Тепловой контроль авиационных конструкций
научно-производственный центр антитеррористической и криминалистической техники
+7(495) 259-40-10
market@spektr-at.ru

А.В. Ковалёв, Д.Т.Н., ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр»

В.И. Матвеев, к.т.н., ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр»

В.В. Кошкин, С.А. Хижняк, ОАО «ОКБ Сухого»

В настоящее время практически все методы неразрушающего контроля (НК) используются при оценке качества и диагностике авиационных деталей и конструкций. Среди них значительное внимание уделяют развитию теплово­го метода.

Тепловой неразрушающий контроль (ТНК) явля­ется одним из распространенных методов, нашедшим широкое применение в различных отраслях промыш­ленности, в частности, при контроле строительных ма­териалов и конструкций, изделий электроэнергетики, в нефтегазовой и атомной промышленности и т.п. Тепловизионные технические средства также оперативно решают ряд задач антитеррора. В последнее время ТНК получил признание и развивается применительно к решению задач оперативного контроля авиационных материалов, деталей и конструкций [1-3].

Главный параметр ТНК - температура, являюща­яся количественной мерой внутренней энергии тел, в которых непрерывно происходит её генерация, пре­образование, передача и излучение. Анализ тепловых процессов (температурных полей, потерь тепла и т. п.) позволяет получить разнообразную информацию о протекании физических явлений, состоянии объектов и их качестве [4, 5]. Тепловой диапазон располагается в более широкой инфракрасной (ИК) области элект­ромагнитного спектра. При анализе технологических процессов и техническом обслуживании систем и ус­тановок ИК - диагностику уже в течение длительного времени рассматривают как сложившийся практичес­кий метод.

Основными техническими средствами регистра­ции и измерения температуры являются контактные - термопары и термометры, и бесконтактные - пирометры и тепловизоры. В пирометрах и неохлаждаемых тепловизорах в качестве чувствительных элементов используются  преимущественно   пироэлектрические и микроболометрические приемники [6]. В настоящее время   температурная   чувствительность   указанных приемников (минимальная разрешаемая разность температур) составляет порядка 0,1°С, а точность изменения температуры - не выше ±1°С.

Сформировались   два   основных   направления применения ТНК - в пассивном и активном режимах. В пассивном регистрируется собственное тепловое излучение поверхности (или участка) исследуемого объекта, обеспечивающее необходимый для его визуализации тепловой контраст. В активном режиме (особенно при слабом и равномерном излучении объектов) для повышения теплового контраста дополнительно используются источники подогрева исследуемых участков объектов диагностики. При контроле авиационных деталей и конструкций более эффективно используется активный метод.

Тепловую стимуляцию объекта контроля можно производить нагревом или охлаждением, что с теплофизической  точки  зрения  является  равноценным при одинаковой мощности теплового потока. Однако, учитывая фактор технологичности, практически всегда используют нагрев с помощью тепловых полей. В качестве источников нагрева применяют оптические устройства,   индукционные  и  резистивные  нагреватели, воздушные «пушки», СВЧ источники и др. Аукционные и резистивные нагреватели применяют преимущественно для токопроводящих объектов. СВЧ источники применяют в основном при контроле увлажненных материалов, поглощающих СВЧ энергию. Оптические нагреватели и устройства, создающие тепловой поток, являются универсальными, среди которых наибольшее применение получили устройства на основе галогенных ламп. В последнем случае могут использоваться два режима нагрева - непрерывный и пульсирующий (с регулируемым интервалом). Пульсирующий вариант в некоторых случаях обеспечивает максимальный температурный контраст в определенном интервале.

Наиболее распространенная схема ТНК показана на рис. 1

Источник  нагрева может быть расположен с другой стороны объекта контроля (теневой метод), однако данный способ применяется реже.

Анализ ряда зарубежных и отечественных работ по данному направлению показывает преимущественное использование   приведенной   схемы   контроля. В частности, известная фирма TWI (Thermal Wave Imaging, США) разработала системы «Echo Therm» и «Thermo Scope», в которых применяются  импульсные и кварцевые  галогенные  лампы  с   использованием принципа синтетической обработки термографических сигналов - Synthetic Thermal Signal Processing (STSP).

