như ISO 6520 phân loại khuyết tật thành nhiều nhóm; những loại hay gặp nhất là:

Trong đó, nứt và không ngấu là đáng sợ nhất vì chúng là những mặt phẳng sắc nhọn, nơi ứng suất tập trung cao. Dưới tải trọng thay đổi liên tục (xe chạy qua cầu, áp suất trong ống lên xuống), vết nứt có thể dài thêm một chút sau mỗi chu kỳ. Hiện tượng này gọi là mỏi. Đến khi phần kim loại lành còn lại không đỡ nổi, kết cấu gãy rất nhanh. Rỗ khí nhỏ, tròn thường ít nguy hiểm hơn và tiêu chuẩn cho phép một mức nhất định.

Năm phương pháp kiểm tra chính khác nhau thế nào?

Ngoài ra còn có kiểm tra rò rỉ, kiểm tra áp lực (thử thuỷ lực bơm nước vào bồn, ống ở áp suất cao hơn áp suất làm việc), và các phương pháp hiện đại như dòng điện xoáy, siêu âm mảng pha.

Thẩm thấu màu hoạt động ra sao?

Đây là phương pháp dễ hình dung nhất. Sau khi làm sạch bề mặt, người kiểm xịt một lớp chất thấm màu đỏ có độ chảy loãng rất cao. Nhờ mao dẫn, chất thấm chui vào mọi vết nứt nhỏ như sợi tóc thông ra bề mặt. Chờ vài phút tới vài chục phút, lau sạch chất thấm thừa trên bề mặt, rồi xịt một lớp chất hiện màu trắng mịn như phấn. Chất hiện hút chất đỏ từ trong vết nứt ngược trở ra, vẽ thành một đường đỏ rõ nét trên nền trắng, rộng hơn vết nứt thật nhiều lần. Một biến thể dùng chất thấm huỳnh quang, quan sát dưới đèn tia cực tím trong buồng tối, nhạy hơn.

Thẩm thấu màu dùng được cho thép, inox, nhôm, titan, kể cả gốm. Nhưng nó chỉ tìm thấy khuyết tật hở ra bề mặt. Một bọt khí kín bên trong hoàn toàn vô hình với phương pháp này.

Bột từ và siêu âm "nhìn" vào bên trong bằng cách nào?

Bột từ dựa vào từ trường. Chi tiết thép được từ hoá bằng nam châm điện hình chữ U. Nếu có vết nứt cắt ngang đường sức từ, từ trường bị "rò" ra ngoài ở hai mép vết nứt. Rắc bột sắt mịn (thường có màu hoặc huỳnh quang) lên, bột tụ lại đúng chỗ rò, vẽ ra vết nứt. Phương pháp nhanh và rất nhạy với nứt bề mặt và sát bề mặt, nhưng chỉ dùng được cho vật liệu sắt từ; inox austenit và nhôm không từ hoá được nên không áp dụng.

Siêu âm hoạt động giống máy siêu âm trong bệnh viện hay máy dò cá. Đầu dò áp lên bề mặt qua một lớp gel tiếp âm, phát xung âm tần số cao, thường vài megahertz, vào trong thép. Sóng đi thẳng, gặp mặt sau tấm thì phản xạ về. Nếu gặp một khuyết tật như vết nứt hay mảng không ngấu, sóng phản xạ sớm hơn. Màn hình hiện các "đỉnh" tín hiệu; từ thời gian phản xạ và góc đầu dò, người kiểm tính ra khuyết tật nằm sâu bao nhiêu, cách mép bao xa.

Siêu âm mảng pha dùng đầu dò gồm hàng chục phần tử nhỏ phát lệch thời gian, quét chùm sóng theo nhiều góc và dựng thành hình ảnh mặt cắt mối hàn. Phương pháp này ngày càng thay thế chụp phim ở đường ống vì không có bức xạ và cho kết quả số ngay tại hiện trường.

