ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В СТЕНКАХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ
ELECTROTHERMAL METHOD FOR DETECTING AND IDENTIFYING DEFECTS IN WALLS OF STRUCTURAL MEMBERS

Изобретение относится к тепловым способам неразрушающего контроля и диагностики дефектов в стенках элементов конструкции и может быть использовано для дефектоскопии действующих трубопроводов, железнодорожных цистерн, судовых танков, газгольдеров, котлов, наполненных газом, нефтью, горячей или холодной водой, сыпучими продуктами, а также для дефектоскопии сварных соединений, дисков колес, осей, пластин, и т.п.
Способ предназначен для контроля, в том числе и в условиях эксплуатации, дефектов, расположенных в стенке элемента конструкции, на ее внутренней или внешней поверхности и вызывающих изменение толщины стенки, причем пространство со стороны внешней и со стороны внутренней поверхности может быть заполнено какой-либо твердой, жидкой средой, или газом.
Известно, что при эксплуатации, например, трубопровода да и других деталей конструкций, дефекты возникают как на наружной, так и на внутренней их стороне, возможно возникновение дефектов и внутри стенки, и в сварных швах. Если дефекты достигают предельных значений, то они могут быть причиной аварии. Все существующие способы дефектоскопии, в том числе и наиболее распространенные: ультразвуковые, токовихревые, рентгеновские, акустической эмиссии и другие, не являются универсальными и не всегда достоверны и удобны для практики, не всегда позволяют с достаточной степенью надежности определять опасные дефекты и их параметры.
Действительно, в практике нужно обнаружить на изделии, например на трубе максимальный дефект. Если взять широко применяемые для измерения толщины стенки труб ультразвуковые или токовихревые методы, то в них использует щуп, представляющий собой практически карандаш, который прижимают к проверяемой поверхности. Поэтому при обследовании больших поверхностей, никто не может гарантировать, что оператор щупом попадет в зону локального максимального дефекта, например, каверны от коррозии, расположенной внутри или на другой стороне стенки, то есть такой контроль является субъективным, а при определении величины и расположения максимального дефекта, особенно на больших, по сравнению с размерами щупа, контролируемых поверхностях, абсолютно ненадежным, ибо зависит не только от квалификации, но и от настроения оператора. При этом следует отметить сложность объективного протоколирования полученных результатов. В настоящее время ультразвуковой метод широко применяется при обследовании сварных швов, однако если ультразвуковое излучение параллельно поверхности дефекта, расположенного, например, в сварном шве, то обнаружить дефект не удастся. Надежность ультразвукового и токовихревого контроля, в виду малости контролируемых зон, невелика и зависит от ориентации дефекта и от человеческого фактора.
При использовании рентгеновских установок нужно фокусировать рентгеновское излучение на дефекте, но, обычно, глубина, на которой находится дефект, не известна, а если неправильно сфокусировать, то дефект на рентгенограмме будет нечетким - размытым, и по такому изображению дефекта на рентгенограмме его легко пропустить. Кроме того, если поверхность дефекта перпендикулярна рентгеновскому излучению, а поверхности дефекта близки друг к другу, то обнаружить дефект также не удается. Отметим также небольшие размеры контролируемой поверхности и громоздкость рентгеновских установок и также сложную систему защиты обслуживающего персонала.
Метод акустической эмиссии требует, чтобы проверяемый участок был нагружен до начала обрыва межатомных связей, то есть нагрузкой, которая должна быть больше эксплуатационной, что обычно недопустимо. Кроме того, метод акустической эмиссии отличается сложностью нагружения контролируемого элемента конструкции, а также большими габаритами используемой измерительной аппаратуры. Этим методом можно определить местоположение только развивающегося дефекта в монолитных элементах, но нельзя определить размер, ориентацию и, особенно, форму дефекта. Для элементов конструкций, имеющих неподвижные и трущиеся соединения, этот метод не применяют.
Известен тепловой способ дефектоскопии оболочек и трубопроводов путем использования инфракрасного (ИК) излучения. (1. Неразрушающий контроль: Справочник, Т.4, М., 1992). В соответствии с этим способом производится тепловое воздействие на наружную или на внутреннюю поверхности контролируемого участка стенки трубопровода, вызывающее повышение или понижение температуры его наружной поверхности. После теплового воздействия наружная поверхность трубопровода сканируется оптической системой тепловизора. Полученное изображение ИК излучения представляет собой картину температурного потенциала наружной поверхности. Эта картина зависит от местной толщины прогреваемой или охлаждаемой стенки. Дефекты как наружной, так и невидимой внутренней поверхности или раковины в толще стенки скачком изменяют ее толщину и становятся различимыми в картине изображения ИК излучения наружной поверхности.
