Kiểm tra không phá hủy là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về Kiểm tra Không Phá Hủy (NDT)

Kiểm tra Không Phá Hủy (Non-Destructive Testing - NDT) là tập hợp các phương pháp và kỹ thuật nhằm đánh giá tính toàn vẹn, độ bền và chất lượng của vật liệu hoặc cấu kiện công nghiệp mà không làm biến dạng, phá vỡ hoặc làm hỏng chúng. NDT thường được áp dụng trong nhiều ngành như hàng không, dầu khí, đóng tàu, xây dựng, và cơ khí chính xác để phát hiện khuyết tật sớm và đảm bảo an toàn vận hành.

Trái ngược với Kiểm tra Phá hủy (Destructive Testing), NDT giữ nguyên hiện trạng ban đầu của vật mẫu, cho phép kiểm tra lặp lại nhiều lần hoặc tiến hành giám sát liên tục. Điều này giúp giảm thiểu chi phí sửa chữa, kéo dài tuổi thọ thiết bị và tăng cường độ tin cậy của kết cấu công nghiệp.

• Ứng dụng chính: giám sát kết cấu máy bay, đường ống dầu khí, cột thủy điện, và kết cấu cầu đường.
• Phạm vi kiểm tra: từ bề mặt đến khối vật liệu, từ kim loại đến composite, vật liệu 3D in.
• Tiêu chuẩn tham khảo: ASNT – American Society for Nondestructive Testing.

Nguyên lý cơ bản

Các phương pháp NDT dựa vào các hiện tượng vật lý: sóng siêu âm, bức xạ điện từ, từ trường tĩnh, dòng điện xoáy, và hóa chất phản ứng bề mặt. Mỗi kỹ thuật tận dụng sự tương tác đặc trưng giữa tác nhân kiểm tra và vật liệu để phát hiện khuyết tật như vết nứt, lỗ rỗng, bao bọt hoặc lẫn tạp chất.

Ví dụ, trong Siêu âm (UT), sóng cơ học được phát vào vật liệu với tần số cao; khi sóng gặp khuyết tật, một phần tín hiệu sẽ phản hồi lại đầu dò, cho phép xác định vị trí và kích thước khuyết. Công thức cơ bản mô tả mối quan hệ giữa vận tốc sóng, tần số và bước sóng như sau:

$v = f \,\lambda$ với v là vận tốc sóng, f là tần số, λ là bước sóng.

Trong kim loại, vận tốc sóng siêu âm còn phụ thuộc vào tính chất vật liệu:

$v = \sqrt{\frac{E}{\rho}}$ trong đó E là mô đun đàn hồi và ρ là mật độ vật liệu.

Phương thức	Đặc điểm	Ứng dụng điển hình
Sóng siêu âm	Phát/thu tín hiệu cơ học	Đo độ dày, phát hiện vết nứt
Tia X/Gamma	Chiếu xuyên, chụp ảnh phim hoặc cảm biến	Kiểm tra hàn, đúc
Dòng điện xoáy	Cảm ứng điện từ trên bề mặt	Phát hiện khuyết tật bề mặt, lớp mạ

Tham khảo tổng quan nguyên lý: NDT Resource Center.

Phân loại các phương pháp NDT

Các kỹ thuật NDT được phân nhóm theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm nguyên lý tương tác vật lý, phạm vi kiểm tra (bề mặt hay khối), và mức độ xâm lấn. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào loại khuyết tật cần phát hiện, hình dạng và kích thước chi tiết, cũng như điều kiện môi trường vận hành.

Theo nguyên lý hoạt động, ta có thể chia thành:

• Cơ học: Siêu âm (UT), Acoustic Emission.
• Điện từ: Dòng điện xoáy (ET), Ripple Current.
• Quang học và bức xạ: Phóng xạ (RT), Thermography.
• Hóa học và bề mặt: Thấm chất (PT), Từ tính (MT).

Theo phạm vi ảnh hưởng:

1. Bề mặt: PT, MT, Dye Penetrant.
2. Khối: UT, RT, Phased Array, TOFD.
3. Đường ống & ống dẫn: Guided Wave, Phased Array Pipeline Inspection.

Quy định chứng nhận nhân viên NDT: ISO 9712 – Qualification and Certification of NDT Personnel.

Các phương pháp phổ biến

Siêu âm (Ultrasonic Testing – UT): Sóng cơ học tần số cao (>0.5 MHz) được phát vào chi tiết; sóng phản hồi từ khuyết tật được phân tích theo thời gian truyền tín hiệu và biên độ. UT phù hợp kiểm tra độ dày, vết nứt nội khối, bao bọt trong kim loại và composite.

• Ưu điểm: độ phân giải cao, không cần tiếp cận cả hai mặt vật liệu.
• Hạn chế: yêu cầu đầu dò tiếp xúc hoặc gel đầu dò, khó phát hiện khuyết ở gần bề mặt.

