CC BY
24УДК 624.21.04
Л. Ю. Соловьев, А. Л. Соловьев
Новые технологии в обследовании мостов
Поступила 18.05.2020
Рецензирование 03.06.2020 Принята к печати 07.07.2020
Работа посвящена опыту применения инфракрасной термографии при обследованиях мостов. Рассмотрены физические основы метода ИК-термографии, показаны результаты лабораторных и натурных экспериментов и обозначены направления методических разработок для применения теплового метода. В ходе лабораторных исследований рассматривался консольный листовой образец, усиленный ребрами жесткости, под циклической нагрузкой. Конфигурация образца и режим нагружения соответствовали реальным условиям работы мостовых балок. В результате лабораторных экспериментов были показаны процесс саморазогрева металла в зонах вершин усталостных трещин, а также общий процесс изменения температур по всему полю образца. После лабораторных исследований были выполнены измерения температурных полей на одной из дефектных балок железнодорожного пролетного строения под проходящей нагрузкой. Для обработки термограмм были применены методы компенсации движения объекта (алгоритм кросс-корреляции), уменьшения шумов за счет автокорреляции ИК-изображений - синхронизации временных термограмм с выбранной (эталонной) точкой на сооружении, для которой заранее известно отсутствие в ней повреждений. Для выделения участков с трещиной применялись два способа. В первом случае участок сканирования разделялся на подобласти, в которых наиболее нагруженные точки (пиксели) выявлялись с помощью суммы разности температур в моменты времени к + 1 и к. Во втором случае использовался метод самореферентной синхронной термографии (self-reference lock-in thermography). Он состоит в вычислении разницы температур между некоторой эталонной точкой и остальными точками термограммы методом наименьших квадратов. Опорный сигнал берется из некоторой области, которая заведомо не содержит дефектов. Там, где такая разница дает наибольшие значения, пиксели на рисунке подсвечиваются.
Описанные методики могут эффективно применяться как при лабораторных испытаниях, так и при измерениях в поле.
Ключевые слова: термоупругость; термография; усталостные трещины, метод неразру-шающего контроля.
Работы, связанные с задачами обследования пролетных строений мостов и оценкой их технического состояния, являются трудоемкими и зависят от квалификации исполнителей. Применение средств инструментального неразрушающего контроля (ультразвуковые методы, акустическая эмиссия, метод электромагнитного сканирования [1, 2] и др.) позволяют повысить объективность информации о состоянии элементов конструкций, дать количественную оценку степени развития дефектов. Последнее обстоятельство позволяет не только определять условия пропуска нагрузок (т. е. режим эксплуатации), но и быть основой для прогнозирования остаточного ресурса отдельных элементов или всего сооружения в целом. Однако перечисленные методы нераз-рушающего контроля могут эффективно применяться только при периодическом контроле и специальных обследованиях как дополнительные средства. Постоянный мониторинг с помощью этих методов невозможен или нецелесообразен.
Методы, основанные на контроле напряженно-деформированного состояния (тензометрия, вибродиагностика), могут использоваться как при периодических (экспресс-диагностика) и специальных обследованиях, так и для организации постоянных наблюдений [3, 4]. Однако такие методы, как правило, дают информацию только об общем состоянии отдельных элементов или всего пролетного строения, поскольку реагируют на серьезные изменения в работе конструкций (например, обрывы листов в сечениях, потери предварительного напряжения, заклинка опорных частей и т. д.). Однако получить с их помощью данные об относительно небольших повреждениях (таких как усталостные трещины, в том числе только зарождающиеся) затруднительно. И хотя в основном усталостные трещины влияют на долговечность сооружения при определенных обстоятельствах (например, при низких температурах), они могут дать толчок развитию хрупких трещин (рис. 1), что уже напрямую влияет на безопасность движения поездов.
Интенсивно развивающийся в последнее время метод инфракрасной термографии является весьма перспективным методом неразру-шающего контроля. Он основывается на том физическом факте, что всякое механическое деформирование сопровождается изменением температуры тела. Наличие повреждений в виде усталостных микро- и макротрещин приводит к концентрации напряжений, а значит к повышенному рассеиванию тепла [5]. Анализируя изменение температурного поля на большой области конструкции, можно выявить точки с тепловой аномалией и тем самым установить факт наличия или (при сравнительном анализе) степень развития трещин. Применение метода инфракрасной термографии не требует контакта с конструкцией, что позволяет снизить трудоемкость обследования и автоматизировать его. Использоваться такой метод может как при периодических осмотрах, так и при организации постоянного мониторинга.
