Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Тепловой метод контроля

Челябинский институт путей сообщения

филиал государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет путей сообщения»

РЕФЕРАТ

По дисциплине: Неразрушающий контроль узлов и деталей

Тема: Тепловой метод контроля

Проверил преподаватель:

Белов С. А.

Выполнил студент

группы: 45

Мифтахов Д. Р.

“17” марта 2009 г.

Челябинск, 2009

Основные сведения о тепловом неразрушающем контроле (ТНК).

1 Физическая сущность теплового контроля

Методы неразрушающего контроля теплового вида (ГОСТ 18353 - 79) используют при исследовании тепловых процессов в изделиях. При нарушении термодинамического равновесия объекта с окружающей средой на его поверхности возникает избыточное температурное поле, характер которого позволяет получить информацию об интересующих свойствах объектов.

Методы теплового контроля основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термодинамическими чувствительными элементами (термопарой, фотоприемником, жидкокристаллическим индикатором и т.д.), преобразовании параметров поля (интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистости и др.) в электрический сигнал и передаче его на регистрирующий прибор.

Достоинствами теплового контроля являются: дистанционность (для ИК-систем: тепловизоров, тепловых дефектоскопов), высокая скорость обработки информации, высокая производительность испытаний, высокое линейное разрешение, возможность контроля при одно- и двустороннем подходе к изделию, теоретическая возможность контроля любых материалов, многопараметрический характер испытаний; возможность взаимодополняющего сочетания ТНК с другими видами неразрушающего контроля; сочетаемость со стандартными системами обработки информации, возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами.

Различают: 1) пассивный ТНК; 2) активный ТНК. Пассивный ТНК не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия (ИТВ). Тепловое поле в объекте контроля (ОК) возникает при его эксплуатации (энергетическое оборудование, металлургические печи и т. п.) или изготовлении (закалке, отжиге, сварке и т. п.).

Активный ТНК (АТНК) предусматривает воздействие внешнего ИТВ на ОК, имеющий в исходном состоянии температуру окружающей среды.

В случае использования АТНК в дефектоскопии, например для обнаружения дефектов в виде нарушения сплошности (раковин, трещин, мест непроклея), информацию о дефектах несут в себе локальные неоднородности температурного поля на поверхности ОК.

В соответствии с классификацией тепловых методов, АТНК включает следующие методы: контактный и собственного излучения; 2) стационарный и нестационарный. В первом случае классификационным признаком является тип термочувствительного элемента, во втором - длительность теплового воздействия.

В методе АТНК можно выделить три основных направления развития:

тепловая дефектоскопия (ТД);

тепловая дефектометрия (ТД);

тепловая томография (ТТ).

Тепловая дефектоскопия состоит в определении факта наличия дефекта и его расположение в объекте контроля. В настоящее время это наиболее разработанное направление.

Тепловая дефектометрия - направление АТНК, представляющее методы и средства количественной оценки глубины залегания дефектов, их толщины и поперечных размеров. С математической точки зрения ТД требует решения обратных теплофизических задач.

Тепловая томография (ТТ) является последующим развитием ТД и состоит в послойном синтезе внутренней структуры объекта контроля на основе использования методов проективной компьютерной томографии.

2. Аппаратура АТНК

В соответствии с ГОСТ 23483 - 79 процедура неразрушающего контроля включает в себя две операции: воздействие на контролируемый объект и регистрацию его отклика на воздействие. Применительно к АТНК это соответствует операциям нагрева (охлаждения, сочетания нагрева с охлаждением) ОК и регистрации температурного поля на поверхности ОК. В подавляющем большинстве случаев эти операции необходимо производить многократно, так как габариты ОК обычно таковы, что их контроль производится по частям, т.е. сканированием. Таким образом, составляющими частями аппаратуры, реализующей АТНК, должны быть: 1) источник теплового возбуждения (ИТВ); 2) регистрирующее устройство (РУ); 3) устройство сканирования и управления.

