CC BY
58
УДК 620.179.13
Розроблено концепцю розвит-ку неруйтвних методiв контролю енергетичного обладнання атомних електростанцш на основi кореля-щйног тфрачервоног радiометрii. Показано, що при виршенш задач контролю i дiагностики ефектив-тсть виявлення i iдентифiкацii дефектiв термоакустичним методом кореляцiйноi iнфрачервоноi радюметри у порiвняннi з тшими тепловими методами контролю е значно вищою
КОНЦЕПЦ1Я РОЗВИТКУ НЕРУЙН1ВНИХ МЕТОД1В КОНТРОЛЮ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБЛАДНАННЯ АЕС НА ОСНОВ1 КОРЕЛЯЦ1ЙНО1 1Ч-РАДЮМЕТРП
М . I.Базал ее в
Кандидат техшчних наук, старший науковий ствробЬник.
Заступник директора з науковоТ роботи* Контактний тел.: (057) 700-36-51 Б.Б.Бандурян Кандидат фiзико-математичних наук, старший науковий
ствроб^ник* Контактний тел.: (057) 700-41-11 В.В.Брюховецький Доктор фiзико-математичних наук, старший науковий
спiвробiтник
Завщувач вiддiлу фiзики критичних явищ* Контактний тел.: (057) 700-41-11 В. Ф. Кл е п i ко в Доктор фiзико-математичних наук, професор, член-
кореспондент НАН УкраТни Директор 1нституту* Контактний тел.: (057) 704-13-60 В.В.Литвиненко Доктор технiчних наук, старший науковий ствроб^ник
Учений секретар*
*1нститут електрофiзики i радiацiйних технологiй НАН УкраТни вул. Чернишевська, 28, а/с 8812, м. Хармв, УкраТна, 61002
e-mail: [email protected]
1. Вступ
Шдвищення надiйностi i 6e3ne4HOCTi експлуатацii енергетичного обладнання на атомних електростанщ-ях (АЕС) вимагае розробки надiйних методiв та засо-6iB оперативного контролю ix стану в процеа експлу-атацп i профiлактичного огляду. Сучаснi енергетичнi комплекси, яю оснащенi теxнологiчним обладнанням
з критичними термшами експлуатацii, вимагають ре-алiзацii високоефективноi технологи неруйнiвноi дефектоскопа, яка забезпечуе високу продуктившсть, ефектившсть, якiсть i достовiрнiсть контролю, паспор-тизацiю обладнання. Рiзноманiтнi дефекти в матерiа-лах i виробах виникають як результат недосконалостi технологи '¿х виготовлення або важких умов експлуа-тацп. Наявнiсть таких дефекпв, як порушення одно-
рщносп, сущльност або структури матерiалу, вщхи-лення розмiрiв деталей вiд установлених виробником призводить до змши фiзичних властивостей матерiа-лу. При настанш термiну передбачуваного фiзичного зносу устаткування i конструкцiй, точнiсть i вiрогiд-нiсть оцiнки залишкового ресурсу стають життево важливими. Для одержання достовiрних результатiв розрахунку залишкового ресурсу мщносп об'ектiв, що експлуатувалися тривалий час, необхщно знати фактичнi фiзико-механiчнi характеристики матерiалу i технiчний стан об'екту. Забезпечити можлившть виз-начення залишкового ресурсу об'екпв атомно! енерге-тики i продовження термiнiв 1хньо1 безпечно! експлуа-тацii з урахуванням реальних умов можуть неруйшвш методи дiагностики стану конструкцiйних матерiалiв i об'екпв, серед яких тепловi методи займають одне iз провiдних мiсць.
Iснуючi методи неруйнiвного контролю через вплив велико! юлькосп випадкових факторiв не е абсолют-ними, тому про наявшсть дефектiв можна говорити з пею чи iншою мiрою iмовiрностi. Однак рацiональне поеднання декiлькох методiв дефектоскопii пiдвищуе надiйнiсть контролю виробiв, якi експлуатуються в складних умовах мехашчного, радiацiйного або хiмiч-ного впливу, зб^ьшуе надiйнiсть i довговiчнiсть облад-нання, забезпечуе попередження аваршних ситуацiй, пов'язаних з руйнуванням конструкцш.
В основi теплового (термографiчного) методу зна-ходження дефектiв лежать закономiрностi розповсюд-ження теплово! хвилi в твердому иль При наявносп дшянок пiдвищеного термiчного опору, тобто д^янок з трiщинами та розшаруваннями, дефекти порушення суцiльностi виявляються тепловiзiйними методами виходячи з розпод^у температурного поля на поверх-нi об'екта контролю. Для практично! реалiзацii даного методу е необхщним створення визначеного теплового впливу на об'ект контролю (активацшна дiя), при яко-му неоднорщносп теплового поля, що проявляються на поверхш, е достатнiми для знаходження дефекпв сучасними тепловiзiйними системами. Визначення те-плових поверхневих аномалiй, що виникають в мiсцях iснування внутршшх дефектiв, здiйснюеться на осно-вi числового моделювання процесу розповсюдження теплово! хвилi в твердому тiлi, при якому наступае гарантоване знаходження дефекпв.
