РФ обладает существенными объемами нефтегазовых ресурсов, расположенных на морских месторождениях[1-6]. Добыча ресурсов на этих месторождениях ведется с использованием морских стационарных платформ. Эти платформы эксплуатируются в неблагоприятных условиях окружающей среды, что приводит к возникновению новых или развитию уже существующих дефектов. В свою очередь, развитие дефектов может привести наступлению так называемого предельного состояния элементов и сварных соединений опорного блока морской стационарной платформы (ОБ МСП), при которомего дальнейшая эксплуатацияневозможна. Поэтому своевременное высокоточное выявление и устранение потенциально опасных дефектов является актуальной и своевременной задачей. Ранее автором анализировались различные методики неразрушающего контроля, что позволило сделать вывод о том, что наиболее эффективной по критериям длительности обследования, точности выявления и стоимости выполнения работ среди различных методик диагностики для опорных блоков морских стационарных платформ является методика теплового контроля (ТК). Помимо этого следует отметить, что наиболее интенсивно процессы развития различных дефектов идут в зонах периодического смачивания, что обусловлено как действием значительных номинальных напряжений, так и существенным коррозионным износом. Таким образом, зона периодического смачивания является наиболее ответственной с точки зрения эксплуатации и возможности наступления предельного состояния.
Автором предлагается использование солнечной энергии в качестве источника для нагрева исследуемых элементов платформы. Этот подход можно рассматриватькак разновидность импульсного метода, который предусматривает нагрев за счет тепловой энергии определенной длительности и мощности с последующей регистрацией температуры.Искажения тепловых полей связано с тем, как количественная или качественная информация о скрытых дефектах извлекается из базовой температурной функции T (x,y,τ), описывающей изменение температуры исследуемого элементаОБ МСП во времени для каждой точки изделия (x, y) . В процедурах тепловизионного контроля эта функция определена для последовательности записанных термограмм (Рис. 1) и привязана к пикселям изображения: T (i, j,τ).
Рисунок1. Базовые температурные функции активного теплового контроля:
а-формирование последовательности термограмм и функции T(i, j,τ);
б-импульс нагрева и формирование температурного сигнала ΔT
Типичный вид функций T (i, j,τ ) показан на рис. 1. для дефектной (д) и бездефектной (бд) области. Учитывая, что внутренняя поверхность конструктивных элементов недоступна в нашем случае, то диагностику возможно проводить только на внешней, т.е. передней поверхности конструктивного элемента ОБ МСП. В ходе нагрева избыточная температура элементаT растет от некоторого значения и достигаетмаксимума в конце теплового импульса длительностью τh. На стадии охлаждения вследствие теплообмена с окружающей средой температура спадает до температуры окружающей среды. Детально процессы нагревания и охлаждения элементов опорного блока описаны в [3-5].
Важным понятием в термодиагностике является так называемый температурный сигнал,определяемый как разность температур в исследуемой точке и в зоне,принятой за бездефектную:
∆T(x, y,τ )= T(x, y,τ ) - Tбд (x, y,τ ) (1)
Где: ∆T(x, y,τ )- температурный сигнал; T(x, y,τ ) -температура в исследуемой точке; Tбд (x, y,τ )-температура бездефектной зоны.
При таком определении, ∆T > 0 на внешней поверхности для дефектов, теплопроводность которых ниже, чем теплопроводность основного материала. Соответственно, дефекты, более теплопроводные, чем основной материал, создают температурные сигналы обратного знака: ∆T < 0 на внешней поверхности. Отметим, что в ряде случаев, вследствие различных теплоемкостей дефектной и бездефектной зон, на стадии охлаждения возможна инверсия знака ∆T , однако амплитуда соответствующих сигналов мала для их уверенной регистрации.
В процессе динамического нагрева/охлаждения температурный сигналот внутреннего дефекта достигает максимального значения ∆Tm в момент времени τ m . Можно считать, что τ m(∆Tm) и есть оптимальный момент наблюдения. Из этого следует, что вместо записи последовательности термограмм можно фиксировать одну термограмму в момент τ m , к чему и сводится большинство процедур активного ТК.
Рассмотрим некоторые особенности применения аналитических методов при исследовании теплопередачи в твердых телах, содержащих скрытые дефекты. Структурные неоднородности любого типа, часть которых, не отвечающая нормам, является дефектами, искажают "эталонное" ( Tnd ( xnd, ynd, τ) = Tnd ( τ ) – в бездефектных зонах в любой момент времени температура является величиной постоянной или изменяющейся известным образом) обтекание тепловых потоков в объекте контроля и соответственно приводят к локальным температурным аномалиям, которые передаются через материал объекта на его поверхность, где регистрируются аппаратурой ТК в виде температурных сигналов.
Так как теплопередача осуществляется путем чистой теплопроводности, то справедливо условие:
(2)
где: 
- теплопроводность металла в бездефектной зоне; 
- теплопроводность металла в дефектной зоне; Td– температура в дефектной зоне; Tnd – температура в бездефектной зоне; z – толщина стенки трубы); Rd – тепловое сопротивление дефекта.
Формулы 1 и 2 основаны на условии неразрывности теплового потока и темпрературы в металле, т.е.:
(3)
Следовательно, дифференциальные уравнение теплопроводности (4.1) внутри дефектов не решаются. Дефекты, обнаруженные по гранчному условию 1 и 2 называютя резистивными (когда теплопроводностью дефектного слоя можно пренебречь). Основной теплофизической характеристикой таких дефектов является сопротивление:
(4)
где: - теплопроводность в дефектной зоне, Вт/м*К; d – толщина дефекта, м.