Известен способ тепловизионного контроля внутренних дефектов в многослойных и композиционных конструкциях (2. Авт. св. SU №1712852 А1, G01N 25/72, опубл. 15.02.92 г.). В этом способе для повышения надежности обнаружения дефектов, предлагается три ступени нагружения, с разовым измерением, на каждой ступени ИК излучения контролируемой наружной поверхности в момент времени, когда на каждой из этих ступеней будет равенство средних значений полей теплового излучения по всему контролируемому участку. Однако определять эти моменты времени в практических условиях затруднительно.
Известен способ обнаружения дефектов в многослойных изделиях (3. Авт. св. SU №1173285 A1, G01Ν 25/72 1992, опубл. 15.08.1985 г.) путем локального нагрева поступательно движущегося изделия и регистрации приемниками распределения теплового излучения по его поверхности путем нагревания одновременно и идентично по направлению и мощности одну из поверхностей как изделия, так и движущегося синхронно и параллельно с ним эталонного той же толщины образца.
Вышеперечисленные технические решения не обладают достаточной разрешающей способностью и достоверностью.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является термоэлектрический способ неразрушающего контроля качества поверхностного слоя металла (4. Пат. US №5292195, G01N 25/72, 1994), в котором производится принудительная тепловая обработка наружной или внутренней поверхности контролируемого участка стенки проверяемого трубопровода, вызывающая повышение или понижение температуры его наружной поверхности, после этого наружная поверхность проверяемого трубопровода сканируется оптической системой тепловизора. По полученным термограммам определяют дефекты, которые местно изменяют толщину стенки трубопровода, вызывая локальное изменение температуры в этих местах.
Недостатком этого способа-прототипа является низкая разрешающая способность и достоверность получаемого ИК изображения, неопределенность расположения дефекта по толщине стенки и невозможность определения его объемной конфигурации.
В известном способе не устранена всегда имеющаяся при тепловом воздействии неравномерность теплового потока, вызывающего большую неравномерность разогрева контролируемой наружной поверхности проверяемого элемента от источника теплового воздействия, Это может привести к тому, что неравномерность теплового потока от источника теплового возбуждения даст неравномерный разогрев наружной контролируемой поверхности проверяемого элемента конструкции. Эти неравномерности температурного поля на термограммах не зависят от дефектов и могут быть приняты за дефект или за особенности дефекта, и не позволят выявить и определить границы дефекта, например, если он плавно изменяет глубину, если он является протяженным, имеет плавные границы, даже если этот дефект является опасным для контролируемого элемента конструкции.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в повышении достоверности и разрешающей способности получаемого ИК изображения, увеличении надежности связи изображения ИК излучения контролируемого участка наружной поверхности проверяемого элемента конструкции, с параметрами дефекта, определении объемной конфигурации дефекта и расположения дефекта по толщине стенки элемента конструкции.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом электротермическом способе выявления и определения дефектов в стенках элементов конструкции, включающем принудительное тепловое воздействие на поверхность проверяемого участка конструкции, и регистрацию инфракрасного ИК излучения его наружной поверхности при помощи тепловизора, предварительно подготавливают два эталонных образца, имеющие участок, идентичный по материалу и по размерам проверяемому участку поверхности элемента конструкции и заполненные той же средой; на этом участке первый эталонный образец не имеет дефектов, а на внутреннюю или внешнюю поверхность второго эталонного образца наносят ступенчато увеличивающиеся по глубине дефекты, их размеры вводят в банк данных компьютера; наружные поверхности проверяемого элемента конструкции, первого и второго эталонных образцов зачищают, на зачищенные поверхности наносят покрытие с равномерным и высоким коэффициентом излучения, затем путем теплового воздействия, на проверяемый участок второго эталонного образа выбирается величина и вид режима теплового воздействия, а также выбирается интервал времени между моментами фиксации термограмм на выбранном режиме для получения наиболее четкого изображения, после этого первый и второй эталонные образцы и проверяемый участок элемента конструкции подвергают тепловому воздействию на выбранном режиме; затем через выбранные интервалы времени проводят регистрацию интенсивностей ИК излучения наружных поверхностей проверяемых участков; эти ИК излучения записывают в банк данных компьютера и вычисляют сначала разности интенсивностей ИК излучения для соответствующих выбранных интервалов времени, для первого и второго эталонных образцов, а затем разности для проверяемого элемента конструкции и второго эталонного образца, эти разности заносят в банк данных компьютера; сравнивают вышеназванные разности термограмм, соответствующие выбранному времени, и оценивают наличие, местоположение и размер дефектов в стенке проверяемого элемента конструкции, получая расположение и объемную форму дефектов в виде послойных, соответствующих выбранным интервалам времени, срезов изображений дефектов по толщине стенки.