Устхи практичного застосування рiзних моделей i методiв математичного моделювання теплових проце-сiв i способiв щентифжацп та вiзуалiзацii поверхневих аномалiй, точнiсть та коректнiсть, переваги у по-рiвняннi з iншими методами неруйшвного контролю при дистанцiйному скануванш великих поверхонь дозволяють застосовувати тепловiзiйний контроль як технiчний засiб неруйшвного контролю стану об-ладнання ядерно-енергетичних установок. Завдяки вщмшност за сво!ми можливостями вiд традицiйних методiв контролю, на практицi е дуже корисним сумь щення тепловiзiйного контролю з шшими методами.
2. Досвщ використання неруйшвних метод1в контролю на об'ектах атомних електростанцш
Аналiз робгг з дiагностики i неруйнiвного контролю методами теплово! дефектоскопы [1-4] показуе, що
тепловiзiйний монiторинг може забезпечити можли-вiсть вирiшення широкого класу задач при обстеженш технолопчного устаткування i споруд об'ектiв атомно! енергетики, а саме:
- дiагностика режимiв роботи машин i механiзмiв, стан системи охолодження обладнання;
- дефектоскотя деталей i вузлiв, механiзмiв i машинного обладнання, конструкцш i рiзних агрегатiв (виявлення прихованих дефекпв, трiщин, ерозшно-корозiйний знос i т.i.);
- контроль технiчного стану захисних оболонок теплових агрегаив i теплообмiнних апаратiв (розпод^ i динамiка змiни температурних полiв);
- контроль енергоагрегатiв, емностей, трубопро-водiв, запiрноi арматури i резервуарiв пiд високим тиском, виявлення витоюв (течiй) енергоноспв;
- виявлення дефекпв у будiвельних (загороджу-вальних, захисних) конструкщях, виявлення зон тд-вищених тепловтрат, теплових мостiв, дефектних зон термоiзоляцii i т.i.;
- контроль техшчного стану турбiн, енергоагрега-пв i електротехнiчного обладнання;
- визначення мкць джерел токiв за iзоляцiею i iзо-ляцiйними конструкцiями, виявлення перевантаже-них кабелiв i проводiв в каналах, трубах i в прихованш проводцi;
- контроль режимiв роботи насосних агрегатiв i турбш АЕС, стану турбогенераторiв;
- можливкть пошуку оптимальних шляхiв вирь шення задач, якi обумовлюють безпеку експлуатацп енергоблокiв АЕС;
-оцiнку безпеки сухих сховищ вiдпрацьованого ядерного палива;
- контроль систем техшчного водопостачання АЕС (боротьба з бюлопчним обростанням);
- контроль хiмiко-технологiчного обладнання i ме-талiчних конструкцiй, якi забезпечують водно-хiмiч-ний режим основних i допомiжних контурiв АЕС;
- дистанцiйний контроль та вимiрювання енерге-тичних показникiв полiв випромiнювання i поглинан-ня юшзуючого випромiнювання в зонi опромiнення;
- контроль об'екив з радiоактивними речовинами, актившсть яких визначаеться без руйнування вихщ-них матриць;
- контроль контейнерного парку при обходженш з радiоактивними ввдходами;
- оцiнку i монiторинг поточного стану безпеки тех-нологiчного обладнання i енергоблокiв АЕС, прогнози на термш експлуатацп, що подовжуеться;
- аналiз експлуатацiйних режимiв;
- виявлення i прогнозування аварiйних ситуацiй, причин порушення роботи енергоблокiв.
IЧ-радiометрична тепловiзiйна система може бути iнтегрована в едину шформацшну систему монiторин-гу поточного стану безпеки АЕС (вноситься до складу комплексу систем автоматизовано! технiчноi дiаг-ностики технологiчного обладнання i енергоблоюв АЕС). 1нтегрування 1Ч-системи в едину шформацшну систему мониторингу забезпечить проведення б^ьш поглибленого аналiзу причин виникнення аварш, тд-вищить ефективнiсть проведення проф^актичних i ремонтно-поновлювальних робiт, забезпечить надшну експлуатацiю енергоблокiв АЕС протягом незначних термжв експлуатацп.
2.1. Методи неруйшвного контролю
Сучасш методи дiагностики матерiалiв базуються на розвитку i пошуку нових пiдходiв та шформатив-них характеристик дефектiв за параметрами фiзичних полiв, що визначають ступiнь 1хньо1 небезпеки при експлуатацп конструкцiй.
Неруйнiвнi методи дiагностики тдрозд^яються на рiзнi групи за характером взаемодп фiзичних полiв (магнiтних, електричних, вихорострумових, теплових, оптичних, радiацiйних, акустичних та ш.) з речовиною об'екта контролю i за способами вид^ення ефекту для одержання первинно'Т шформацп про властивостi матерiалу. Змiни параметрiв використаного поля, що викликанi реакщею об'екта, вiдбивають його власти-восп (прямi вiдбитки) в областi, яка задана типом фiзичного поля. При цьому наслвдки реакцii можуть вщображатися i у просторi iнших фiзичних полiв (вто-ринна реакцiя) як непрямi вiдбитки.
