CC BY
47
УДК 669.716:620.197.3
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ «ЧЕРНОГО» ПОКРЫТИЯ НА ОБНАРУЖЕНИЕ КОРРОЗИИ В АЛЮМИНИИ МЕТОДОМ АКТИВНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ
АО. Чулков, В.П. Вавилов
Томский политехнический университет E-mail: chulkovao@tpu.ru, vavilov@tpu.ru
В настоящем исследовании впервые проанализировано влияние «черных» покрытий на величину отношения сигнал/шум над коррозионными дефектами в дюралюминии, а также на визуальное восприятие результатов активного теплового контроля коррозии, включая возможности компьютерной обработки данных. На примере покрытия из акриловой матовой краски черного цвета показано, что толщина покрытия должна составлять 15-20 мкм, причем наилучшее восприятие результатов контроля имеет место в случае анализа исходных инфракрасных термограмм.
Ключевые слова:
Тепловой контроль, коррозия, алюминий, Фурье-анализ, анализ главных компонент.
Алюминиевые панели самолетов подвержены скрытой коррозии, которая, как правило, начинается вокруг заклепок, но может распространяться на значительные зоны. Обнаружение коррозионного износа сводится к задаче толщинометрии, которую в промышленности, как правило, решают с помощью ультразвукового метода неразрушающе-го контроля (НК). Тем не менее в авиации необходимость сплошного контроля больших площадей на открытом воздухе ставит задачу разработки новых методов НК, среди которых, по-видимому, наиболее перспективен тепловой/инфракрасный (ИК) контроль. Исследования по данному методу на протяжении 20 последних лет проводятся в США, прежде всего корпорацией Boeing [1]. При этом на американском рынке доминирует компания Thermal Wave Imaging, которая поставляет тепловые дефектоскопы, реализующие запатентованный принцип термографического обработки сигнала (TSP-Thermographic Signal Processing) [2]. В Европе в последние годы появился ряд тепловых дефектоскопов разработки германских фирм Thermosensorik, Edevis и Automation Technologies, а сам тепловой метод НК получил признание корпорации Airbus.
Для обнаружения коррозии в алюминиевых панелях используют классический вариант активного одностороннего теплового контроля, в котором объект испытаний нагревается мощным тепловым импульсом, а с помощью быстродействующей ИК-камеры регистрируют температурное поле панелей на стадии охлаждения.
Основными проблемами теплового контроля коррозии являются:
• малое время существования температурных сигналов (0,1-0,5 с) в зонах коррозии ввиду высокой температуропроводности алюминия;
• высокий коэффициент отражения алюминия как в ИК-, так и в видимом диапазонах, что затрудняет нагрев панелей оптическим излучением и регистрацию их собственного теплового излучения с помощью ИК-тепловизора; светлая окраска самолетов существенно повышает коэффициент излучения в ИК-диапазоне, но по-прежнему затрудняет оптический нагрев панелей.
В экспериментальных исследованиях, а зачастую и на практике, применяют так называемые черные покрытия, которые создают условия абсолютно черного тела в типичных тепловизион-ных диапазонах (3-5 и 7-13 мкм) и, как правило, обладают черным цветом в видимом диапазоне
Чулков Арсений Олегович,
аспирант кафедры физических методов и приборов контроля качества Института неразрушающего контроля ТПУ.
E-mail: chulkovao@tpu.ru Область научных интересов: тепловой неразрушающий контроль.
Вавилов Владимир Плато-нович, д-р техн. наук, профессор, заведующий лабораторией «Тепловые методы контроля» Института нераз-рушающего контроля ТПУ. E-mail: vavilov@tpu.ru Область научных интересов: тепловой неразрушающий контроль.
для обеспечения максимального поглощения потока нагрева. В качестве покрытий используют масляные и акриловые краски, эмали, графитовые суспензии в воде, сажу и т. п. Следует отметить, что, несмотря на большое число предложенных способов учета коэффициента излучения в оптической пирометрии и ИК-термографии, нанесение «черных» покрытий является надежным и наиболее популярным способом обеспечения надежных температурных измерений. Основным недостатком этого способа является необходимость нанесения и удаления покрытий, что не всегда приемлемо на практике.
