Содержание:
Введение
Классификация тепловых методов
Объекты и области применения ТК
Терминология ТК. Критерии дефектности
Оптимальный режим
Особенности ТК и перспективныенаправления исследований
Заключение
Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
В тепловых методах неразрушающегоконтроля в качестве пробной энергии используется тепловая энергия,распространяющаяся в объекте контроля. Температурное поле поверхности объектаявляется источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые,в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных дефектов. Поддефектом при этом понимается наличие скрытых раковин, полостей, трещин,непроваров, инородных включений и т.д., всевозможных отклонений физическихсвойств объекта от нормы, наличия мест локального перегрева (охлаждения) и т.п.
Методы неразрушающегоконтроля теплового вида (ГОСТ 18353 — 79) используют при исследовании тепловыхпроцессов в изделиях. При нарушении термодинамического равновесия объекта сокружающей средой на его поверхности возникает избыточное температурное поле,характер которого позволяет получить информацию об интересующих свойствахобъектов. Методы теплового контроля основаны на взаимодействии теплового поляобъекта с термодинамическими чувствительными элементами (термопарой, фотоприемником,жидкокристаллическим индикатором и т.д.), преобразовании параметров поля(интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистости и др.) вэлектрический сигнал и передаче его на регистрирующий прибор. (4)
Необходимое условиеприменений ТК – отличие интегральной или локальной температуры изделий оттемпературы изделий окружающей среды, которое создаётся либо искусственно спомощью внешних источников теплового нагружения (ИНТ), либо в силу естественныхпричин при изготовлении или функционировании изделий.
В месте механическогосоединения токоведущих элементов путём опрессовки, скрутки, пайки, сварки или спомощью болтов возникает дополнительное электрическое сопротивление, котороеобусловливает нагрев этого участка в соответствии в законом Джоуля-Ленца. Приухудшении контакта вследствие окисления, коррозии или ослабления натяжениявозрастание сопротивления приводит к аномальному повышению температуры (длянекоторых контактов в энергетике на 200 К). (2)
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВЫХМЕТОДОВ
Тепловые методы делятсяна одно- и двусторонние. В односторонних методах инфракрасная камераконтролирует нагреваемую поверхность. В этом случае дефекты снижают скоростьраспространения тепла, и поэтому они имеют вид горячих пятен. Переходныепроцессы можно изучать путём подачи тепла к одной поверхности и регистрациитемпературы на другой поверхности ламината. Такие методы называютдвусторонними, и дефекты в этом случае выглядят холодными пятнами. Аналогичноизучают переходные процессы при охлаждении, которое производится путёмраспыления охлаждающего аэрозоля по исследуемое поверхности. Чувствительностьодносторонних методов снижается при увеличении глубины дефекта. Двусторонниеметоды позволяют обнаружить глубоко лежащие дефекты.
Преимуществом переходнойтермографии по сравнению со стационарными методами является более высокаячувствительность, поскольку дефект часто незначительно влияет на стационарноераспределение температуры. Заметные температурные различия вблизи дефектов припереходных процессах существуют приблизительно в течение секунды, и их нужнозаписывать на камеру. Чувствительность метода снижается при увеличениитеплопроводности материала. Проблемы могут возникнуть, если поверхность имеетобласти с различной излучательной способностью. В этом случае образецокрашивают в матовый чёрный цвет. (3)
В пассивном ТК схемаиспытаний определяется, главным образом, возможностью доступа к той поверхностиобъекта контроля, на которой искомые дефекты проявляются оптимальным образом.
