PVC-C壓力管道紅外熱成像檢測技術研究

馬中元,陳煥榮

(廣東省特種設備檢測研究院湛江檢測院,廣東 湛江 524022)

PVC-C(氯化聚氯乙烯)是當今世界頗為流行并且被廣泛應用的一種高分子合成材料。作為PVC(聚氯乙烯)的改性產品,PVC-C是PVC氯化后的產物,其制品是目前公認的綠色環(huán)保產品,具有良好的黏結性、難燃性、耐化學腐蝕性、耐老化性、電絕緣性。

PVC-C制作的管道由于輕便、耐用、阻燃、安裝簡易及其優(yōu)良的耐化學腐蝕性能,在石油化工領域得到廣泛應用,大多用于輸送酸、堿介質,并承載一定的壓力,環(huán)境苛刻,一旦發(fā)生泄漏、爆裂事故,后果嚴重,損失巨大。目前,我國對于PVC-C管材的需求量在逐年增加,隨之而來的安全問題尤為突出,因此,為確保PVC-C壓力管道安全有效地運行,針對在役PVC-C壓力管道的檢驗尤為重要。

1 PVC-C壓力管道檢驗現(xiàn)狀

PVC-C壓力管道屬于工業(yè)管道范疇,目前,對于工業(yè)管道的檢驗是按照《壓力管道定期檢驗規(guī)則—工業(yè)管道》進行的,其方法規(guī)則更適用于金屬管道檢驗,非金屬管道在《定檢規(guī)》中沒有單獨提及,由于非金屬管道與金屬管道組成及性能存在較大差異,金屬管道中已較成熟的檢測和質量評價方法并不適用非金屬管道,受此限制,非金屬管道的檢驗存在一定的難點。2018年6月,市場監(jiān)管總局辦公廳關于《壓力管道定期檢驗規(guī)則—工業(yè)管道》(TSG D7005-2018)的實施意見及氣瓶安全監(jiān)察有關工作的通知(市監(jiān)特〔2018〕26號文)中指出非金屬工業(yè)管道的定期檢驗可以參照《壓力管道定期檢驗規(guī)則-公用管道》(TSG D7004)中非金屬管的相關檢驗要求實施。但公用管道定檢規(guī)中關于非金屬管道的檢驗內容主要是針對埋地聚乙烯燃氣管道的檢驗,檢驗方法也是以宏觀檢驗為主,并沒有具體的針對性的探傷方法,存在一定的局限性。鑒于此,有必要來確立一種相應的針對性的無損檢測方法用以指導PVC-C壓力管道的檢驗。

紅外熱成像技術是一種重要的無損檢測技術,它是利用紅外輻射原理,測取目標物體表面的紅外輻射能,并將其轉換為表面的溫度分布,通過直觀形象的熱像圖呈現(xiàn)出來的一種可視技術[1]。通過分析溫度場異常來確定管道缺陷信息。本文就是通過采用基于外部熱激勵方式的主動紅外熱成像檢測技術對PVC-C管道膠接接頭缺陷進行分析研究。

2 PVC-C壓力管道連接結構特點

PVC-C壓力管道的連接一般采用承插式粘接連接,其接頭部位是承壓管道相對薄弱的環(huán)節(jié),膠接接頭的外觀結構形狀如圖1所示。

圖1 PVC-C膠接接頭示意圖

管道在長期使用過程中,膠接接頭處會發(fā)生脫膠、黏結縫隙等問題,造成管道發(fā)生泄漏。因此,在PVC-C壓力管道檢驗過程中對其膠接接頭處進行嚴格的質量檢測顯得尤為重要。

3 PVC-C壓力管道紅外熱成像檢測

3.1 熱激勵源的選用

對PVC-C壓力管道檢驗我們采用主動式紅外熱成像檢測技術。主動式紅外檢測需要外部激勵使得被測物體產生或直接獲得熱量,使待測區(qū)域失去熱平衡,在待測區(qū)域的內部溫度場分布尚不均勻且處于導熱過程時進行的紅外檢測方法。主動式紅外熱成像檢測技術具有較好的穩(wěn)定性。

