钢板表面腐蚀的脉冲涡流热成像检测研究

胡德洲,左宪章,李 伟,张玉华

(军械工程学院无人机工程系,河北 石家庄 050003)

·红外技术及应用·

钢板表面腐蚀的脉冲涡流热成像检测研究

胡德洲,左宪章,李 伟,张玉华

(军械工程学院无人机工程系,河北 石家庄 050003)

钢铁腐蚀是威胁工业安全生产的重要原因之一,采用脉冲涡流热成像缺陷检测技术对钢板表面腐蚀进行了检测和评估。用二维感应加热模型分析了腐蚀表面几何形状对感应加热温度分布的影响,根据实验结果提取腐蚀缺陷的表面温度均方根对腐蚀程度进行表征,并研究了涂层对钢板腐蚀程度评估的影响。用主成分分析法、因子分析法和脉冲相位法重构感应加热红外图像,提高了腐蚀缺陷的识别能力和腐蚀程度的评估能力。

感应加热；热成像；腐蚀检测；特征提取

1 引 言

钢铁材料具有优异的物理性能和机械强度,在船舶、油气管道、航空航天、核电站等工业领域得到了广泛的应用。由于经常工作在比较恶劣的环境下,腐蚀成为钢铁常见的缺陷之一,导致材料的变薄、穿孔,给设备的使用寿命和人员安全带来了严重隐患。近年来,一些新的无损检测技术迅速发展,如热波检测、涡流检测、声发射技术等[1-3],对腐蚀缺陷进行检测和腐蚀程度作出评估,极大地提高了设备的安全性和可靠性。

脉冲涡流热成像无损检测技术结合了涡流检测和热波检测的优势,通过涡流加热的激励方式,直接在金属内部产生热量,由表面温度分布的红外图像来实现导电材料表面、近表面缺陷的检测,具有加热效率高、无表面接触、单次检测面积大、检测结果直观的特点,适用于缺陷的实时在线检测,受到了国内外学者的广泛关注。K.Kobayashi等采用感应加热对钢筋混凝土内部腐蚀进行了检测[4],Seunghoon Baek等研究了混凝土厚度和钢筋的腐蚀程度等参数对混凝土感应加热表面温升的影响规律[5]。英国纽卡斯尔大学的田贵云研究团队对钢板的表面腐蚀进行了一系列的研究,利用模型分析了腐蚀区域物理参数变化对感应加热结果的影响[6],并用主成分分析法提高了实际腐蚀缺陷的识别效果[7]。以上研究说明,通过表面温度可以实现腐蚀缺陷的检测,并具有定量分析的能力。

由于腐蚀脱落等原因,腐蚀缺陷的形成和发展伴随着腐蚀表面几何形状的变化,引起钢铁表面粗糙度的增加,腐蚀的表面粗糙度可以在感应加热的温度轮廓曲线上得到反映[8]。本文通过有限元模型分析了腐蚀脱落对感应加热表面温度分布的影响,以表面温度轮廓均方根为特征量,对钢板有涂层和无涂层的腐蚀缺陷进行评估,研究了主成分分析法、因子分析法和脉冲相位法三种图像处理算法对提高腐蚀缺陷识别能力和评估能力的可行性。

2 基本理论

感应加热伴随着涡流产生、涡流加热、热扩散三个物理过程,涉及涡流场和温度场两个物理场。感应加热涡流场的控制方程可由Maxwell方程组推导得出：

(1)

感应涡流总是分布在导体表面,并由表面沿导体深度方向按指数规律衰减,当涡流密度降低为表面的1/e时距离表面的深度称为趋肤深度,其计算公式为：

(2)

式中,δ为趋肤深度;f为激励电流频率;μ为磁导率;σ为电导率。

根据焦耳定律,产生的涡流将部分转化为焦耳热,产生的热量Q正比于涡流密度Je和电场密度E：

(3)

式中,σ为材料电导率。

产生的焦耳热Q将会在材料内部传播,其传播规律遵循能量守恒定律和傅里叶热扩散定律：

(4)

式中,ρ，Cp，k分别为材料的密度、热容量和热导率。

3 仿真分析

3.1 模型建立

为研究腐蚀表面几何形状对腐蚀缺陷检测的影响,首先对钢板的腐蚀缺陷进行仿真分析。仿真模型需要对感应加热涡流场和温度场进行耦合。本文通过有多物理场分析软件COMSOLMultiphysic3.5a的AC/DC模块,对钢板长度方向截面建立了感应加热二维有限元模型,如图1所示。图1(a)为模型的整体视图。钢板长100mm,厚5mm；腐蚀区域位于钢板表面中心位置,腐蚀长30mm,深1mm；正方形感应线圈位于钢板中央,横截面宽度10mm,长80mm,提离2mm；激励电流幅值为350A,频率为256kHz；加热200ms,初始温度为293K。腐蚀脱落区域A的示意图及几何参数如图1(b)所示。鉴于实际腐蚀表面几何形状的特点[9],对实际问题进行了简化：腐蚀中心区域A设置为腐蚀脱落区域,两侧为腐蚀未脱落区域；用三角形区域模拟了腐蚀的脱落,三角形的高d的大小模拟腐蚀的脱落程度。表1给出了仿真参数[6]。由式(2)计算钢板和腐蚀的趋肤深度分别为0.059 mm和0.575 mm。

