基于红外热成像技术的聚乙烯管道裂纹缺陷无损检测

王文泉

(厦门市特种设备检验检测院， 厦门 361004)

基于红外热成像技术的聚乙烯管道裂纹缺陷无损检测

王文泉

(厦门市特种设备检验检测院， 厦门 361004)

利用ANSYS有限元法模拟了内表面有裂纹缺陷的聚乙烯管在施加热空气时的红外无损检测过程，从而确定了表面温度分布与裂纹缺陷大小和位置之间的关系。为了验证ANSYS模拟管道内表面裂纹缺陷结果的正确性,搭建了空气加热热激励方式的主动红外热成像试验平台。试验结果和模拟结果基本吻合，说明有限元数值计算方法可以作为研究红外热成像技术的一种手段，为聚乙烯管道内部缺陷的红外检测技术提供数值模型。

聚乙烯管道；有限元分析；红外热成像；热激励

目前,聚乙烯管已被广泛用于制作燃气管道、化工原料管道、输水管道以及工业输油管道和冷却装置等。聚乙烯管道输送介质复杂,大部分管道都被埋在土壤中，在这种恶劣的环境中长期使用[1]，管道内壁会出现结垢、腐蚀等缺陷，甚至会出现裂纹缺陷。由于部分裂纹会不断扩展和加深而使得管道发生渗漏,降低了管网输送能力,产生安全隐患。为了保障聚乙烯管道的安全运行,需采用一种适用于此类管道且快速、准确、直观、操作安全和易于现场操作的无损检测技术对其进行检测。

针对聚乙烯管道裂纹缺陷，笔者利用ANSYS建立了聚乙烯管道裂纹缺陷的瞬态热传导有限元模型，搭建了基于空气加热热激励方式的主动红外热成像系统试验平台[2]，对内表面有裂纹缺陷的聚乙烯管道进行无损检测和评价。

1 有限元模型建立与求解

1.1 瞬态热传导问题的有限元模型

建立一个含有裂纹缺陷的聚乙烯管接头的三维模型，其瞬态[3]温度场T(x,y,z,t)在直角坐标系中应满足如下热扩散方程[4]。

(1)

式中：c为聚乙烯管的比热；ρ为聚乙烯管的密度；kx,ky,kz分别为聚乙烯管的热传导系数k沿x,y,z方向的分量；Q=Q(x,y,z,t)为物体内部的体热源密度；t为时间。

(2)

式中：nx,ny,nz为边界外法线的方向余弦；h为对流系数；T0为外界环境温度;T为聚乙烯管瞬态温度。

由于缺陷处的局部温升比较小，可以忽略热辐射。同时，采用有限元的方法进行计算，将检测的对象离散为具有n个节点的有限单元，其中单元内各点的温度T(x,y,z)可表示为下式。

(3)

式中：N(x,y,z)为插值函数；ne为一个单元中节点个数；θj(t)(t)(j=1～ne)为单元节点的温度。

通过应用虚功原理以及格林函数，对于各向同性的材料(kx=ky=kz=k)的有限元方程可表示为下式。

(4)

改写方程式(4),变成一般有限元格式。

(5)

式中：C,Kθ,P分别为热容矩阵、热传导矩阵、温度矩阵和热载荷矩阵。

(6)

(7)

(8)

(9)

最后，以中心差分法求解方程式(2)～(7),即可获得瞬态温度分布。

1.2 几何模型和边界条件 笔者经过对各种三维实体单元的比较，最终选用可以较好进行热分析的8节点三维实体单元SOLID70，查表确定了聚乙烯的密度为962 kg·m-3，比热为2 300 J·kg-1·℃-1，根据相关试验数据取热传导系数0.53 W·m-1·℃-1。在ANSYS软件中建立聚乙烯半圆管的三维模型，如图1所示。

图1 聚乙烯半圆管的有限元分析模型

模型中，半圆模型的参数如下：管外径110 mm，厚度10 mm，长度400 mm。内表面裂纹分布为：在半管模型的内表面径向方向45°,90°,135°创建长度400 mm,宽度1 mm,深度依次为1,2,3 mm的裂纹。