Пассивный ТК не нуждаетсяво внешнем источнике теплового воздействия (ИТВ) — тепловое поле в объектеконтроля (ОК) возникает при его эксплуатации (изделия радиоэлектроники,энергетическое оборудование, металлургические печи и т. п.) или изготовлении(закалке, отжиге, сварке и. т. п.). (4)
Пассивным способом ТКобъекта испытаний контролируют узлы и компоненты радиоэлектронной техники (рис1, а), а также теплоэнергетические установки (рис. 1, б схематически показанообнаружение утечек тепловой воды из подземного трубопровода по его поверхностномутепловому полю). Пассивным способом можно также обнаружить локальное увлажнениепористого материала (рис. 1, в), так как этот участок с аномальным содержаниемвлаги следствие испарения воды имеет пониженную температуру. Этот способ ТКиспользуют в строительстве, инфракрасной (ИК) аэросъёмке, медицине, военнойтехнике. (2)
Если до проведенияиспытаний температура изделия во всех точках одинакова (чаще всего равнотемпературе окружающей среды), то обнаружение внутренних дефектов возможнаактивным ТК. Например, при нанесении тонких покрытий на подложку в связующемслоем возникает дефекты в виде расслоений (рис. 1, г). В клееных, паяных, сварных соединениях возможно также изменения толщины связующего слоя иотсутствие диффузий одного материала в другой. При нагреве таких изделийвнешним источником тепловой поток, распространяясь в глубь изделия, в метегазового дефекта испытывает дополнительное тепловое сопротивления. В результатеэтого наблюдается локальное повышение температуры на нагреваемой поверхности, ана противоположного поверхности с илу закона сохранений энергии знактемпературного сигнала инвертируется. При механическом нагружении (рис. 1, д)изделие, например с помощью вибратора, в области внутреннего дефекта в следствиетрения и пластической деформации выделяется дополнительная энергия, чтоповышает температуру в дефектном участке. Аналогичное явление наблюдается припропускании электрического тока через металлическое изделие (рис. 1, е), атакже при индукционном нагреве изделия металл-неметалл (рис. 1, ж). ПроцедуруТК
/> /> />
а) б) в)
/> />
г) д)
/> /> />
е) ж) з)
Рис. 1 Объекты тепловогоконтроля
1 — ИТН, 2 — изделие, 3 — дефект
показанную на рис. 1, з,можно отнести к методам НРК оптического вида, поскольку в этом случаеиспользуется не тепловые эффекты, а изменение оптической прозрачности изделия вдефектном участке. Но применения для контроля такого вида той же аппаратуры,что и для ТК, а также невозможность разделения для многих материалов (кремния,германия, фторопласта, полиэтилена) тепловых и оптических эффектов позволяет вомногих случаях рассматривать теневой оптический метод совместно с тепловым. (2)
Модели Активного ТК можноклассифицировать:
1) по типу источникатепловой стимуляции (рис. 2);
2) взаимномурасположению устройств тепловой стимуляции и регистрации температуры (рис. 3.);
3) форме и размерамзоны тепловой стимуляции и регистрации температуры (рис. 4)
Тепловую стимуляцию(нагружение) объекта контроля можно производить нагревом или охлаждением, чтос теплофизической точки зрения является равноценным. Однако, учитываядостижимые плотности тепловых потоков, фактор технологичности и возможныепомехи, практически всегда применяют нагрев с помощью полей излучения илипотоков газа и твёрдых частиц.
Наибольшую мощность взоне стимуляции обеспечивает нагрев оптическим излучением, генерируемым лампамиразличного типа и лазерами (рис. 2, а).
Наиболее просто можнонагреть поверхность объекта контроля с помощью электрических ламп накаливания.Плотность нагрева может составлять до нескольких кВт//> в зоне диаметром до 1 м при произвольной длительности нагрева. Такие лампы являются гибким и практичным средством«мягкого» нагрева неметаллов. Для стимуляции металлов применяют галогенные иксеоновые лампы, которые создают плотность до 100 кВт//> в течение времени отнескольких миллисекунд до нескольких секунд.
/> /> />
а) б) в)
/> />
г) д)
/> /> />
е) ж) з)
/> />
и) к)
Рис. 2. Процедуры ТК взависимости от типа источника тепловой стимуляции.
