面掃描模式下的渦流熱成像缺陷重構(gòu)方法研究*

李建宇 張來斌 鄭文培

(1.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 2.中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院)

0 引 言

隨著油氣開發(fā)重心逐漸向海洋轉(zhuǎn)移，海上鉆井平臺的數(shù)量在不斷攀升，其重要性也快速提升。與此同時(shí)，海洋平臺的服役風(fēng)險(xiǎn)也日益突出，早期的平臺逐漸到達(dá)壽命高風(fēng)險(xiǎn)期，世界范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了多起海洋平臺事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。例如英國北海的“海上鉆石”號平臺沉沒事故，主要原因是平臺支柱桿發(fā)生脆斷[1]；“亞歷山大基爾蘭”號海洋平臺發(fā)生倒塌，造成重大人員與經(jīng)濟(jì)損失，事故主要原因是平臺撐管基座的焊接連接處，由于長期的海洋環(huán)境載荷作用所產(chǎn)生的疲勞裂紋損傷擴(kuò)展延伸，最終導(dǎo)致疲勞斷裂[2]；印度的“孟買BHN”號鉆井平臺發(fā)生立柱失效事故，其主要原因也是結(jié)構(gòu)疲勞引發(fā)的問題[3]；俄羅斯的“科拉”號平臺在暴風(fēng)雪影響下產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致平臺失效[4]。這些工程教訓(xùn)引起了全世界各國對海上平臺疲勞損傷問題的重視[5]。因此，有效檢測結(jié)構(gòu)損傷，評定結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，對保證裝備安全服役、最大限度地避免事故發(fā)生具有重要意義。

紅外熱成像檢測具有檢測快速、單次檢測面積大、非接觸、無污染以及成像直觀等特點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用到缺陷檢測、失效分析和健康監(jiān)測等領(lǐng)域。近10年來，渦流激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)被建立和發(fā)展，吸引了全世界的科研人員對其進(jìn)行研究，并被應(yīng)用到航天航空、海洋結(jié)構(gòu)、電力系統(tǒng)和鐵路等不同領(lǐng)域，對不同缺陷的檢測都發(fā)揮了重要作用。YUAN B.Y.等[6]利用渦流熱成像對液壓系統(tǒng)堆焊構(gòu)件進(jìn)行檢測，通過分析經(jīng)過離散傅立葉變換后的紅外熱圖序列，實(shí)現(xiàn)對缺陷的檢測識別。MARTINA等通過研究不同區(qū)域存在不同的冷卻速率，判別缺陷的存在，同時(shí)提出一種等高線算法對缺陷進(jìn)行描述，對缺陷形狀進(jìn)行區(qū)分。陳怡帆[7]利用渦流熱成像技術(shù)檢測缺陷，提出一種獨(dú)立成分分析算法對檢測結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)，增強(qiáng)了缺陷的特征[8]。從當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，關(guān)于利用渦流熱成像技術(shù)對缺陷進(jìn)行檢測，越來越多的學(xué)者將研究重點(diǎn)放在缺陷的識別與定量檢測方面。

結(jié)合紅外熱成像的特點(diǎn)及優(yōu)勢，本文提出一種面掃描的動(dòng)態(tài)檢測模式，在保證采集數(shù)據(jù)過程快速及完整的前提下，提取特定時(shí)間點(diǎn)熱圖信息，對缺陷進(jìn)行重構(gòu)處理。該方法可以準(zhǔn)確地描述缺陷輪廓，同時(shí)對缺陷進(jìn)行定量檢測。

1 方法研究

通過對渦流熱成像的加熱過程進(jìn)行研究，建立了數(shù)學(xué)物理時(shí)間分割模型，該模型可以將渦流熱成像劃分為4個(gè)不同的物理階段[9-11]，各階段溫度變化如圖1所示。

圖1 導(dǎo)體在感應(yīng)加熱過程中的溫度變化Fig.1 Temperature change of conductor during induction heating