通常主動式紅外熱成像無損檢測主要分為熱激勵、紅外熱像儀和數(shù)據(jù)處理三個部分,這三個部分的實施效果都會影響最終的檢測結果。紅外熱成像檢測系統(tǒng)結構示意如圖2所示。

圖2 紅外熱成像檢測系統(tǒng)

熱激勵是將外部能量輸入被檢物體,使得被檢物體內部的熱流動加劇,由于物體的異形結構會對熱流造成干擾,引起了熱流的分布不均勻,使缺陷處與周圍正常區(qū)域產生溫度差并反映到物體表面。被檢物體的表面溫差越大就越容易被紅外熱像儀識別,在溫度場上的缺陷特征被檢測識別出來的能力就越強。為此,根據(jù)被檢對象的特點,如不同材料、形狀和可能的缺陷形式等,可以采用不同的主動激勵源[2]。目前常用的熱激勵方法有電磁激勵、熱空氣激勵、光激勵、微波激勵、超聲波激勵、激光激勵等,針對在用PVC-C壓力管道膠接接頭可能產生缺陷的特點,本文主要采用熱空氣激勵方式。

3.2 PVC-C管道膠接接頭缺陷紅外無損檢測試驗

本試驗選用福祿克(Fluke) Ti480 PRO型紅外熱像儀。表1是該熱像儀的重要參數(shù)指標。

表1 Fluke Ti480 PRO參數(shù)指標

3.2.1 體積型缺陷

選取的人工試件為一段PVC-C管道(規(guī)格:DN50,外徑63 mm,壁厚4.7 mm,PN16)及相應PVC-C管道的直通接頭。在接頭內表面加工深度為3 mm,直徑分別為14,12,10,8,6,4 mm的圓孔來模擬管道體積型缺陷。接頭內壁模擬缺陷展開平面圖如圖3所示。圖4是帶有缺陷的PVC-C管經(jīng)熱空氣激勵源加熱100 s紅外熱像儀拍到的實驗熱像圖。

圖3 接頭體積型缺陷展開圖

圖4 體積型缺陷PVC-C管道紅外熱像圖

利用福祿克(Fluke)專門的SmartView紅外熱像圖分析軟件進行分析。全紅外線溫度場分布圖中圓形黃亮區(qū)域為接頭缺陷位置,缺陷處溫度明顯高于周圍無缺陷處,顯現(xiàn)出與無缺陷區(qū)域明顯差別的高溫區(qū),溫度色差明顯清晰,在加熱時間達到100 s時,試樣表面溫差對比度達到最大。對于深度相同而直徑大小不同的缺陷,直徑越大,PVC-C管道的表面溫度越高。熱能在向試件內部傳播的過程中,由于缺陷處的導熱系數(shù)低于PVC-C材料的導熱系數(shù),使熱能在缺陷處積聚,在試件表面表現(xiàn)為該處溫度偏高,其他無缺陷區(qū)域溫度偏低,因此缺陷處與無缺陷處會產生溫度差,兩區(qū)域溫差越大在熱成像圖片中區(qū)別越顯著,顏色區(qū)別越明顯,故紅外熱像圖能將缺陷的位置與形狀很直觀地呈現(xiàn)出來。文獻[3]針對幾種常見熱激勵方式,系統(tǒng)地分析了帶有缺陷的試件在施加不同熱激勵時紅外檢測表面的溫度分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在多個相鄰邊界面施加熱激勵時可獲得較好的缺陷識別加熱效果。

