基于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)PP 制件缺陷的無(wú)損檢測(cè)

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(江西科技學(xué)院，南昌 330098)

聚丙烯(PP)是一種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的通用高分子材料，在日用、建筑工程、車輛工程、醫(yī)療等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用[1–5]。例如，在建筑工程領(lǐng)域，PP 常用作生產(chǎn)水管，用于生活和工業(yè)的給水。然而，雖然PP 的力學(xué)強(qiáng)度較高，但其韌性較差，尤其是在低溫環(huán)境下，PP 非常容易發(fā)生低溫脆裂等現(xiàn)象[6–8]。例如，在我國(guó)北方地區(qū)，冬季溫度可低至–20℃以下，因此PP 管路在使用過(guò)程中則很容易發(fā)生機(jī)械破壞。除此之外，在使用過(guò)程中PP 本身的老化、腐蝕等現(xiàn)象，也會(huì)造成管路出現(xiàn)裂紋等缺陷。由于PP 管路一般是埋于地下或是建筑物墻體中，當(dāng)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象時(shí)，很難迅速排查出發(fā)生機(jī)械破壞的部位；而且對(duì)于管路的日常查驗(yàn)、檢修和維護(hù)也變得較為困難[9–12]。

紅外成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，能夠廣泛應(yīng)用到金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料的無(wú)損檢測(cè)中[13–15]。在檢測(cè)過(guò)程中，采用不同的熱源對(duì)制件進(jìn)行周期性地加熱，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行熱波信號(hào)的采集；再利用專用的軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)制件表面紅外輻射的變化進(jìn)行采集和分析，能夠直接得到制件的表面信息以及表面以下的信息，實(shí)現(xiàn)缺陷的探測(cè)。其檢測(cè)原理如圖1 所示，脈沖式熱源對(duì)制件進(jìn)行加熱，存在缺陷的部位和不存在缺陷的部位熱傳導(dǎo)情況不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的紅外輻射不同，出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的成像結(jié)果不同，實(shí)現(xiàn)無(wú)損探傷。

圖1 計(jì)算機(jī)輔助紅外探傷機(jī)理示意圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PP：T30S，熔體流動(dòng)速率為3.3 g／10 min，寧波禾元化學(xué)有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：SJGF 型，螺桿直徑為65 mm，口模外徑為32 mm，內(nèi)徑為26 mm，張家港市順科機(jī)械有限公司；

紅 外 熱 探 測(cè) 儀：CAMTMSC3000 型，瑞 典Therma 公司；

紅外無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、脈沖閃光燈和紅外熱探測(cè)儀組成，其中脈沖閃光燈最大能量為9.6 kJ。

1.3 PP 管的制備和缺陷模擬

將PP 原料于100℃下干燥2 d 以上，備用。將擠出機(jī)分5 段控溫，由加料口至口模處，各段螺桿溫度分別設(shè)置為200，220，240，240℃和240℃。擠出機(jī)螺桿溫度穩(wěn)定后，將PP 原料由加料口加入，擠出，冷卻，定型，干燥備用。

在干燥好的PP 管材內(nèi)部車出一條長(zhǎng)為20 mm、寬為2 mm 的裂紋，用以模擬PP 管材在使用過(guò)程中所出現(xiàn)的裂紋；通過(guò)加熱熔融的方法，在PP 管材內(nèi)部制造出一塊長(zhǎng)為10 mm，寬為5 mm的熔融區(qū)，冷卻后該區(qū)域管壁變薄，用以模擬PP 管材在使用過(guò)程中出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象；利用黑色膠帶在PP 管內(nèi)部標(biāo)記，用以模擬PP 管材使用過(guò)程中產(chǎn)生的水垢沉積現(xiàn)象。

1.4 無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)

將紅外熱探測(cè)儀與PP 管材試樣垂直放置；采用兩個(gè)脈沖閃光燈，分別置于試樣上前方和下前方，保證脈沖傳播方向與管材夾角為45°；開啟脈沖閃光燈對(duì)試樣進(jìn)行加熱，同時(shí)紅外熱探測(cè)儀對(duì)試樣的熱輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集頻率為60 Hz，采集時(shí)間為20 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋探傷

