СПОСОБ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ ВСПЕНЕННОГО ИЗОЛИРУЮЩЕГО СЛОЯ В ИЗДЕЛИЯХ С МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD FOR THERMAL NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF HIDDEN DEFECTS OF FOAMED INSULATING LAYER IN ARTICLES WITH MULTILAYER STRUCTURE

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использовано для технической диагностики неоднородных конструкций, например для контроля качества заливки стальных или полиэтиленовых труб с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой из полиэтилена или оболочки из тонколистовой оцинкованной стали. Оно также может использоваться при производстве сэндвич-, сип-панелей, холодильных камер теплоизолированных вспененной изоляцией и других изделий с многослойной структурой теплоизолированных вспененными материалами, которые образуются с выделением тепла (экзотермическая реакция).
Из уровня техники известен способ теплового неразрушающего контроля неоднородных многослойных объектов, представленный в пат. РФ №2219534 по кл. G01N 25/72, заявл. 12.02.02, опубл. 20.1203.
Известный способ заключается в следующем.
Определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата. В течение всего временного интервала измеряют периодически температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают произвольно и многократно значение теплопроводности нужного слоя. Используя разработанную обобщенную физико-математическую модель теплового неразрушающего контроля многослойных объектов с неоднородностями и заданное значение теплопроводности, рассчитывают для каждого заданного значения теплопроводности теоретически возможную температуру и плотность теплового потока соответственно наружной и внутренней поверхностей, проводят мгновенное тепловизионное обследование и измеряют температуры и плотности тепловых потоков соответственно на внутренней и наружной поверхностях. Сравнивают теоретически возможные значения с измеренными. Выбирают для дальнейших расчетов то значение теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условия сравнения.
Способ позволяет определить локальные сопротивления теплопередаче обследуемых участков и найти более рациональное решение по обеспечению требуемого сопротивления, если оно окажется не соответствующим нормативному.
Однако известный способ не применим для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений.
Известен способ теплового неразрушающего контроля теплотехнических характеристик многослойных конструкций в нестационарных условиях теплопередачи, представленный в пат. РФ №2403562 по кл. G01N 25/72, заявл. 16.02.09., опубл. 10.11.10.
Известный способ заключается в следующем.
дmin
дmin
деф
деф
λ
λ
λ
λ
Способ теплового неразрушающего контроля теплотехнических характеристик многослойных конструкций в нестационарных условиях теплопередачи включает тепловизионное обследование одной из поверхностей исследуемого объекта, сравнение теоретических и полученных измерением результатов и выбор для дальнейших расчетов значения теплопроводности из числа заданных, которое может обеспечить условия сравнения, и отличается тем, что перед тепловизионным обследованием поверхности исследуемого объекта измеряют геометрические размеры минимального дефекта контролируемой конструкции Δx, Δy, тепловизионное обследование проводят путем измерения температурного поля Т(x,y) поверхности с пространственным периодом (шагом - Δa), определяемым размерами минимального дефекта конструкции: измеряют разброс температурного поля по различным участкам исследуемой поверхности с точностью, определяемой величиной изменения температуры (ΔТ), обусловленной минимальным дефектом конструкции, по результатам проведенных измерений определяют те участки поверхности L(x,y), в области которых выполняется условие, что разность максимальной и минимальной температур внутри исследуемой области меньше или равна величине изменения температуры ΔТ, обусловленной минимальным дефектом, а размер участка по исследуемой конструкции больше ее толщины, в области определенных участков L(x,y) в точке с координатами (x0, y0) высверливают отверстие глубиной (H1, H2, … Hn) последовательно до середины каждого слоя конструкции и диаметром, определяемым щупом измерительного прибора, измеряют коэффициент теплопередачи каждого слоя конструкции (1(H1), 2(H2), 3(H3), … n(Hn)), определяют сопротивление теплопередачи (R) многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта с координатами (x0, y0), как:
где H1, Н2, Н3, … Hn - толщины слоев конструкции,
определяют термическое сопротивление по всей поверхности исследуемого объекта в произвольных координатах (x, y):
R(x,y)=a T(x,y)+b,
где a=[R(x01,y01)-R(x02,y02)]/[T(x01,y01)-T(x02,y02)]
b=R(x01,y01)-aT(x01,y01).
Недостатком известного способа является его сложность.