Рис. 1. Усталостная трещина типа Т-13 в балке проезжей части, первоначально возникшая в зоне прикрепления плиты БМП и развившаяся в опасные хрупкие трещины при низких температурах окружающего воздуха
Долгое время этот метод не выходил за пределы лабораторий, поскольку отсутствовали в первую очередь доступные высокочувствительные инфракрасные детекторы - ведь изменение температуры при упругом деформировании весьма мало и составляет сотые доли градуса. Соответственно, отсутствовали практические методики проведения подобных измерений в полевых условиях. В настоящее время ситуация с ИК-детекторами меняется в лучшую сторону и поэтому можно говорить о
существовании реальной перспективы применения такой технологии на практике.
Физические основы метода инфракрасной термографии:
- всякое тело с температурой, отличной от абсолютного нуля, имеет тепловое излучение;
- механическое деформирование любого материала сопровождается рассеиванием энергии из-за эффекта внутреннего трения (демпфирования).
Инфракрасная термографическая техника в основном связана с различиями в температуре (или тепловых градиентах), которые существуют в материале, а не с абсолютным значением температуры. Изменение температуры, наблюдаемое при механическом нагру-жении, можно объяснить рядом факторов.
1. Термоупругость. В пределах упругого диапазона при воздействии растягивающих или сжимающих напряжений материал испытывает обратимое преобразование от действия механической и тепловой энергии, вызывающее изменение температуры [6]:
(У
АТ = --— Т Да, (1)
РСр
где а - коэффициент теплового расширения; р - плотность массы, кг/см3; Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении; Т — абсолютная температура, К; Да - изменение главных напряжений, МПа.
При условии сохранения адиабатических условий связь между изменением суммы главных напряжений и соответствующим изменением температуры является линейной и не зависит от частоты нагружения. Это обратимая часть генерируемой механической энергии.
Термоупругий эффект при циклическом деформировании имеет обратимый характер -изменение температуры немедленно следует за изменением нагрузки.
2. Термопластичность. Термопластический эффект отражает диссипацию энергии, вызванную вязкостью и/или пластичностью. Поскольку внутренняя диссипация энергии связана с возникновением и накоплением повреждений в материале, то она является наиболее точным показателем степени разрушения. Работа, выполненная в системе с помощью пластической деформации, определяется как основной вклад в тепловой эффект. Гене-
рация тепла за счет термопластичности может только возрастать.
3. Теплопередача. Эффекты теплопередачи включают теплопроводность, излучение и конвекцию, в которых тепло проходит через материал, чтобы температура была однородной в образце. Теплопроводность K может иногда использоваться для обнаружения анизотропии сильно нагруженных материалов. Отклонения в теплопроводности могут возникать из-за локальных неоднородностей или дефектов в материале. Там, где существует нестационарное состояние, тепловое поведение определяется не только теплопроводностью, но и теплоемкостью. Соотношение этих двух свойств называется температуропроводностью (а = K/C), которая становится управляющим параметром в таком состоянии. Высокое значение температуропроводности означает возможность быстрого и значительного изменения температуры.
При обычном испытании на усталость эффект теплопроводности в металле будет доминирующим, в то время как тепловым излучением и эффектами конвекции часто можно пренебречь.
Безусловно, в общем балансе энергии присутствует компонент, связанный с существованием внешних источников или поглотителей тепла в поле сканирования (например, условия внешней среды - солнце, ветер, влажность). Однако если при проведении диагностики использовать короткие записи (например, только за время прохождения поезда), то можно считать, что такие источники влияния на изменения температурного поля не оказывают.
Описанные эффекты хорошо иллюстрируются экспериментами, проведенными в СибНИИ мостов на консольном образце, представляющем собой пластину, усиленную ребрами жесткости (рис. 2). Этот образец полностью имитирует работу участка стенки балки железнодорожного пролетного строения, для которого характерно большинство фиксируемых усталостных трещин (типа Т-9 и Т-10 по классификации РЖД, рис. 3 [7]). Для повышения излучательной способности поверхность образца покрывалась матовым графитовым спреем Graphit 33. Попутно такое покрытие визуально маскировало усталостную трещину и повышало объективность исследования.
Изменение теплового поля образца в ходе нагружения показано на рис. 4.
Рис. 2. Экспериментальный образец и область исследования
Рис. 3. Типы усталостных трещин, наиболее часто встречающиеся на железнодорожных пролетных строениях
В течение эксперимента было рассмотрено несколько этапов, связанных с оценкой влияния перечисленных эффектов (рис. 5).
1-й этап - образец был нагрет в ненагру-женном состоянии и некоторое время остывал. Тем самым была определена величина
Рис. 4. Термограммы в ходе нагружения
Рис. 5. График изменения температур в контрольных точках
конвекции тепла. Теплопроводность в данном случае играла меньшую роль, поскольку вся поверхность была разогрета более-менее однородно и обмен тепла между участками образца был незначительным.