В Томском политехническом университете исследования по тепловому НК коррозии проводятся в течение ряда последних лет. В сотрудничестве с зарубежными исследователями была разработана теория метода и предложен простой алгоритм количественной оценки коррозии согласно формуле
АЬ / Ь = 1 - тпй / г,,
где АЬ / Ь — относительный унос материала; Тп,, Т, — температуры в бездефектной и дефектной
зонах. Данная формула подтвердила свою высокую точность в случае одномерных моделей, т. е. для зон коррозии большой площади, где краевой диффузией тепла можно пренебречь [3]. Во многих практических задачах гипотеза одномерности модели является приемлемой. Если же речь идет о дефектах небольшой площади, тем более в высокотеплопроводных металлах, предлагаются более сложные алгоритмы, основанные на визуальной оценке поперечных зон коррозионных пятен непосредственно на ИК-термограммах [4].
Следует заметить, что влияние «черных» покрытий на эффективность теплового НК коррозии в металлах практически не исследовано. Строгий анализ этого влияния требует постановки достаточно «тонких» экспериментов по исследованию спектрального пропускания покрытий различного типа в видимом и ИК-диапазонах. В настоящем исследовании феноменологически исследовано влияние «черного» покрытия различной толщины на эффективность выявления участков скрытой коррозии в алюминии.
На первом этапе исследований оценили поглощение покрытий различной толщины. Эксперимент заключался в измерении спада сигнала на выходе германиевого фотодиода, регистрирующего прохождение излучения галогеновых и ксеноновых ламп через лавсановую пленку, на которую последовательно наносили покрытия из акриловой матовой эмали черного цвета, причем толщина одного слоя равнялась 8,0—8,2 мкм, соответственно четырех слоев — в среднем 32,6 мкм. Установлено, что двухслойное покрытие поглощает около 60 % световой энергии, а четырехслойное покрытие — около 90 %.
Для ИК-термографических исследований был изготовлен стандартный образец из дюралюминия Д16Т размером 100x100x1,88 мм, содержащий четыре дефекта различного диаметра с дефектами, характеризующимися различным относительным уносом материала (табл. 1). На лицевую поверхность образца наносили вышеуказанные покрытия.
Таблица 1. Описание стандартного образца из дюралюминия Д16Т размером 100x100x1,88 мм
№ дефекта 1 2 3 4 .... 1 2 » • ♦"» ■ ■ > ; .... 4 3 ч 1 ■ . « * « *«»
Унос материала, % 71,8 25,4 10,5 22,6
Диаметр, мм 20 10 10 20
Использована экспериментальная установка, разработанная в Томском политехническом университете на базе исследовательского тепловизора высокого уровня FLIR SC 7700М (спектральный диапазон 8—10 мкм, температурная чувствительность 20 мК, формат изображения 640x512 элементов) и источника импульсного оптического нагрева из двух ксеноновых ламп Bowens (полная энергия импульса 3,2 кДж, длительность импульса 5 мс), см. рис. 1. Результатом тестов являлись последовательности из 500 термограмм, записанных с частотой 50 Гц. В дальней-
шем для обработки использовали только последовательности из 25 изображений, соответствующих интервалу времени 0,5 с, в течение которых развивались и исчезали сигналы от коррозионных
дефектов.
Рис. 1. Экспериментальная установка для активного теплового контроля
Для обработки данных использовали компьютерную программу ThermoFit Pro (разработка ТПУ), в которой реализованы практически все современные алгоритмы обработки ИК-термограмм, а именно: пространственная и временная фильтрация, полиномиальная аппроксимация, Фурье-анализ, скалярный и комплексный вейвлет-анализ, метод анализа главных компонент (МАГК), анализ производных и статистический анализ.
Анализируя экспериментальные данные, следует отметить, что в изделии без покрытия дефекты не обнаруживаются в принципе. Нанесение четырех последовательных покрытий вышеупомянутой толщины обеспечило нагрев изделия от 0,4 до 0,8 °С выше температуры окружающей среды. Тем не менее на фоне даже столь незначительного нагрева по крайней мере часть дефектов уверенно выявлялась.
Для сравнения результатов отдельных тестов использовали концепцию отношения сигнал/шум:
S = (Td - Tnd )!°nd ,
где использованы средние температуры в дефектной и бездефектной зонах, а und есть стандартное
отклонение температуры в бездефектной зоне.
