Разработка методики теплового контроля и диагностики технического состояния металлоконструкций мостовых кранов

 (2)

Для проведения исследования тепловыделения был взят наиболее опасный  концентратор напряжения – трещина.

Плоскость, в которой  лежит трещина, перпендикулярна  поверхности металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Схематическое изображение полубесконечного слоя металла с трещиной.

 

На рис.1 толстая сплошная линия соответствует трещине, вблизи краев которой возникает пластическая деформация (закрашенные области). Внешняя нагрузка прикладывается перпендикулярно плоскости трещины.

В этом случае вблизи правого и левого краев трещины  возникают области пластической деформации, в которых выделяется теплота. Для упрощения задачи предположим, что область деформации вблизи каждого края имеет цилиндрическую форму. Радиус цилиндра определяем из формулы Ирвина:

                    (3)

Так как трещина считается  бесконечно узкой, то ее наличие не влияет на процесс распространения теплоты в металле. Таким образом, для расчета значений температуры температурного поля в металле необходимо решить нестационарное уравнение теплопроводности:

, (4)

где , - ступенчатая функция Хевисайда, - радиус зоны пластической деформации, - мощность выделения теплоты, и - соответственно теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности металла, а - оператор Лапласа.

   В начальный  момент времени  температура металла равна температуре окружающей среды, которую будем считать равной нулю.

Уравнение теплопроводности (4) решим методом разделения переменных, представив решение в следующем виде:

 (5)

где значения являются нулями функции Бесселя нулевого порядка:

, (6)

значения  определяются из решения трансцендентного уравнения

, (7)

а коэффициенты и задаются следующими выражениями:

                    (8)

В связи с тем, что  в основном рассматриваемые металлоконструкции мостовых кранов изготавливаются из стали 20, численные оценки будут  получены для металлоконструкции из стали 20 со следующими характеристиками: s_0.2= 250 МПа, l = 52 Вт/(м С^о), r = 7859 кг/м³, с = 486 Дж/(кг С^о). Коэффициент теплоотдачи будем считать равным Вт/(м² С^о), что является типичным значением в случае безветренной погоды.

Положим, что образец  нагружается так, что напряжение вдали от трещины в 2 раза меньше условного предела текучести  . Предположим, что размер трещины равен d = 1 мм.

   Для оценки мощности выделения  теплоты будем считать, что относительное удлинение образца (в котором доминирует пластическая составляющая) составляет величину порядка . Тогда справедлива оценка:

 МДж/м³, (9)

где - время нагружения образца, которое положим равным 1 сек.

Рис.2. Динамика нагрева поверхности металла вблизи вершины трещины. На вставке более подробно изображен начальный участок нагрева. (решение уравнения (4) в точках ).	Рис. 3. Изменение радиуса  нагретой области от времени нагружения.

В результате решения уравнения (4) и (9), применительно к металлоконструкции мостового крана, изготовленной из стали 20, получаем зависимости динамики нагрева вблизи вершины трещины от времени нагружения (рис. 2) и изменение радиуса нагретой области от времени нагружения (рис. 3).

Из полученных зависимостей видно, что при нагружении металлоконструкции с циклом в 1секунду в зоне пластической деформации образуется тепловое поле с радиусом 8 мм и максимальным перепадом температуры в 1.1 ºС.

В главе 3 рассматриваются принципы разработки и внедрения методов и программно-аппаратных средств автоматизированной фиксации и распознавания необходимых температурных аномалий.

На основе анализа  современного состояния метода теплового  неразрушающего контроля, теоретических исследований процесса теплового неразрушающего контроля и характеристик металлических конструкций  определены основные параметры тепловых полей образовывающихся в зоне пластической деформации при нагружении.

