專利名稱：一種壓力容器的熱圖無損檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及安全評估和無損檢測技術(shù)，特別提供了一種用于壓力容器的熱圖無損檢測方法。
壓力容器在工業(yè)領(lǐng)域及航天領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其工作的安全性、使用壽命和經(jīng)過一段時間使用后被損傷和出現(xiàn)缺陷的程度一直是人們所關(guān)注的主要問題，長期以來，一些常規(guī)的無損探傷和檢驗方法雖然能夠?qū)毫θ萜鬟M行探傷和檢測缺陷，但是這些方法一般是在非工作狀態(tài)下進行的靜態(tài)檢測，檢測到的結(jié)果也只能在有缺陷或有傷時候才能反映和說明問題，對于壓力容器在工作狀態(tài)下的實際應(yīng)力分布情況以及潛在的缺陷，這些方法就無能為力了。
本發(fā)明的目的在于提供一種壓力容器在工作狀態(tài)下的實際應(yīng)力分布情況以及潛在的缺陷的無損檢測方法。
本發(fā)明提供了一種壓力容器的熱圖無損檢測方法，其特征在于檢測步驟如下(1)在壓力容器表面涂以紅外涂料，要求紅外涂料的表面比發(fā)射率ε值大于0.9；(2)將涂過紅外涂料的壓力容器置于由熱屏蔽板構(gòu)成的背景前，熱屏蔽板為表面粗糙對紅外線產(chǎn)生漫散射的材料；(3)在壓力容器的工作壓力范圍內(nèi)，對壓力容器進行打壓，升壓速度大于1MPa/sec，同時用紅外熱像儀獲取初始、過程中及終結(jié)狀態(tài)的壓力容器熱圖，通過對系列熱圖的對比找出熱圖中紅外冷發(fā)射(IRCE)最明顯的地方，即對應(yīng)于應(yīng)力最大位置；(4)對壓力容器卸壓，同樣取得初始、過程中及終結(jié)狀態(tài)的熱圖，通過對系列熱圖的對比，找出熱圖中紅外熱發(fā)射(IRHE)最明顯的地方，即對應(yīng)于應(yīng)力最集中的位置。
固體材料在受力載荷的狀態(tài)下，根據(jù)熱彈性效應(yīng)，其本身的溫度將要發(fā)生變化，這種溫度場的變化與材料本身的應(yīng)力與應(yīng)變有關(guān)。特別地，在彈性范圍及絕熱條件下，物體的溫度變化與其應(yīng)力的關(guān)系如(1)式所示σ＝-KΔT/To(1)式中，ΔT是物體溫度的增量，To是物體在不受力時的溫度，K為常數(shù)，是由物體的熱性能和彈性性能決定的，σ是物體的應(yīng)力。按照此表達式，可以得出彈性拉伸載荷引起降溫，而彈性壓縮載荷則引起溫度升高。在金屬中也存在此種效應(yīng)，雖然在溫度變化上很小。本發(fā)明將此種效應(yīng)分別定名為紅外冷發(fā)射(IRCE)相對應(yīng)于彈性拉伸載荷和紅外熱發(fā)射(ICHE)相對應(yīng)于彈性壓縮載荷。同樣作為金屬構(gòu)件的壓力容器，在彈性應(yīng)力條件及絕熱情況下，也存在有紅外冷發(fā)身(IRCE)和紅外熱發(fā)射(IRHE)。IRCE和IRHE的強弱以及其熱圖型貌是與壓力容器的應(yīng)力集中區(qū)和缺陷區(qū)有關(guān)的，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案正是基于這一點完成的。通常情況下，工況使用的壓力容器表面紅外發(fā)射特性極不均勻，有的表面比發(fā)射率ε極低(＜0.2)，故不可能獲得任何真實的紅外發(fā)射信息。采用提高壓力容器表面比發(fā)射率ε值的紅外涂料，(要求ε＞0.9)它使工況下的壓力容器表面ε值趨于一致，而且對壓力容器表面不產(chǎn)生任何腐蝕等影響，這一類紅外涂料可以為油漆，粘土，炭黑等。為防止周圍環(huán)境及壓力容器自身紅外輻射對檢測的影響，采用表面粗糙對紅外線漫散射的材料和結(jié)構(gòu)的熱屏蔽板是測試成功之關(guān)鍵，熱屏蔽板的材料可以為具粗糙表面的各種塑料，紙張，木制板材等。