В последней модификации дополнительно применена интегрированная система нагрева, сбора данных и анализа. Сущность технологии TWI состоит в сочетании последовательного импульсного нагрева участков объекта контроля, записи массива ИК- термограмм с помощью измерительного тепловизора (термографа) достаточно большого формата и высокой чувствительности, полиномиальной аппроксимации экспериментальных данных и составлении карт харак­терных времен теплопередачи. Программный продукт MO-SAIQ позволяет синтезировать крупномасштабные изображения больших (фюзеляжных и т. п.) поверхнос­тей контроля из набора последовательно обрабатывае­мых термограмм.

В качестве основных дефектов специалистами фирмы исследуются следующие технологические и эксплуатационные нарушения в структуре и конструк­циях композиционных материалов:

  • возникновение коррозии под краской и между слоями;
  • расслоения и непроклеи;
  • ослабление сцепления между слоями;
  • наличие воды или масла в сотах;
  • пористость;
  • ударные повреждения (например, смятие сот);
  • изменение толщины слоев и др.

Большие и приповерхностные дефекты определяются с помощью простых систем (конвекционным нагревом и тепловизионной камерой) без сложных компьютерных программ. Однако более качественная и количествен­ная оценка неоднородных дефектов сложной формы с разными глубинами их залегания осуществляется с применением импульсной термографии и дополни­тельным использованием специальных программно - вычислительных средств. Вариант подобной мобиль­ной системы показан на рис. 2.

 

Одним из важных параметров при выборе ме­тодики тепловых измерений является тепловой конт­раст. Это понятие связано с возможностью различать две зоны объекта (в черно - белых полутонах или «псевдоцвете»), характеризующиеся различными тем­пературами или коэффициентами излучения, и опре­деляет дифференциальную чувствительность, то-есть радиометрическую разрешающую способность.

Различают абсолютный и относительный тепло­вой контраст. Абсолютный контраст определяется как Са (t) = ТД(t) - To(t), где ТД(t) - температура над дефектной областью, а To(t) - над бездефектной областью. Но чаще пользуются величиной относительного контраста, рав­ного Coтн.(t) = [ТД(t)-ТО(t)/ ТО(t). Оперируя этой вели­чиной, сотрудники French National Aerospace Research Establishment [2, p. 411 - 439] провели большой цикл исследований по влиянию параметров материалов и дефектов на величину относительного теплового конт­раста. На рис. 3 в качестве примера приведены кривые изменения величины Cотн(t) от глубины залегания рас­слоения при разной теплопроводности материалов.

Анализ графика показывает разную степень вы­являемоести дефекта в зависимости от глубины его залегания и что в некоторых случаях (например, при больших толщинах объектов) возникнет необходи­мость последовательного НК с обеих сторон. Для со­хранения реального теплового контраста необходимо поддержание постоянной температуры окружающего воздуха, так как изменение «опорной» температуры может уменьшить величину Cотн(t).

Фирма Nordam Repair Division (США) разработала концепцию выбора оптимального метода НК при де­фектоскопии, а также проверке и документировании результатов профилактических и ремонтных работ при диагностике самолетных панелей (выявлении скопле­ний воды, расслоений, коррозии и др.). Для этих целей эффективно используется разработанная фирмой TWI. компьютерная система ТК, адаптированная специаль­но для контроля следующих авиационных изделий:

  • углеродных, стеклопластиковых   и   кевларовых панелей;
  • композиционных и металлических сотовых панелей;
  • экранов, соединенных с композиционными акус­тическими обшивками и др.

Тепловой метод обнаружения воды в авиационных сото­вых панелях и других конструкциях с воздушными по­лостями принят в качестве штатного крупнейшим европейским концерном Airbus Industry и американской фир­мой Boeing Commercial Aircraft, при этом для этих целей в США дополнительно разработаны соответствующие нормативные документы [1].

Среди  отечественных  разработок  представляет интерес тепловизионный комплекс НК лопаток авиационных газотурбинных двигателей, созданный в ИЦ ФГУП «ВИАМ» в лаборатории неразрушающих методов контроля. Для комплекса разработана нормативно техническая документация по НК авиационной техники в соответствии с требованиями как российских, так и зарубежных стандартов.

При ТНК размер зоны контроля обычно на практике колеблется от 0,2х0,2 м до 0,5х0,5 м, в зависимости от типа и мощности нагревателя, структуры и толщины объекта. Расстояние между нагревателем и ОК обычно составляет 0,05 - 0,5 м.