Метод обнаружения заключается в классификации измерений Х ( i, j ) на три группы: S₁ – измерения, величина которых уменьшена по сравнению с измерениями на участках нормы, S₂ – измерения, полученные на нормальных участках, S₃ – измерения, увеличенные по сравнению с нормальными. Решение данной задачи состоит в выборе  двух пороговых значений Х₁, Х₃ и применении решающих правил:

    (10)

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 4. Алгоритм обнаружения и распознавания тепловых аномалий.

Задача выделения аномалий рассматривается как анализ изображения по параметрам температурных полей полученных в теоретических исследованиях (время выделения – 1 сек.; градиент температуры 1.1 ºС; радиус зоны тепловыделения – 8 мм.). По результатам исследований разработан метод обнаружения и распознавания дефектов на основе анализа температурных полей, включающий быстрый алгоритм обнаружения аномалий и  алгоритмов выделения аномальных температурных участков на поверхности. (рис. 4). 

В главе №4 приведены результаты экспериментальных исследований процесса в условиях лаборатории и внедрения теплового контроля состояния металлоконструкций мостовых кранов в реальных условиях эксплуатации.

Цель экспериментальных  исследований:

1. Подтверждение результатов  теоретических исследований процесса теплового контроля металлических конструкций тепловым методом.

2. Экспериментальное  определение возможностей теплового  неразрушающего контроля с точки зрения выявления минимального дефекта, влияния шумов и помех, в т.ч. ветра и т.п.

Экспериментальные исследования проводились в 3 этапа.

Этап 1. Рассмотрение основных параметров тепловизионной аппаратуры для решения задач поставленных в работе.

По литературным источникам было установлено, что для определения  тепловых аномалий в зоне пластической деформации основными параметрами тепловизионной аппаратуры являются:

1) Частота регистрации аномальных  участков. В теоретических исследованиях  было установлено, что наибольшая теплота выделяется при первой секунде нагружения,  следовательно, частота регистрации аномальных участков должна быть не менее 1 Гц (                          ) .

2) Температурная разрешающая способность.  В теоретических исследованиях  было установлено, что необходимый  фиксируемый градиент тепловой  аномалии равен 1.1 ºС, следовательно, температурная разрешающая способность должна быть не менее 0.275 ºС (                         ).

3) Геометрическая разрешающая способность.  В теоретических исследованиях было установлено, что необходимый фиксируемый диаметр теплового поля равен 16 мм, следовательно, геометрическая разрешающая способность должна быть не менее 4 мм (                                       ).     

4) Поле обзора тепловизионной  аппаратуры. В связи с тем, что  типовая матрица тепловизионной  аппаратуры составляет 320×240 точек,  а геометрическая разрешающая  способность 4 мм, поле обзора  составляет 1280×960 мм.

В соответствии с полученными  параметрами установлено, что для дальнейших экспериментальных исследований возможно применение

типовой аппаратуры. В  эксперименте будет использоваться термограф ИРТИС 2000. 

Этап 2. В рамках данного раздела осуществлена имитация реальных дефектов искусственными дефектами в образцах и проведены экспериментальные исследования на образцах с искусственными дефектами с применением машины для статических и динамических испытаний.

В образцах были изготовлены дефекты в виде нарушений сплошности (трещины). Трещины  имитировались пропилами различной толщины.

Методика проведения экспериментальных исследований заключается в нагружении с различными режимами образцов металлоконструкций с различными дефектами  и регистрации температурных полей поверхности образцов.

На рис. 5 (а-б) представлены последовательность термограмм поверхности образца с искусственным дефектом в процессе его нагружения.

 

 

 

 

 

 

 

а.	б.
Рис. 5 Термограммы поверхности  образцов при нагружении. а) Резкий нагрев в концентраторе (микропластические деформации), нагрев по фронту пластической деформации основного металла. б) Дальнейший резкий рост температуры (начинает раскрываться трещина).

 

На основании экспериментальных  данных были построены графики изменения температуры от величины нагрузки, на которых явно выражено повышение температуры при росте нагрузки.