3.2.2 裂紋缺陷

用鋸片在PVC-C管道直通接頭內表面加工出長度為30 mm,深度分別為1,2,3 mm縱向裂紋,裂紋寬度1 mm。圖5是模擬裂紋缺陷的CPV-C管道接頭內壁展開圖。圖6是含裂紋缺陷的PVC-C管經(jīng)熱空氣激勵源加熱60 s紅外熱像儀拍到的實驗熱像圖。全紅外線溫度場分布圖中PVC-C管道接頭左側上半部長條狀黃亮區(qū)域為接頭缺陷(裂紋)位置,該處溫度明顯高于其他區(qū)域(無缺陷處)溫度。在同一時間點,裂紋寬度相同時,裂紋深度越深,說明溫度開始傳遞的節(jié)點距離外表面的距離越近,傳遞熱能所需的時間越短。因此,在達到最佳成像溫度之前,隨著時間的增加,溫差也會加大,表現(xiàn)為缺陷區(qū)域表面溫度也就越高,缺陷越深,越容易識別。

圖5 接頭裂紋缺陷展開圖

圖6 裂紋缺陷PVC-C管道紅外熱像圖

3.2.3 分層缺陷

在PVC-C管道與接頭之間(膠層)沿周向放置四分之一周長一定面積的聚四氟乙烯膜用以模擬分層與脫膠不連續(xù)缺陷。圖7是含分層缺陷的PVC-C管經(jīng)熱空氣激勵源加熱4分鐘紅外熱像儀拍到的實驗熱像圖。全紅外線溫度場分布圖中接頭右側上半部白亮區(qū)域為接頭缺陷位置(分層),該區(qū)域溫度明顯高于接頭其他區(qū)域溫度。PVC-C管道接頭脫膠分層致使膠層產生空隙,加熱過程中由于膠層空隙部位的導熱性能等熱學性質與膠接良好部位不同,使膠接接頭表面顯示出溫度差異,相對于孔洞等體積型缺陷以及裂紋等缺陷,熱能傳遞到接頭表面的路程更長,熱傳導所需的時間也就相對較長。

圖7 分層缺陷PVC-C管道紅外熱像圖

3.3 試驗結果分析

試驗過程中紅外熱像儀很好地獲取了試件加熱與散熱過程中熱能傳遞產生的溫度場變化的信息。但若熱激勵源加熱溫度不均勻,會對缺陷顯現(xiàn)的結果造成干擾,文獻[4]研究表明主成分分析法可以有效解決熱激勵導致的溫度分布不均勻帶來的噪聲干擾,彌補鎖相檢測方法的不足,提升缺陷可檢測深度。根據(jù)輻射定律可知任何物體輻射紅外線的強度與其自身的溫度高低有直接關系,溫度越高,輻射能力就越強[5]。試件加熱過程中,熱能在試件內部傳導會在試件表面呈現(xiàn)出溫度場;然而當試件內部結構出現(xiàn)缺陷(裂紋、孔洞、分層等)時將會破壞其熱傳導過程,表征在物體表面就出現(xiàn)溫度場差異。試件在加熱過程中雖然整個試件整體溫度會隨著加熱時間的增加而上升,但是要區(qū)分試件上的缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域則是要比對兩個區(qū)域的溫差值(同一張熱圖像中溫度最大值和溫度最小值的差值),兩區(qū)域溫差越大在熱成像圖片中區(qū)別越顯著,顏色區(qū)別越明顯。加熱到一定時間,溫差增加趨勢減緩,當達到一定時間時,溫差基本不再變化。

4 結論

1)采用基于外部熱激勵方式的主動紅外熱成像檢測技術對PVC-C管道膠接接頭缺陷(體積型缺陷、裂紋、分層)進行分析研究。

2)從紅外熱成像試驗結果可知,紅外熱成像檢測技術可以很好地對PVC-C管道膠接接頭內部缺陷進行檢測和識別,可以應用于PVC-C管道無損檢測和定量評價。

3)建立膠接接頭溫度分布與缺陷之間的關系,對于深度相同而直徑大小不同的缺陷,直徑越大,PVC-C管道的表面溫度越高;裂紋寬度相同時,裂紋深度越深,熱能傳遞到表面所需的時間越短,表現(xiàn)為缺陷區(qū)域表面溫度也就越高,缺陷越深,越容易識別。