Phóng xạ (Radiographic Testing – RT): Sử dụng tia X hoặc gamma từ nguồn phóng xạ (Ir-192, Co-60) để chiếu xuyên qua vật liệu lên phim hoặc detector số. Vùng khuyết tật, bao bọt xuất hiện dưới dạng bóng mờ hoặc sáng trên hình ảnh.

• Ưu điểm: quan sát hình ảnh khuyết tật rõ ràng, áp dụng cho nhiều vật liệu.
• Hạn chế: an toàn bức xạ, yêu cầu khu vực kiểm tra cách ly.

Thấm chất (Penetrant Testing – PT): Màng thuốc nhuộm xâm nhập vào vết nứt hở bề mặt; sau khi lau sạch bề mặt, thuốc hiện màu hoặc huỳnh quang trong vết nứt được chiếu đèn UV để phát hiện.

• Ưu điểm: nhanh, chi phí thấp, phát hiện vết nứt nhỏ.
• Hạn chế: chỉ kiểm tra bề mặt, bề mặt phải sạch, khô.

Từ tính (Magnetic Particle Testing – MT): Tạo từ trường tĩnh hoặc xoay chiều trong vật liệu ferromagnetic; bột từ (thường màu sáng) sẽ hội tụ tại rìa vết khuyết do nhiễu từ trường, dễ quan sát bằng mắt thường hoặc đèn UV.

• Ưu điểm: phát hiện vết nứt bề mặt và gần bề mặt nhanh chóng.
• Hạn chế: chỉ áp dụng cho vật liệu ferromagnetic, bề mặt cần làm sạch.

1. Dòng điện xoáy (Eddy Current Testing – ET): Luồng dòng điện xoáy cảm ứng trong bề mặt kim loại tạo thành từ trường; khuyết tật làm biến đổi tín hiệu điện đo được.
2. Ưu điểm: không cần tiếp xúc trực tiếp, phát hiện tốt khuyết gần bề mặt và lớp phủ.
3. Hạn chế: chỉ giới hạn độ sâu vài milimet, nhạy cảm với hình dạng chi tiết.

Ứng dụng trong công nghiệp

Kiểm tra Không Phá Hủy (NDT) đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo an toàn và độ tin cậy của các hệ thống công nghiệp. Trong ngành hàng không, NDT được sử dụng để giám sát độ bền của cánh, thân máy bay và các chi tiết máy nén khí động cơ, phát hiện vết nứt mỏi kim loại trước khi chúng trở thành sự cố nghiêm trọng.

Trong ngành dầu khí, NDT kiểm tra đường ống và bồn chứa áp lực để phát hiện ăn mòn, vết nứt mối hàn và khuyết tật nội khối. Công nghệ siêu âm mảng pha (Phased Array UT) và chụp ảnh phóng xạ kỹ thuật số (Digital Radiography) cho phép kiểm tra nhanh, lưu trữ kết quả điện tử và tái hiện hình ảnh 3D của khuyết tật.

• Đường ống dẫn khí: Guided Wave UT để kiểm tra dài nhiều km trong một lần quét.
• Cột điện gió: Phased Array UT kết hợp robot tự hành giám sát liên tục.
• Cầu và công trình bê tông: Ground Penetrating Radar (GPR) phát hiện khuyết tật bên trong bê tông.

Trong cơ khí chính xác và sản xuất ô tô, NDT giám sát bánh răng, trục truyền động, và mối hàn robot. Việc tích hợp cảm biến IoT và hệ thống AI giúp thu thập dữ liệu thời gian thực, phân tích xu hướng và dự báo thời điểm cần bảo trì (Predictive Maintenance).

Ưu điểm và Hạn chế

Ưu điểm:

• Không làm hỏng chi tiết, cho phép kiểm tra nhiều lần và giám sát liên tục.
• Phát hiện sớm khuyết tật tiềm ẩn, ngăn ngừa sự cố, giảm chi phí sửa chữa khẩn cấp.
• Cho phép đánh giá toàn diện từ bề mặt đến khối vật liệu, phù hợp với nhiều loại vật liệu và hình dạng.
• Dữ liệu kiểm tra điện tử dễ lưu trữ, truy xuất và phân tích để tối ưu hóa lịch trình bảo trì.

Hạn chế:

• Yêu cầu thiết bị chuyên dụng, đầu tư ban đầu và chi phí vận hành cao.
• Đòi hỏi nhân viên được đào tạo chuyên sâu, chứng chỉ theo tiêu chuẩn quốc tế như ASNT hoặc PCN.
• Độ nhạy và độ phân giải có thể bị giới hạn bởi đặc tính vật liệu và hình dáng chi tiết.
• Một số phương pháp (RT, gamma) liên quan đến vấn đề an toàn bức xạ, cần khu vực cách ly và quy trình nghiêm ngặt.

Tiêu chuẩn và Quy định

Việc áp dụng NDT bắt buộc tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế và quy định ngành. Trong lĩnh vực áp lực nồi hơi và thiết bị chịu áp suất, ASME Section V quy định chi tiết phương pháp thực hiện và chấp nhận kết quả kiểm tra. ISO 17636-1/2 mô tả quy trình kiểm tra phóng xạ cho vật đúc và mối hàn thép, nhôm.