На рис.6  приведены зависимости для трех образцов в зонах местной пластической деформации в металле (искусственный концентратор в сварном шве в виде прямоугольного распила). Полученные кривые сравниваются с экспоненциальной кривой.

   По вертикали  отмечена разность температур  в сотых долях градуса, по  горизонтали напряжения МПа.

Рис. 6. Зависимость изменения температуры в зоне трещины от напряжения.

 

По результатам проведенных  экспериментов можно сделать следующие выводы:

- в ходе эксперимента  хорошо выявляется повышение  температуры в зонах концентраторов напряжений (особенно искусственный концентратор в сварном шве), а также по фронту пластической деформации основного металла,

- повышение температуры на концентраторе по сравнению с основным металлом при местной пластической деформации составило 0,5-1°,

- повышение температуры  на концентраторе при дальнейших деформациях - 1,5°,

- повышение температуры  на концентраторе при раскрытии  трещины из-за чрезмерного нагружения  - 5-10 и более градусов,

- величина изменения  температуры в зоне концентратора  достаточна для ее достоверной  регистрации тепловизионными системами  и уверенной идентификации.

Рассмотрим результаты подтверждения теоретических исследований процесса теплового контроля металлических конструкций тепловым методом. Обработка результатов исследований заключалась в сравнении данных теоретических и экспериментальных исследований при идентичных условиях. Сравнение проводилось на примере температурных профилей. Под температурным профилем будем понимать значения температуры по сечению, проходящему через исследуемую зону контролируемого объекта. На рис. 7 приведены соответствующие температурные профили.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7 Расчетный (Т_расч) и экспериментальный (Т_эксп) температурные профили в области концентратора напряжения.

 

Проведенный корреляционный анализ зависимостей рис. 7  показал, что между теоретическими и эксперментальными результатами  коэффициент корреляции r=0,87. Вышесказанное свидетельствует об адекватности физико-математической модели реальному тепловому процессу.

Как показал анализ помех, влияющих на достоверность и объективность результатов контроля, в реальных условиях эксплуатации объекта в основном наибольшее влияние оказывают три фактора: скорость ветра, случайные шумы аппаратных средств контроля и температура окружающей среды.

Рассмотрим их:

1) Влияние скорости ветра на результаты контроля проявляется через изменение коэффициента теплообмена контролируемой поверхности. При проведении экспериментальных исследований образцов с искусственными дефектами в процессе их циклических нагружений ветер имитировался вентиляторами, при этом скорость ветра измерялась вблизи контролируемой поверхности анемометром с погрешностью не более 3%. По результатам проведенных измерений температурных полей строились зависимости погрешности контроля от скорости ветра при остальных фиксированных .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8 Влияние скорости ветра в процессе эксперимента на погрешность.

 

На рис. 8 представлены в виде графиков результаты  одного из экспериментов. На данном графике одновременно с экспериментальной зависимостью погрешности от скорости ветра приведена аналогичная теоретическая зависимость.

Экспериментальные исследования и соответствующие теоретические расчеты  показали, что ветер оказывает значительное влияние на погрешность результатов контроля, что подтверждается и результатами теоретических исследований. Поэтому при проведении реального контроля необходимо выбирать периоды времени с небольшой скоростью ветра – до 3 м/с , что соответствует скорости ветра в безветренную погоду или в закрытых помещениях.

2) Влияние шумов аппаратуры и аналогичных помех на погрешность результатов контроля и вероятность обнаружения локальных температурных участков, обусловленных концентраторами напряжений.

Методика экспериментальных  исследований заключалась в циклическом  нагружении образцов с искусственными дефектами (концентраторами напряжения) при наличии шумов и помех, имитируемых генератором шума и проведении теплового контроля образцов в процессе циклического нагружения при наличии шумов. Таким образом, на полезный сигнал ΔТ_с(х,у) накладывался случайный шум ΔТ_ш.