第一階段(P1)：對被檢測對象的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行加熱，導(dǎo)體表面或近表面受到脈沖信號激勵(lì)而感應(yīng)出電渦流，渦流密度以極快的速度上升，產(chǎn)生的焦耳熱隨之快速增加。由于第一階段的時(shí)間很短，熱擴(kuò)散還未對表面溫度分布產(chǎn)生較大影響。第二階段(P2)：隨著加熱的延續(xù)，在導(dǎo)體近表面的三維熱擴(kuò)散逐漸發(fā)揮作用。由于加熱時(shí)間延長，表面溫度快速升高，加熱區(qū)域與非加熱區(qū)域的溫度差變得愈發(fā)明顯，導(dǎo)致熱擴(kuò)散現(xiàn)象加劇。目標(biāo)區(qū)域的溫度同時(shí)受到感應(yīng)加熱與熱擴(kuò)散兩種效應(yīng)的影響變得復(fù)雜。第三階段(P3)：加熱過程進(jìn)入設(shè)定的最終時(shí)間，基本與第一階段為相反的過程。由于激勵(lì)信號終止，導(dǎo)體表面的渦流分布也隨之快速消失，渦流密度由最大值快速變?yōu)?。而熱擴(kuò)散效應(yīng)具有一定的延續(xù)性及滯后性，且處于影響最大的階段，變化率達(dá)到最大。但由于該階段的時(shí)間非常短，溫度變化很小。第四階段(P4)：被測導(dǎo)體進(jìn)入冷卻階段，只有熱擴(kuò)散效應(yīng)的影響，溫度開始快速降低，熱擴(kuò)散的影響隨之減小，反過來又延緩溫度降低的速率。最終，導(dǎo)體溫度趨于周圍環(huán)境溫度。

P1及P3缺陷附近溫度分布仿真圖如圖2所示。通過以上階段劃分可以看出：第一階段，由于熱擴(kuò)散程度較弱，捕獲的信息可以比較清楚地反映試件表面缺陷的輪廓信息；第三階段，外部加熱結(jié)束，信號達(dá)到峰值，缺陷部位與正常部位的差別達(dá)到最大。但由于熱擴(kuò)散作用的影響，已經(jīng)難以識別缺陷輪廓。因此將兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，分別表征缺陷的輪廓以及深度，并利用算法對其進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 P1及P3缺陷附近溫度分布仿真圖Fig.2 Temperature distribution by simulation near the defect in Phase 1 and 3

由于在動(dòng)態(tài)檢測模式下，被測對象與感應(yīng)線圈/熱像儀有相對位移，所以缺陷在不同時(shí)間的溫度信號圖中的位置也在變化。將熱圖序列有序排列如圖3所示，建立溫度信號關(guān)于時(shí)間-位置的三維模型，可以獲得目標(biāo)點(diǎn)/區(qū)域的溫度變化信息，由此提取特定時(shí)間的溫度信號用來進(jìn)行缺陷的輪廓表征與深度測量。

圖3 熱像儀拍攝熱圖序列Fig.3 Heat imaging sequence

經(jīng)過推導(dǎo)可得目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)隨時(shí)間(熱圖序列)的變化規(guī)律：

Gn=G1×f(v，tn，f)

式中：Gn為第n張熱圖中目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，G1為初始熱圖中目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，初始熱圖為首次檢出缺陷的熱圖，v為被測對象位移速度，tn為熱圖的序列號，f為熱像儀的采樣頻率。

對兩個(gè)階段的溫度分布圖像分別進(jìn)行處理，利用第一階段圖像確定缺陷輪廓區(qū)域，利用第三階段溫度信息對缺陷深度進(jìn)行研究。通過計(jì)算機(jī)仿真獲得深度-溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)測量得到深度與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)，再利用深度學(xué)習(xí)算法，獲得缺陷深度與溫度的非線性關(guān)系，從而為后續(xù)缺陷深度的準(zhǔn)確測量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)裝置

檢測系統(tǒng)主要由激勵(lì)系統(tǒng)(包括信號發(fā)生器、激勵(lì)線圈和水冷系統(tǒng)等)、待測工件、導(dǎo)軌、熱像儀及電腦等組成，試驗(yàn)臺及其原理如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)臺及其原理圖Fig.4 Test device and schematic diagram

試驗(yàn)時(shí)，將待測工件放置在平移臺的導(dǎo)軌上，使其勻速移動(dòng)，其他設(shè)備保持不變。導(dǎo)軌速度調(diào)整為2 mm/s，對激勵(lì)線圈通入30 A、150 kHz的交變電流，將熱像儀的采樣頻率設(shè)定為30 Hz，將采集到的熱圖序列傳入電腦中進(jìn)行處理[12-14]。

采用標(biāo)準(zhǔn)半橢圓形缺陷以模擬金屬板常見的裂紋缺陷，具體形狀如圖5所示。對多組不同長度、深度以及寬度的缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，具體尺寸如表1所示。