首先對(duì)PP 管材樣品的裂紋缺陷進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助的紅外探傷研究，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到圖2。圖2 的兩條曲線分別為裂紋部位和非裂紋部位的熱輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。圖2 數(shù)據(jù)顯示，在采集時(shí)間為0.10 s 之前，裂紋部位和非裂紋部位的熱輻射強(qiáng)度基本未出現(xiàn)明顯區(qū)別；而當(dāng)采集時(shí)間延長(zhǎng)到0.15 s 時(shí)，兩個(gè)部位的熱輻射強(qiáng)度則出現(xiàn)了區(qū)別，且隨時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，這種熱輻射強(qiáng)度的差別越大；當(dāng)采集時(shí)間為0.20～0.40 s 時(shí)，裂紋部位的熱輻射強(qiáng)度明顯高于非裂紋部位的熱輻射強(qiáng)度。由于裂紋的存在，該部位PP 管壁中存在空氣，因此裂紋部位的熱傳導(dǎo)和非裂紋部位的熱傳導(dǎo)出現(xiàn)了差異；裂紋部位由于存在空氣，導(dǎo)熱率降低，熱傳導(dǎo)效率降低，所以探測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度相對(duì)較高。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用計(jì)算機(jī)輔助的紅外探測(cè)方法能夠精準(zhǔn)地檢測(cè)出PP 管材中裂紋缺陷的存在。這一方法也可以用于其它材料和其他制品的缺陷檢測(cè)。

圖2 裂紋缺陷檢測(cè)曲線圖

2.2 腐蝕探傷

腐蝕也是管材在使用過(guò)程中常見的損傷，主要是由于土壤或墻體中的化學(xué)物質(zhì)、微生物等作用導(dǎo)致的破壞。腐蝕通常會(huì)導(dǎo)致管材局部變薄，密度改變等。筆者也對(duì)PP 管材樣品的腐蝕缺陷進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助的紅外探傷研究，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到了如圖3 所示曲線。圖3 中兩條曲線分別為腐蝕部位和非腐蝕部位的熱輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。圖中數(shù)據(jù)顯示，在采集時(shí)間為0.50 s 之前，腐蝕部位和非腐蝕部位的熱輻射強(qiáng)度基本未出現(xiàn)明顯區(qū)別；而當(dāng)采集時(shí)間延長(zhǎng)到1.0 s 時(shí)，兩個(gè)部位的熱輻射強(qiáng)度則出現(xiàn)了區(qū)別，且隨時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，這種熱輻射強(qiáng)度的差別越大；當(dāng)采集時(shí)間為3～12 s 時(shí)，腐蝕部位的熱輻射強(qiáng)度明顯高于非腐蝕部位的熱輻射強(qiáng)度。由于腐蝕的存在，該部位PP 管壁中會(huì)出現(xiàn)氣泡，導(dǎo)致空氣存在影響材料本身的熱導(dǎo)率；另一方面，腐蝕過(guò)后的PP 密度發(fā)生變化，熱導(dǎo)率也會(huì)出現(xiàn)變化。以上兩種因素的綜合影響，腐蝕部位的PP 熱導(dǎo)率降低，熱傳導(dǎo)效率降低，所以探測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度相對(duì)較高。與裂紋缺陷相比，該方法對(duì)腐蝕缺陷的探傷時(shí)間較長(zhǎng)。這主要是由于，相對(duì)于腐蝕缺陷來(lái)說(shuō)，裂紋缺陷造成的熱導(dǎo)率影響主要是由于空氣存在所造成的，效果更明顯；而且，裂紋缺陷具有一定的深度，更靠近管壁外側(cè)，更易檢測(cè)出來(lái)。