本發(fā)明熱圖無損檢測方法對壓力容器在工作狀態(tài)的應(yīng)力分布情況進行檢測有著以下幾個優(yōu)點1.可以真實地反映出壓力容器在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布狀態(tài)，壓力容器上的應(yīng)力最大處和應(yīng)力集中區(qū)通過分析便可直觀地得到。
2.如果容器存在某種缺陷和損傷以及腐蝕等，通過這種方法的檢測都能夠予以診斷出來，特別在某些缺陷還在萌發(fā)期時該方法就能早期預測出來。這是其它檢測手段所做不到的。
3.完全的非接觸，無損害的檢測，也無需對被測體施行射線照射，操作簡便，效率高，可對被測物進行長期的監(jiān)測比較，乃至建立數(shù)據(jù)庫檔案。
4.可開發(fā)成便攜式檢測系統(tǒng)，隨時對現(xiàn)場使用的壓力容器進行檢測，并且比較安全。下面通過實施例詳述本發(fā)明。
附

圖1 20升鋼球?qū)嵨镎掌?；附圖2 20升鋼球在壓力為10MPa時的熱圖，其中暗蘭色區(qū)域顯示IRCE較大；附圖3 20升鋼球加壓20MPa時的熱圖；附圖4 20升鋼球隨應(yīng)力增加而變化的熱圖；附圖5 20升鋼球卸壓后1秒的熱圖；附圖6 20升鋼球卸壓后4秒的熱圖；附圖7 0.6升鋼瓶打爆試驗初始壓力為5MPa熱圖；附圖8 0.6升鋼瓶壓力為10MPa熱圖；附圖9 0.6升鋼瓶壓增至30MPa熱附圖10 0.6升鋼瓶壓力加至80MPa熱圖；附圖11 0.6升鋼瓶在打爆過程中熱圖的變化；附圖12 2號0.6升鋼瓶打爆試驗熱圖壓力為0MPa；附圖13 2號0.6升鋼瓶在壓力為30MPa時的熱圖；附圖14 2號0.6升鋼瓶在壓力升至80MPa時的熱圖；附圖15 2號0.6升鋼瓶壓力85MPa熱圖。
實施例測試步驟如下1.對所要測試的壓力容器的幾何形狀，尺寸和規(guī)格進行了解和實測，為將來定標作好準備2.用高比發(fā)射率的黑色快干漆均勻噴涂在樣品的表面，以保證樣品的表面發(fā)射率均勻一致3.采用表面粗糙的原木膠合板(具有紅外漫反射性能)將壓力容器與周圍熱輻射環(huán)境隔離4.將紅外熱緣儀探頭置于合適的位置，連接好紅外熱象儀的各項部件，如監(jiān)視器和磁帶記錄儀等。接上電源，開機初調(diào)。
5.開機后，觀察監(jiān)視器上的顯示屏中的被測物的紅外影象，調(diào)整探頭方位，對準被測物后記下一幅在壓力容器不受壓時的原始象。
6.開始給壓力容器加壓，同時開啟磁帶記錄裝置以每4秒一幅象的速度進行熱圖捕捉與記錄，每記一幅象時應(yīng)同時記下對應(yīng)的壓力值；7.待壓力增至一定水平后(需根據(jù)具體情況而定)，可延長記錄的時間間隔。
8.在卸壓時，開始以2秒一幅象的速度記錄熱象直至壓力減為0。
9.將探頭換一個方位以測量樣品的其它觀察面，然后重復步驟3至步驟8。
10.將升壓時記錄下來的熱圖輸入計算機中進行圖象處理，定分析溫度分布的變化和壓力值，隨著壓力的增加，樣品的溫度會有所下降，壓力越大，溫度下降越明顯，這種現(xiàn)象被稱為紅外冷發(fā)射(IRCE)，在熱圖中找出IRCE最明顯的地方，這個地方就對應(yīng)于應(yīng)力最大的位置，計算該處的ΔT/T0值，然后將該值代入(1)式就得出在某個壓力下的最大應(yīng)力值。其它點的應(yīng)力值也可由這種方法求出。于是，就可了解整個容器的應(yīng)力分布狀態(tài)。
11.將卸壓后的壓力容器的熱圖逐一輸入到計算機中進行圖象處理。卸壓時，壓力不斷減少，容器的溫度將上升，這種現(xiàn)象稱作紅外熱發(fā)射(IRHE)，通過觀測IRHE可以找出應(yīng)力集中的位置，也使得應(yīng)力分布梯度變得更明顯。
以上方法為壓力容器熱圖無損檢測方法的基本步驟和規(guī)程，下面舉一些實例來說明這個方法的使用。