2.1 Источники теплового возбуждения (ИТВ)

Многообразие объектов и условий теплового неразрушающего контроля в каждом конкретном случае требует своего способа и источника теплового возбуждения (ИТВ).

При разработке ИТВ используют, как стандартные элементы (лампы, лазеры и др.), так и полностью оригинальные (сканирующие системы, фокусирующая оптика, индукторы и др.).

До сих пор терминология, относящаяся к облучательным ИК – средствам, не определена никакими стандартами, хотя в этом направлении делаются некоторые попытки, не идущие далее рекомендаций. ИК - техника, используемая для нагрева, имеет много общих черт со светотехникой. Как ИК - техника, так и светотехника использует первичные источники излучения, те же методы перераспределения лучистого потока в нужных направлениях посредством отражателей, концентраторов (внешних, иногда внутренних), те же способы питания от электрических сетей и т. д. Однако имеются и отличия.

Как указывалось. полная классификация ИТВ отсутствует. Однако, существует ОСТ 1.42107 - 81 Минавиапрома, который определяет ИТВ по пространственным характеристикам на: 1) точечные; 2) полосовые; 3) площадочные.

2.2 Регистрирующие устройства (РУ)

В соответствии со сложившейся терминологией РУ температурных полей делятся на контактные и бесконтактные. Контактные датчики разделяются на две большие группы: 1) термометры (жидкостные, манометрические, термоэлектрические (термопары), термометры сопротивления (термисторы); 2) термоиндикаторы (термоиндикаторные краски, жидкие кристаллы, люминофоры). Наиболее перспективным направлением является применение устройств бесконтактного действия, в особенности, ИК - радиометров (пирометров) и тепловизоров. Ориентировочная оценка показывает, что не менее 90% разработок в области АТНК основывается на этих приборах. Особенно важную роль играют тепловизоры. Применение их для АТНК значительно повышает производительность контроля (до десятков м2 поверхности в час), чувствительность к температурным контрастам (десятые и сотые доли градуса), информативность и наглядность контроля и т.д.

В свою очередь использование ИК радиометров, хотя и приводит к снижению производительности контроля, позволяет существенно улучшить выявляемость дефектов.

Менее известными, но представляющими определенный интерес, являются другие устройства этого класса, которые трудно объединить общими признаками. К ним относятся твердотельные преобразователи изображения, телевизионные ИК системы, эвапорографы и т. п.

Несмотря на преимущества бесконтактных устройств дистанционного типа, для некоторых задач АТНК более эффективными оказываются околоповерхностные датчики. Их применяют для контроля изделий сложной формы, объектов с существенной неоднородностью по коэффициенту теплового излучения и для других задач.

Объектами ТНК служат дефектные структуры с трещинами, порами, раковинами, непроварами, участками плохой тепло - и электроизоляции, неоднородным составом, посторонними примесями, зонами термического и усталостного перенапряжения, а также с отклонениями геометрических и теплофизических характеристик от допустимых значений.

Возможности ТНК ограничены в основном: теплопроводностью (метод не применим для материалов с высокой, так и низкой теплопроводностью); структурными помехами, вызванными флуктуациями теплофизических и оптических свойств объектов контроля; внешними тепловыми помехами.

3 Многослойные стеклопластики и композиты

Изделия этого класса являются одним из основных объектов АТНК. Это обусловлено несомненными преимуществами АТНК перед остальными методами НК применительно к стеклопластикам.

Для многослойных стеклопластиков характерным видом дефекта является непроклей между отдельными слоями. Причем многослойные структуры предрасположены к образованию дефектов по всей толщине стенки. Для обнаружения данного вида дефектов применяют как стандартные приборы, в частности, тепловизоры, так и специализированные тепловые дефектоскопы. Хотя по теплофизическим параметрам стеклопластики отличаются от дефектов (воздушных прослоек) меньше, чем, например металлы, нарушения сплошности в стеклопластиках выявляются достаточно четко, причем как двусторонним, так и односторонним способами.