Лазеры способныобеспечивать сверхвысокую плотность энергии, однако низкий КПД, большиегабариты и высокая стоимость ограничивают их применение в ТК лабораторнымиисследованиями.
Лазеры также используют втехнике «летающего пятна» для быстрого локального нагрева изделий, однако, вэтом случае снижается плотность погашенной энергии. Поэтому при контролеметаллов наиболее эффективны мощные ксеноновые лампы-вспышки (flash tubes), используемые в фотографической технике.Металлические изделия можно нагревать индукторами. Плотность поглощенноймощности при этом ниже чем в случае оптического нагрева, однако индукционныйнагрев не создаёт помех за счёт отражённого излучения и позволяет нагреватьметалл через внешние слои из неметаллов (рис. 2, б).
В ряде случаев металлынагревают, пропуская через них электрический ток (рис. 2, в). Этот способ такжене создаёт оптической помехи и эффективен при обнаружении трещин, расположенныхперпендикулярно направлению линий тока. Применение такого вида нагрева создаётпроблему ввода в изделие мощных токов.
Нагрев СВЧ-излучениемрекомендуется при обнаружении зон повышенной влажности в пористых неметаллах(рис. 2, г) в сочетании с тепловизионной регистрацией температуры.
Конвекционный нагревможно производить с помощью жидкости или газа (рис. 2, д, е). Известен способконтроля внутренних каналов турбинных лопаток, пропусканием через них горячей(холодной) воды (рис.2, д). Односторонний нагрев возможен потоком горячеговоздуха (рис. 2, е), направляемого на изделия с помощью фена («воздушнойпушки»).
Оригинальнойразновидностью этого способа является быстрая охлаждение поверхности объектаконтроля парами жидкого азота. Нагрев газом в односторонней процедуре ТК вомногих случаях не хуже оптического нагрева благодаря более низкому уровнюпомехи, обусловленной отражением излучением.
Преимуществоммеханического нагружения в изделии за счёт вибрации (дозированной циклическойнагрузки) или ультразвука является отсутствие оптической помехи, а также то,что температура аномалии возникает только в дефектных областях за счёт трениястенок трещин, образовании зон пластической деформации и других механическийэффектов (рис. 2, ж). Этот способ хорошо зарекомендовал себя при испытанияхкомпозиционных изделий, возбуждаемых стандартными пьезоэлектрическимивибраторами.
Способы тепловойстимуляции изображены на рис. 2, а-ж, требует использования разнообразныхтехнологических устройств. В ряде случаев, например, при обнаружении скрытых вгрунте противопехотных мин, диагностики фасадных покрытий строительныхсооружений и т.п., возможно использовать нагрев солнечным излучением, плотностьмощности которого в средних широтах составляет около 1 кВт//> в безоблачный день (рис.2, з). Данный способ нагрева идентичен изображённому на рис. 2, а.
В лабораторныхисследованиях иногда используют специфический способы тепловой стимуляции ирегистрации температуры. Высоким температурным разрешением обладает техника«миража», которая предусматривает нагрев и регистрацию температуры с помощьюлазера (рис. 2, и). Над дефектом создаётся область повышенной температурыприлегающего воздуха при прохождении через которую пробный луч лазерапретерпевает отклонение, пропорциональные температуры и регистрируемыепозиционно-чувствительным фотодетектором. Другой пример комбинирование техникиНК показан на рис 2, к: при нагреве лазером слои материала, расположенные наддефектом, испытывают аномальные деформации, которые фиксируют с помощью второго(пробного) лазера и позиционно-чувствительного фотодетектора.