首先說明分析IRCE的方法，圖1是20升鋼球?qū)崪y時的場景圖，鋼球的材料是37SiMnCrNiMoV鋼。圖2為打壓考核過程中壓力為10MPa時的一張熱圖。根據(jù)IRCE，其上溫度較低的暗藍色區(qū)域為應(yīng)力最大的區(qū)域。隨著壓力的增加，這個冷區(qū)域?qū)㈦S著擴大。圖3為該球在壓力為20MPa時的熱圖。圖4顯示了壓力從低到高的一系列熱圖變化，從該圖可以看出IRCE變化的趨勢以及IRCE的中心位置，在熱象處理中可以獲得每一點的溫度值，該溫度值的變化將作為未來定量分析的數(shù)據(jù)可以通過公式(1)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值。其次，關(guān)于IRHE的分析可見圖5，圖6，圖5為容器開始卸壓時的熱圖，圖6是卸壓后4秒的熱圖。從這兩張圖上可以看出在球的焊縫附近區(qū)域的溫度變化較為明顯，即IRHE較明顯，說明這個區(qū)域是一個應(yīng)力集中區(qū)域。接下來再舉一些在破壞性打壓考核試驗中通過熱圖檢測壓力容器爆破位置的實例。圖7至圖11是0.6升鋼瓶(材料為D6AC鋼)打爆試驗中獲取的幾個熱圖。圖7為5MPa時的熱圖，圖中小箭頭所指位置是將來要爆破的位置，它是該氣瓶的最大應(yīng)力集中區(qū)域，圖8是壓力為10MPa時的熱圖，這張圖反映出的前頭所指的位置出現(xiàn)微小的IRCE，但還不十分明顯，待到壓力增至30MPa時該區(qū)域的IRCE便很明顯了。圖9是壓力為30MPa時的熱圖，當壓力容器出現(xiàn)塑性及屈服以后，該區(qū)域出現(xiàn)IRHE且十分突出與明顯，見圖10所示的異常區(qū)正是即將爆破的位置，圖11展示了0.6升鋼瓶打爆過程熱圖的一系列變化。圖12至圖15是另一只0.6升的鋼瓶在打爆試驗中的熱圖，從這些圖中也可看出IRCE和IRHE的變化，實際的爆破位置正是箭頭所指的地方。
權(quán)利要求
1.一種壓力容器的熱圖無損檢測方法，其特征在于檢測步驟如下(1)在壓力容器表面涂以紅外涂料，要求紅外涂料的表面比發(fā)射率ε值大于0.9；(2)將涂過紅外涂料的壓力容器置于由熱屏蔽板構(gòu)成的背景前，熱屏蔽板為表面粗糙對紅外線產(chǎn)生漫散射的材料；(3)在壓力容器的工作壓力范圍內(nèi)，對壓力容器進行打壓，升壓速度大于1MPa/sec，同時用紅外熱像儀獲取初始、過程中及終結(jié)狀態(tài)的壓力容器熱圖，通過對系列熱圖的對比找出熱圖中紅外冷發(fā)射(IRCE)最明顯的地方，即對應(yīng)于應(yīng)力最大位置；(4)對壓力容器卸壓，同樣取得初始、過程中及終結(jié)狀態(tài)的熱圖，通過對系列熱圖的對比，找出熱圖中紅外熱發(fā)射(IRHE)最明顯的地方，即對應(yīng)于應(yīng)力最集中的位置。
全文摘要
一種壓力容器的熱圖無損檢測方法,其特征在于在壓力容器表面涂以ε值大于0.9紅外涂料;將容器置于由熱屏蔽板構(gòu)成的背景前;對壓力容器進行打壓,升壓速度大于1MPa/sec,同時用紅外熱像儀獲取壓力容器熱圖,通過對系列熱圖的對比找出熱圖中紅外冷發(fā)射最明顯的地方,即對應(yīng)于應(yīng)力最大位置;對壓力容器卸壓,同樣取得熱圖,通過對系列熱圖的對比,找出熱圖中紅外熱發(fā)射最明顯的地方,即對應(yīng)于應(yīng)力最集中的位置。本發(fā)明提供了一種壓力容器在工作狀態(tài)下的實際應(yīng)力分布情況以及潛在的缺陷的無損檢測方法。
文檔編號G01N25/20GK1191969SQ9710124
公開日1998年9月2日 申請日期1997年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月25日
發(fā)明者黃毅, 許聰, 徐軍, 李偉 申請人:中國科學院金屬研究所