Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Энергообеспечение предприятий и теплотехника»

На правах рукописи

УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой Н.П. Жуков подпись, инициалы, фамилия «___» ___________________ 2016 г.

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

по направлению подготовки

13.04.01 – «Теплоэнергетика и теплотехника»

шифр, название направления

магистерская программа

13.04.01.01 – «Технология производства электрической и тепловой энергии»

шифр, название программы

на тему: «Разработка и исследование теплового метода неразрушающего контроля толщины защитных покрытий в двухслойных полимерно-металлических изделиях».

Автор магистерской диссертации Хромый Кирилл Сергеевич

подпись, дата фамилия, имя, отчество

Обозначение магистерской диссертации ТГТУ. 13.04.01.01.005 ДЭ

Обозначение титульного листа магистерской диссертации ТГТУ. 13.04.01.01.005 ТЭ–ТЛ

Руководитель магистерской диссертации Н.Ф. Майникова

подпись, дата инициалы, фамилия

Нормоконтролёр Н.Ф. Майникова

подпись, дата инициалы, фамилия

Тамбов 2016 г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Энергообеспечение предприятий и теплотехника»

УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой Н.П. Жуков подпись, инициалы, фамилия «___» ___________________ 2016 г.

ЗАДАНИЕ НА МАГИСТЕРСКУЮ ДИССЕРТАЦИЮ

Студент К.С. Хромый код 13.04.01.01.005 группа МТЭ21

фамилия, инициалы

Обозначение магистерской диссертации ТГТУ. 13.04.01.01.005 ДЭ

Обозначение задания магистерской диссертации ТГТУ. 13.04.01.01.005 ТЭ–ЗД

1 Тема Разработка и исследование теплового метода неразрушающего контроля толщины защитных покрытий в двухслойных полимерно-металлических изделиях».

утверждена приказом по ТГТУ № 611-08

от «_23_» _________мая________ 2016 г.

2 Срок представления диссертации к защите «22» июня 2016 г.

3 Цель:

Экспериментальное исследование неразрушающего метода определения толщины термостойкого покрытия на металлическом основании.

4 Перечень разделов магистерской диссертации

4.1 Обзор литературных и патентных источников по теме диссертации.

4.2 Теоретическое обоснование теплового метода неразрушающего контроля толщины защитных покрытий в двухслойных полимерно-металлических изделиях.

4.3 Измерительная система, реализующая метод неразрушающего контроля.

4.4 Свойства материалов, применяемых для изготовления двухслойных полимерно-металлических изделий.

4.5 Экспериментальное исследование.

Руководитель

магистерской диссертации: д.т.н., профессор Н.Ф. Майникова

уч. степень, звание подпись, дата инициалы, фамилия

Задание принял к исполнению: К.С. Хромый

подпись, дата инициалы, фамилия

АННОТАЦИЯ

Тема научно-исследовательской работы: «Разработка и исследование теплового метода неразрушающего контроля толщины защитных покрытий в двухслойных полимерно-металлических изделиях»

Автор: студент группы МТЭ – 21 Хромый К.С.

Научный руководитель: д.т.н., профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» ФГБОУ ВО Тамбовского государственного технического университета –  Майникова Н.Ф.

Год защиты работы: 2016.

Работа посвящена экспериментальному исследованию неразрушающего метода определения толщины термостойкого покрытия на металлическом основании.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи.

1. Выполнен анализ методов и средств определения толщины защитных покрытий.

2.Выбрана измерительная схема метода НК толщины покрытий с круглым плоским источником тепла постоянной мощности.

3. Выполнено экспериментальное исследование неразрушающего метода определения толщины термостойкого акрилового покрытия на металлической подложке из стали Ст3.

Магистерская диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников, содержащего 42 ссылки и 3 приложений.

Содержание работы изложено на 69 страницах машинописного текста, включая 23 рисунка. Приложения содержат 37 страниц машинописного текста.

ABSTRACT

The Subject of Research: ‘The investigation of thermal nondestructive control of protective coverings thickness in double-layer polymer-metallic articles’.

The Author: the student of MTE group - 21 K.S. Khromyi.

The Supervisor: Doctor of Science, Professor of ‘Hydraulics and Heat’ department Tambov State Technical University – N. F. Mainikova.

Year of defense: 2016

The work is dedicated to the experimental research of nondestructive method of heat-resistant covering thickness detection on the metallic base.