3.1 Сотовые конструкции

Необходимость применения теплового контроля таких материалов объясняется трудностями использования традиционных методов НК.

Ультразвуковые методы обнаружения дефектов типа смятия и расслоения сот и обшивки малопроизводительны и характеризуются обилием ложных отраженных сигналов. Радиационный контроль непригоден для тонких материалов, слабо поглощающих ионизирующее излучение. Тепловой контроль сотовых конструкций особенно эффективен, если обшивка выполнена из низкотеплопроводного материала (титан, пластик), а сами соты - из высокотеплопроводного металла (алюминия). В этом случае на термограмме внутренняя картина сот хорошо просматривается.

3.2 Металлы и соединения металл – неметалл

В соответствии с физической сущностью теплового метода изделия из высокотеплопроводных материалов не являются лучшим объектом контроля. Однако, для таких подповерхностных дефектов, как трещины, раковины, отслоения покрытий, характерных для определенного класса металлических конструкций, АТНК оказывается эффективнее других методов НК, обычно используемых для контроля металлов.

Применение АТНК наиболее эффективно для броневых плит, образованных соединением разных по твердости слоев, методом горячей прокатки. Характерными для этого объекта контроля дефектами являются отслоения, которые могут образовываться за счет нарушения технологии.

Для другой группы материалов, использующих металлы, а именно: для соединений металл - неметалл, сфера применения АТНК значительно шире. В частности, АТНК успешно используется для контроля соединения металлов с такими материалами, как каучук, стекло, резина, пластик и т.п.

3.3 Металлические клееные, паяные и сварные конструкции

Клееные соединения металлов занимают значительное место в промышленности, поэтому эти материалы также исследовались разработчиками АТНК. Положительные результаты получены при исследовании соединения пластин из нержавеющей стали, меди и алюминия.

В сварочном производстве применение ТНК возможно по двум направлениям: 1) контроль за формированием сварного шва с одновременной коррекцией тока дуги; 2) контроль готовых сварных швов после сварки или в процессе эксплуатации.

3.4 Шины

Все ведущие мировые производители шин применяют тепловые методы, которые позволяют анализировать процесс нагрева шин при динамических испытаниях, имитирующих реальные условия. Шины представляют собой специфические многослойные конструкции, включающие натуральную и искусственную резину, сталь, нейлон, стеклопластик, полимеры. Разрушение шин начинается в связующих слоях из - за перерастания малых дефектов в большие под действием высоких температур и циклических нагрузок. Заводские испытания шин зачастую заканчиваются их разрушением, причем истинную причину разрушения вследствие его обширного характера не всегда можно установить. Решить задачу диагноза шин и прогнозирования их ресурса можно, исследуя температурное поле вращающихся шин, зависящее от скорости, давления в баллоне, нагрузки и конструкции шин.

Как видно из приведенного краткого перечня объектов ТНК, они входят практически во все производственные сектора объектов неразрушающего контроля (ДНАОП - 0.00 - 1.27 - 97), что и обуславливает увеличенное внимание специалистов к тепловому методу.

3.5 Перспективы развития ТНК

В настоящее время тепловой контроль является одним из наиболее динамически развивающихся методов. Анализ современного уровня развития активного теплового контроля показывает, что этот метод неразрушающих испытаний доказал свою состоятельность и утвердился как эффективный инструмент контроля качества для широкого круга исследовательских и производственных задач. О большом интересе к ТНК говорит тот факт, что на XIV Всемирной конференции по неразрушающему контролю (Копенгаген, 1996 г.) более 10% докладов были посвящены тепловому методу.