Chụp X quang mối hàn có nguy hiểm không?

Chụp ảnh bức xạ giống chụp X quang xương. Nguồn tia X (máy phát) hoặc tia gamma (nguồn đồng vị phóng xạ như iridi-192, coban-60) đặt một bên mối hàn, phim hoặc tấm thu ảnh số đặt bên kia. Chỗ có rỗ khí hay ngậm xỉ ít kim loại hơn, tia đi qua nhiều hơn, hiện thành đốm sẫm trên phim. Tấm phim là bằng chứng lưu hồ sơ, có thể xem lại sau nhiều năm.

Vì dùng bức xạ ion hoá, chụp ảnh mối hàn chỉ được làm bởi nhân viên bức xạ có chứng chỉ, khu vực chụp được khoanh vùng, có biển cảnh báo, người làm đeo liều kế. Ở công trường đường ống, việc chụp thường diễn ra vào ban đêm hoặc khi đã giải toả người. Nguồn phóng xạ phải được quản lý chặt; trên thế giới từng có những sự cố nguồn công nghiệp bị thất lạc gây nguy hại cho người nhặt được. Nếu gặp vật lạ có biểu tượng cảnh báo phóng xạ ở công trường, không được chạm vào, báo ngay cho chính quyền.

Vì sao cầu, bồn áp lực, đường ống phải kiểm từng mối?

Ba loại kết cấu này có điểm chung: hỏng một mối hàn có thể kéo theo hậu quả lớn cho nhiều người. Bồn áp lực và nồi hơi tích trữ năng lượng khổng lồ dưới dạng khí nén hay hơi nước; một vết nứt lan nhanh có thể biến bồn thành vụ nổ. Đường ống dẫn khí, dẫn dầu dài hàng trăm kilômét có hàng chục nghìn mối hàn vòng, chỉ cần một mối rò là cháy nổ hoặc tràn dầu. Cầu thép chịu tải trọng lặp lại hàng triệu lần trong đời sống, đúng điều kiện để vết nứt mỏi phát triển.

Lịch sử kỹ thuật thế kỷ 20 ghi nhận nhiều sự cố kết cấu hàn gãy giòn hoặc mỏi bắt nguồn từ khuyết tật mối hàn và vật liệu không phù hợp. Chính những bài học đó đẻ ra các bộ quy phạm nghiêm ngặt ngày nay: mỗi mối hàn quan trọng phải có quy trình hàn được duyệt, thợ hàn có chứng chỉ đúng tư thế, và tỷ lệ kiểm tra không phá huỷ quy định rõ. Với ống áp lực cao hay mối hàn chịu lực chính của cầu, tỷ lệ này có thể là 100%.

Mức chấp nhận khuyết tật được ghi trong tiêu chuẩn, ví dụ ISO 5817 chia ba mức chất lượng B, C, D từ khắt khe tới nới hơn. Mối hàn không đạt bị đánh dấu, mài bỏ phần lỗi, hàn lại, rồi kiểm lại từ đầu.

Nghề kiểm tra không phá huỷ có gì đáng biết?

Người làm kiểm tra không phá huỷ được cấp chứng chỉ theo phương pháp và cấp bậc (thường cấp 1, 2, 3 theo ISO 9712 hoặc hệ tương đương). Cấp 1 thực hiện theo chỉ dẫn; cấp 2 tự thiết lập, thực hiện và đánh giá kết quả; cấp 3 viết quy trình và chịu trách nhiệm kỹ thuật. Đây là nghề cần kiến thức vật lý, vật liệu và hàn, làm việc ở nhà máy đóng tàu, giàn khoan, nhà máy điện, công trình cầu đường. Riêng việc dùng nguồn phóng xạ để chụp ảnh mối hàn phải được cơ quan quản lý an toàn bức xạ cấp phép, và người làm phải có chứng chỉ nhân viên bức xạ.