У дослiдженнях властивостей матерiалiв найбiльш широко представленi електромагштш методи (радь охвильовi, надвисокочастотнi методи, магштш, стру-мовихровi, iнфрачервонi, оптичш (видимий дiапазон), ультрафiолетовi, рентгенiвськi i гамма-методи), якi так чи шакше, заснованi на взаемодп збудливого електро-магнiтного поля iз власними електромагштними полями матерiалу, що дослщжуеться, його молекулами, атомами або '¿хшми електронними оболонками.
Розглянемо докладнiше найб^ьш перспективнi методи неруйнiвного контролю i дефектоскопii, можли-востi комплексного застосування цих методiв.
Ультразвукова дефектоскотя. Iнформацiйним полем е поле пружних коливань хвиль ультразвукового дiапазону частот (1 - 10 МГц). Неоднорщносп середо-вища (порушення суцiльностi, поверхневi i глибиннi дефекти) виявляються на основi рiзних акустичних методiв (ехометод, метод в^ьних коливань, тiньовий, резонансний, електромагштно-акустичний спосiб порушення i прийому ультразвукових коливань та ш.), яю заснованi на опромiненнi об'екта контролю iм-пульсами ультразвукових коливань i реестрацii штен-сивностi i часу приходу луна-сигналiв, вiдбитих вiд дефекпв. Зменшення енергп або фази ультразвукових коливань свщчить про наявнiсть дефекту. Акустичне поле - поле мехашчних напруг, створюеться тим або шшим способом в обмеженому об'емi матерiалу, що дослiджуеться, i викликае коливальш або аперюдич-нi зсуви часток матерiалу, тобто локальнi деформа-цп матерiалу. Причому розмiри деформовано! обласи визначаються не параметрами кристалiчноi Гратки (у випадку металiв i шших кристалiчних або полжриста-лiчних матерiалiв) або розмiрами молекул (у випадку аморфних матерiалiв), а довжиною хвилi збудженого в матерiалi поля i становлять вiд часток до десятюв мь лiметрiв. Як правило в ультразвуковш дефектоскопii використовуеться кiлька шформативних параметрiв: типи акустичних хвиль, частотний дiапазон, режим випромiнювання та ш.) Поле акустичних хвиль кон-тролюеться датчиками (детекторами) ультразвукових коливань, як сканують поверхню контролю.
Струмовихрова (електрошдуцшна) дефектоскопiя. Iнформацiйне поле (поле вихрових струмiв) штучно збуджуеться змшним магнiтним полем. Поле вихрових струмiв вiдбивае структурнi неоднорiдностi i
порушення суцiльностi матерiалу, залежить ввд маг-нiтноi проникностi i електропровщноси матерiалу, розмiрiв i конструкцп виробу. Вимiр вихрових струмiв здiйснюеться за допомогою струмовихрових шдукцш-них датчиюв.
1нфрачервона дефектоскопiя (тепловий контроль). 1нформацшне поле (поле поверхнево'Т радiацiйноi тем-ператури) формуеться тепловими потоками, що про-ходять через матерiал (середовище) об'екта контролю до поверхш його випромшювання. Трансформацiя внутрiшнiх теплових i температурних полiв у поле поверхнево'Т радiацiйноi температури об'екта контролю вщбуваеться в умовах впливу на об'ект зовшшшх збурюючих факторiв.
Пасивний метод теплового контролю. При пасив-ному методi теплового контролю об'ект перебувае в термодинамiчнiй рiвновазi з навколишнiм середови-щем. Iнформацiя про внутрiшню структуру об'екта закладена в температурному полi поверхш випромь нювання. Висновок про наявшсть дефекту або пору-шення режиму роботи об'екта контролю роблять на основi рiшення зворотно'Т задачi теплопровiдностi: за вимiряним температурним полем поверхнi випромь нювання визначаються параметри об'екта контролю, наявнiсть дефектiв.
Активний метод теплового контролю. Активний метод теплового контролю заснований на тепловому впливi, що шщже процеси теплообмiну i пере-розподiлу теплових потокiв i температурних полiв як усерединi об'екта контролю, так i на його поверхш випромшювання. Видшення корисного сигналу, що несе шформащю про дефект, проводиться з урахуван-ням рiшення прямо'Т i зворотно'Т задач нестацiонарноi теплопровщносп на основi розроблених фiзичних моделей об'екта контролю, що враховують його конструк-цшш особливостi i теплофiзичнi властивоси матерь алiв, параметри навколишнього середовища, режими теплового впливу та ш.
Iснуючi методи неруйнiвноi дефектоскопы через вплив безлiчi випадкових факторiв не е абсолютними, про наявшсть дефекту можна говорити з пею чи шшою мiрою iмовiрностi. Однак ращональне сполучення де-кiлькох методiв дефектоскопы тдвищуе надiйнiсть контролю виробiв, що працюють у складних умовах мехашчного, радiацiйного або хiмiчного впливу, за-безпечуе запобiгання аварiйних ситуацiй, пов'язаних з руйнуванням конструкцш.