Коммерческая аппаратура, производимая рядом зарубежных фирм данного профиля, включает термографы с повышенной частотой кадров, нагреватель на основе импульсных или галогенных ламп, а также компьютерную систему сбора, обработки и архивирования данных. В программном обеспечении (ПО) преимущественно используется преобразование Фурье с нормализацией и интегрированием термограмм, при этом наибольшее распространение получили установки фирмы TWI, в ПО которых предусмотрены операции «сшивания» последовательно записанных тепловизионных изображений распределенных небольших зон для создания единой термографической картины больших участков диагностируемого объекта (фюзеляжа, плоскости крыла и др.) с одновременным учетом направления осмотра и кривизны исследуемой поверхности. В качестве примера на рис. 4 приведены реальные термограммы дефектности образцов авиационных материалов и изделий.

На рис. 5 приведены термограммы искусственных расслоений разных размеров в плоских образцах из углепластика, полученные сотрудниками Honeyhill Technical Co. (США).

Анализ термограмм показывает реальную возможность выявления тепловым методом распространенных типов дефектов в авиационных материалах и конструкциях при соблюдении соответствующих методик контроля.

С точки зрения  анализа  диффузии тепла [7], при наиболее распространенном одностороннем ТНК, температурные сигналы над типичными дефектами на стадии охлаждения изменяются медленнее, чем в бездефектных зонах из-за менее интенсивного отвода тепла вглубь изделия через дефект. Поэтому наряду с анализом амплитудных изменений тепловых полей не меньший интерес представляет их временное изменение, обеспечивающее в дефектных зонах па определенных фазах остывания (или нагрева) максимальный тепловой контраст.

Наиболее простым в реализации является способ умеренного нагрева неметаллических листовых материалов и сотовых конструкций на их основе с помощью конвективного потока горячего воздуха из промышленного фена («термопистолета»). Температура нагреваемой поверхности контролируется измерительным тепловизором или пирометром и может легко изменяться в широких пределах путем приближения к ней (или удаления), а также изменения угла «падения» струи из выходной форсунки фена. По сравнению с импульсными нагревателями, здесь необходимые температурные градиенты создаются плавно в течение более длительного времени, т. к. такой кон­вективный поток обычно не превышает 0,5 кВт/м2.

При решении некоторых задач ТНК (плановых профилактических проверках авиационной техники и др.) в полевых условиях достаточно эффективным и мало затратным является использование для нагрева прямого солнечного излучения, плотность потока кото­рого в средних широтах составляет в безоблачный день 0,7 - 1кВт/м2, а на экваторе в полдень - до 1,3 кВт/м2.

 

Экспериментальная часть.

В состав аппаратуры, в соответствие с рис. 1, были включены: неохлаждаемый тепловизор, источник на­грева зоны наблюдения, измеритель температуры по­верхности объекта, вычислительное средство регис­трации и архивирования тепловизионных изображе­ний, держатель исследуемых образцов материалов и конструкций.

В качестве двумерного приемника теплового из­лучения в данной схеме использован портативный неохлаждаемый поисковый тепловизор «СКАТ-2», имею­щий следующие основные технические характеристики:

  • рабочий спектральный диапазон 7-13 мкм;
  • регистрируемый тепловой   диапазон   -30... + 500°С;
  • минимальное температурное разрешение 0,12°С;
  • геометрическая разрешающая способность 320x240 пикселей;
  • частота кадров 25 Гц;
  • диапазон рабочих температур -10...+50°С.
    Для нагрева применён промышленный термописто­лет воздушного типа BOSCH "PHG 500-2" мощностью 1,6 кВт. В методике экспериментов были предусмот­рены два варианта расположения нагревателя – с одной стороны и с противоположной относительно тепловизора. В качестве измерителя температуры использовался оптический пирометр ТД-400 («Кель­вин»), работающий в диапазоне температур - 30 ... +400°С с точностью ±1°С.

Средством регистрации и архивирования тепловизионных изображений послужил серийный персо­нальный компьютер.

Держатель исследуемых образцов материалов и конструкций осуществлял их фиксацию, поворот на столе и подъем.

В качестве ОК использовались конструкции из современных композиционных структур на основе стеклопластиковых, углепластиковых и алюминиевых мате­риалов.

Ниже  приводятся  результаты  экспериментов виде термограмм - тепловизионных изображений с экрана монитора персонального компьютера. Расстояние между тепловизором и образцами было выбрано около 1 м. Время нагрева (остывания) фиксировалось по таймеру компьютера.

