Kiểm tra siêu âm khắc phục kẽ hở để an toàn

Tuổi thọ trung bình dự kiến ​​của một cây cầu là 50 năm, nhưng khoảng 1/4 cây cầu ở Hoa Kỳ đã quá tuổi đó. Để giúp đảm bảo rằng các cây cầu (mới và cũ) có kết cấu toàn vẹn và an toàn để lái xe qua, chúng cần được kiểm tra thường xuyên. Để giúp thanh tra viên đảm bảo rằng các cây cầu vẫn an toàn, họ cần dựa vào các kỹ thuật thử nghiệm không phá hủy (NDT: nondestructive testing) khác nhau. Mặc dù chức năng, các phương pháp NDT truyền thống không phải là hiệu quả nhất và đáng tin cậy. Tuy nhiên, với thử nghiệm siêu âm hiện đại, các thanh tra viên có thể thực hiện công việc của họ với dữ liệu được cải thiện và thông tin đáng tin cậy hơn.

Các vấn đề

Trung bình, 174 triệu chuyến đi được thực hiện trên các cây cầu khiếm khuyết cấu trúc mỗi ngày. Trong suốt vòng đời phục vụ của cầu, tải trọng trùng phục trên kết cấu có thể gây ra các vết nứt và cắt hình thành trong các mối hàn và bu lông giữ cầu. Nếu để mặc cho phát triển, những thiếu sót này có thể dẫn đến hư hỏng thảm khốc. Để ngăn chặn điều này xảy ra, điều quan trọng là phải tìm ra các khuyết tật như ăn mòn và nứt mỏi một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất có thể.

 Các khuyết tật và sự không liên tục khác nhau có thể có trong một mối hàn.

Các mối hàn và bu lông liên kết với giá đỡ thép cầu đặc biệt dễ bị gián đoạn có thể dẫn đến ăn mòn và nứt. Ví dụ, khi mối hàn không chảy hoàn toàn với thép hoặc khí bị kẹt tạo ra các lỗ trên mối hàn, cường độ của mối hàn bị giảm đi. Một mối nối bằng bắt vít có thể bị suy yếu do ứng suất cắt, xảy ra khi hai kết cấu được gắn chặt bị đẩy theo 2 hướng ngược nhau. Những khu vực yếu này tạo ra các điểm tập trung ứng suất cao từ đó rạn nứt có thể bắt đầu.

Phương pháp NDT thông thường

Một phương pháp NDT truyền thống được sử dụng để kiểm tra cầu là thử nghiệm thẩm thấu chất lỏng (PT: penetrant testing), trong đó thuốc nhuộm lỏng được sử dụng để phát hiện các vết nứt bề mặt trên các mối hàn. Mặc dù PT có một vài hạn chế về vật liệu và tương đối rẻ tiền, nhưng nó giới hạn trong việc phát hiện các vết nứt bề mặt, để lại các vết nứt dưới bề mặt chưa được khám phá. Hơn nữa, để sử dụng PT, thanh tra phải tiếp cận trực tiếp vào bề mặt được kiểm tra và độ nhám bề mặt có thể ảnh hưởng đến độ nhạy kiểm tra.

X quang là một phương pháp NDT thông thường cũng có thể được sử dụng để kiểm tra một cây cầu, nhưng các thanh tra viên đang dần loại bỏ nó. Thử nghiệm x quang sử dụng tia X để tạo ra một bức ảnh chụp cấu trúc bên trong mối hàn/bu lông và xác định xem có bất kỳ sự gián đoạn nào tồn tại trong liên kết hay không. Tuy nhiên, phương pháp này mang đến rủi ro an toàn vì nó phát ra bức xạ và tạo ra chất thải hóa học. Ngoài ra, nó đòi hỏi phải có giấy phép bổ sung và các khu vực gần với thử nghiệm chụp ảnh phóng xạ phải được làm sạch.

Các loại phương pháp NDT khác nhau

Kiểm tra siêu âm định pha (PAUT: Phased array ultrasonic testing) cung cấp một sự thay thế an toàn, đáng tin cậy cho PT và X quang, nó cung cấp chất lượng dữ liệu tốt hơn. Một máy dò lỗ hổng định pha sử dụng đầu dò để gửi sóng âm tần số cao vào các giá đỡ cầu. Nếu một lỗ hổng - chẳng hạn như vết nứt hoặc ăn mòn - tồn tại, đầu dò sẽ phát hiện các sóng âm thanh bị thay đổi. Dữ liệu được gửi trở lại bộ phát hiện lỗ hổng, sau đó chuyển nó thành một biểu diễn trực quan mà một thanh tra viên có thể sử dụng để xác định các khiếm khuyết.

Một phương pháp NDT tiên tiến khác mà các thanh tra viên sử dụng là thử nghiệm dòng điện xoáy (EC: Eddy current). Dòng điện xoáy được sử dụng để giúp phát hiện các vết nứt dưới bề mặt mà thử nghiệm xuyên thấu có thể bỏ lỡ. Một lợi thế lớn của EC là, không giống như PT, nó có thể được sử dụng trên các bề mặt được sơn hoặc phủ. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và giảm chi phí vì không cần phải loại bỏ lớp phủ hoặc sơn trước khi kiểm tra.

 Các mối hàn có thể được kiểm tra mà không cần loại bỏ sơn với thử nghiệm dòng điện xoáy.

Hiện nay, tại Hoa Kỳ có hơn 54.000 cây cầu đã quá tuổi thọ thiết kế và dự kiến ​​sẽ được phục hồi hoặc thay thế, một công việc sẽ mất ba mươi bảy năm để hoàn thành. Để duy trì sự an toàn của các cây cầu, các thanh tra cầu cần có khả năng xác định bất kỳ khuyết tật nào để hạn chế tải trọng, các máy dò lỗ hổng PAUT và EC là thay thế tuyệt vời cho chụp X quang và PT.

Trần Mạnh Khải
Nguồn: Olympus IMS (https://www.olympus-ims.com/en/)