Iдеологiчною основою неруйшвних методiв контролю е використання апроксимуючих функцш, що вь дображають об'ективно iснуючий зв'язок мiж змiнами параметрiв поля, що використовуеться, з фактичним станом матерiалу, окремими фiзичними характеристиками або якоюсь сукупшстю його характеристик i енергетичних показниюв процесiв, що дослщжу-ються. Принципово важливими параметрами полiв, яю вводяться в матерiал для дослщження його властивостей, е енергетичш параметри - iнтенсивнiсть i миттева потужшсть. Фiзичнi поля, якi вводяться в матерiал, що дослiджуеться, взаемоджчи iз власними полями матерiалу, змшюють його властивостi в залеж-носи вiд динамiки i величини стввщношення енергiй взаемодiючих полiв. При цьому змшами властивостей матерiалу в процес проведення дiагностики свiдомо нехтують, вважаючи штенсившсть полiв, що засто-
совуються для дiагностики, малою. Крiм того, бшь-шiсть методiв, що претендують на юльюсну оцiнку вимiрюваних характеристик матерiалу, е вiдносними, що сввдчить про iмовiрний характер вимiру фiзичних характеристик матерiалу, на основi яких щентифжу-ються дефекти.
3. Термоакустичнi ефекти i 1хнш вплив на термодинамiчний стан фiзичних систем
На теперiшнiй час вже накопичено значний науко-вий матерiал про експериментально виявленi ефекти, пов'язаш 3i слабкими впливами рiзноï природи на рiзно-манiтнi фiзичнi об'екти i процеси. Незважаючи на те, що штенсившсть цих впливiв винятково мала, факти такого впливу однозначно зафжсоваш для валяких типiв впливiв та рiзноманiтних фiзичних систем. При цьому збуджений стан атомiв у rратцi служить головною причиною тдвищено! фiзико-хiмiчноï активносп систем i умовою для виникнення рiзного роду резонансних явищ i поверхневих ефекпв. При цьому температурне поле середовища вiдображаe досить стшкий стан розподiлу дисипацп енергп ввдповвдно до сталого порядку дисипа-тивноï структури дiючих зовнiшнiх факторiв.
Поверхневi акустичнi хвилi здатнi локалiзувати теплову енерпю у вузькому приповерхньому шарi збу-рення, формуючи на поверхш вщповщне температурне поле. У пружних середовищах можливi резонанснi ефекти поверхневих хвиль (навггь при впливi слабких збурень), завдяки яким на поверхш ефективно прояв-ляються неоднорщносп середовища i трiщини.
1снуе деяке критичне значення зовшшнього впливу на систему, при якому шщжеться процес перебудови розподшу внутрiшнiх теплових потоюв, утворюються просторо-розподiленi структури акустичного i теплового полiв, що формують особливий термодинамiчний режим, який вщображае специфiку будови i динамiч-них зв'язюв усерединi системи. При цьому система переходить у самоузгоджений режим, термодинамiчна рiвновага якоï визначаеться величиною енергетичних потоюв, що надходять у не'1 ззовнi. Зовнiшнiй енерге-тичний вплив переводить систему в новий стан з б^ьш високим рiвнем шформативносп поверхневого температурного поля об'екта контролю. Для тдвищення шформативносп поверхневого температурного поля необхiдно визначити оптимальш значення параметрiв внесеноï потужноси, що переводить систему в стан шформацшного оптимуму.
Термоакустичнi ефекти спостер^аються на гра-ницях розподiлу середовищ, у мiсцях зосередження i трансформацп енергiï акустичноï хвилi, дп теплових механiзмiв акустоелектронноï взаемодп, впливу термодифузп i iнших механiзмiв перетворення. У твердих тiлах (металах) може ввдбуватися взаемодiя акустичноï хвилi з електронами провiдностi у виглядi обмiну енергiею (електронне поглинання звуку, по-силення енергiï акустичноï хвилi за рахунок стиму-льованого дрейфу електрошв у твердому тiлi). Шд дiею акустичноï хвилi генеруються хвилi електричних i магнiтних полiв, виникають явища обмiну енер-гiею мiж акустичним полем i полями електронного походження: електричним, магштним, тепловим. На тепершнш час експериментально виявлено вже щлий
ряд ефектiв i резонансних явищ, пов'язаних з пору-шенням атомiв у кристалiчнiй rратцi, при слабкому енергетичному впливi на рiзноманiтнi фiзичнi об'екти i процеси. Змша i перерозподiл внутрiшнiх теплових i температурних полiв може iнiцiюватися дiею слабких перiодичних сигналiв, якi порiвнюються з порогом теплових шумiв. Особливу зацiкавленiсть у цьому зв'яз-ку викликають ефекти i явища взаемодп акустичних хвиль iз кристалiчною Граткою матерiалу середовища, що зб^ьшують ïï теплопровiднiсть за рахунок упо-рядкованостi польовоï структури кристалiчноï Гратки. При цьому спостерiгаеться високий стутнь кореляцп температурного поля середовища з розподшом зон дисипацп енергп i структури дтчих зовнiшнiх фак-торiв. У пружних середовищах, навiть при дп слабких енергетичних збурень, можливi резонанснi ефекти поверхневих акустичних хвиль, здатних локалiзувати теплову енергiю у вузькому приповерхневому шар^ сформувати поверхневе температурне поле, у якому проявляються неоднорщност середовища i трiщини у виглядi температурних аномалiй.
