Технология и оборудование теплового контроля.

Методы теплового вида контроля основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термометрическим чувствительным элементом (термопарой, фоторезистором, термоиндикаторами, пирокристаллом и т.п.) и преобразовании параметров поля (интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистостей и др.) в параметры электрического или другого сигнала и передаче его на регистрирующий прибор. Температурное поле поверхности определяется особенностями процессов теплопередачи, зависящими в свою очередь от конструктивного исполнения контролируемого объекта и наличия внешних и внутренних дефектов. Основной характеристикой теплового поля, используемой в качестве индикатора дефектности, является величина локального температурного градиента.

Для контроля применяют пассивные и активные методы. При активном контроле объект подвергают воздействию от внешнего источника энергии, при пассивном такое воздействие отсутствует. Пассивный контроль в общем случае предназначен: для контроля теплового режима объектов; для обнаружения отклонений от заданной формы и геометрических размеров объектов контроля. В свою очередь активный контроль предназначен для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности (трещин, пористости, расслоений, инородных включений), а также изменений в структуре и физико-химических свойствах объекта контроля (неоднородность структуры, теплопроводность структуры, теплоемкость и коэффициент излучения). В зависимости от способа получения информации различают также контактные и бесконтактные способы. В процессе технической диагностики чаще всего применяют бесконтактные способы, обладающие высокой оперативностью и минимальной трудоемкостью. Информация, получаемая бесконтактными тепловыми методами контроля, переносится оптическими электромагнитными излучениями в инфракрасной области. Интенсивность и частота инфракрасного излучения определяется энергией колебательного и вращательного движения молекул и атомов объекта и зависит от его температуры. Основным способом генерирования инфракрасного излучения является нагрев объекта, поэтому это излучение чаще называют тепловым.

В качестве основных приборов, регистрирующих это излучение, в настоящее время наиболее широкое применение нашли дистанционные инфракрасные пирометры и тепловизоры. Наибольшие перспективы имеют тепловизоры, позволяющие преобразовать тепловое изображение объекта в видимое. Метод тепловизионного контроля позволяет получать как локальные, так и обзорные тепловые изображения объекта - термограммы, позволяющие выявлять участки с различными температурами поверхности. В дальнейшем термограммы обрабатывают на компьютере, где в зависимости от уровня сложности используемой программы может осуществляться измерение температур по точкам, построение изотерм, определение средних, максимальных и минимальных температур различных областей, оценка температурного градиента в исследуемой области и т.д.

Дистанционные методы теплового вида неразрушающего контроля широко применяют при технической диагностике нефтегазового оборудования. Так, с их помощью осуществляют обнаружение утечек нефтепродуктов из емкостей, резервуаров и трубопроводов, оценивают состояние их изоляционных покрытий и утонение стенок, выявляют несанкционированные подключения к трубопроводам и нарушения залегания их в грунте, осуществляют контроль напряженного состояния металла, выявляют наиболее теплонапряженные узлы машинного оборудования, электрооборудования и т. п.

Весьма эффективно применение тепловизоров при контроле состояния изоляции резервуаров, аппаратов и трубопроводов. Наличие дефектных участков определяют по увеличению теплопотерь через изоляцию, что позволяет выявить причину и провести своевременный ремонт или замену изоляции.

Тепловизионный контроль является одним из немногих экспресс-методов, позволяющих эффективно выявлять дефекты и определять концентрацию напряжений в емкостном технологическом оборудовании больших габаритных размеров. Местоположение концентраторов напряжений в резервуаре выявляют по повышенному инфракрасному излучению, возникающему при упругопластическом деформировании металлоконструкций резервуара нагрузочными тестами. Циклическое нагружение стенки резервуара осуществляют путем заполнения его жидкостью, при этом перед началом нагружения регистрируют температурное поле стенки - «нулевой кадр». Далее резервуар нагружают тестовой нагрузкой (наполняют) и фиксируют соответствующие термограммы. Коэффициент концентрации напряжений определяют отношением приращения максимального уровня температур в области дефекта к приращению температуры в бездефектном участке в относительных или абсолютных единицах измерения.

Для получения абсолютных значений температур в программу обработки тепловизионного изображения вводят коэффициент излучения поверхности объекта и температуру окружающей среды. При обработке тепловизионных изображений для исключения собственных тепловых полей объекта вычитают «нулевой кадр», полученный перед нагружением, из последующих, полученных после тестового нагружения, и анализируют только приращение температурного поля, вызванное нагрузочным тестом.

Коэффициент концентрации напряжений в области дефекта определяют отношением приращения температуры в области концентратора и бездефектной области

,

где - приращение температуры в области дефекта;  - приращение температуры в бездефектной области.

Данный метод позволяет устойчиво выявлять дефекты и концентраторы напряжений при достижении в этих зонах при тестовой нагрузке напряжений, достигающих 0,9 предела текучести и выше.

Термоиндикаторы:

- плавления (термокарандаш);

- химические (изменение цвета).

Бесконтактное измерение температуры

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000ºС и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

- пирометр суммарного излучения (ПСИ) - измеряется полная энергия излучения;

- пирометр частичного излучения (ПЧИ) - измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;

- пирометры спектрального отношения (ПСО) - измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

- радиационной температурой реального тела Т_р называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Т_д.

- яркостной температурой реального тела Т_я называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Т_д.

- цветовой температурой реального тела Т_ц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Т_д.

Принцип работы пироэлемента.

Объектив радиационных пирометров фокусирует наблюдаемое излучение на приемник (обычно термостолбик или болометр), сигнал которого регистрируется прибором, прокалиброванным по излучению абсолютно черного тела и показывающим радиационную температуру T_r. Истинная температура определяется по формуле.