ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля, в частности, к активному одностороннему тепловому контролю скрытой коррозии цилиндрических контейнеров, предназначенных для хранения радиоактивных отходов.
Известно устройство для определения глубины локальной коррозии и слежения за ее развитием с использованием преобразователей акустической эмиссии. Устройство содержит один или несколько преобразователей акустической эмиссии, переводящие акустический сигнал акустико-эмиссионного процесса, возникающего в контролируемом изделии, в электрический сигнал. Установленные на контролируемом изделии преобразователи акустической эмиссии подключены к осциллографу, регистрирующему полученные сигналы в виде осциллограмм. По осциллограмме определяют долю симметричной волны Лэмба в сигнале и/или долю антисимметричной волны Лэмба в сигнале и по полученной доле, или по полученным долям, или по соотношению долей, судят о глубине и развитии коррозии (патент № RU 2379675, от 15.10.2011).
Основными недостатками данного технического решения являются низкая производительность и контактный способ контроля.
Известно устройство, относящееся к контролю коррозии и применяющееся для оценки степени опасности проникновения коррозии и защиты металлических сооружений, контактирующих с электропроводными и малоэлектропроводными средами. Устройство состоит из электрически замкнутого на сооружение корпуса, изготовленного из того же материала, что и сооружение. Контактирующая со средой часть корпуса имеет меньшую толщину, чем стенка сооружения. Полость корпуса заполнена непроводящим инертным капиллярно-пористым материалом, в который введен металлический электрод с возможностью образования электрического контакта между корпусом и электродом. Также, между корпусом и электродом включен регистрирующий прибор. Такое выполнение устройства позволяет упростить его конструкцию и обеспечить дистанционное обнаружение опасного проникновения локальной коррозии независимо от давления, температуры, движения среды и типа сооружения, коррозия которого контролируется (патент № RU 2143107, от.20.12.1999).
К недостаткам данного технического решения относится требование доступа внутрь контролируемого объекта и невозможность применения к сооружениям, контактирующим с неэлектропроводными средами.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для одностороннего импульсного теплового контроля, принцип действия которого основан на обработке тепловых изображений с целью определения толщины изделия и глубины дефектов. Устройство предназначено для неразрушающих испытаний пластмассы, керамики, металлов и других материалов. Два источника тепловой стимуляции - импульсные лампы - и тепловизор расположены с одной стороны контролируемого изделия. Компьютер с помощью специальной программы управляет и синхронизует запуск импульсных ламп и работу тепловизора для сбора и обработки тепловых изображений с последующим определением толщины изделия и глубины залегания дефекта (патент № US 6542849, опубликовано 1.04.2003).
Недостатками данного технического решения является невозможность контроля изделий из стали толщиной более 0,5-1 мм в силу импульсного характера нагрева, наличие помехи, обусловленной отраженным излучением после выключения импульсных ламп, отсутствие устройства вращения изделия с шагом, определяемым размерами зоны однократного контроля.
Задача полезной модели - автоматизация процесса неразрушающего контроля, получение карт скрытой коррозии металлических цилиндрических изделий из стали толщиной 1-6 мм, используемых на атомных станциях для хранения низкоактивных радиоактивных отходов, причем доступ к изделиям возможен только с наружной стороны.
Тепловой дефектоскоп для неразрушающего контроля цилиндрических металлических изделий содержит управляемые лампы для тепловой стимуляции контролируемых изделий, тепловизор, компьютер, расположенные с наружной стороны контролируемых цилиндрических металлических изделий. Тепловой дефектоскоп дополнительно содержит устройство вращения, соединенное с испытательным столом и расположенным на нем контролируемым цилиндрическим металлическим изделием. Устройство вращения соединено с компьютером, подключенным к тепловизору. Лампы для тепловой стимуляции соединены с блоком питания ламп, соединенным с компьютером. Программно-управляемые оптически непрозрачные шторки ламп выполнены с возможностью открытия светового потока нагрева при включении ламп и его перекрытия после выключения ламп.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 - вид устройства сверху,
На фиг. 2 - вид сбоку,
На фиг. 3 - фото - расположение контролируемого изделия и ламп для тепловой стимуляции.
На фиг. 4 - показан пример обработки результатов теплового неразрушающего контроля металлических цилиндрических изделий, включающий анализ последовательности инфракрасных термограмм с получением карты дефектности.
На фиг. 5 - показана карта дефектности с использованием нейронной сети.
На фиг. 1 и на фиг. 2 изображен тепловой дефектоскоп для неразрушающего контроля цилиндрических металлических изделий содержащий устройство вращения 1, соединенное с испытательным столом 2 и расположенным на нем контролируемым цилиндрическим металлическим изделием 3. Устройство вращения 1 соединено с компьютером 4. Компьютер 4 подключен к тепловизору 5. Программно-управляемая оптически-непрозрачная шторка 6 лампы для тепловой стимуляции 7 и программно-управляемая оптически-непрозрачная шторка 8 лампы для тепловой стимуляции 9 выполнены с возможностью открытия светового потока нагрева и его перекрытия после выключения ламп для тепловой стимуляции. Лампы для тепловой стимуляции 7 и 9 соединены с блоком питания ламп 10. Блок питания ламп 10 соединен с компьютером 4.
На фиг. 3 изображен тепловой дефектоскоп для неразрушающего контроля цилиндрических металлических изделий. В центре расположено устройство вращения 1, соединенное с испытательным столом 2 и установленным на нем контролируемым цилиндрическим металлическим изделием 3 - 200-литровой емкости. По обе стороны контролируемого изделия - емкости расположены лампы для тепловой стимуляции 7 и 9.