图1 仿真模型

参 数钢 板腐 蚀电导率/(S·m-1)4.68×1060.75×106相对磁导率604密度/(kg·m-3)78505242比热容/(J·kg-1·K-1)475100热导率/(W·m-1·K-1)44.50.6

3.2 仿真结果分析

图2为加热100 ms腐蚀及附近无缺陷区域的温度分布情况,可以发现,腐蚀区域温度高于两端的无缺陷区域,腐蚀脱落导致腐蚀区域出现局部低温分布,随着腐蚀脱落程度的增加,腐蚀脱落区域温度逐渐降低。文献[10]指出,这是感应加热涡流分布不均引起：由于腐蚀脱落深度d与感应涡流的趋肤深度相当,在腐蚀脱落区域底部涡流密度较大,温度升高较快,而其他位置涡流密度较小,因此表现为局部低温。

图2 腐蚀区域温度分布(100 ms)

为进一步分析不同程度的腐蚀脱落对感应加热温度分布的影响,比较了腐蚀脱落区域和未脱落区域温度的差异,如图3所示。其中,k为腐蚀未脱落区域温度与腐蚀脱落区域表面温度均值的比值。可以看出,二者温度差异最大位于加热早期,随着加热时间的增加,热量向周围扩散,k值逐渐减小,最后趋于平稳。

图3 不同程度腐蚀脱落k值比较

通过仿真分析可以发现,钢板存在腐蚀缺陷时,腐蚀区域温度会高于无缺陷区域。在腐蚀缺陷区域,腐蚀脱落引起表面几何形状的变化会导致感应加热形成局部低温,随着脱落程度的增加,腐蚀脱落区域与未脱落区域温度差异逐渐增大,并且在感应加热初期表现更加显著。对于实际腐蚀缺陷,腐蚀时间越久,腐蚀脱落现象越严重,导致感应加热时腐蚀区域表面温度发生变化,因此可以通过表面温度分布实现腐蚀程度的评估。

4 实验研究

4.1 实验设计

为验证仿真结果的正确性,对相同尺寸的不同腐蚀程度的钢板进行感应加热实验研究。腐蚀试件的制作过程为：使用黑色塑料带覆盖钢板,剩余中间30 mm×30 mm的区域,将试件放置在海洋大气环境中,分别暴露1个月、3个月、6个月,在未覆盖塑料带区域便形成了不同程度的大气腐蚀。考虑到在实际工业应用中,钢铁材料表面经常会带有涂层,实验中用非导电涂料对部分腐蚀试件覆盖,对无涂层的腐蚀缺陷和有涂层的腐蚀试件分别进行了研究。实验系统如图4所示。图5给出了暴露时间为3个月的无涂层和有涂层的腐蚀试件,图5(b)中方框内为腐蚀区域。实验中试件参数和激励条件与仿真相同,加热200 ms,冷却300 ms,热像仪图像帧频为200 Hz,共记录100帧图像。

图4 脉冲涡流热成像实验系统

图5 暴露3个月的腐蚀试件

4.2 实验结果分析

图6给出了加热25 ms时无涂层试件的表面温度分布,图7为加热200 ms时腐蚀6个月有涂层和无涂层的表面温度分布。可以看出,腐蚀区域出现了局部高温分布,与仿真结果相一致；由于感应加热邻近效应的存在,腐蚀区域温度分布不均匀,靠近线圈附近温升较大；腐蚀程度的增加引起腐蚀表面温度轮廓粗糙度的增加,不同程度腐蚀表面温度分布在感应加热早期差异很明显；加热时间增加时表面温度分布逐渐均匀,这是热量的横向扩散引起；涂层的存在会使得热量分布更加均匀,降低了腐蚀缺陷的识别能力。

4.3 特征提取

仿真和实验结果均表明,腐蚀脱落导致了腐蚀区域感应加热温度轮廓粗糙度的增加,腐蚀脱落程度可由表面温度轮廓的粗糙度来反映。采用腐蚀区域温度轮廓的均方根值R来描述温度轮廓的粗糙程度。腐蚀区域第i行温度轮廓的均方根值Ri为：

图6 加热25 ms时试件表面温度分布

图7 加热200 ms时腐蚀6月试件表面温度分布

(i=1,2,3…,n)

(5)

(i=1,2,3,…,n)

(6)

式中,T(i,j)表示温度值;Tmax(i,j)为第i行温度最大值。通过计算温度比值,避免了感应加热温度升高对均方根R的影响。

最后可得腐蚀区域温度轮廓的均方根值R：

(7)