圖5 缺陷形狀Fig.5 Shape of the defect

表1 缺陷尺寸 mm

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)開始時(shí)，先將檢測系統(tǒng)的激勵(lì)系統(tǒng)打開，感應(yīng)線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場在金屬板上激勵(lì)出電渦流，依靠電渦流的能量加熱金屬板件；然后打開熱像儀及平移臺，待測工件在導(dǎo)軌的托持下勻速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過激勵(lì)線圈及熱像儀拍攝區(qū)域；之后分析熱像儀所采集到的熱圖序列，可以實(shí)現(xiàn)對缺陷的定量檢測。

圖6 剛加熱時(shí)的溫度信號Fig.6 Temperature signal in phase 1

圖6a為缺陷剛進(jìn)入加熱區(qū)域時(shí)，熱像儀拍攝到的熱圖像，即P1處的溫度信號。

從圖6可以看出，只有在缺陷兩段有較為明顯的溫度升高，符合前文的分析結(jié)果。記錄此刻缺陷相對位置坐標(biāo)(m1,n1)，此時(shí)平移臺仍然保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過對試驗(yàn)臺進(jìn)行測量，激勵(lì)線圈的加熱范圍為其正下方直徑約40 mm的圓形范圍，結(jié)合平移臺移動(dòng)速度2 mm/s，以及熱像儀采樣頻率30 Hz，選擇熱圖序列在第600幀附近，這樣可以較準(zhǔn)確地得到加熱過程結(jié)束前缺陷附近(P3處)的溫度信號。加熱過程到達(dá)P3的溫度信號如圖7所示。

圖7 加熱過程到達(dá)P3的溫度信號Fig.7 Temperature signal in phase 3

由于采用半橢圓形缺陷試樣，采集到的溫度信號兩端高溫、中間溫度升高相對較慢(見圖6b)，所以在熱圖像中可以觀察到明顯的兩個(gè)峰值，同時(shí)也驗(yàn)證了P1可以清楚地顯示出缺陷的位置及輪廓信息。

對于P3的溫度信號，由平移臺移速及加熱時(shí)間(熱圖序列的幀數(shù))可知，圖中缺陷的位置為(m600,n600)，測量此處溫度最高值。將P1與P3的溫度信號相結(jié)合，可得到較為準(zhǔn)確的缺陷輪廓信息與最高溫度信息，如圖8所示。

圖8 缺陷輪廓及深度對應(yīng)溫度Fig.8 Temperatures corresponding to the defect contour and depth

獲得缺陷的位置以及深度預(yù)測信息后，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對缺陷進(jìn)行重構(gòu)，再將結(jié)果與缺陷的真實(shí)尺寸進(jìn)行對比，這樣可以反映出該重構(gòu)方法的實(shí)際效果。

圖9～圖11為重構(gòu)缺陷尺寸與實(shí)際尺寸對比情況。由圖9～圖11可以看出，在確定其他兩個(gè)尺寸后，將重構(gòu)后得到的尺寸與缺陷實(shí)際尺寸進(jìn)行對比，可以驗(yàn)證該重構(gòu)方法的實(shí)際效果。

圖9 重構(gòu)缺陷長度與實(shí)際長度對比Fig.9 Comparison of reconstructed length and real length of the defect

圖10 重構(gòu)缺陷深度與實(shí)際深度對比Fig.10 Comparison of reconstructed depth and real depth of the defect

圖11 重構(gòu)缺陷寬度與實(shí)際寬度對比Fig.11 Comparison of reconstructed width and real width of the defect

4 結(jié) 論

(1)基于渦流熱成像檢測原理，利用紅外熱像儀所具有的區(qū)域溫度采集功能的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于面掃描的動(dòng)態(tài)監(jiān)測模式，采用該模式可以有效地提取缺陷的輪廓信息與深度信息，為后續(xù)缺陷的定量分析提供了更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

(2)在獲得缺陷的位置以及深度預(yù)測信息之后，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對缺陷進(jìn)行重構(gòu)，再將結(jié)果與缺陷的真實(shí)尺寸進(jìn)行對比，可以反映出該重構(gòu)方法的實(shí)際效果。

(3)通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于面掃描的重構(gòu)方法對缺陷長度以及深度的重構(gòu)效果較好，對缺陷寬度的檢測效果不佳，這是因?yàn)槿毕輰挾容^小，試件表面熱傳導(dǎo)效應(yīng)對檢測結(jié)果的影響較大。