基于紅外熱成像技術(shù)的聚乙烯管道裂紋缺陷無損檢測(cè)

王文泉

(廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院， 廈門 361004)

基于紅外熱成像技術(shù)的聚乙烯管道裂紋缺陷無損檢測(cè)

王文泉

(廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院， 廈門 361004)

利用ANSYS有限元法模擬了內(nèi)表面有裂紋缺陷的聚乙烯管在施加熱空氣時(shí)的紅外無損檢測(cè)過程，從而確定了表面溫度分布與裂紋缺陷大小和位置之間的關(guān)系。為了驗(yàn)證ANSYS模擬管道內(nèi)表面裂紋缺陷結(jié)果的正確性,搭建了空氣加熱熱激勵(lì)方式的主動(dòng)紅外熱成像試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果基本吻合，說明有限元數(shù)值計(jì)算方法可以作為研究紅外熱成像技術(shù)的一種手段，為聚乙烯管道內(nèi)部缺陷的紅外檢測(cè)技術(shù)提供數(shù)值模型。

聚乙烯管道；有限元分析；紅外熱成像；熱激勵(lì)

目前,聚乙烯管已被廣泛用于制作燃?xì)夤艿?、化工原料管道、輸水管道以及工業(yè)輸油管道和冷卻裝置等。聚乙烯管道輸送介質(zhì)復(fù)雜,大部分管道都被埋在土壤中，在這種惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期使用[1]，管道內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕等缺陷，甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋缺陷。由于部分裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展和加深而使得管道發(fā)生滲漏,降低了管網(wǎng)輸送能力,產(chǎn)生安全隱患。為了保障聚乙烯管道的安全運(yùn)行,需采用一種適用于此類管道且快速、準(zhǔn)確、直觀、操作安全和易于現(xiàn)場(chǎng)操作的無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

針對(duì)聚乙烯管道裂紋缺陷，筆者利用ANSYS建立了聚乙烯管道裂紋缺陷的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元模型，搭建了基于空氣加熱熱激勵(lì)方式的主動(dòng)紅外熱成像系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)[2]，對(duì)內(nèi)表面有裂紋缺陷的聚乙烯管道進(jìn)行無損檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

1 有限元模型建立與求解

1.1 瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的有限元模型

建立一個(gè)含有裂紋缺陷的聚乙烯管接頭的三維模型，其瞬態(tài)[3]溫度場(chǎng)T(x,y,z,t)在直角坐標(biāo)系中應(yīng)滿足如下熱擴(kuò)散方程[4]。

(1)

式中：c為聚乙烯管的比熱；ρ為聚乙烯管的密度；kx,ky,kz分別為聚乙烯管的熱傳導(dǎo)系數(shù)k沿x,y,z方向的分量；Q=Q(x,y,z,t)為物體內(nèi)部的體熱源密度；t為時(shí)間。

(2)

式中：nx,ny,nz為邊界外法線的方向余弦；h為對(duì)流系數(shù)；T0為外界環(huán)境溫度;T為聚乙烯管瞬態(tài)溫度。

由于缺陷處的局部溫升比較小，可以忽略熱輻射。同時(shí)，采用有限元的方法進(jìn)行計(jì)算，將檢測(cè)的對(duì)象離散為具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的有限單元，其中單元內(nèi)各點(diǎn)的溫度T(x,y,z)可表示為下式。

(3)

式中：N(x,y,z)為插值函數(shù)；ne為一個(gè)單元中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；θj(t)(t)(j=1～ne)為單元節(jié)點(diǎn)的溫度。

通過應(yīng)用虛功原理以及格林函數(shù)，對(duì)于各向同性的材料(kx=ky=kz=k)的有限元方程可表示為下式。

(4)

改寫方程式(4),變成一般有限元格式。

(5)

式中：C,Kθ,P分別為熱容矩陣、熱傳導(dǎo)矩陣、溫度矩陣和熱載荷矩陣。

(6)

(7)

(8)

(9)

最后，以中心差分法求解方程式(2)～(7),即可獲得瞬態(tài)溫度分布。

1.2 幾何模型和邊界條件 筆者經(jīng)過對(duì)各種三維實(shí)體單元的比較，最終選用可以較好進(jìn)行熱分析的8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元SOLID70，查表確定了聚乙烯的密度為962 kg·m-3，比熱為2 300 J·kg-1·℃-1，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)取熱傳導(dǎo)系數(shù)0.53 W·m-1·℃-1。在ANSYS軟件中建立聚乙烯半圓管的三維模型，如圖1所示。

圖1 聚乙烯半圓管的有限元分析模型

模型中，半圓模型的參數(shù)如下：管外徑110 mm，厚度10 mm，長(zhǎng)度400 mm。內(nèi)表面裂紋分布為：在半管模型的內(nèi)表面徑向方向45°,90°,135°創(chuàng)建長(zhǎng)度400 mm,寬度1 mm,深度依次為1,2,3 mm的裂紋。

