Сущность теплового метода неразрушающего контроля

Российский ГОСТ 18353-79 различает 9 видов неразрушающего контроля согласно используемым физическим явлениям: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновый, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами. Правила аттестации персонала в области неразрушающего контроля (ПБ 03-440-02) Госгортехнадзора вводят уже 11 методов неразрушающего контроля: ультразвуковой, акустико-эмиссионный, радиационный, магнитный, вихретоковый, проникающими веществами (капиллярный и течеисканием), визуальный и измерительный, вибродиагностический, электрический, тепловой, оптический. В целом, классификация методов НРК не успевает за разработкой все новых способов испытаний материалов и изделий, многие из которых используют комбинацию разнообразных физических феноменов.

Тепловой метод неразрушающего контроля основан на регистрации возмущений, вносимых внутренними дефектами в регулярный (эталонный) характер распространения тепловых потоков в объекте контроля. На практике анализируют двумерное нестационарное распределение температуры на поверхности объекта контроля, причем информативными признаками скрытых дефектов являются локальные температурные сигналы или характерные времена теплопередачи.

Аппаратурную базу теплового контроля составляют инфракрасные системы измерения температуры, в особенности, тепловизоры. Современные тепловизоры являются измерительными приборами, используют охлаждаемые и неохлаждаемые матричные приемники инфракрасного излучения и обеспечивают следующие параметры:

1) формат кадра - от 128х128 до 1024х1024 пикселей;

2) спектральный диапазон 3…5 мкм и 7…13 мкм;

3) частота кадров - до 1000 Гц;

неразрушающий контроль тепловой метод

4) глубина оцифровки сигнала - 12, 14 и 16 бит. В портативных тепловизорах массой от 0,7 до 3 кг возможна цифровая запись до 1000 термограмм.

Физические основы и элементная база теплового неразрушающего контроля

В тепловых методах неразрушающего контроля используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте контроля. Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных дефектов. Под дефектом при этом понимается наличие скрытых раковин, полостей, трещин, непроваров, инородных включений и т.д., всевозможных отклонений физических свойств объекта контроля от нормы, наличия мест локального перегрева (охлаждения) и т.п.

Различают пассивный и активный тепловой контроль. При пассивном тепловом контроле анализ тепловых полей изделий производят регистрацией их собственного теплового излучения. Активный тепловой контроль предполагает нагрев объекта внешним источником энергии.

Основной характеристикой температурного поля, являющейся индикатором дефектности, служит величина локального температурного перепада. Координаты места перепада, его рельеф или, иными словами, топология температурного поля и его величина в градусах являются функцией большого количества факторов. Эти факторы можно подразделить на внутренние и внешние. Внутренние факторы определяются теплофизическими свойствами контролируемого объекта и дефекта, а также их геометрическими параметрами. Эти же факторы определяют временные параметры процесса теплопередачи, в основном, процесса развития температурного перепада. Внешними факторами являются характеристики процесса теплообмена на поверхности объекта контроля (чаще всего величина коэффициента конвективной теплоотдачи), мощность источника нагрева и скорость его перемещения вдоль объекта контроля.

Основным информационным параметром при тепловом контроле является локальная разность температур между дефектной и бездефектной областями объекта. Знак перепада зависит от соотношения теплофизических свойств дефекта и изделия и исследуемой поверхности. При нагреве изделий, содержащих дефекты, плохо проводящие тепло (типа газовых включений), перепад положителен для поверхности, подвергнутой нагреву (т.е. место дефекта характеризуется локальным повышением температуры), и отрицателен для противоположной стороны. В случае дефекта, проводящего тепло лучше основного изделия (металлические вкрапления), знак перепада изменяется на обратный.

Временной ход перепада характеризуется кривой с максимумом. Это заставляет в каждом конкретном случае оптимальным образом выбирать момент регистрации температурного перепада. Величина температуры зависит от тепло и температуропроводности изделия и дефекта и глубины залегания дефекта.

Момент наступления максимального перепада и глубина залегания дефекта обычно связаны линейной зависимостью, причем угол наклона соответствующей прямой зависит от теплофизических свойств изделия и дефекта. Чем более теплопроводно изделие, тем меньше величина угла наклона. В зависимости от типа материала и глубины залегания дефекта эта величина для металлов колеблется от долей секунд до десятков секунд, для неметаллов она может составлять десятки минут.

Увеличение мощности нагревателя и уменьшение интенсивности теплообмена приводит к росту уровня нагрева изделия и лучшему выявлению дефектов.