На рис. 6 (а) представлены тепловизионные изображения образца размером 300x300x5 мм из стеклопластиковых пластин с неметаллическими сотами между ними. Искусственными дефектами были 4 непроклея в виде конуса протяжённостью 110 мм и основанием 60 мм, с 2-х сторон образца.

Начальная температура Тн = 27°С, рабочая температура (после нагрева) Тр = 32°С, время проявления теплового изображения дефектов t = 45 - 90 с. Нагрев производился со стороны тепловизора.

Улучшение результатов тепловизионного контроля достигнуто путем применения более мощного обеспечения, например, программы THERMOGRAM, обеспечивающей более наглядное и информативное псевдоцветное изображение, рис. 6 (б).

На рис. 7 показаны тепловизионные изображения образца размером 300x300x7/10 мм (ступенька по толщине) из стеклопластиковых пластин с неметаллическими сотами между ними. Искусственными дефектами были 4 расслоения в стеклопластике в виде конуса протяжённостью 110 мм и основанием 60 мм, с стороны образца.

Анализ данных изображений показывает отсутствие на них дефектных зон в пассивном режиме, а при дополнительном нагреве (в активном режиме) появление изображений, адекватных форме дефектов, через определенный интервал времени. Появление изображений происходит в случае неглубокого залегания дефектов как при одностороннем, так и при нагреве с противоположной стороны.

Рис. 7. Тепловизионные изображения образца с расслоениями с передней стороны, в активном режиме: слева - нагрев со стороны тепловизора, справа - нагрев с противоположной стороны

TD = 35°C, t = 2,5 мин.

    Т = 32°С, t = 45 - 90 с

На рис. 8 показаны тепловизионные изображения образца размером 300x300x46 мм из углепластиковых пластин с алюминиевыми сотами между ними. Искусственными дефектами были 2 непроклея в виде конуса протяженностью 110 мм и основанием 60 мм, с 2-х сторон образца.

 

При нагреве с передней стороны изображение дефектной зоны позитивное, а с обратной стороны – негативное. Следует также отметить, что дефект, расположенный на задней по отношению к тепловизору стороне, не выявляется как при одностороннем нагреве с противоположной стороны из-за большой толщины и высокой теплопроводности алюминиевой сотовой структуры.

На последующих  рисунках  показаны  результаты экспериментов на образцах из углепластиков без сотовых элементов с нагревом термопистолетом. На рис. 9 приведены тепловизионные изображения образца размером 105x245x5 мм (с ребром, Т-соединение) из углепластика. Имитировались дефекты со­единения.

 

На следующих двух рисунках представлены тепловизионные изображения образцов из углеп­ластика (нагрев со стороны тепловизора): на рис. 10 дано изображение 3-х ступенчатого образца разме­ром 100x240x6/9/13 мм, а на рис. 11 - изображение образца размером 50x325x14 мм с внутренними за­кладками, имитирующими расслоения (недопрессовки).

На изображении, рис. 10, видны вертикальные полосы, соответствующие границам изменения толщины образ­ца на его противоположной стороне, а на рис. 11 чётко видны внутренние закладки.

Обнаружение влаги

Эксперименты по обнаружению влаги проводились только в тех образцах, в которых возможно её скопле­ние, прежде всего в элементах сотовых конструкций. При предварительном опробовании наилучшая выявляемость зон скопления влаги оказалась при приме­нении непрерывного подогрева образцов термописто­летом. Поэтому ниже приводятся результаты экспери­ментов на ряде образцов с воздушным нагревом, рис. 12- 14.

На рис. 12 и 13 представлены тепловизионные изображения стеклопластиковых сотовых образцов с непроклеями и расслоениями, на задней поверхности которых была увлажнена зона размером 40x40 мм. На рис. 14 показано тепловизионное изображение образца размером 115x150x22 мм из алюминиевых пластин с алюминиевыми сотами между ними. В область диа­метром 20 мм через отверстия в задней пластине была введена вода в количестве 2 см3. Тёмное пятно (зона скопления воды) проявилось после подогрева образца в течение 20-30 с.