由于試驗(yàn)的環(huán)境受到背景輻射和大氣衰減等因素的影響，故進(jìn)行瞬態(tài)熱分析的模擬，做一定的簡(jiǎn)化和設(shè)定：① 假設(shè)熱空氣的溫度分布已經(jīng)充分發(fā)展，聚乙烯管內(nèi)的熱空氣保持穩(wěn)定狀態(tài);② 不考慮軸向傳遞的溫度及熱量;③ 不考慮熱空氣與管內(nèi)壁、管外壁與外部空氣的熱輻射;④ 管道溫度初始值為30 ℃。

1.3 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格的劃分過程中,考慮到管道內(nèi)壁裂紋是不連續(xù)的實(shí)體單元[5]，因此對(duì)聚乙烯半圓管進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分。筆者采用Volume Sweep掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其結(jié)果如圖2所示。

1.4 加載求解

采用恒定熱流密度對(duì)聚乙烯管內(nèi)壁進(jìn)行加熱，使內(nèi)壁溫度隨加熱時(shí)間的增加而增加。聚乙烯管外壁處于空氣當(dāng)中，因此采用恒熱流邊界條件，對(duì)流換熱系數(shù)為12 W·m-2·℃-1，環(huán)境溫度為30 ℃，總時(shí)間設(shè)定為150 s，分76步進(jìn)行。在聚乙烯管模擬計(jì)算結(jié)果中讀取93 s的模擬結(jié)果，聚乙烯管外表面溫度分布如圖3所示。

圖4 聚乙烯管剖面模擬熱像圖

圖2 聚乙烯半圓管的智能網(wǎng)格劃分后模型

圖3 聚乙烯管的模型溫度分布云圖

1.5 模擬結(jié)果分析

在ANSYS的模擬結(jié)果中,分別取出1.5,29,59,89,119,150 s時(shí)的聚乙烯管剖面的熱像圖，觀察聚乙烯管剖面的溫度隨時(shí)間的變化，如圖4所示。

從圖中可看到熱量在剖面上的傳遞過程，同時(shí)裂紋缺陷對(duì)熱量傳遞的影響可以直觀呈現(xiàn)出來。通過模擬的模型可以觀察到聚乙烯管的外表面溫度顏色的變化，溫差越大，顏色差異性越大，缺陷越容易識(shí)別。在裂紋寬度相同的情況下，最早觀測(cè)到的是1 mm×3 mm(寬度×深度，下同)的裂紋。從150 s時(shí)的模擬圖可以看出，1 mm×3 mm裂紋處內(nèi)表面熱量最早傳到外表面。因此在裂紋寬度相同時(shí)，裂紋越深的熱量越快傳遞到外表面，缺陷越快被識(shí)別。

利用ANSYS中讀取選定節(jié)點(diǎn)溫度的方法，提取了各裂紋對(duì)應(yīng)的聚乙烯管的外表面溫度值，同時(shí)提取了無裂紋(參考點(diǎn))對(duì)應(yīng)的外表面溫度值，繪制成T-t(溫度-時(shí)間)曲線[6]進(jìn)行分析,如圖5所示。

從圖5可知，在同一時(shí)間點(diǎn)，裂紋寬度相同時(shí)，裂紋深度越深，說明開始傳遞溫度的節(jié)點(diǎn)距離外表面的距離越近，傳遞能量的所需時(shí)間越短。因此，隨著時(shí)間的增加，溫差也會(huì)加大，缺陷越深，越容易識(shí)別。

圖5 各裂紋與參考點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線

2 含裂紋缺陷聚乙烯管道紅外無損檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試件

選取的試件為一段聚乙烯壓力管道，管道的規(guī)格(外徑×長(zhǎng)度×壁厚)為φ110 mm×400 mm×10 mm，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)用聚乙烯管外觀

用鋸片將聚乙烯管鋸成兩半，取出其中的半根聚乙烯管，再用鋸片在聚乙烯管內(nèi)壁加工出深度分別為1，2，3 mm的縱向裂紋。圖7是加工含裂紋缺陷的聚乙烯管的平面展開圖，裂紋間的周向距離為77 mm。圖8是加工裂紋缺陷后的試件。

圖7 缺陷設(shè)計(jì)展開平面圖

圖8 加工裂紋后的試件

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)

采用紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)含裂紋缺陷聚乙烯管道進(jìn)行檢測(cè)。紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)[7]主要由空氣加熱系統(tǒng)、紅外熱像儀和計(jì)算機(jī)圖像分析處理軟件組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。