圖3 腐蝕缺陷檢測(cè)曲線圖

2.3 積垢探傷

由于水中礦物質(zhì)的存在，輸水管路隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其管壁上容易沉積污垢，尤其是在轉(zhuǎn)角的部位。水管中沉積污垢增多后，會(huì)導(dǎo)致管路堵塞等現(xiàn)象，因此對(duì)管路中積垢的檢測(cè)也是十分必要的。筆者對(duì)PP 管材樣品的積垢缺陷進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助的紅外探傷研究，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到了如圖4 所示曲線。圖4 中兩條曲線分別為積垢部位和非積垢部位的熱輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。圖4數(shù)據(jù)顯示，在采集時(shí)間為3.0 s 之前，積垢部位和非積垢部位的熱輻射強(qiáng)度基本未出現(xiàn)明顯區(qū)別；當(dāng)采集時(shí)間延長(zhǎng)到5.0 s 時(shí)，兩個(gè)部位的熱輻射強(qiáng)度則出現(xiàn)了區(qū)別，且隨時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，這種熱輻射強(qiáng)度的差別越大；當(dāng)采集時(shí)間為5～16 s 時(shí)，積垢部位的熱輻射強(qiáng)度明顯高于非積垢部位的熱輻射強(qiáng)度。由于積垢的存在，該部位PP 管壁的熱導(dǎo)率會(huì)出現(xiàn)明顯降低，熱傳導(dǎo)效率降低，所以探測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度相對(duì)較高。與裂紋缺陷和腐蝕缺陷相比，該方法對(duì)積垢缺陷的探傷時(shí)間最長(zhǎng)。這主要是由于，管壁積垢處于管路內(nèi)側(cè)，在熱量采集初期，積垢部位和非積垢部位的熱量傳遞沒(méi)有明顯區(qū)別，僅當(dāng)熱量傳遞至積垢時(shí)，才出現(xiàn)了明顯的熱量傳遞變化，因此探傷時(shí)間較長(zhǎng)。

圖4 積垢缺陷檢測(cè)曲線圖

2.4 不同檢測(cè)方式對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該計(jì)算機(jī)輔助的紅外探傷技術(shù)的準(zhǔn)確性，筆者以帶有裂紋的PP 管材作為模型，分別利用X 射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)和紅外探傷檢測(cè)對(duì)其進(jìn)行了缺陷檢測(cè)，檢測(cè)能力相關(guān)結(jié)果見表1。

由表1 可以看出，不同檢測(cè)方法對(duì)裂紋缺陷的檢測(cè)分辨能力。對(duì)于裂紋缺陷來(lái)說(shuō)，與X 射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)手段相比，紅外探傷檢測(cè)技術(shù)的缺陷分辨能力更高。X 射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)能夠精準(zhǔn)檢測(cè)到長(zhǎng)度為20 mm、寬度為0.5 mm 的裂紋缺陷；而紅外探傷檢測(cè)能夠精準(zhǔn)檢測(cè)到長(zhǎng)度為20 mm，寬度為2.0 mm 的裂紋缺陷。這3 種檢測(cè)方法的分辨率未出現(xiàn)明顯差別，均為D9 級(jí)別；另外，與X 射線檢測(cè)手段與紅外探傷手段相比，超聲檢測(cè)手段處理所得數(shù)據(jù)的信噪比較低，僅為90.0；X 射線檢測(cè)手段與紅外探傷手段的信噪比分別為121 和123。對(duì)比以上數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)輔助的紅外探傷手段在對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不僅能夠檢測(cè)到尺寸更大的裂紋缺陷，而且數(shù)據(jù)的分辨率與信噪比都較高，是一種綜合性較為突出的無(wú)損探傷手段。

表1 不同檢測(cè)方法對(duì)裂紋缺陷的檢測(cè)分辨能力

3 結(jié)論

制備了一種PP 管材，并通過(guò)物理手段模擬了管材的裂紋、腐蝕和積垢缺陷，利用計(jì)算機(jī)輔助的紅外探傷技術(shù)對(duì)這三類缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該紅外探傷技術(shù)能夠精準(zhǔn)地檢測(cè)到PP 管材中所存在的這三類缺陷，而且檢測(cè)時(shí)間較為迅速，分別在0.2，1.0 s 和5.0 s 后明顯檢測(cè)到了相應(yīng)的缺陷。由于缺陷類型和缺陷所處位置的原因，裂紋缺陷較容易被檢測(cè)到；而積垢缺陷需要的探測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。與X 射線檢測(cè)方法與超聲檢測(cè)方法相比，該紅外探傷技術(shù)對(duì)缺陷的分辨能力更強(qiáng)，能夠檢測(cè)到大尺寸的裂紋缺陷，而且相應(yīng)數(shù)據(jù)的分辨率和信噪比也相對(duì)較高。