В прототипе же не учитывается влияние на полученные этим способом изображения ИК излучения контролируемого участка наружной поверхности проверяемого трубопровода излучательной способности его наружной поверхности, из-за возможной неодинаковости коэффициента излучения по его поверхности и влияние всегда существующей, весьма значительной неравномерности распределения теплового потока по контролируемому участку наружной поверхности проверяемого элемента конструкции и второго эталонного образца, при тепловом воздействии на их наружную поверхность. Эти неравномерности сказываются на изображениях ИК излучения наружной поверхности проверяемого трубопровода, по которым определяют дефекты, что приводит к низкой достоверности обнаружения утонений и дефектов в стенке трубопровода, к низкой достоверности определения их размеров. Кроме того, по способу-прототипу, объемная конфигурация дефекта и расположение его по толщине стенки элемента конструкции не диагностируются.
Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения является совокупность отличительных признаков, изложенная в отличительной части формулы.
Проведенный патентный поиск позволил сделать вывод о том, что заявляемое техническое решения соответствует критерию «новизна», поскольку совокупность существенных отличительных признаков не выявлена в существующем уровне техники.
Технический результат заявляемого способа заключается в том, что он позволяет путем неразрушающего контроля действующего оборудования, без остановки производственного процесса, получить с высокой разрешающей достоверностью и способностью расположение и объемное изображение дефектов в виде послойных срезов изображений дефектов по толщине стенки проверяемого элемента конструкции.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Перед измерением изображения ИК излучения контролируемого участка наружной поверхности элемента конструкции эта наружная поверхность зачищается, затем на нее наносят покрытие с равномерным и высоким коэффициентом ИК излучения, чем устраняется возможная неодинаковость коэффициента излучения отдельных мест контролируемых участков проверяемой поверхности элемента конструкции. Наружную поверхность стенки элемента конструкции на проверяемом участке зачищают, например, специальной фрезой и наносят на эту наружную поверхность равномерное покрытие, например сажу, матовую нитрокраску и т.п. Затем такие же операции проводят на проверяемом участке первого эталонного образца, представляющего собой участок такого же элемента конструкции, но без утонений и дефектов в стенке этого участка элемента конструкции.
Первый эталонный образец используется для того, чтобы использовать термограммы интенсивности ИК излучения его проверяемого участка наружной поверхности на выбранных режимах теплового воздействия с целью учета и устранения неравномерности теплового потока, действующего на поверхность проверяемого элемента конструкции от источника теплового воздействия на каждом из используемых режимах теплового воздействия. Неравномерность теплового потока, действующая на проверяемую поверхность элемента конструкции, на первый и второй эталонные образцы, на каждом режиме теплового воздействия своя, зависит от режима теплового воздействия, от расстояния источника теплового воздействия до контролируемой поверхности и от времени измерения термограммы, после теплового воздействия. Если эта неравномерность теплового потока не будет учтена, то это может привести к тому, что по термограмме интенсивности ИК излучения наружной поверхности контролируемого участка проверяемого элемента конструкции дефект не будет обнаружен, или неправильно будут определены его местоположение и размеры, так как эта неравномерность ИК излучения температурного поля контролируемой поверхности из-за особенности теплового воздействия может быть принята за дефект. Эта неравномерность разогрева на используемых режимах теплового воздействия скажется и на термограммах ИК излучения второго эталонного образца, которые используются для определения размеров дефектов проверяемого элемента конструкции.
Второй эталонный образец - набор эталонных дефектов, представляет собой элемент, имитирующий часть поверхности проверяемого элемента конструкции, тех же поперечных размеров, изготовленный из того же материала что и проверяемый участок элемента конструкции с предварительно нанесенными на нем ступенчато увеличивающимися по глубине дефектами - утонениями стенки, глубина которых на каждой ступени утонения известна. Дефекты наносятся на внутреннюю или внешнюю поверхность второго эталонного образца. Наружную поверхность второго эталонного образца подготавливают так же, как и наружную поверхность проверяемого участка элемента конструкции: ее также зачищают и на нее наносят такое же покрытие с равномерным и высоким коэффициентом ИК излучения, что и на контролируемый участок проверяемого элемента конструкции. Среда, с внутренней стороны первого и второго эталонных образцов, при измерении ИК излучения контролируемого участка их наружной поверхности, должна быть такой же, как и среда с внутренней поверхности соответствующего проверяемого участка элемента конструкции. Наружные поверхности проверяемого участка поверхности элемента конструкции. Первый и второй технологические образцы изготавливается из того же материала, что и проверяемый элемент конструкции.