由于试验的环境受到背景辐射和大气衰减等因素的影响，故进行瞬态热分析的模拟，做一定的简化和设定：① 假设热空气的温度分布已经充分发展，聚乙烯管内的热空气保持稳定状态;② 不考虑轴向传递的温度及热量;③ 不考虑热空气与管内壁、管外壁与外部空气的热辐射;④ 管道温度初始值为30 ℃。

1.3 网格划分

在网格的划分过程中,考虑到管道内壁裂纹是不连续的实体单元[5]，因此对聚乙烯半圆管进行智能网格划分。笔者采用Volume Sweep扫掠方式进行网格划分，其结果如图2所示。

1.4 加载求解

采用恒定热流密度对聚乙烯管内壁进行加热，使内壁温度随加热时间的增加而增加。聚乙烯管外壁处于空气当中，因此采用恒热流边界条件，对流换热系数为12 W·m-2·℃-1，环境温度为30 ℃，总时间设定为150 s，分76步进行。在聚乙烯管模拟计算结果中读取93 s的模拟结果，聚乙烯管外表面温度分布如图3所示。

图4 聚乙烯管剖面模拟热像图

图2 聚乙烯半圆管的智能网格划分后模型

图3 聚乙烯管的模型温度分布云图

1.5 模拟结果分析

在ANSYS的模拟结果中,分别取出1.5,29,59,89,119,150 s时的聚乙烯管剖面的热像图，观察聚乙烯管剖面的温度随时间的变化，如图4所示。

从图中可看到热量在剖面上的传递过程，同时裂纹缺陷对热量传递的影响可以直观呈现出来。通过模拟的模型可以观察到聚乙烯管的外表面温度颜色的变化，温差越大，颜色差异性越大，缺陷越容易识别。在裂纹宽度相同的情况下，最早观测到的是1 mm×3 mm(宽度×深度，下同)的裂纹。从150 s时的模拟图可以看出，1 mm×3 mm裂纹处内表面热量最早传到外表面。因此在裂纹宽度相同时，裂纹越深的热量越快传递到外表面，缺陷越快被识别。

利用ANSYS中读取选定节点温度的方法，提取了各裂纹对应的聚乙烯管的外表面温度值，同时提取了无裂纹(参考点)对应的外表面温度值，绘制成T-t(温度-时间)曲线[6]进行分析,如图5所示。

从图5可知，在同一时间点，裂纹宽度相同时，裂纹深度越深，说明开始传递温度的节点距离外表面的距离越近，传递能量的所需时间越短。因此，随着时间的增加，温差也会加大，缺陷越深，越容易识别。

图5 各裂纹与参考点的温度-时间曲线

2 含裂纹缺陷聚乙烯管道红外无损检测试验

2.1 试件

选取的试件为一段聚乙烯压力管道，管道的规格(外径×长度×壁厚)为φ110 mm×400 mm×10 mm，如图6所示。

图6 试验用聚乙烯管外观

用锯片将聚乙烯管锯成两半，取出其中的半根聚乙烯管，再用锯片在聚乙烯管内壁加工出深度分别为1，2，3 mm的纵向裂纹。图7是加工含裂纹缺陷的聚乙烯管的平面展开图，裂纹间的周向距离为77 mm。图8是加工裂纹缺陷后的试件。

图7 缺陷设计展开平面图

图8 加工裂纹后的试件

2.2 试验平台

采用红外热像检测系统对含裂纹缺陷聚乙烯管道进行检测。红外热像检测系统[7]主要由空气加热系统、红外热像仪和计算机图像分析处理软件组成，其系统结构示意如图9所示。

图9 红外热像检测系统

2.3 试验结果分析

空气加热器对聚乙烯管开始加热时，红外热像仪上显示的温度比较均匀，聚乙烯管道外表面温度的差异不大。当聚乙烯管道表面温度到32 ℃左右时，PI160-120Hz型热像仪计算机图像分析处理软件上显示的温度出现明显的变化，逐渐显示出了管内1 m×3 mm裂纹缺陷的形状，并越来越明显；当温度达到约36 ℃时，裂纹的图像最清晰。随着加热时间的增加，各裂纹对应的外表面温度差异逐渐变小。图10是管内1 mm×3 mm裂纹缺陷的PE管道试件的加热120 s时的红外热像图。图中蓝色区域为管内1 mm×3 mm裂纹缺陷位置，试验结果热像图与有限元模拟结果的热像图的显示规律基本相同。由于施加的热激励是在管道的内表面，能量是从内表面向外不断地进行传递的，裂纹位置的能量传递得比无裂纹位置的要快，因此可通过温度云图的颜色变化区分出裂纹缺陷与非缺陷位置。