Взаимное расположениеисточника тепловой стимуляции и устройства регистрации температуры влияет навыявляемость дефектов, что важно с точки зрения практической реализации.Преимущества активного НК наиболее полно проявляются в односторонней процедуре(рис. 3, а). Её аналогом является ультразвуковой эхо-метод НК, в англоязычнойлитературе иногда используется термин «контроль на отражение». Двусторонняяпроцедура, иногда называемая «контролем на прохождение», требует прогрева всегоизделия, и не может быть применена к толстым образцам (рис. 3, б). В случаевнутреннего нагрева, например, электрическим током через металл, устройстварегистрации температуры целесообразно размещать там, где внутренние дефектысоздают максимальные температурные контрасты (рис. 3, в).
/> /> />
а) б) в)
Рис. 3. Процедуры ТК взависимости от взаимного расположения устройств тепловой стимуляции ирегистрации температуры.
Третий тип моделейактивного ТК, (рис. 4) определяется сочетанием устройств нагрева и регистрациитемпературы. При поточечном сканировании изделия нагревают в малой зоне, атемпературу регистрируют с некоторым запаздыванием, величина которого зависитот глубины залегания дефектов (рис. 4, а). На раннем этапе развития активногоТК, в силу малого распространения тепловизоров, этот способ разрабатывался достаточноинтенсивно. В последующие годы он был незаслуженно забыт и затем сновавозрожден в виде техники «летающего (ползущего) пятна».
Поточечное сканированиеобеспечивает максимальное температурные контрасты над внутренними дефектами привнешнем нагреве и пригодно для обнаружения трещин, расположенныйперпендикулярно поверхности изделия. Основным недостатком данного способаявляется низкая производительность испытаний.
Компромиссным вариантоммежду поточечным сканированием и тепловизионным способом ТК является сорноесканирование: изделие нагревают в узкой длинной полосе, а температурурегистрируют срочно-сканирующим пирометром (рис.4, б). Проблемы равномерностьнагрева решается проще, чем при распределённом нагреве, а производительностьиспытаний выше, чем при поточечном сканировании, приблизительно в N раз, где N – число элементов в строке. В этом случае зона нагреваперемещается по поверхности изделия, поэтому срочное сканирование
/> /> />
а) б) в)
Рис. 4. Процедуры ТК взависимости от вида зоны контроля и нагрева.
пригодно для обнаружениявертикальных трещин. Тепловизионный способ ТК предусматривает распределенныйнагрев изделия (от одной зоны к другой) при регистрации температурытепловизором (рис. 1.3., в). В последний годы этот способ наиболее популяренблагодаря появления на рынке нового поколения тепловизоров, внедрения мощныхимпульсных нагревателей и разработки эффективных алгоритмов обработки тепловыхизображений.
В роботизированныхсистемах ТК, используемых преимущественно в авиакосмической технике, производятсканирование поверхности объекта контроля с последующей «сшивкой» отдельныхтермограмм в панорамное термоизображение, которое корректируют с учётомкривизны контролируемой поверхности. (1)
ОБЪЕКТЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯТК.
Объектами ТК служатдефектные структуры с трещинами, порами раковинами, непроварами, участкамиплохой тепло- и электроизоляции, неоднородным составом, посторонними примесями,зонами термического и усталостного перенапряжения, а также с отклонениям геометрическихи теплофизических характеристик от допустимых значений.
Возможности ТК ограниченыв основном теплопроводностью (метод не применим для материалов как с высокой,так и с низкой теплопроводностью); структурными помехами, вызванными флуктуациямитеплофизических и оптических свойств объектов контроля: внешними тепловымипомехами (для ИК-систем).