Известен способ теплового контроля многослойной конструкции, описанный в пат. РФ №2420730 по кл. G01N 25/72, заявл. 09.07.2009, опубл. 10.06.2011 и выбранный в качестве прототипа.
Известный способ заключается в следующем.
ин
a
Известный способ теплового контроля сопротивления теплопередаче многослойной конструкции в нестационарных условиях теплопередачи включает в себя тепловизионное обследование одной из поверхностей исследуемого объекта и отличается тем, что перед тепловизионным обследованием конструкции определяют время тепловой инерции (Δτ) и дискретность разрешения тепловизора, и проводят тепловизионное обследование одной из поверхностей, исходя из размеров минимального дефекта путем измерения температурного поля T(x,y) поверхности с пространственным периодом Δ, определяемым размерами минимального дефекта конструкции:
дmin
дmin
тн
тв
из нар
из
из вн
ин
ин
из
q
из вн
ин
ин
из
…
…
…
где Δx, Δy - геометрические размеры минимального дефекта контролируемой конструкции, измеряют значения температуры Tн(tj), Tв(t i) на противоположных сторонах конструкции в области контура L(x, y) вблизи точки с координатами x0, y0, с временными интервалами τ и τ, соответственно, в течение интервалов времени: на наружной поверхности Δτ=(0 τ), на внутренней поверхности Δτ=(Δτ (Δτ+τ)); измеряют значения теплового потока на внутренней стороне конструкции qв(tk) с временным интервалом τ последовательно во времени в течение интервала времени (Δτ=(Δτ (Δτ+τ)); накапливают по каждому измерению значения температуры Tн(tj), Tв(ti) на противоположных сторонах конструкции и значения теплового потока qв(tk), определяют сопротивление теплопередаче R многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта с координатами x0, y0:
1
из вн
тв
где N = (целое число) от Δτ/τ,
2
из
тн
N = (целое число) от τ/τ,
3
из вн
q
N = (целое число) от Δτ/τ,
i, j, k - индексы суммирования,
при этом измеренные значения температур и теплового потока собираются и суммируются и на основе измеренного температурного поля определяется термическое сопротивление по всей поверхности исследуемого объекта.
дmin
дmin
При этом геометрические размеры минимального дефекта контролируемой конструкции Δx, Δy измеряют следующим образом:
дi
дi
производят послойную препарацию образцов контролируемой конструкции, измеряют размеры всех дефектов, содержащихся в образце, выявленных в результате препарации: Δx, Δy,
дmin
дmin
определяют размеры минимального дефекта контролируемой конструкции Δx, Δy, решая систему уравнений
дi
дi
дmin
дmin
где δ - вероятность того, что (Δx, Δy)≥(Δx, Δy),
i
дi
дi
p(ΔX) - функция распределения величин Δx, Δy.
0
0
При этом область контура L(x, y) вблизи точки с координатами x, y на поверхности контролируемого объекта определяют следующим образом:
деф
измеряют разброс температурного поля по различным участкам исследуемой поверхности по результатам тепловизионного обследования с точностью, определяемой величиной изменения температуры ΔT, обусловленной минимальным дефектом конструкции, по результатам проведенных измерений определяют те области на поверхности, в которых выполняется условие:
где L(x, y) - контур области,
(x, y) - координаты контура области,
max
T - наибольшая температура внутри области L(x, y),
констр
H - толщина исследуемой конструкции.
из вн
ин
При этом временной интервал Δτ проведения измерений температуры и теплового потока в области контура L(x, y) вблизи точки с координатами x0, y0 определяют на основе измерения времени тепловой инерции (Δτ) исследуемой конструкции, измеряя время прохождения теплового импульса между поверхностями конструкции.
При этом температурные поля и тепловой поток измеряют измерителем температуры самопишущим или электронным измерителем плотности тепловых потоков, пятиканальным или тепловым зондом. При этом проводят тепловизионное обследование наружной поверхности исследуемого объекта.
Способ является достаточно точным, однако весьма сложным и трудоемким.
Задачей является упрощение способа при обеспечении высокой точности контроля.