圖9 紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

空氣加熱器對(duì)聚乙烯管開始加熱時(shí)，紅外熱像儀上顯示的溫度比較均勻，聚乙烯管道外表面溫度的差異不大。當(dāng)聚乙烯管道表面溫度到32 ℃左右時(shí)，PI160-120Hz型熱像儀計(jì)算機(jī)圖像分析處理軟件上顯示的溫度出現(xiàn)明顯的變化，逐漸顯示出了管內(nèi)1 m×3 mm裂紋缺陷的形狀，并越來越明顯；當(dāng)溫度達(dá)到約36 ℃時(shí)，裂紋的圖像最清晰。隨著加熱時(shí)間的增加，各裂紋對(duì)應(yīng)的外表面溫度差異逐漸變小。圖10是管內(nèi)1 mm×3 mm裂紋缺陷的PE管道試件的加熱120 s時(shí)的紅外熱像圖。圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)楣軆?nèi)1 mm×3 mm裂紋缺陷位置，試驗(yàn)結(jié)果熱像圖與有限元模擬結(jié)果的熱像圖的顯示規(guī)律基本相同。由于施加的熱激勵(lì)是在管道的內(nèi)表面，能量是從內(nèi)表面向外不斷地進(jìn)行傳遞的，裂紋位置的能量傳遞得比無裂紋位置的要快，因此可通過溫度云圖的顏色變化區(qū)分出裂紋缺陷與非缺陷位置。

圖10 管內(nèi)1 mm×3 mm裂紋缺陷的PE管道試件的加熱120 s時(shí)的紅外熱像圖

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，對(duì)于內(nèi)部較小的1 mm×1 mm和1 mm×2 mm的裂紋，紅外熱像的檢測(cè)效果不佳。利用PI160-120Hz型熱像儀計(jì)算機(jī)圖像分析處理軟件采集出上述溫差熱圖中各缺陷的表面時(shí)間-溫度值，輸出結(jié)果與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。從圖中可看出，試驗(yàn)中采集到的表面溫度變化曲線與有限元模擬的曲線形狀符合性較好，其變化規(guī)律和總體趨勢(shì)基本相同，表明了筆者采用的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法的可行性。

圖11 各裂紋的試驗(yàn)與模擬的外表面溫度變化對(duì)比曲線

3 結(jié)論

(1) 利用ANSYS有限元法模擬內(nèi)表面有裂紋缺陷的聚乙烯管內(nèi)表面施加熱空氣紅外無損檢測(cè)過程。從模擬結(jié)果中提取了若干時(shí)間點(diǎn)的聚乙烯管溫度云圖,獲得了裂紋對(duì)應(yīng)的聚乙烯管外表面節(jié)點(diǎn)溫度值和參考點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線,通過對(duì)比分析,確定了表面溫度分布與裂紋缺陷大小和位置之間的關(guān)系,同時(shí)獲取了最佳熱激勵(lì)時(shí)間等參數(shù)，可為紅外熱成像試驗(yàn)提供理論依據(jù)。對(duì)預(yù)制含裂紋缺陷的聚乙烯管道進(jìn)行紅外熱成像檢測(cè)，對(duì)比紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果與實(shí)物剖切圖，驗(yàn)證了紅外熱成像檢測(cè)方法對(duì)聚乙烯管內(nèi)部裂紋缺陷的實(shí)際檢測(cè)能力。

(2) 在實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)中，其檢測(cè)精度和效果會(huì)受被測(cè)表面的發(fā)射率和反射率、測(cè)量距離、大氣衰減、背景輻射、環(huán)境溫度以及熱激勵(lì)的選擇等因素的影響。對(duì)于較小的聚乙烯管的裂紋缺陷，紅外熱像的檢測(cè)效果不佳。因此在實(shí)際的檢測(cè)中，正確選擇紅外熱成像的參數(shù)設(shè)置，減少背景輻射和大氣衰減的影響，尋求最佳的測(cè)量距離和選擇最佳的熱激勵(lì)方式，都是值得研究和探索的。

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Nondestructive Testing of Crack of Polyethylene Pipe Joints Based on Infrared Thermal Imaging Technology

WANG Wenquan

(Xiamen Special Equipment Inspection Institute, Xiamen 361004, China)

The hot air infrared NDT process is simulated by the ANSYS finite element method (FEM) for inner surface cracks in polyethylene pipes. The relationships between the surface temperature distribution with the defect size and with the defect location are determined. In order to validate the FEM simulated results for pipeline defects, an active infrared thermal imaging experiment platform based on hot air heating excitation was built. The results showed that the experimental results were in good agreement with the simulated ones. It demonstrated that FEM method could be used to investigate infrared thermal imaging technology, and it also could provide a computational model for inner defect infrared detection technique.

polyethylene pipe; infrared thermal imaging; finite element simulation; air heating excitation

2017-04-18

王文泉(1982- )，男，工程師，主要研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備檢驗(yàn)及紅外熱成像無損檢測(cè)

王文泉，75529432@qq.com

10.11973/wsjc201708007

TQ325.1+2;TN219； TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0029-05