На фиг. 4. показан пример обработки результатов теплового неразрушающего контроля металлических цилиндрических изделий, включающий анализ последовательности инфракрасных термограмм с получением карты дефектности. Результат контроля - панорамная инфракрасная термограмма, «сшитая» из отдельных термограмм, на которой цвет соответствует определенной температуре согласно цветовой шкале, показанной справа. На панорамной термограмме отчетливо видны два светлых участка в зоне 11, которые соответствуют дефектам коррозионного уноса материала. Прочие аномалии температурного поля отражают структуру поверхности объекта контроля. Например, в зоне 12 видны светлые участки, соответствующие воздушным полостям под наклеенными на поверхности контролируемого изделия бумажными этикетками с маркировкой содержимого в изделии вещества. Эти участки обладают резкими границами в отличие от сглаженных температурных отпечатков скрытых дефектов в виде коррозии в зоне 11. Зона 13 имеет равномерное распределение температуры по поверхности изделия контроля, что показывает отсутствие дефектов.
На фиг. 5 показана бинарная карта дефектности, полученная с использованием нейронной сети. На карте дефектности дефекты представлены в виде белых пятен на черном бездефектном фоне в зоне 14. Устройство работает следующим образом.
- Контролируемое цилиндрическое металлическое изделие 3 устанавливают на испытательный стол 2.
- Оператор запускает программу для задания параметров процесса неразрушающего контроля, управления и синхронизации работы компьютера 4, тепловизора 5, блока питания ламп 10, ламп для тепловой стимуляции 7, 9, анализа записанных тепловых изображений и создания дефектной карты изделия.
- После запуска программы тепловизор 5 начинает последовательную запись заданного числа инфракрасных термограмм с заданным интервалом времени. Интервал записи термограмм определяется частотой смены изображений в тепловизоре 5 и обычно составляет от 1/100 секунды до 1 с, а полное число записанных термограмм составляет от 10 до 200.
- С учетом задаваемого оператором времени задержки программно-управляемая оптически-непрозрачная шторка 6 лампы для тепловой стимуляции 7 и программно-управляемая оптически-непрозрачная шторка 8 лампы для тепловой стимуляции 9 открывают световой поток, осуществляя тепловую стимуляцию определенной области цилиндрического металлического изделия контроля 3. По истечении заданного времени тепловой стимуляции программно-управляемые оптически-непрозрачные шторки 6, 8 автоматически закрываются.
- После выдержки программно-задаваемого интервала времени, необходимого для охлаждения проконтролированной области, испытательный стол 2 поворачивает цилиндрическое металлическое изделие 3 до попадания в поле зрения тепловизора 5 следующей зоны контроля. Причем, как правило, осуществляется перекрытие двух последовательных зон контроля на 10-30% для более качественной «сшивки» термограмм после окончания процесса контроля.
- Цикл повторяют до тех пор, пока цилиндрическое металлическое изделие 3 не сделает оборот на 360°, после чего запись инфракрасных термограмм заканчивается.
- Для контроля всей поверхности цилиндрического металлического изделия 3 оператор перемещает испытательный стол 2 с устройством вращения 1 в вертикальном направлении вверх или вниз вместе с цилиндрическим металлическим изделием 3, тем самым смещая поле зрения тепловизора 5. Операцию повторяют до тех пор, пока не будет проконтролирована вся боковая поверхность цилиндрического металлического изделия 3.
- Результатом проведения процедуры контроля является набор из N последовательностей инфракрасных термограмм, где N - число отдельных зон контроля на поверхности цилиндрического металлического изделия 3. На практике, например, на атомных станциях, также контролируют оба днища цилиндрического изделия, для чего используют дополнительные механические устройства, например, робот.
- Общим результатом контроля является карта дефектов боковой поверхности цилиндрического металлического изделия 3, состоящая из N изображений, каждое из которых получено путем обработки соответствующей последовательности инфракрасных термограмм согласно используемому алгоритму, например, полиномиальной аппроксимации и определения второй производной от температуры по времени, а также Фурье- и вейвлет анализа, использования нейронной сети, метода анализа главных компонент и т.д.
Контроль скрытой коррозии в контейнерах с радиоактивными отходами является основным условием их безопасной эксплуатации. Тепловой дефектоскоп для неразрушающего контроля обеспечивает односторонний доступ к металлическим цилиндрическим изделиям - контейнерам, высокую надежность обнаружения коррозии, экспрессный характер, связанный с относительно большими площадями контроля и большим числом контейнеров, подлежащих испытаниям на атомных станциях, а также малое время нахождения операторов вблизи контейнеров, дистанционность процедуры испытаний и возможность количественной оценки степени уноса материала.
Использование в предлагаемой полезной модели управляемых ламп для тепловой стимуляции при длительности нагрева 1-10 секунд позволяет расширить диапазон контролируемых толщин по стали до 1-6 мм за счет увеличения количества поглощенной энергии нагрева по сравнению с импульсными лампами. Наличие программно-управляемых оптически непрозрачных шторок устраняет помеху, обусловленную отражением теплового излучения ламп для тепловой стимуляции после их выключения. Введение устройства вращения позволяет контролировать всю поверхность изделия путем последовательного контроля с шагом, определяемым размерами зоны однократного контроля.