Соответствующие значения S приведены в табл. 2.
Таблица 2. Влияние толщины «черного» покрытия на выявляемость дефектов в стандартном об-
Алгоритм обработки данных Отношение сигнал/шум S
Дефект № 1 Дефект № 2 Дефект № 3 Дефект № 4
Толщина покрытия 8,2 мкм
Исходные данные 20,6 15,0 6,1 5,2
Фурье-анализ (фазограмма) 2,6 0,4 0,6 1,5
МАГК * 30,3 17,9 7,9 8,8
Толщина покрытия 16,3 мкм
Исходные данные 18,3 7,6 3,7 7,1
Фурье-анализ (фазограмма) 1,1 2,6 1,0 0,1
МАГК 31,0 10,0 4,9 7,4
Толщина покрытия 24,5 мкм
Исходные данные 26,9 9,5 3,7 7,3
Фурье-анализ (фазограмма) 0,2 2,0 1,0 0,3
МАГК 32,1 13,6 4,7 7,6
Толщина покрытия 32,8 мкм
Исходные данные 32,1 8,5 6,7 7,7
Фурье-анализ (фазограмма) 0,7 2,2 0,8 0,7
МАГК 52,0 15,0 9,9 8,0
* Наилучшая компонента
Дефекты 1 и 2, создающие сравнительно высокие температурные сигналы, лучше всего выявляются по критерию при использовании четырехслойного покрытия, в то время как отношение сигнал/шум для «слабых» дефектов 3 и 4 неоднозначно зависит от толщины покрытий. Мы считаем, что полученные результаты показывают, что критерий отношения сигнал/шум не может считаться достаточным в тепловом контроле, поскольку в величине 5, зависящей только от распределения амплитудных пиксельных значений, отсутствует информация о конфигурации температурных аномалий. Кроме того, на 5 существенно сказывается выбор бездефектной зоны для вычисления величины оп, на которую влияет наличие царапин дюралюминия, локальных утолщений покрытия, неравномерный нагрев и другие факторы.
Эвристическое восприятие ИК-термограмм иллюстрируется данными в табл. 3, полученными как без какой-либо компьютерной обработки, так и с использованием Фурье-преобразования и МАГК.
Таблица 3. ИК-термограммы стандартного образца из дюралюминия с «черными» покрытиями различной толщины
Толщина покрытия, мкм
Исходные данные
Фурье-анализ (фазограмма)
8,2
16,3
24,5
32,8
Из табл. 3 видно, что оптимальным для оператора является четырехслойное покрытие, обеспечивающее однородный тепловой фон в бездефектных областях. Другим выводом, кото-
рый противоречит большинству ранее опубликованных работ, является то, что наиболее естественными для анализа выглядят исходные ИК-термограммы (для покрытий любой толщины). Компьютерная обработка с использованием Фурье-преобразования и МАГК не улучшает визуальное восприятие результатов контроля, поскольку вокруг дефектных областей возникают кольцеобразные зоны со специфическим поведением сигналов (фазы и главных компонент). Учитывая, что оптическое излучение нагрева, с учетом отражения от дюралюминия, дважды проходит через покрытие, рекомендуется наносить не менее двух слоев акрилового покрытия толщиной 15-20 мкм.
Настоящее исследование выполнено при финансовой поддержке в рамках реализации государственного задания Минобрнауки России на 2014-2016 гг., НИР № 445 (ОНГ).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Alcott J. An investigation of nondestructive inspection equipment: Detecting hidden corrosion on USAF aircraft // Mater. Evaluation. - 1994. - № 5. - P. 64-73.
2. Shepard S. Advances in pulsed thermography // Proc. SPIE «Thermosense-XXIII». - 2001. -Vol. 4360.- P. 511-515.
3. Vavilov V., Grinzato E., Bison P.G., Marinetti S., Bales M. Inversion for Hidden Corrosion Characterization: Theory and Applications // Intern. J. Heat & Mass Transfer. - 1996. - Vol. 39. - P. 355-371.
4. Marinetti S., Vavilov V. IR thermographic detection and characterization of hidden corrosion in metals: General analysis // Corrosion science. - 2010. - Vol. 52. - Issue 3. - P. 865-872.
Поступила 22.04.2014 г.