На границах резистивных дефектов температура изменяется скачкообразно, а тепловой поток остается неразрывным:
∆T ( x, y, τ ) = Td( x, y, τ) -Tnd ( xnd, ynd, τ). (5)
По формуле 5 можно определить локальный температурный сигнал (перепад), т.к. регулярный характер температурного поля в зоне дефекта нарушается.Под температурным сигналом обычно понимают максимальное значение∆Tm( x, y, τ) = ∆Tm ( τ). Следует подчеркнуть, что параметры, выражаемые в единицах температуры, то есть избыточные температуры Td ( x, y, τ),Tnd ( xnd, ynd, τ)и сигнал ΔT (x, y,τ ) , прямопропорциональны поглощенной плотности теплового потока Q в силу линейного характера процесса теплопередачи. В качестве безразмерного информативного параметра, не зависящего от Q, вводят текущий температурный контраст:
Сrun=∆T ( x, y, τ )/Tnd (τ). (6)
Данная величина служит естественной характеристикой конкретной процедуры обнаружения данного типа дефекта в данном материале. Заметим, что нормировка на поглощенную энергию в виде (6) эффективна, если величина Q постоянна во всех точках.
Можно также сказать, что температурный сигнал определяется абсолютной разницей между температурами в дефектной и бездефектной областях, а текущий температурный контраст – относительной разницей.
В классических моделях ТК температурный сигнал над внутренним дефектом ΔT зависят от:
• времени;
• параметров нагрева;
• интенсивности теплообмена объекта контроля с окружающей средой;
• толщины объекта контроля;
• теплофизических свойств объекта контроля;
• геометрических размеров дефекта и глубины его залегания;
• ТФХ дефекта.
Таким образом, на выявляемость дефектов тепловым методом влияют: интенсивность теплообмена объекта контроля с окружающей средой, теплофизические свойства объекта контроля, ТНХ дефекта можно условно отнести к разряду слабо-влияющих в обычных условиях испытаний. Одной из основных функций тепловизора является визуализация распределения температуры, осуществляемая с помощью термограмм (тепловых изображений). Термограмма представляет собой изображения, каждый пиксель которого окрашивается определенным цветом (в зависимости от выбранной палитры и диапазона представления тепловизора или ПО для обработки тепловизионных данных). Тепловизоры подразделяются на измерительные и показывающие. В измерительных тепловизорах пиксельные амплитуды выражены в «радиационных» температурах, тогда как в показывающих (неизмерительных) тепловизорах оператор имеет дело с «условными» пиксельными амплитудами (2).
2. Представление термограмм
Амплитудные значения, соответствующие различным цветам, представляются числами в формате RGB. Число в таком формате (обычно целое 4-х байтовое число) содержит значения (числа от 0 до 255) трех интенсивностей: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) цвета. В таком формате, число 0 соответствует черному цвету (все интенсивности равны нулю), а число – 0хFFFFFF (в шестнадцатеричной системе) –соответствует белому цвету, число 0хFF0000 – красному цвету. Численные значения температуры представляются в формате чисел с плавающей запятой.
При выборе цветовой палитры следует придерживаться многим рекомендациям. Тепловые изображения являются псевдоцветовыми, т.е. связь палитры цветов с температурой задается оператором. Существует множество палитр, входящих в программное обеспечение тепловизионных комплексов. На практике часто используют палитры «Радуга» (Rainbow) и «Цвета каления железа» (Iron). При правильном подборе палитры зоны с близкими температурами можно представить с помощью контрастных цветов, однако не следует преувеличивать значение палитры для повышения достоверности обнаружения скрытых дефектов.
Число цветов для представления температурной матрицы изменяется от 1 до 256, что связано с особенностями формирования изображений в операционной системе. Иными словами, каждый цвет имеет свой индекс и, исходя из пропорции, ему сопоставляется определенный интервал температур в выбранном динамическом диапазоне термограммы.
Тепловизоры сохраняют термограммы в собственном формате файлов, обычно неизвестном пользователю. Для работы с термограммами вместе с тепловизором поставляется дополнительное ПО, которое позволяет оператору просматривать термограммы, составлять отчеты по результатам обследования, предоставляет ряд «инструментов» (точка, линия, эллипс, прямоугольник и т.д.) для измерения температуры в заданных пользователем областях. Более развитое программное обеспечение позволяет конвертировать термограммы в открытые форматы файлов, чтобы пользователь мог использовать обширные возможности цифровой обработки данных. Размерность тепловизионных изображений (температурных матриц) может быть различна, используются следующие форматы: 320х240, 640х480, 128х128, 512х512. Современные модели тепловизоров могут сразу сохранять изображения в виде файлов специального графического формата JPЕG (радиометрический JPEG), которые кроме графической информации (теплового изображения) могут содержать данные о температуре, однако для этого необходимо открывать термограммы с помощью специализированного программного обеспечения.
Многие модели тепловизоров позволяют сохранять файлы термограмм на флеш-карту, которая вставляется в соответствующий разъем прибора. Сохранение изображений осуществляется при нажатии кнопки оператором (обычно используется при тепловизионных обследованиях, когда оператор сохраняет тепловое поле интересующего его объекта) или с помощью таймера, который можно настроить на определенный интервал записи (может использоваться при активном тепловом контроле, когда регистрируют температуры для поверхности объекта контроля).
Рецензенты:
Бородавкин П.П., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой АПС РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва.
Безкоровайный В.П., д.т.н., профессор, кафедры АПС РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва.
Библиографическая ссылка
Богданов Я.А. О ЯВЛЕНИИ ИСКАЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЗОНЕ ДЕФЕКТОВ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОПОРНЫХ БЛОКОВ МОРСКИХ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАТФОРМ // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=23485 (дата обращения: 19.04.2025).