通过取均值,减小了随机误差的影响。

图8 均方根R随时间变化规律

图8为无涂层和有涂层两种情况下腐蚀区域均方根R随时间变化规律。可以看出,与仿真结果类似,腐蚀区域温度轮廓粗糙度最大值出现在加热早期,随着加热时间的增加,R逐渐减小,冷却阶段R迅速趋于平稳；腐蚀程度越大,均方根R值越大,最大值出现在50ms左右；涂层会导致R的减小,但在加热早期仍然可以区分不同程度的腐蚀。

5 图像重构

为提高腐蚀缺陷的识别能力和腐蚀程度的评估能力,选用了主成分分析法[11]、因子分析法[12]和脉冲相位法[13]三种图像处理方法对感应加热的红外图像序列进行重构。其中,主成分分析法和因子分析法为统计学分析方法,主成分分析法的基本思想是将主成分表示为各个变量的线性组合,而因子分析法的基本思想是将变量表示为各个公因子的线性组合；脉冲相位法是一种基于傅里叶变换的频域分析方法,重构后得到的相位图可以减少环境辐射、不均匀加热等因素的影响。

由三种图像分析的算法特点可知,越靠前的主成分和公因子所包含的原始图像的信息量越大,高阶的主成分图像和公因子图像以及相位图像的高频分量往往含有较大的噪声。因此,主成分分析法选取了前4个主成分图像进行分析,因子分析法所选用的公因子图像数目为4,脉冲相位法分析了频率小于12.5Hz的相位图像。由于三种方法重构的图像数目较多,只对每种方法得到的图像中视觉效果最好的一帧图像进行了分析。

图9和图10分别给出了腐蚀6个月时无涂层和有涂层腐蚀试件采用三种方法计算得到的重构图像。可以看出,与原始红外图像相比,重构后的图像有效提高了腐蚀缺陷的识别能力,受不均匀加热影响较小,并且提高了腐蚀缺陷的识别范围。

图9 无涂层腐蚀缺陷重构图像

图10 有涂层腐蚀缺陷重构图像

图11给出了不同程度腐蚀经过图像重构后得到的最佳图像腐蚀区域均方根R随腐蚀程度的变化规律。可以看出,随着腐蚀程度的增加,均方根R逐渐增大,重构后的图像在提高腐蚀缺陷的识别能力的同时,保留了对腐蚀程度的评估能力。由主成分分析法得到的重构图像对有涂层和无涂层两种情况下不同程度的腐蚀均可以取得很好的评估效果；因子分析法受涂层影响较大,有涂层时R迅速降低；脉冲相位法作为频域分析方法,受涂层的影响很小。

图11 三种图像重构方法均方根R比较

6 结 论

通过建立感应加热二维模型,分析了腐蚀脱落对腐蚀区域温度分布的影响。以腐蚀区域温度分布的均方根为特征量,研究了腐蚀区域温度粗糙度随时间的变化规律。通过图像重构,提高了腐蚀缺陷的检测能力和腐蚀程度的评估能力。经过以上分析,可以得出结论如下：

(1)腐蚀区域在感应加热过程中相对于无缺陷区域温升较大,其表面几何形状的变化会引起腐蚀区域局部低温分布,由此可对不同程度腐蚀进行评估。

(2)腐蚀区域温度均方根最大值出现在感应加热初期,此时比较适合对腐蚀程度进行估计,涂层的存在会减小表面温度的粗糙度,降低腐蚀缺陷的识别能力。

(3)采用主成分分析法、因子分析法和脉冲相位法重构的图像均可以提高腐蚀缺陷的识别能力和腐蚀程度的评估能力,但因子分析法受涂层影响较大,脉冲相位法基本不受涂层影响。致 谢：本研究中的实验数据是作者在英国纽卡斯尔大学无损检测实验室实验获得,作者特对该实验室提供的实验系统、试件及实验条件表示感谢。

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Study of steel surface corrosion detection with pulsed eddy current thermography

HU De-zhou，ZUO Xian-zhang,LI Wei，ZHANG Yu-hua

(Department of UAV Engineering，Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Steel corrosion is one of the most serious problems for industrial safety. In this paper,steel surface corrosion is detected and evaluated by pulsed eddy current thermography. A two-dimension inductive heating model is built to analyze the influence of corrosion geometry on its surface temperature distribution. Corrosion extent is then characterized by the root mean square of the surface temperature base on experiment data. The effect of coat on the steel corrosion extent is also studied. With principal component analysis method,factor analysis method and pulse phase analysis method,the infrared images of the steel samples are reconstructed to improve the abilities of corrosion recognition and corrosion extent evaluation.

inductive heating; infrared thermography; corrosion detection; feature extraction

1001-5078(2015)02-0144-06

国家自然科学基金项目(No.51307183)资助。

胡德洲(1990-)，男，汉族，硕士研究生，从事电磁热成像无损检测方面的研究。E-mail：hdz199075@sina.cn

2014-06-11

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.006