To achieve this goal the following problems have been solved:

1. The analysis of determining the thickness of the protective coating methods and means.

2. Select the measuring circuit method of coating thickness with a round flat TC constant power source of heat .

3. An experimental study of non-destructive method of determining the thickness of the heat-resistant acrylic coating on a metal substrate made ​​of steel St3. Master’s dissertation consists of an introduction, five chapters, conclusions, list of sources used, containing 42 references and 3 appendices.

The content of the work is stated on 69 pages typescript, including 23 drawings. The appendices contain 37 pages of typewritten text.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И АББРЕВИАТУР 7

ВВЕДЕНИЕ 8

1. Обзор литературных и патентных источников по теме диссертации 12

1.1. Методы и средства теплового неразрушающего контроля толщины материалов и изделий 12

1.2. Полимерные покрытия с повышенной теплостойкостью 25

1.3. Выводы по главе 1 28

2. Теоретическое обоснование теплового метода неразрушающего контроля толщины защитных покрытий в двухслойных полимерно-металлических изделиях 29

2.1. Физическая модель метода 29

2.2. Математическая модель нестационарного теплопереноса для двухслойной системы 30

2.3. Вывод по главе 2. 32

3. Измерительная система, реализующая метод неразрушающего контроля 33

3.1. Описание принципиальной схемы и аппаратного исполнения измерительной системы 33

3.2. Конструкция измерительного зонда 34

3.3. Порядок осуществления измерительных операций 35

3.4. Вывод по главе 3 35

4. Свойства материалов, применяемых для изготовления двухслойных полимерно-металлических изделий 36

4.1. Свойства полимерного материала. Акриловая эмаль. 36

4.2. Свойства материала металлической подложки 39

5. Экспериментальное исследование 42

5.1.Определение толщины покрытия с известными теплофизическими свойствами 42

5.2. Определение толщины покрытия с неизвестными значениями теплофизических свойств 60

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 64

ПРИЛОЖЕНИЯ 70

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК ПО ТЕМЕ 70

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПЛАКАТЫ. 78

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ГРАМОТЫ И ДИПЛОМЫ АВТОРА ДИССЕРТАЦИИ. 96

Перечень условных обозначений и аббревиатур

Ra	– шероховатость поверхности;
	 температуропроводность, м2/с;
b0, b1,	 параметры модели, описывающие рабочий участок термограммы;
c	 удельная теплоемкость, Дж/(кгК);
h1	 толщина образца, мм;
h2	 толщина металлического основания, мм;
	 тепловой поток, Вт/м2;
Q	 тепловая мощность, Вт;
	 температура, С;
x	 пространственная координата, м;
	 тепловая активность, Втс0,5/(м2К);
	 теплопроводность, Вт/(мК);
	 плотность материала, кг/(м3);
RН	– радиус нагревателя, мм;
RИЗ	– радиус измерительного зонда, мм;
	время, с;
	 шаг измерения температуры, с;
ИC	 измерительная система;
ИЗ	 измерительный зонд;
Н	 нагреватель;
НК	 неразрушающий контроль;
ПМ	 полимерный материал;
ТП	 термоэлектрический преобразователь;
ТФС	 теплофизические свойства.

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование известных и создание новых эффективных методов и средств контроля востребованы и являются актуальными в связи со сложностью и большим объемом экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности как традиционных, так и вновь синтезированных материалов конструкционного, электро- и теплоизоляционного назначения. Тепловые методы неразрушающего контроля (НК) и диагностики позволяют определять качество исследуемых материалов и готовых изделий из них по теплофизическим свойствам (ТФС), к числу которых относятся теплоемкость, тепло- и температуропроводности, тепловая активность.

Широкое применение в различных сферах нашли полимерные покрытия на металлических подложках, которые можно классифицировать по следующим признакам: по макроструктуре (взаимному расположению, типу и форме полимерной и металлической составляющих двухслойных объектов); по назначению; по способу получения; по природе полимера и металла.

По назначению металлополимерные материалы разделяют на защитно-декоративные, химически стойкие (антикоррозионные), электротехнические, антифрикционные, теплоизоляционные, общекострукционные и др. [1].

Для получения полимерных покрытий применяют составы на основе полиэтилена, поливинилбутираля, поливинилхлорида, эпоксидов, полиэфиров и акриловых связующих [2].