Краткий обзор областейприменений ТК дан в табл. 1
Табл. 1 Областиприменения ТКОбласть применения Объекты контроля Обнаруживаемые дефекты и отклонения от номинального состояния Энергетика Электрические подстанции; линии электропередач; теплотрассы; тепломеханическое оборудование; парораспределительные сети; пруды – гидроохладители; трубы дымовые; статоры турбогенераторов; щётки электромашин; склады сыпучих материалов; электризованные ванны Прямые утечки воды, пара, газов; нарушение электро- и теплоизоляции; ослабление механического контакта; засорение теплообменников; трещины в трубах; короткие замыкания; пробой изолятора; износ токоведущих частей; места самовозгорания сыпучих материалов
Машинострое-
ние и произ-
водство кон-
струкционных материалов Печи металлургические; ковши для разливки метала, горячий прокат; шины; древесно-стружечные плиты; композиционные материалы; сварные, паяные, клеевые соединения; трубы; машины и механизмы Утонение, трещины и отсутсвие футеровки; краевые расслоения, непроклеи, непровары, непропаи; обрыв матрицы; утонение стенок; коррозионный износ; дефекты сборки; примеси
Электронная
техника Полупроводниковые приборы; интегральные микросхемы; печатные платы; узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры, резисторы, конденсаторы, трансформаторы Трещины, непровары, непроклеи, непропаи; дефекты p-n – перехода; изменение номинального значения; короткие замыкания; обрывы; некачественный монтаж; загрязнения; коррозия проводников; неправильное размещение элементов; утечки тока Строительство Панели; крыши зданий; дымовые трубы Дефекты стыка панелей; трещины; ухудшение теплоизоляционных свойств; участки инфильтрации воды; обрыв арматуры Инфракрасная аэросъёмка Элементы земного ландшафта; подземные теплотрассы; вулканы; ледники; участки геотермальной деятельности; лес; водные бассейны; фауна; служба спасения людей; геология; сельскохозяйственные посевы Тепловое загрязнение водного и воздушного бассейнов; очаги подаров; трещины в ледяном покрове; полезные ископаемые; тектонические изменения; утечка теплоты; болезни растений; степень созревания культур Искусство Настенная живопись; картины; скульптурные сооружения Дефекты фресок; следы более поздней реставрации
ТЕРМИНОЛОГИЯ ТК. КРИТЕРИИДЕФЕКТОНОСТИ
Терминология ТКопределена ГОСТ 18353-79, ГОСТ 23483-79 и рядом отраслевых РД. Там же приведенаклассификация видов и способов ТК. На практке, как уже было сказано выше,наиболее существенно деление ТК на активный и пассивный, одно- и двусторонний,синхронный и несинхронный. Для выведения изделия из состояниитермодинамического равновесия со средой при активном ТК используют ИНТ ссосредоточенной (точечные) или распределённой (полосовые и площадочные) зонойнагрева или охлаждения. По времени действия различают непрерывные импульсныеИНТ. В последнем случая процедуру ТК называют импульсной. Температурное полерегистрируют с помощью контактных и бесконтактных средств, причём последние иногдаподразделяют на околоповерхностные (вихретоковые и термоэлектрическиепреобразователи) и дистанционные (ИК-устройства). В соответствии с другойклассификацией к средствам ТК относится устройство для поэлементного в точкеили по строке съёма температурной информации (термопары, пирометры) и длярегистрации двумерных температурных полей (тепловизоры, жидкокристаллическиетермоиндикаторы).
Для выявления дефектовобъекта контроля используют тепловой дефектоскоп. Под чувствительностью этогоприбора понимаю отношение приращения выходного сигнала дефектоскопа квызвавшему его приращению контролируемого параметра.
Критерии дефектоности(КД), то есть измеряемые или рассчитываемые физические величины, по которымоценивают качество объекта контроля, подразделяют на амплитудные и временные. Втечение долго времени на практике использовали абсолютную температуру Тизделия, разность температур дефектного и бездефектного участков или эталонногои контролируемого изделия, названную температурным перепадам />, а также температурныйконтраст /> ввиду того что указанныеамплитудные критерии существенно зависят от специфических ТК помех, а последниегоды интенсивно разрабатывают временные критерии, которые представляют собойнекоторое характерное время процесса теплопередачи. (2)
ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ
Оптимальным считаетсятакой режим ТК, который обеспечивает максимальное отношение сингал-помеха привыбранных критериях сравнение возможных вариантов. В идеальном случае максимумтемпературного контраста между дефектной и бездефектной точкой обеспечиваетмгновенным точечным источником, дискретно перемещающимся по объёму. На практикенаиболее близкими к оптимальному можно считать следующие режимы контроля: ТКузким, движущимся с максимально возможной скоростью пучком, пропускание черезизделие мощного импульса электрического тока, а также индукционный иСВЧ-нагрев. Наиболее простой способ оптимизации режима ТК – теоретическийрасчёт различных вариантов, отбор которых производят с учётом доступа к изделию,технологичности нагрева и наличия помех.