Существуют следующие способы активного теплового контроля изделий:

1. Кратковременный локальный нагрев изделия с последующей регистрацией температуры той же (при одностороннем контроле) или противоположной области (при двустороннем контроле). По истечении некоторого времени (чтобы изделие успело остыть) переходят к следующей точке и т.д. Так будет пройдена вся поверхность изделия, причем измеренная температура дефектных областей будет существенно отличаться от температуры бездефектных участков.

2. С использованием сканирующей системы, состоящей из жестко закрепленных друг относительно друга источниках нагрева и регистрирующего прибора (например, радиометра), перемещающихся с постоянной скоростью вдоль поверхности образца.

3. Одновременный нагрев поверхности образца вдоль некоторой линии с последующей регистрацией температуры вдоль той же линии (при одновременном контроле) или вдоль аналогичной линии с противоположной поверхности образца (при двустороннем контроле). Подобная регистрация может быть осуществлена, например, прибором "Термопрофиль".

4. Одновременный нагрев всей поверхности образца и последующая одновременная регистрация температурного распределения на этой же или на противоположной поверхности. Подобный способ контроля может быть осуществлен при помощи тепловизора.

Эффективность выявления дефектов каждым из описанных способов теплового контроля уменьшается от первого к четвертому, а производительность - возрастает. Области применения теплового неразрушающего контроля приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Области применения активного теплового неразрушающего контроля.

Область	Способ, объекты контроля, выявляемые дефекты
Авиакосмическая индустрия	Инфракрасная влагометрия; дефекты структуры композитов, готовых панелей, клеевых соединений, защитных покрытий
Микроэлектроника	Лазерный контроль пайки, сварки: инфракрасная томография полупроводников, БИС, дефекты теплоотводов.
Машиностроение	Дефектоскопия антикоррозионных покрытий, обнаружение мест подповерхностного расслоения; композитных структур
Лазерная техника	Контроль термонапряжений в лазерных кристаллах, ТФК квантронов, световой прочности элементов силовой оптики
Материаловедение	Тепловая диагностика напряженного состояния объектов на основе термоэластического эффекта, контроль ТФК конструкционных материалов
Строительство	Контроль теплопроводности строительных материалов, защитных ограждений, обнаружение пустот, промоин и т.д.
Нефтехимия	Термографический контроль уровня жидкостей в резервуарах
Атомная энергетика	Тепловая дефектоскопия ТВЭЛ, анализ пористости материалов, контроль напряженного состояния металла
Автомобильная промышленность	Тепловая дефектоскопия шин, покрытий, упрочняющих покрытий, качества закалки и термоупрочнения
Энергетика	Тепловизионный контроль статоров, защитных покрытий, термоизоляции
Агрокомплекс	Контроль ТФК продуктов, дефектоскопия деталей с/х техники

Таблица 2. Области применения пассивного теплового неразрушающего контроля.

Область	Способ, объекты контроля, выявляемые дефекты
Энергетика	Тепловая диагностика турбин, дымовых труб, энергоагрегатов, контактных сетей, теплоизоляции
Нефтехимия	Тепловизионный контроль реакторных колонн и энергоагрегатов, обнаружение утечек из продуктопроводов.
Машиностроение	Контроль тепловых режимов машин, механизмов, обнаружение аварийно - и пожароопасных мест на энергонасыщенных промышленных объектах
Строительство	Обнаружение утечек тепла в зданиях, тепловизионный контроль качества кровли, ограждающих конструкций.
Экологический мониторинг	Дистанционный контроль утечек тепла, загрязнений на водных поверхностях, выявление тепловых аномалий, обнаружение пустот, промоин и т.д.
Металлургия	Пирометрический контроль температуры расплавов, тепловизионная диагностика футеровки, контроль горячего проката.
Транспорт	Обнаружение перегрева букс, дефектов контактных сетей, изоляторов, тепловая диагностика электрооборудования подвижного состава.
Авиация	Световая пирометрия лопаток ТТД, аэродинамический эксперимент, контроль теплового режима бортовых РЭА.
Цементная промышленность	Контроль равномерности нагрева печей, их режимов
Агрокомплекс	Контроль тепловых режимов теплиц и ферм, состояния животных, температуры зерна в элеваторах
Электроника	Тепловая диагностика РЭА, БИС, температурный контроль технологических процессов
Лазерная техника	Анализ тепловых режимов активных элементов мощных лазеров
Термоядерная энергетика	Тепловая диагностика плазмы, инфракрасная томография
Медицина, здравоохранение	Гермодиагностика сосудистых заболеваний, онкологии, кожных болезней и др.