2-й этап - начальная стадия нагружения (запуск двигателя нагрузочного устройства и выход его на заданную частоту нагружения).
3-й этап - переход колеблющейся системы в режим резонанса.
Для сравнения результатов были рассмотрены четыре контрольные точки: точка А -ближе к заделке консоли; точка Б - в области вершины усталостной трещины; точка В -ближе к концу консоли; точка Г - в створе конца ребра жесткости. С помощью термо-
граммы точки Г показан режим нагружения и возникновения резонанса, поскольку в силу оптического эффекта данные для этой точки попеременно снимались с вершины и с основания ребра жесткости. В силу последнего обстоятельства такую точку можно считать условной.
Представленные на рис. 5 графики изменения температуры в контрольных точках показали следующее. На этапе 1 вся поверхность образца остывала равномерно, о чем свидетельствует одинаковый наклон линий изменения температуры.
На этапе 2 область в вершине трещины начала немедленно разогреваться при начале нагружения, о чем свидетельствует изменение
угла наклона температурной кривой и дальнейший резкий скачок температуры на коротком временном интервале. В остальных точках заметные изменения проявились позже и оказались гораздо более плавными. Такое изменение температурного поля указывает на то, что материал в точках А и В не содержит повреждений и работает в пределах упругого деформирования. Конечно, при упругом деформировании изменение температуры поверхности должно быть обратимым, т. е. средняя температура должна оставаться неизменной. Полученный рост средней температуры в данном случае характерен для всех испытаний подобного рода - в начале нагружения возникает эффект нагрева даже при упругом деформировании за счет того, что теплопроводность и конвекция не успевают отводить тепло от рассматриваемой точки. В дальнейшем процессы генерации тепла и его отвода уравновешиваются (рис. 6), и это является основным периодом наблюдений. В нашем случае образец не доводился до равновесного состояния, поскольку цель была достигнута раньше -вершина трещины была выявлена.
На этапе 3 образец перешел в режим резонанса, о чем свидетельствует возрастающий размах температур в условной точке Г.
В полевых условиях требуется выполнять дополнительную обработку исходных термограмм. Такая обработка в целом включает в себя процедуры удаления шумов, выравнивания изображений (компенсация движения), выделения участков с наибольшим приростом температуры.
На рис. 6 показан один кадр термограмм балки пролетного строения в момент измерений. Цвета термограммы приняты интуитивно понятными - от более теплых (красный) до холодных (синий). Ожидаемо синим цветом отображен участок неба, попавший в объектив камеры.
Для компенсации движения был применен алгоритм кросс-корреляции, адаптированный под условия измерений. На первоначальном кадре ^0 выбирается некоторая область Т с обладающая какими-либо отличительными особенностями (в данном случае - резкими температурными градиентами, которые имеют место на ребрах). Далее для каждого кадра вычисляется нормализованная взаимная корреляция между текущим кадром ^ и областью Т:
СТс-СТ
-Ркт ^ )(Ткт -ИТ ) ,
(2)
FиГ к,
Рис. 6. Исходная термограмма балки пролетного строения с расстояния 7 м
а)
б)
в)
Рис. 7. Результаты обработки термограмм: а - после компенсации движения балки под нагрузкой; б - после оконного преобразования;
в - зона наибольших значений
где о - среднеквадратическое отклонение соответствующей области; ц - среднее значение соответствующей области.
Для выделения участков с трещиной, где происходит наибольший прирост температуры, применялись два способа.
Первый подразумевал разделение участков сканирования на подобласти и выявление наиболее нагруженных точек с помощью вычисления суммы изменения температуры в каждом пикселе по формуле [8]
1ху 2 =\У 2 ( X, У, ( ) Л =
N-1
(3)
Z( f (х' y, {к+1 )- f (x y, h ))
k=0
где / (х, у, +1) и / (х, у, ^) - значения температуры в пикселе в момент времени к + 1 и к соответственно.
Результаты обработки показаны на рис. 7, а, б. Второй способ предложен в [9, 10] и назван методом самореферентной синхронной
тер-мографии (self-reference lock-in thermography). Он состоит в вычислении разницы температур между некоторой опорной точкой и остальными точками термограммы методом наименьших квадратов. Опорный сигнал берется из некоторой области, которая заведомо не содержит дефектов. Используя последовательные инфракрасные снимки (термограммы), методом наименьших квадратов получают распределение изменения интенсив-ностей температуры относительно опорной области. Зона, где распределение дает наибольшие значения, выделена на рисунке. На рис. 7, в показан результат такой обработки. Очевидно, что в обоих случаях трещина выявляется достаточно точно.