На данном этапе практически завершено формирование теоретических основ АТНК, сложившихся в одно из прикладных теории теплообмена, установлены основные закономерности АТНК, разработаны методы моделирования дефектов, средства и методики измерений

Основные направления работ в области ТНК можно сформулировать следующим образом:

1. Совершенствование теоретической модели ТНК как в смысле ее дальнейшего углубления (учет зависимости теплофизических характеристик от температуры. дополнение теплопроводности другими видами теплопередачи, развитие дефектометрии и томографии на основе обратных задач и т.д.), так и в смысле ее упрощения, вплоть до создания пакета программ для инженерных расчетов.

2. Поиск новых областей применения ТНК, особенно для класса теплоизоляционных материалов.

3. Разработка универсального алгоритма проведения экспериментальных исследований новых объектов ТНК, основанного на теории планируемого эксперимента.

4. Создание единой модели "объект контроля - средство контроля - методика контроля" ее анализ и оптимизация на этой основе решения задач АТНК.

5. Разработка принципов построения аппаратуры ТНК, базирующихся как на классических представлениях известных в тепловидении, ИК-технике, оптико-электронном приборостроении, так и на специфических особенностях тепловой дефектоскопии.

6. Совершенствование существующих средств контроля.

7. Решение проблемы метрологического обеспечения метода ТНК.

8. Создание на базе средств ТНК систем автоматизированного управления качеством продукции.

9. Поиск путей повышения эффективности неразрушающего контроля за счет сочетания ТНК с другими методами при испытании ответственных объектов

Решение указанных проблем позволит более эффективно применять ТНК для повышения качества продукции.

4 Тепловой неразрушающий контроль, как средство контроля качества строительных конструкций на примере использования портативного компьютерного термографа Иртис.

В основе теплового неразрушающего контроля (ТНК) лежит возможность получения теплового изображения объектов по их инфракрасному излучению возникающего в результате функционирования объекта или внешнего теплового воздействия на объект. По полученным термограммам можно судить о внутренней структуре объекта, в частности, обнаруживать ее различные аномалии, т.е. скрытые дефекты.

Возможность обнаружения скрытого дефекта обусловлена появлением вызванной им локальной неоднородности теплового поля на поверхности объекта контроля, которая изображается на термограмме соответствующим цветом. Основным элементом тепловизионной системы для ТНК является компактная тепловизионная камера, позволяющая выполнять снимки объекта в инфракрасном диапазоне. Современные тепловизионные камеры имеют высокую разрешающую способность и имеют возможность выявлять разницу температур на поверхности с точностью до 0,05 ^о С. Высокая мобильность и бесконтактный принцип работы позволяют применять камеру для обследования любых объектов. Кроме того, в составе тепловизионной системы предполагается персональный компьютер и программное обеспечение, предназначенные для обработки полученных камерой снимков и ведении статистики по результатам обследований.

Одной из таких систем является портативный компьютерный термограф ИРТИС разработанный на основе 30-летнего опыта работы в области создания инфракрасных приборов и с учетом требований, предъявляемых к мобильной аппаратуре, используемой на предприятиях энергетики, топливно-энергетического, химического и нефтегазового комплексов, коммунального хозяйства, в строительстве, медицине и в других для проведения ТНК.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ "ИРТИС"

Чувствительность к перепаду температур на уровне 30^о С	0.05^оС (0.02)
Поле зрения	не менее 25х20 град.
Мгновенное поле зрения	не более 1.5 мрад.
Диапазон измерений «ИРТИС-2000 N (C )B» Диапазон измерений «ИРТИС-2000 N (C )H»	от - 40 до + 300^о(500^о С) от –40 до +2000^оС
Диапазон рабочих температур	от -20 до +50^оС (-40 до +80)
Погрешность измерения абсолютных температур по АЧТ	±1^оС или ±1% от изм. диапазона
Число элементов разложения по строке	256(320)
Число строк в кадре	256
Время формирования кадра	Не более 0.8 сек., 1.6 сек., 3.2 сек.
Время автономного режима работы	Не менее 8 часов
Вес ИК- камеры ИРТИС –2000 N (C )	Не более 1.4 кг
Габариты ИК-камеры ИРТИС –2000 N (C )	Не более 92х120х200 мм

Основные преимущества термографов ИРТИС:

Высокая точность измерения абсолютных температур.
Равномерность чувствительности по всему полю изображения.
Стабильность характеристик во времени.
Полная компенсация температурного дрейфа в каждом кадре, отсутствие оптики на входе позволяют термографу ИРТИС моментально адаптироваться к окружающей среде и проводить точные измерения при любых температурах и их изменениях (например, перемещение из помещения на улицу или наоборот).