Поставленная задача решается тем, что в способе теплового неразрушающего контроля скрытых дефектов вспененного изолирующего слоя в изделиях с многослойной структурой, заключающемся в том, что перед тепловизионным обследованием конструкции определяют время тепловой инерции исследуемой конструкции, затем проводят ее тепловизионное обследование, измеряя при этом температуру на проверяемой конструкции с учетом времени инерции и определяя тепловой поток, после чего обрабатывают результаты измерений, суммируя измеренные значения температур и вычисляя параметр, определяющий наличие дефектов, и с учетом его и измеренной температуры определяют положение областей с дефектами, согласно изобретению, время тепловой инерции выбирают с учетом таких параметров, как скорость реакции компонентов вспениваемой изоляции, толщина слоя вспененной изоляции, толщина и материал защитного слоя многослойной конструкции, при тепловизионном обследовании измеряют интенсивность излучения объекта в стационарном режиме, замеры термографического изображения производят с учетом выбранного времени тепловой инерции от момента окончания заливки компонентов для получения вспененной изоляции, проводят цифровую обработку результатов измерений путем расчета средней температуры поверхности изделия с многослойной структурой по результатам ее измерения на снимке тепловизора в каждом пикселе поверхности, в качестве параметра, характеризующего наличие дефектов, используют разность значений температуры (t°i) в каждом пикселе исследуемой поверхности и средней температуры исследуемой поверхности (T°ср), и, сравнивая полученную разность температур (Δt°i) в каждом пикселе с предельно допустимой величиной изменения температуры (X°), определяют зону расположения скрытого дефекта.
Выбор времени тепловой инерции с учетом таких параметров, как скорость реакции компонентов вспениваемой изоляции, толщина слоя вспененной изоляции, толщина и материал защитного слоя многослойной конструкции, позволяет произвести замеры интенсивности теплового излучения в нужное время после окончания заливки, что в совокупности с осуществлением их (замеров) в стационарном режиме, проведением расчета интенсивности излучения по снимку тепловизора в каждом пикселе поверхности излучения и использованием в качестве параметра, определяющего наличие дефектов, используют разность значений температуры в каждом пикселе исследуемой поверхности и средней температуры исследуемой поверхности, дает возможность при сравнении полученной разности температур в каждом пикселе (Δt°i) с предельно допустимой величиной изменения температуры (X°) достаточно просто и весьма точно определить местонахождение скрытого дефекта. Физической основой служит тот факт, что реакция вспенивания теплозвукоизоляционного слоя экзотермическая и выделение тепла происходит равномерно по всей площади конструкции, и на основании выявления области с Δt°i большей, чем предельно допустимая величина изменения температуры (X°), делается вывод о появлении слоя газа - этот слой газа является дефектом слоя вспененной изоляции.
Технический результат - упрощение способа контроля при хорошей точности выявления местонахождения дефекта.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как: выбор времени тепловой инерции с учетом таких параметров, как скорость реакции компонентов вспениваемой изоляции, толщины слоя вспененной изоляции, толщина и материал защитного слоя многослойной конструкции, измерение при тепловизионном обследовании интенсивности излучения объекта в стационарном режиме, проведение замеров термографического изображения с полученной величиной времени инерции от момента окончания заливки компонентов вспененной изоляции, выполнение обработки результатов измерений путем расчета интенсивности излучения теплового потока на снимке тепловизора в каждом пикселе поверхности, использование в качестве параметра, определяющего наличие дефектов, разности значений температуры (t°i) в каждом пикселе исследуемой поверхности и средней температуры исследуемой поверхности (T°ср), последующее сравнение полученной разности температур в каждом пикселе (Δt°i) с предельно допустимой величиной изменения температуры (X°) и определение зоны расположения скрытого дефекта на основании выявления области с Δt°i большей, чем предельно допустимая величина изменения температуры (X°) в пикселях поверхности многослойной конструкции, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может найти широкое применение в области измерительной техники, в частности в тепловом неразрушающем контроле объектов, и может быть использован для технической диагностики многослойных конструкций, например для контроля качества заливки стальных или полиэтиленовых труб с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой из полиэтилена или оболочки из тонколистовой оцинкованной стали, и потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором приведена функциональная схема системы теплового неразрушающего контроля скрытых дефектов вспененного изолирующего слоя в изделиях с многослойной изоляцией.
Заявляемый способ заключается в следующем.