Таким образом, авторами рассмотрены области эффективного применения инфракрасной термографии при обследованиях мостов. Описанные методики могут эффективно применяться как при лабораторных испытаниях, так и при измерениях в поле.
Библиографический список
1. Магнитная дефектоскопия арматуры и оценка несущей способности мостовых железобетонных балок / А. Н. Воронцов, К. В. Мякушев, А. С. Мироненко, И. И. Шпаков // Дороги. Инновации в строительстве. 2015. № 44. С. 36-39.
2. Сухорукое В. В., Воронцов А. Н., Жирнов А. В. Оценка износа вантовых канатов // Дороги. Инновации в строительстве. 2013. № 27. С. 102-106.
3. Яшнов А. Н., Кузьменков П. Ю. Проектирование систем мониторинга технического состояния внеклассных железнодорожных мостов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2016. Т. 1. С. 470-474.
4. Яшнов А. Н. Организация мониторинга напряженно-деформированного состояния мостов на высокоскоростных магистралях // Инновационный транспорт - 2016: специализация железных дорог : материалы Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 60-летию основания Урал. гос. ун-та путей сообщения / отв. за вып. С. В. Бушуев. Екатеринбург, 2017. С. 400-410.
5. Глушков С. П., Соловьев Л. Ю., Соловьев А. Л. Экспериментальная оценка долговечности сварных металлических пролетных строений мостов методом инфракрасной термографии // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2018. № 2 (45). C. 63-71.
6. Thompson W. (LordKelvin). Trans. Roy. Soc. Edinburgh, 1853. Vol. 20. P. 261.
t
7. Solovyev L., Solovyev A. Method for Detecting Fatigue Damage to Bridges by Analyzing Dissipative Processes in Metals Under Periodic Loading // VIII International Scientific Siberian Transport Forum. TransSiberia
2019. Advances in Intelligent Systems and Computing / eds. by Z. Popovic, A. Manakov, V. Breskich. Springer,
2020. Book 1116, vol. 2. P. 219-227.
8. Указания по осмотру и усилению эксплуатируемых сварных пролетных строений. М. : МПС СССР, 1990. 19 с.
9. Sakagami T. Nondestructive Evaluation of Fatigue Cracks in Steel Bridges Based on Thermoelastic Stress Measurement // Procedia Structural Integrity 2. Catania, Italy, 2016. P. 2132-2139.
10. Izumi Y, Sakagami T., Kubo S. Accuracy improvement of self-reference lock-in thermography method and its application to detection of fatigue cracks in steel bridges // Proceedings of SPIE. 2010. Vol. 7661.
L. Yu. Solovyev, А. L. Solovyev
New Technologies in Bridge Inspection
Abstract. The issue is devoted to the experience of using infrared thermography in surveys of bridges. The physical foundations of the method of IR thermography are considered, the results of laboratory and field experiments are shown, and the directions of methodological developments for applying the thermal method are indicated. In the course of laboratory research, a cantilever sheet sample reinforced with stiffeners was examined under cyclic loading. The configuration of the sample and the loading mode corresponded to the actual operating conditions of the bridge beams. As a result of laboratory experiments, the process of self-heating of the metal in the zones of the vertices of the fatigue cracks was shown, as well as the general process of temperature change throughout the field of the sample. After laboratory studies, temperature fields were measured on one of the defective beams of a railway span under a passing load. To process the thermograms, methods were used to compensate for the movement of the object (cross-correlation algorithm), to reduce noise due to the use of autocorrelation of IR images - synchronization of temporary thermograms with a selected (reference) point on the structure, for which there is no known damage in advance. Two methods were used to identify the areas with a crack. In the first case, the scanning section was divided into sub regions, of which the most loaded points (pixels) were detected using the sum of the temperature difference at time instants k + 1 and k. In the second case, the self-reference lock-in thermography method of IR images was used. It consists in calculating the temperature difference between a reference point and the other points of the thermogram using the least squares method. The reference signal is taken from a certain region, which obviously does not contain defects. Where such a difference gives the highest values, the pixels in the picture are highlighted.
The described techniques can be effectively used both in laboratory and in field experiments.
Key words: thermo elasticity; thermography; fatigue cracks; non-destructive testing method.
Соловьев Леонид Юрьевич - доцент кафедры «Мосты» СГУПС, заведующий отделом автоматизированных систем управления и проектирования СибНИИ мостов. E-mail: lys111@yandex.ru
Соловьев Александр Леонидович - инженер СибНИИ мостов СГУПС. E-mail: deffill@mail.ru