Все это важно учитывать при проведении ТНК строительных конструкций, зданий, сооружений и т.д.

Применение данного контроля позволит сократить энергопотери из зданий из-за строительных дефектов или предотвратить скоплений влаги из-за отсутствия или не адекватности изоляции. Способность этого метода контроля точно локализовать дефекты, являющиеся причиной существенных утечек тепла, может сыграть важную роль в повышении энергетической эффективности сооружений. Применение ИК методов контроля для выявления дефектов зданий и крыш и их своевременного ремонта, прежде чем будет нанесен серьезный ущерб, позволяет защитить капиталовложения в оборудование и материалы, размещенные в зданиях - задача первостепенной экономической важности. Конденсация влаги внутри стен с дефектной изоляцией с течением времени приводит к разрушениям, требующим дорогостоящего ремонта, или даже настолько серьезным, что их устранение вообще невозможно. Скрытые скопления влаги в бесчердачных крышах зданий являются одной из главных причин потерь энергии и разрушения изоляции. Благодаря тому, что ТНК позволяет точно локализовать дефекты, удается значительно сократить затраты на ремонт дефектных или протекающих крыш. Отремонтировать или заменить секцию крыши куда дешевле, чем перестраивать всю крышу заново. ИК съемка позволяет легко выявлять участки скопления влаги кровельной изоляции, так как в ясную погоду крыша действуем как большой тепловой коллектор, температура которого летом может достигать 70^оС. В этих условиях участки изоляции, характеризующиеся скоплением влаги, запасают больше количество солнечной энергии, чем сухая изоляция. После захода солнца для охлаждения таких участков требуется большее время, - из-за того, что запасенная ими энергия выше, а это позволяет визуализировать различия в температурах участков поверхности при помощи термографирования. Как и при освидетельствованиях зданий ИК методами, обследования крыш должны производиться лицами, знакомыми с проектом и конструкцией здания, и при надлежащих внешних условиях. При съемке крыши, которую рекомендуется производить вечером ясного дня после захода солнца, нужно принимать во внимание неоднородности слоев наполнителя и кровельного картона по плотности и толщине. Эти неоднородности могут оказаться причиной тепловых различий, дающих ложные данные о наличии скоплений влаги. Отдельные элементы конструкции кровли, например, окончания крыш и места стыков со стенами, а также всевозможное оборудование, монтируемое на крышах и имеющиеся на них выступающие части, в том числе агрегаты систем кондиционирования воздуха, кожухи вентиляторов, каналы, трансформаторы, дренажные трубы, отдушины, также могут отразиться на термограмме в виде ложных указаний на наличие влаги. Если в здании или непосредственно под обследуемым участком поверхности имеется оборудование, работа которого сопровождается интенсивным тепловыделением, это также необходимо учитывать при ИК съемке. Работа на крышах зданий сопряжена с опасностью. Нужно по этому выполнять указания специалистов кровельщиков и, в частности, не работать на крыше в одиночку, в особенности после наступления темноты.

Говоря о возможностях и опыте применения ТНК для экономии энергоресурсов и снижения затрат на эксплуатацию промышленного оборудования, следует отметить, что это далеко не панацея от всех бед, но инфракрасная диагностика имеет существенные достоинства:

• позволяет получать такую информацию об объектах обследования, которую получить другим методом невозможно или технически настолько сложно, что теряется экономическая целесообразность работы;

• тепловидение дает возможность проведения обследования большого количества объектов в кратчайшие сроки и с минимальными затратами;

• обследования проводятся без вывода из эксплуатации объекта диагностики и при его номинальных параметрах работы;

• широкий спектр применения метода и бесконечный перечень объектов и единиц оборудования, подлежащего обследованию, позволяет эффективно использовать тепловизионную систему как в целях энерго- и ресурсосбережения, так и для повышения надежности и эффективности работы инженерных систем, снижения аварийности, повышения уровня безопасности оборудования, снижения затрат на его эксплуатацию.