У середовищах, що характеризуються структурною неоднорвдшстю i наявшстю внутрiшнiх джерел тепло-воï енергп, можливi нелiнiйнi процеси взаемодп акустичних i теплових полiв, при цьому акустичш хвилi iнiцiюють процеси впорядкованост теплових потокiв i температурних полiв, самоорганiзацiï термодинамiчноï системи в умовах зовшшнього енергетичного впливу.
В процеа взаемодп акустичноï хвилi з речовиною генеруються i трансформуються одна в шшу акустое-лектричнi, електромагштш i тепловi коливання i хвил1 Особливiстю таких процесiв е можлившть керування порiвняно невеликими за рiвнем потужностi полями акустичних хвиль б^ьшими тепловими потоками по-тужностей системи в щлому. Поле акустичних хвиль створюе в системi теплофiзичну структуру, формуе поля теплових потоюв i температури висо^ шформа-тивностi, що вщбивають матерiальну структуру i окре-мi елементи системи, що дослвджуеться, в цiлому.
Трансформацiя енергп акустичноï хвилi здшснюеть-ся за двома основними напрямками: по-перше - пряме перетворення (дисипащя) енергп акустичноï хвилi в теплову енергiю; по-друге - створення акустичних ка-налiв пiдвищеноï теплопровiдностi (вплив на механiзм теплопроввдност матерiалiв твердих тiл), що забезпечу-ють перерозподiл iснуючих у системi теплових потокiв.
Поле акустичноï хвилi на границi розподiлу середовищ збуджуе поверхневi електромагнiтнi хвилi, яю можуть впливати на процеси вщбиття i власного випромiнювання поверхнi (формування коефвден-та випромiнювання) у видимш i IЧ-областi спектра випромiнювання. У такий споиб iнформацiя поля акустичноï хвилi про структурнi особливостi системи, що дослвджуеться, передаеться (транслюеться) у поверхневе поле електромагштних хвиль, яке у свою чергу модулюе вщповщним чином коефвдент випро-мшювання i iнтенсивнiсть потоку IЧ-випромiнювання контрольованоï поверхнi.
4. Термоакустична кореляцiйна IЧ-радiометрiя
Термоакустичний метод кореляцiйноï 1Ч-радюме-трп (ТМК-1ЧР) е спрямованим на подальше вдоско-
налювання 1снуючих та таких, що динам1чно роз-виваються, активних метод1в теплового контролю 1 д1агностики [5-8]. ТМК-1ЧР - це комплексний, акти-вацшний метод контролю 1 д1агностики, що поеднуе можливост активних неруйшвних метод1в теплового 1 акустичного контролю. Сучасна високочутлива 1 швидкод1юча теплов1зшна техшка 1 1Ч-радюметр1я до-зволяють розширити можливост шнуючих теплових метод1в (рис.1), вщкривають нов1 можливост1 щодо шдвищення ефективност1 неруйшвного контролю об'ект1в АЕС при вир1шенш завдань дефектоскопы, дефектометрп 1 томографы.
Рис. 1. Схема тепловiзшноT дiагностики устаткування на основi дистанцiйноT IЧ-радiометрiT.
ТМК-1ЧР заснований на активацп ультразвуковим полем у матер1ал1 конструкцп термоакустичних ефек-т1в 1 процес1в теплообмшу в област1 прихованих де-фект1в 1 аномальних зон дефектоутворення, виявленш вщповщних !м температурних аномалш на поверхш об'екта у пол1 1Ч- випромшювання з урахуванням кореляцшного зв'язку стимульованого ультразвуком поля 1Ч-випромшювання з полем випромшювання об'екта до початку активацп.
Особлив1стю термоакустично! активацп, яка ви-користовуеться у метода що розробляеться, е мож-лив1сть виб1ркового нагр1вання дефектно! зони: зони концентрацп напруг; трщини з ефектом тертя на сум1жних границях; замкнуто! границ розподшу се-редовищ (раковини, включення), зони структурних (фазових) змш 1 тлн.
Акустична хвиля, що поширюеться в матер1ал1, чут-лива до вс1х структурних неоднорщностей 1 границь розподшу середовищ, тепловим границям. Поглинан-ня енергп акустично! хвил1 в таких середовищах при-
водить до температурно1 модуляцп неоднорщностей 1 змши град1ента температури на границ дефектно! зони, формуванню теплових хвиль, що приводять до «збурення» сталого теплового потоку, 1 ввдповщно, температурного поля як усередиш об'екту, що дослщ-жуеться, так 1 на зовшшнш поверхш.