ОСОБЕННОСТИ ТК ИПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Перечислим характерныеособенности ТК: дистанционности (для ИК-систем); высокая скорость обработкиинформации, обусловленная малым временем преобразования носителя информации вэлектрический сигнал; высокая производительность испытаний, ограниченнаяскоростью нагрева в активном режиме и скоростью сканирования в пассивномрежиме; высокое линейное разрешение (до 10 мкм в ИК-микроскопии); возможностьконтроля при одно- и двустороннем подходе к изделию; теоретическая возможностьконтроля практически любых материалов, если теплофизические или спектральныесвойства дефектов и материалов различаются; практическая нецелесообразностьконтроля материалов с высокой и низкой теплопроводностью, а также контроля приобилии внешних тепловых помех; многопараметрический характер испытаний; меньшаязависимость результатов контроля от шероховатости поверхности по сравнению снекоторыми другими видами НРК; возможность взаимодополняющего сочетания ТК сдругими видами НРК, особенно с радиационными, капиллярными и ультразвуковымиметодами; возможность наследования динамических и статических тепловыхпроцессов, процессов производства, преобразования, передачи, потребление иконсервации энергии различный видов, возможность прогнозирования тепловойдеградации изделий и наследование усталостных и коррозионных процессов;стыкуемость со стандартными системами обработки информации; возможностьпоточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управлениетехнологическими процессами.
Основные направленияработ в области ТК: расширение номенклатуры, увеличение объёма выпуска,усовершенствование серийной ИК- и теплофизической аппаратуры; разработкидополнительных функциональных и сервисных устройств для повышения достоверностиоценки параметров тепловых полей оператором, а также для стыковки савтоматизированными системами обработки данных; создание специализированныхтепловых дефектоскопов; улучшений характеристик серийных тепловизоров(увеличение пространственного и температурного разрешения, переход кпортативным моделям с неохлаждаемым приемником излучения, автономным питанием имикропроцессорной обработкой изображения).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Специфика тепловогометода неразрушающего контроля и технической диагностики состоит в егоуниверсальности, обусловленной тем фактом, что информативным параметромкачества исследуемых объектов является температура. Температура служитнеотъемлемым индикатором работы технических установок и сложных систем, а такжехарактеризует структурные и тепловые процессы в конструкционных материалах.Расшифровка температурных распределений поставляет информацию о разнообразныхпроцессах, протекающих в объектах контроля, однако платой за универсальностьметода является высокий уровень помех, что снижает вероятность обнаружениядефектов и повышает вероятность ложной тревоги.
Практическое направлениеисследований связано с созданием автоматизированных систем термографического контроля и управления для стройиндустрии, способных обеспечить достойнуюконкуренцию отечественным и зарубежным аналогам на Российском рынке.
В сфере услуг на базесовременных тепловизоров расширяется применение теплового контроля в такихобластях, как строительство, энергетика, авиация и ряде специальных задач.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯЛИТЕРАТУРА:
1 – Неразрушающий контроль,справочник в 8 томах под редакцией В.В. Клюева, Том 5, М.: Машиностроение 2006.
2 – Тепловые методы неразрушающегоконтроля, справочник, В.П. Вавилов.
3 – Мир материалов и технологий,Композитные материалы, механика и технология, Ф. Мэттьюз, Р. Ропингс.
4 - www.welding.su, портал осварке.