Перед проведением тепловизионного обследования выбирают время тепловой инерции равным 3-20 минут в зависимости от скорости реакции компонентов пенополиуретана, марки оболочки и толщины слоя изолирующего слоя пенополиуретана на трубе. При тепловизионном обследовании интенсивность излучения объекта измеряют в стационарном режиме, при этом замеры термографического изображения производят с указанной отсрочкой по времени от момента окончания заливки компонентов пенополиуретана. Обработку результатов измерений проводят путем расчета интенсивности излучения теплового потока на снимке тепловизора в каждом пикселе поверхности. При этом в качестве параметра, характеризующего наличие дефектов, используют разность значений температуры (t°i) в каждом пикселе исследуемой поверхности и средней температуры исследуемой поверхности (T°ср) и, сравнивая полученную разность температур Δt°i в каждом пикселе с предельно допустимой величиной изменения температуры (X°), определяют зону расположения скрытого дефекта.
Способ теплового неразрушающего контроля скрытых дефектов вспененного изолирующего слоя в трубах с заводской тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой на практике осуществляют с помощью системы контроля следующим образом.
Заливочная машина 1, снабженная реле 2 времени, по сигналу с пульта 3 управления производит заливку компонентов в межтрубное пространство трубы 4 и оболочки 6. При этом происходит вспенивание изолирующего слоя 5 с выделением тепла и заполнением межтрубного пространства. Сигнал с пульта 3 управления об окончании заливки поступает на реле 2 времени заливочной машины 1, которое задает выбранное время инерции, так как реакция образования пенополиуретана экзотермическая и проходит с выделением тепла и необходимо время для образования жесткого пенополиуретана и роста температуры. Время инерции в данном случае представляет собой время отсрочки съемки термографического изображения. Оно зависит от скорости реакции компонентов пенополиуретана, от марки оболочки и толщины слоя пенополиуретана и может колебаться от 3 до 20 минут. По окончании этих 3-20 минут сигнал с реле 2 поступает на тепловизор 7 и дает команду провести съемку. Время съемки термографического изображения должно устанавливаться так, чтобы температура поверхности залитой трубы поднялась до максимальных значений для данной марки трубы. При тепловизионной съемке с помощью тепловизора 7 поверхности защитной оболочки 6 в стационарном режиме производится также измерение интенсивности излучения ее поверхности в инфракрасном спектре. Далее термографическое изображение из тепловизора 7 передается на компьютер 8, где производится обработка результатов измерения.
Обработка результатов заключается в определении средней температуры пикселей поверхности оболочки 6 и последующем сравнении ее с температурой в каждом пикселе поверхности.
Среднюю температуру поверхности определяют по формуле:
где:
T°ср - средняя температура пикселей поверхности изделия с многослойной структурой;
t°1, t°2, t°3, t°n - температуры в каждом пикселе поверхности оболочки;
n - число пикселей на поверхности изделия.
T°ср сравнивается с температурой t°i (где i=1…n) в каждом пикселе поверхности.
Δt°i=T°ср-t°I,
где
t°i - температура в каждом пикселе поверхности изделия;
Δt°i - изменение значений температуры от T°ср в каждом пикселе.
Если Δt°i<X°, то в данном пикселе i дефект вспененного изолирующего слоя отсутствует.
Если Δt°i≥X°, то в пикселе i дефект вспененного изолирующего слоя присутствует.
Здесь X° - предельно допустимая величина изменения температуры, значение которой определяется такими параметрами, как скорость реакции компонентов вспениваемой изоляции, толщина слоя вспененной изоляции, толщина и материал защитного слоя многослойной конструкции
Предельно допустимая величина изменения температуры X° может колебаться от 5 до 35 градусов Цельсия и определяется экспериментальным путем.
Для конструкций из стальной трубы в полиэтиленовой оболочке с теплоизоляцией из жесткого пенополиуретана (ППУ) X°=7,5°C.
Для определения X° на производстве ППУ труб было отобрано 100 труб с областями пониженных температур. В этих областях была снята оболочка: в тех трубах, где X° было меньше 7,5°C, дефектов не обнаружено, а в трубах, где X° было больше или равно 7,5°C, были обнаружены дефекты ППУ слоя.
Результаты обработки с компьютера 8 выводятся на индикатор 9.
Так производится контроль теплоизоляции пенополиуретана на однородность температурного фона, в результате которого выявляются скрытые дефекты. Заявляемый способ контроля дает возможность определить наличие и местоположение пустот и раковин в заливаемых пенополиуретановых изделиях и позволяет своевременно отремонтировать теплоизоляционный слой, что повышает качество продукции.
В сравнении с прототипом заявляемый способ является более простым и менее трудоемким при высокой точности контроля.