Tiêu chuẩn	Nội dung chính	Ứng dụng
ASME BPVC Section V	Phương pháp NDT cho nồi hơi, bình chịu áp	Ngành dầu khí, điện hạt nhân
ISO 17636-1/2	RT cho hàn thép, nhôm	Chế tạo, đóng tàu
ISO 9712	Chứng nhận và trình độ NDT personnel	Tất cả lĩnh vực NDT
EN 1330	Thuật ngữ và ký hiệu NDT	Chuẩn hóa báo cáo kỹ thuật

Nhân viên NDT phải được cấp chứng chỉ theo ISO 9712 hoặc các chương trình công nhận tương đương (PCN, SNT-TC-1A). Nhà thầu và cơ sở vận hành cũng cần xây dựng quy trình nội bộ phù hợp với luật pháp địa phương và tiêu chuẩn nghề nghiệp.

Thiết bị và Dụng cụ

Thiết bị NDT bao gồm đầu dò, nguồn phát, hệ thống thu nhận tín hiệu và phần mềm xử lý. Ví dụ, máy siêu âm mảng pha (PAUT) thường trang bị đầu dò mảng 16–128 phần tử, bộ phát xung đa kênh và màn hình hiển thị A/B/C-scan.

Loại thiết bị	Thành phần chính	Công dụng
Máy UT	Đầu dò, khuyếch đại, bộ điều khiển	Đo độ dày, phát hiện khuyết tật nội khối
Máy RT kỹ thuật số	Nguồn X-ray/gamma, panel cảm biến	Chụp phim liền, lưu trữ số
Thiết bị ET	Cảm biến cuộn dây, thế hệ tín hiệu	Kiểm tra bề mặt, lớp phủ kim loại
Máy MT/PT	Từ nguồn, hạt từ, thuốc nhuộm	Phát hiện vết nứt bề mặt

Phần mềm phân tích tín hiệu và tái tạo hình ảnh (như Tomography UT, radiographic reconstruction) ngày càng tích hợp trí tuệ nhân tạo để tự động nhận diện khuyết tật và phân loại mức độ nghiêm trọng.

Phân tích dữ liệu và Báo cáo

Dữ liệu thu thập từ các phép đo NDT cần được xử lý, phân tích và trình bày rõ ràng trong báo cáo kỹ thuật. Với UT, người kiểm tra phân tích sắc độ A-scan để xác định biên dạng khuyết và dùng B/C-scan để minh họa vị trí khuyết dưới dạng mặt cắt 2D/3D.

Báo cáo NDT thường bao gồm các phần:

1. Giới thiệu đối tượng kiểm tra: vật liệu, kích thước, điều kiện bề mặt.
2. Phương pháp và tiêu chuẩn áp dụng.
3. Thông số thiết bị: tần số, năng lượng, góc quét.
4. Kết quả đo: vị trí, kích thước khuyết, hình ảnh minh họa.
5. Kết luận và khuyến nghị: chấp nhận hay từ chối chi tiết, lịch bảo trì tiếp theo.

Một báo cáo chuyên nghiệp cần rõ ràng, có đánh số hình ảnh và bảng biểu đi kèm chú thích chi tiết, tuân thủ định dạng ISO/ASTM để đồng bộ với các tài liệu kỹ thuật khác.

Xu hướng phát triển và Nghiên cứu tương lai

Trong tương lai, NDT ngày càng tích hợp công nghệ số và tự động hóa. AI/ML hỗ trợ phân tích hình ảnh UT mảng pha và radiography, tự động phát hiện khuyết điểm với độ chính xác cao hơn 95%.

Các cảm biến không dây, IoT được đưa vào hệ thống giám sát liên tục (Structural Health Monitoring), cho phép thu thập dữ liệu thời gian thực và cảnh báo sớm thông qua cloud-based analytics.

• Composite và vật liệu in 3D: phát triển phương pháp NDT thích nghi cho cấu trúc đa pha.
• Công nghệ Terahertz và Laser Ultrasonics: kiểm tra không tiếp xúc, độ phân giải cao.
• Tích hợp drone và robot tự hành: kiểm tra khu vực nguy hiểm, xa tầm với con người.

Tài liệu tham khảo

• ASME. Boiler and Pressure Vessel Code – Section V: Nondestructive Examination. The American Society of Mechanical Engineers, 2021. www.asme.org.
• ISO. Non-destructive testing – Radiation techniques – Part 1: X- and gamma-ray techniques with film (ISO 17636-1). International Organization for Standardization, 2023. www.iso.org.
• PCN. Qualification and Certification of NDT Personnel. British Institute of Nondestructive Testing, 2022. www.bindt.org.
• Hellier, C. Handbook of Nondestructive Evaluation. McGraw-Hill, 2012.
• Reynolds, R. E., và cộng sự. “Application of AI in Ultrasonic Phased Array Inspection.” NDT & E International, Vol. 114, 2024, pp. 102–115. www.sciencedirect.com.