5 Пирометры

Пирометры – бесконтактные измерители температуры по-прежнему являются незаменимыми элементами цепей контроля и управления в целом ряде отраслей промышленности – металлургической, машиностроительной, электронной, химической, медико-биологической и т.д. Им нет альтернативы при измерении температуры движущихся (например, металл на прокатном стане), труднодоступных или находящихся в опасных зонах (подстанции высокого напряжения) объектов.

Большая часть пирометров разрабатывалась и выпускалась на Украине: на Каменец-Подольском приборостроительном заводе (КППЗ), Харьковском заводе "Прибор" и во Львовском НПО "Термоприбор". В целом парк приборов СССР составлял 200-300 тыс. приборов, большую часть которых (до 70-80%) составляли визуальные пирометры с исчезающей нитью типа "Проминь". Серийный выпуск пирометров в ограниченных объёмах (всего около 15-25% от общего количества) проводился в Москве, Ленинграде, Свердловске, Горьком, который в настоящее время прекращен. Основную массу парка приборов составляли приборы с основной погрешностью 1-5%.

Использование современной элементной базы существенно расширило возможности этих приборов и позволило наделить их новыми свойствами – помимо измерения они могут теперь проводить обработку полученной информации и осуществлять сложные действия по управлению технологическим процессом. Снизился их вес, уменьшились габариты, приборы стали проще и удобнее в эксплуатации.

Все это оказалось возможным благодаря применению в приборах новой элементной базы, включающей микропроцессоры. Использование электроники нового поколения позволило также снизить процент отказов приборов как за счет уменьшения количества используемых элементов, так и за счет высокой надежности каждого из них. Кроме того, более корректно учитывается влияние излучательной способности измеряемого объекта и температуры окружающей среды, что позволило повысить точность измерений в цеховых условиях. Высокая стабильность источников опорного напряжения и цифровое преобразование сигнала приемника излучения в температуру создали предпосылки для увеличения межповерочного интервала пирометров.

Все более широкое применение получает радиационная термометрия в технологических процессах, ранее традиционно использовавших контактные методы, причем диапазон измерений расширился в сторону низких температур до минус 50С, расширяется область применения тепловизоров, очень актуально внедрение неконтактных методов измерения температуры в энергетической промышленности. Значительно сократилась доля визуальных пирометров, еще в 80-е годы составлявшая более 70%, в настоящее время, по-видимому, она не превышает 25-30%.

Общее число применяемых пирометров в России, по оценке ВНИИМ 50-70 тысяч.

Структура парка включает следующие основные группы приборов:

- сканирующие пирометры (тепловизоры) - 3-5%;

- пирометры полного и частичного излучения – 70-75%;

- пирометры спектрального отношения – 10-15%;

- монохроматические пирометры -15-20%.

Кратко рассмотрим основные преимущества и недостатки пирометрического метода перед контактными:

1. Перед контактными методами измерения температуры пирометрические обладают следующими преимуществами:

- высоким быстродействием, определяемым типом приемника излучения и схемой обработки электрических сигналов. При использовании квантовых приемников излучения (фотодиодов) и быстродействующих аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) постоянная времени может составлять 10^-2 – 10^-6 с.;

- возможностью измерения температуры движущихся объектов и элементов оборудования, находящихся под высоковольтным потенциалом;

- отсутствием искажения температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью (дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы в случае мягких (пластичных) объектов;

Тепловой метод контроля 📙 Реферат → 🆔 277861