Тепловое воздействие производится кратковременной подачей: холодной или горячей воды, охлаждающего или нагревающего воздушного потока, охлаждающей среды: жидкого азота, жидкостей с низкой температурой кипения: спирта, эфира, ацетона, или среды, подаваемой через сопло Лаваля, с помощью тепловой пушки, инфракрасных импульсных облучателей, лазера и т.д. При использовании точечных, протяженных источников теплового воздействия их мощность, расстояние до проверяемой поверхности элемента конструкции при каждом измерении ИК излучения должны быть постоянными, а сам тепловой поток по контролируемой поверхности - равномернее.
Выбор режимов возбуждения, отличающихся величиной и формой потока теплового излучения, и выбор интервалов времени между моментами фиксациями термограмм производится предварительно при получении термограмм ИК излучения второго эталонного образца с известными дефектами. Выбор производится таким образом, чтобы на выбранных режимах теплового возбуждения границы эталонных дефектов на этих термограммах были максимально четкими. Выбор интервала времени между моментами фиксации термограмм, производимых тепловизором с большой скоростью кадровой развертки, на выбранных режимах возбуждения, зависит от скорости кадровой развертки тепловизора и определяется количеством термограмм 2-го эталонного образца, границы эталонных дефектов которого на этих термограммах получаются резкими. Изменение температуры внешней контролируемой поверхности проверяемого элемента конструкции, 1-го и 2-го эталонного образцов от теплового воздействия зависит от режима возбуждения и обычно находится в пределах (1÷30)°С.
После выбора режимов теплового воздействия проверяемые поверхности проверяемого элемента конструкции, а затем и 1-го и 2-го эталонного образцов подвергаются тепловому воздействию на выбранном режиме теплового воздействия. После каждого теплового воздействия через выбранные интервалы времени проводят при помощи тепловизора регистрацию интенсивности ИК излучения наружной поверхности контролируемого участка проверяемого элемента конструкции и наружных поверхностей 1-го и 2-го эталонных образцов, а также запись термограмм этих интенсивностей ИК излучения в банк памяти компьютера.
Из каждого изображения ИК излучения участка проверяемой поверхности 2-го эталонного образца вычитают соответствующее по режиму теплового воздействия и времени измерения изображение ИК излучения соответствующего участка поверхности 1-го эталонного образца. Полученная разность каждого из этих изображений ИК излучений (назовем ее 1-ой разностью) может быть предварительно получена до обследования проверяемого элемента конструкции и записана в банке памяти компьютера. Эта разность не зависит от неравномерности разогрева контролируемой поверхности 2-го эталонного образца источником теплового воздействия на выбранном тепловом режиме, но зависит от параметров утонений и дефектов на 2-ом эталонном образце, а также от параметров режима тепловой обработки и времени измерения интенсивностей ИК излучения на этом режиме.
Затем из каждого изображения ИК излучения контролируемой поверхности проверяемого участка элемента конструкции вычитают соответствующее по режиму теплового воздействия и времени измерения изображение ИК излучения поверхности 1-го эталонного образца. Полученная разность каждого из этих изображений ИК излучений рассчитывается и записывается в банке памяти компьютера. Эта разность (назовем ее 2-ой разностью) не зависит от неравномерности разогрева контролируемой поверхности элемента конструкции источником теплового воздействия на используемом режиме теплового воздействия. Она зависит от параметров утонений и дефектов в стенке трубопровода, а также от параметров режима теплового воздействия и от времени измерения интенсивностей ИК излучения на этом режиме.
Сравнение 1-ой и 2-ой разностей термограмм, соответствующих выбранному времени после окончания принятого теплового воздействия, позволяет достовернее и точнее оценить наличие, местоположение и размер дефектов в стенке элемента конструкции, позволяет получить расположение и объемную форму дефектов стенки проверяемого элемента конструкции в виде послойных, соответствующих выбранным интервалам времени, срезов изображений дефектов по толщине его стенки или анализировать эти срезы как в томографе.