Змша теплоф1зичних параметр1в залежить вщ характеру границь роздшу 1 ф1зико-х1м1чних особливо-стей середовища, суперпозицп теплових хвиль, шду-кованих акустичною хвилею з тепловими хвилями, що забезпечують передачу теплово! енергп 1 розподш температури в середовишд 1 на зовшшнш поверхш. Стимульоваш акустичною хвилею теплоф1зичш про-цеси, що вщбуваються у середовишд, проявляються на зовшшнш поверхш у вигляд1 температурних аномалш, що корелюють з неоднорщностями 1 приховани-ми дефектами середовища. Ефектившсть виявлення таких аномалш залежить вщ амплиуди термоанома-лп (обмежуеться р1внем поверхневих температурних шум1в та впливом зовшшшх фактор1в) 1 особливостей и прояву на поверхш об'екта контролю залежно вщ те-плоф1зичних параметр1в середовища, величини енергП акустично! хвил1, глибини розташування дефекту щодо поверхш та ш.
Можлив1сть перюдичного нагр1вання дефектних структур акустичною хвилею дозволяе шляхом пор1в-няння параметр1в поверхневих температурних аномалш до 1 тсля впливу акустично! хвил1 1 використання метод1в кореляцшно! обробки одержано! шформацп вдентифжувати дефекти 1 !хне м1сце розташування (рис.2).
Рис.2. 1дентифкащя дефектiв на основi термоакустичного
методу кореляцiйноT 1Ч-радюметрп: А) — термограма поверхневих температурних аномалш до впливу акустичноТ хвил^ Б) - термограма поверхневих температурних аномалш тсля впливу акустичноТ хвил^ Тр(Б) - Тр(А) — щентифкащя мiсця розташування дефекту за результатами кореляцшноТ обробки.
5. Формування поверхневих шформацшних полiв
Поле акустичноï хвилi на границi розподшу сере-довищ збуджуе поверхневi акустичш i електромагнiтнi хвилi, якi можуть впливати на процеси вщбиття i влас-ного випромiнювання поверхнi в обласп 1Ч-спектра випромiнювання. Iнформацiя поля акустичноï хвилi про структурнi особливост фiзичноï системи (мате-рiалу, середовища), що дослщжуеться, передаеться (транслюеться) у поверхневе поле електромагштних хвиль - поле 1Ч-випромшювання. Параметрами ш-формацшного поля, що вимiрюються, в цьому випадку фактично е коефвдент випромшювання е i температура поверхш випромшювання T, тобто радiацiйна температура Tp ~ео T4 . 1нформацшними параметрами поверхневого акустичного поля е амплгтуда, фаза акустичноï хвилi i '¿х розподiл на поверхш контролю. Амплиуда акустичноï хвилi несе iнформацiю про кiлькiсть поглиненоï енергiï в середовищi, а фазовi змiни - часову затримку акустичного сигналу. Рiзнi нелiнiйнi процеси, пов'язаш iз взаемодiею теплових i акустичних хвиль на неоднорщностях середовища (змша теплофiзичних параметрiв середовища, фазовi переходи, границ розподiлу) приводять до змши як амплiтудних, так i фазових (частотних) характеристик акустичного сигналу, яю формують об'емне i поверхневе поля акустичних хвиль у об'ект контролю, що дослщжуеться. Глибина модуляцп коефвдента IЧ-випромiнювання поверхневим акустичним полем залежить вщ матерiалу об'екта контролю i стану його поверхш, параметрiв акустичного сигналу. Глади ме-талевi поверхнi бiльшою мiрою здатш забезпечувати можливiсть формування поверхневого шформацшного поля на основi модуляцп коефвдента випромiню-вання.
Перевагою методу е можлившть створення шфор-мацiйного поля з високим часовим розрiзненням. Змша коефвдента випромiнювання, на вiдмiну вщ температури поверхнi, вiдбуваеться зi швидюстю по-ширення акустичноï хвилi в матерiалi, що дозволяе перейти до ршення задач томографiчноï дiагностики. При збудженш акустичних хвиль у речовиш, акустич-ний вiдгук у виглядi поля поверхневих акустичних хвиль мштить iнформацiю про перехiднi процеси, яю пов'язанi з вiдбиттям i поглинанням хвиль на неодно-рiдностях середовища. Створення iмпульсних акустичних полiв дозволяе за час, який можна порiвнюва-ти з часом дп акустичного iмпульсу, визначити поряд з параметрами теплопровщност середовища, неодно-рщносп (дефекти) у твердому тiлi i на його поверхш.