Заключение

Общий анализ проведенных экспериментов в различных режимах и с разными нагревателями приводит к следу­ющим основным результатам:

  1. Различные технологические и эксплуатацион­ные дефекты в образцах авиационных материалов и конструкций практически не выявляются классичес­ким тепловизионным методом в пассивном режиме, за исключением обнаружения зон скопления влаги в тонких неметаллических сотовых конструкциях.
  2. Наиболее перспективно применение ТНК при диагностике сотовых авиационных конструкций из ПКМ для обнаружения зон скопления воды. В этих случаях наблюдается естественный тепловой конт­раст (в силу существенного различия теплофизических свойств материалов и воды), который еще более может быть увеличен простым способом подогрева воздуш­ным тепловым потоком. При этом ТНК обеспечивает (по сравнению с другими методами) наибольшую опе­ративность и производительность диагностических операций.
  3. Анализ экспериментальных исследований по­казал перспективу ТНК для выявления таких опасных дефектов композиционных материалов, как непроклеи и расслоения. Они достаточно хорошо выявляются активным методом при небольших толщинах стеклопластиковых образцов (до 5-7 мм) вне зависимости от расположения дефектов - на передней или задней стороне по отношению к тепловизору. При этом достаточно эффективен простой подогрев их воздушным тепловым потоком. При более толстых образцах непроклеи и расслоения также хорошо выявляются, если они расположены на их передней стороне, т.е. на небольшой глубине. Но если дефекты расположены на задней стороне, контроль необходимо проводить также с этой стороны.
  4. Предельные значения (минимальные размеры) выявляемых дефектов типа расслоений и непроклеев, по некоторым оценкам, следующие: размеры расслоения 5x5 мм, раскрыв 0,3 мм.
  5. Импульсный подогрев целесообразен при контроле металлических и других композиционных структур с высокой теплопроводностью и при более скоростной записи и регистрации тепловизионных изображений. При этом очевидно, что различного рода дефекты будут выявляться при небольшой глубине их залегания (порядка 2 мм).

Литература

  1. Неразрушающий контроль. Справочник в 8 т., под общей ред. В. В. Клюева. Т. 5, кн. 1: Тепловой контроль, В Вавилов. М. Машиностроение, 2004 г., 394 с.
  2. Nondestructive Testing HANDBOOK, v. 3, Infrared i Thermal Testing, Xavier P. V. Maldague. American Society NDT, 2001,
  3. Тепловой неразрушающий контроль изделий. Hayчно-методическое пособие. Раздел 4.3 «Экспериментальные исследования и внедрение методов и средств автоматизированного ТНК многослойных изделий из ПКМ». О Будадин, А. И. Потапов и др. М., Наука, 2002 г, с. 288 –
  4. Инфракрасная термография (основы, техника, применение). Ж. Госсорг, М, «Мир», пер. с фр., 1988г, 396с.
  5. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. В. В. Тарасов, Ю. Г. Якушенков, М, «Логос», 2004г, 444с.
  6. Проспекты фирм «ТЕХНО-АС», «ПЕРГАМ», «ЦИКЛОН», «СПЕКТР-АТ», «FLIR», «ДИАГНОСТ» и др.
  7. Shepard S. Advanced in pulsed thermography. Pros. S Thermosense-XXIII, v. 4360, 2001. p. 511 - 515.
  8. В. П. Вавилов, А. Г. Климов, В. В. Ширяев. Активный тепловой контроль воды в авиационных сотовых конструкциях. «Дефектоскопия», 2002г, №12, с. 73 - 84. X

НАШИ КООРДИНАТЫ

zdanie

ООО НПЦ «Спектр-АТ»

Телефоны: 
+7(495) 259-40-10, 259-40-10

Адрес:  115088, г. Москва, ул. Угрешская, д.2, стр.62.

Почтовый адрес: 109089, г. Москва, ул. Угрешская, д.2, стр.62, а/я 3, ООО НПЦ «Спектр-АТ»

Проезд:    Станция метро "Кожуховская", от выхода идти по Южнопортовой улице в сторону ТТК, справа войти в проходную БЦ "IQ-Park".

Режим работы: 8:30 до 17:30, кроме субботы и воскресенья.

Выставки и конференции

ИНТЕРПОЛИТЕХ 2018

Приглашаем посетить наш стенд № 1C3-3 на выставке Интерполитех-2018.

Даты работы выставки:  
23– 26 октября 2018 года

Место проведения выставки: Москва, ВДНХ (павильон № 75)

Часы работы:

Экспозиция Международной выставки «INTERPOLITEX» открыта для всех желающих в указанные даты и часы работы:

23 октября 2018 года – 10.00 – 18.00
24 октября 2018 года – 10.00 – 18.00
25 октября 2018 года – 10.00 – 18.00
26 октября 2018 года – 10.00 – 14.00

Подпишись на новости

Joomla izrada obrazaca by JoomlaShine