Обычно покрытие выполняет несколько функций, например является защитно-декоративным и тепло- либо электроизоляционным, обеспечивает работоспособность подвижного соединения в коррозионно-активной среде, защищает поверхность от коррозии и придает ей антиадгезионные свойства и т.п.

Одним из основных показателей уровня развития промышленности является качество выпускаемых металлополимерных изделий. Качеству продукции можно дать следующее общее определение – это совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. В это понятие входят самые различные характеристики, которые необходимо контролировать. Это и химический состав, теплофизические свойства (ТФС) и геометрические размеры, например, толщина защитного покрытия.

Важную роль в решении задачи обеспечения выпуска качественной продукции играют методы и средства контроля качества. Современные методы контроля качества материалов и изделий подразделяются на два больших класса – разрушающие и неразрушающие.

Тепловые методы неразрушающего контроля (НК) позволяют определять качество исследуемых материалов и готовых изделий из них по теплофизическим свойствам [2].

Таким образом, совершенствование известных и создание новых эффективных методов и средств неразрушающего контроля востребованы и являются актуальными в связи со сложностью и большим объемом экспериментальных исследований по определению качества защитных покрытий металлических изделий.

В основе примененного в данной работе метода лежат следующие предположения. На термограмме имеется участок (рабочий), для которого обеспечивается высокая точность совпадения с результатами вычислительных экспериментов по аналитической модели. Причем этому участку соответствуют тепловые режимы опыта, вышедшие на стадию регуляризации.

участки экспериментальных термограмм, хорошо совпадающие с рассчитанными по аналитическим моделям, имеют место для широкого класса твердых материалов (электро- и теплоизоляционных, полимерных и др.).

Для рабочего участка существуют удобные вычислительные соотношения, позволяющие однозначно определить значения теплофизических свойств в зависимости от параметров аналитической функции, соответствующей термо­грамме на данном временном интервале. Расчетное уравнение, описывающие термограмму на рабочем участке, следует искать на основе анализа решений соответствующей краевой задачи.

Цель работы. Экспериментальное исследование неразрушающего метода определения толщины термостойкого покрытия на металлическом основании.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи

1. Выполнен анализ методов и средств определения толщины защитных покрытий.

2.Выбрана измерительная схема метода НК толщины покрытий с круглым плоским источником тепла постоянной мощности.

3. Выполнено экспериментальное исследование неразрушающего метода определения толщины термостойкого акрилового покрытия на металлической подложке из стали Ст3.

Научная новизна.

1. Выполнена экспериментальная реализация теплового метода НК толщины защитных низкотеплопроводных покрытий на металлических основаниях.

2. Показана адекватность математической модели реализуемого метода НК реальному теплопереносу.

Практическая ценность. Программная и аппаратная реализации метода, ИС могут быть применены для контроля толщины низкотеплопроводных неметаллических покрытий (полимерных, керамических и др.) на металлических изделиях без разрушения изделия.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы неоднократно обсуждались на: 2-ой Международной конференции «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах». – Тамбов, 2015 г.; 9 Всероссийском конкурсе талантливой молодежи «Национальное достояние России». – Москва, 2015 г.; XIV-ой Международной научной конференции «Наука в центральной России». – Липецк, 2015 г.; XV-ой Международной научной конференции «Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения». – Липецк, 2015 г.; Международной научной конференции «Наука в центральной России – Агроиновации». – Липецк, 2015 г.; Международной научно-практической конференции «Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн». – Тамбов, 2014 г.

В первой главе диссертации приводится обзор основных методов и средств определения толщины двухслойных материалов и изделий. Представлен анализ известных методов неразрушающего контроля. Рассмотрены различные виды термостойких покрытий, их свойства и область применения.

На основе проведенного анализа определена область и сформулированы задачи исследования, намечены пути решения.

Во второй главе диссертации даны теоретическое обоснование, описание и расчетные зависимости метода теплового НК качества термостойких покрытий на металлических основаниях.

В третьей главе рассмотрена принципиальная схема и аппаратное исполнение измерительной системы. Приведена конструкция измерительного зонда с круглым плоским нагревателем постоянной мощности.

В четвертой главе описаны свойства материалов, применяемых при экспериментальном исследовании.

В пятой главе представлены экспериментальные исследования двухслойных полимерно-металлических изделий тепловым методом НК толщины.

Экспериментальное исследование метода, реализующего НК толщины защитных покрытий, проводилось для двухслойного объекта, состоящего из металлической подложки из Стали 3 с термостойким акриловым покрытием.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 14 публикациях.