Перехвд вщ детектування температурного шфор-мацiйного поля до акустичного (трансформованого у поле коефвдента випромшювання) дозволяе штотно тдвищити швидкiсть обробки сигналiв у порiвняннi з тепловими методами (тому що швидюсть поширення акустичних хвиль на багато перевищуе швидюсть поширення температурних/теплових хвиль). Завдяки порiвняно малим довжинам акустичних хвиль у твердих плах, з'являеться можлившть щентифжацп не-однорiдностей розмiрами в частки мШметра, розши-рюються функцiональнi можливост методу, зокрема, реалiзацiï томографiчноï дефектоскопп. Фактично, метод дозволяе реалiзувати акустичну томографт на основi безконтактного детектування (без застосуван-
ня контактних п'езоакустичних детекторiв) поверхневого акустичного поля тепловiзiйними засобами IЧ-радiометрiï, зокрема, двоканальною тепловiзiйною системою з рознесеними у просторi детекторами 1Ч-випромiнювання.
Реалiзацiя методу радiацiйноï IЧ-радiометрiï на основi переважноï реестрацiï змiн коефiцiента випромшювання в умовах збудження в об'еки, що до-слiджуеться, акустичних хвиль дозволяе ктотно змь нити структуру i методолопю методу iнфрачервоноï термографiï, одержати потужний засiб штерпретацп поверхневих iнформацiйних полiв, можливостi вико-ристання для функцiй дiагностики, дефектоскопп i неруйшвного контролю. На вщмшу вщ поверхневоï температури, коефвдент випромiнювання може мiнятися зi швидкiстю змiни поверхневих акустичних хвиль, що уможливлюе подш внескiв в енергетичну яскравкть iнфрачервоного випромiнювання температури i коефь цiента випромiнювання, швидюсть змiни якого значно перевершуе аналопчний показник температури.
6. Аналiтичнi особливост методу
Вiдновлення просторового розподiлу неоднорвдно-стей у середовищi за полями розаювання, поглинання
i вiдбиття акустичних i теплових хвиль, яю в остаточному тдсумку формують поверхневе шформацшне поле 1Ч- випромiнювання, зустрiчае вiдомi математич-нi складностi, пов'язаш з ршенням прямих i зворот-них задач теплопровiдностi, вiдновленням характеру розпод^у iмпульсних акустичних полiв на поверхш об'екта контролю на основi часовоï модуляцiï прийня-того акустичного сигналу.
Установлення зв'язку мiж iнтенсивнiстю акустичного сигналу на поверхш об'екта контролю i вщпо-вщною йому змiною поверхневого електромагштно-го поля, що впливае на коефвдент випромiнювання поверхнi (в обласи 1Ч-спектра випромiнювання), здiйснюеться на основi експериментальних даних вiдновлення поля коеф^ента випромiнювання. Вщ-новлення картини тривимiрного розподiлу неодно-рiдностей (дефекпв) середовища в умовах складностi процеав поглинання i трансформацiï енергп в речови-нi, невизначеностi граничних умов i впливу факторiв, що змшюються, навколишнього середовища з мате-матичноï точки зору е однiею з найважливших i, як правило, не коректно розв'язуваних зворотних задач теплового неруйшвного контролю.
Можливост IЧ-радiометричних методiв контролю, заснованих на безконтактному (дистанцшному) вимiрi поверхневих (двовимiрних) температурних по-лiв, iстотно обмеженi при визначенш тривимiрних по-казникiв, що характеризують стан об'екта контролю, створенш математичних моделей прояву дефекпв у поверхневих температурних полях (особливо при на-явносп в об'ектi контролю внутрiшнiх границь роз-подiлу середовищ, дефектiв, що спричиняють б^ьш складнi механiзми теплообмшу i об'емну конф^ура-цiю температурного поля).
Аналиичний опис перехiдних процеав вiдбиття i поглинання акустичних хвиль i формування аку-стичного вiдгуку у твердому тШ i на його поверхш е досить складною задачею, яка описуеться системою
неоднорщних диференщальних р1внянь у частинних похщних. До того ж, аналиичне ршення завдання ускладнюеться нелшшним характером взаемодп аку-стичних 1 теплових хвиль у неоднорщному середовишд в умовах невизначеност1 граничних умов.
При використанш поля акустичних хвиль необхщ-но враховувати змшу спектра випромшювання хвиль, зменшення '1хньо'1 штенсивносп, розаювання 1 по-глинання в процес поширення в неоднорщному сере-довишд. Все це в остаточному тдсумку вщбиваеться на шформацшному пол!, що тдлягае детектуванню з метою вщновлення дшсно! картини розподшу неодно-рщностей.
7. Висновки
1. Вщзначаючи достатньо високий р1вень розвитку сучасних неруйшвних метод1в 1 засоб1в д1агностики матер1ал1в 1 конструкцш, узагальнюючи результати проведеного анал1зу, можна зробити таю висновки:
- шформатившсть неруйшвних метод1в 1 засоб1в д1агностики, що використовуються, обмежуеться через вим1рювання ¿снуючими засобами д1агностики лише деяких параметр1в ф1зичних пол1в, як зв'язаш недостатньо вивченими 1 не завжди монотонними та однозначними законом1рностями з власними полями матер1алу;
- незважаючи на потенцшно високу шформатившсть 1 р1зномаштшсть ультразвукових метод1в, як1 реал1зуються вщомими техшчними засобами, вони використовуються як непрям! методи контролю;
- теплов1зшш системи контролю ! д1агностики, 1Ч-радюметр1я являють собою високотехнолопчну та таку, що штенсивно розвиваеться, галузь прикладних дослщжень, яка базуеться на теорп теплопередач!, взаемодп випромшювання з речовиною, сучасних ш-формацшних ! комп'ютерних технолопях. Дистанцш-шсть, наочшсть, об'ектившсть, висока продуктившсть ! оператившсть теплов1зшного методу дозволяють розширити арсенал метод1в ! техшчних засоб1в неруй-швного контролю;
- об'ективно ¿снуюч! зв'язки параметр1в зовшш-нього впливу з реакщею на щ впливи характеристик матер1алу, результати дослщжень динам1чно! само-регулюючо! модел! об'екту контролю, що змшюе сво! параметри залежно ввд амплиудних ! частотних характеристик зовшшнього впливу, е основою подаль-шого розвитку комплексних теплов!зшних метод1в неруйшвного контролю, зокрема термоакустичного ! кореляцшного метод1в 1Ч-радюметрп.
2. При вир1шенш задач контролю ! д1агностики ефектившсть виявлення ! щентифжацп дефекпв тер-моакустичним методом кореляц!йно! 1Ч-радюметрп, у пор!внянш з шшими тепловими методами контролю, тдвищуеться за рахунок:
- використання енергп акустично! хвил1 для темпе-ратурно! модуляцп неоднорвдностей ! змши град1ента температури на границ! дефектно! зони, формування теплових хвиль, потоюв ! температурних пол1в як усередин! об'екту, що дослщжуеться, так ! на його зовшшнш поверхш;
- можливост! щлеспрямованого перюдичного на-гр1вання дефектних структур ! використання метод1в
кореляцiйноï обробки napaMeTpiB поверхневих температурних полiв до i пiсля впливу енергп акустично! хвилг,
- можливостi керування порiвняно невеликими за рiвнем потужност полями акустичних хвиль бшь-шими тепловими потоками потужностей системи в щлому;
- створенню акустичних каналiв пiдвищеноï тепло-провiдностi, що забезпечують перерозподiл iснуючих у системi теплових потоюв i формування теплових i температурних шформацшних полiв, що вщбивають мiсце розташування дефектних структур;
- використанню випромiнювальноï здатностi (в умовах збудження в об'ект^ що дослщжуеться, акустичних хвиль) як шформацшного параметру, який вiдображаe матерiальну структуру i окремi елементи системи, що дослщжуеться;
- можливостi подiлу внесюв в енергетичну яскра-вiсть шфрачервоного випромiнювання температури i коефiцieнта випромшювання;
- використанню шформацшного поля акустично! хвил^ трансформованого в шформацшне поле коефь цieнта випромiнювання, для реалiзацiï томографiчноï дефектоскопп та iдентифiкацiï неоднорщностей роз-мiрами в частки мШметра;
- використанню двоканально! кореляцiйноï 1Ч-ра-дiометрiï для фiльтрацiï хибних температурних аномалш.
Лиература
1. Н.И.Базалеев, Б.Б.Бандурян, В.Ф.Клепиков, В.В.Лит-
виненко. Тепловизионный мониторинг технического состояния компрессорного и энергетического оборудования как метод эффективного решения проблемы энергосбережения // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - 2006. - №1(3) - С.60-65.
2. МЛ.Базалеев, Б.Б.Бандурян, В.Ф.Клетков та ¡н./ Те-пловiзiйна дiагностика теплоенергетичного обладнання, приладiв та будiвель.// КИП и автоматика. - 2005. -№4.
- С.4-9.
3. МЛ.Базалеев, Б.Б.Бандурян, В.Ф.Клетков та ¡н. Мош-
торинг довюлля та технiчного стану обладнання АЕС // Труды И-та геохимии окружающей сред.-2005.-№14.
- С. 32-39.
4. Бут О.А., Бандурян Б.Б., бвтухов В.Я. Тепловiзiйнi обсте-
ження промислових шдприемств - важливий шструмент на шляху до рацiонального енергоспоживання // Нови-ни енергетики. - 2003. - №2. - С.39-41.
5. Гетьмана. Ф., Козин Ю.Н. Неруйнiвний контроль i безпека
експлуатаци судин i трубопроводiв тиску - М.: Энергоа-томиздат, 1997.- 288 с.
6. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. - М.: Мир. - 1988.
- 416 с.
7. Инфракрасная термография в энергетике. Т 1. Основы
инфракрасной термографии / Под ред. Р.К. Ньюпорта, А.И. Таджибаева, авт.: А.В. Афонин, Р.К. Ньюпорт, В.С. Поляков и др.. - СПб.: Изд. ПЭИПК, 2000. - 240 с.
8. Маслова В.А., Стороженко В.А. Термография в диагности-
ке и неразрушающем контроле. - Харьков: "Компания СМИТ", 2004. - 160с.