图10 管内1 mm×3 mm裂纹缺陷的PE管道试件的加热120 s时的红外热像图

从试验结果可看出，对于内部较小的1 mm×1 mm和1 mm×2 mm的裂纹，红外热像的检测效果不佳。利用PI160-120Hz型热像仪计算机图像分析处理软件采集出上述温差热图中各缺陷的表面时间-温度值，输出结果与有限元模拟结果进行对比，如图11所示。从图中可看出，试验中采集到的表面温度变化曲线与有限元模拟的曲线形状符合性较好，其变化规律和总体趋势基本相同，表明了笔者采用的试验装置和试验方法的可行性。

图11 各裂纹的试验与模拟的外表面温度变化对比曲线

3 结论

(1) 利用ANSYS有限元法模拟内表面有裂纹缺陷的聚乙烯管内表面施加热空气红外无损检测过程。从模拟结果中提取了若干时间点的聚乙烯管温度云图,获得了裂纹对应的聚乙烯管外表面节点温度值和参考点的温度-时间曲线,通过对比分析,确定了表面温度分布与裂纹缺陷大小和位置之间的关系,同时获取了最佳热激励时间等参数，可为红外热成像试验提供理论依据。对预制含裂纹缺陷的聚乙烯管道进行红外热成像检测，对比红外热成像检测结果与实物剖切图，验证了红外热成像检测方法对聚乙烯管内部裂纹缺陷的实际检测能力。

(2) 在实际应用检测中，其检测精度和效果会受被测表面的发射率和反射率、测量距离、大气衰减、背景辐射、环境温度以及热激励的选择等因素的影响。对于较小的聚乙烯管的裂纹缺陷，红外热像的检测效果不佳。因此在实际的检测中，正确选择红外热成像的参数设置，减少背景辐射和大气衰减的影响，寻求最佳的测量距离和选择最佳的热激励方式，都是值得研究和探索的。

[1] 赵石彬,张存林.红外热波无损检测技术用于聚丙烯管道缺陷的检测[J]. 光学学报,2010,30(2): 457-459.

[2] 邱旭，钟舜聪，朱志彬，等.聚乙烯管道缺陷的红外热成像模拟及实验研究[J].机电工程,2014,31(12):1513-1517.[3] 管和清,郭兴旺,马丰年. 铝合金梁裂纹振动红外热像检测的数值模拟[J]. 无损检测,2016,38(9):1-5.

[4] 缪鹏程,米小兵,张淑仪,等.超声红外热像检测中缺陷发热的瞬态温度场的有限元分析[J]. 南京大学学报(自然科学版),2005, 41(1):98-104.

[5] 辛文彤, 李志尊, 胡仁喜, 等. ANSYS13.0热力学有限元分析从入门到精通 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2011：180-188.

[6] 杜鹏.承压设备红外热像无损检测技术的研究[D].福州：福州大学, 2013.

[7] 敦怡,周兆英,伍玲,等.钛合金中微裂纹的超声红外热像检测技术研究[J].固体火箭技术,2012,35(4):555-558.

Nondestructive Testing of Crack of Polyethylene Pipe Joints Based on Infrared Thermal Imaging Technology

WANG Wenquan

(Xiamen Special Equipment Inspection Institute, Xiamen 361004, China)

The hot air infrared NDT process is simulated by the ANSYS finite element method (FEM) for inner surface cracks in polyethylene pipes. The relationships between the surface temperature distribution with the defect size and with the defect location are determined. In order to validate the FEM simulated results for pipeline defects, an active infrared thermal imaging experiment platform based on hot air heating excitation was built. The results showed that the experimental results were in good agreement with the simulated ones. It demonstrated that FEM method could be used to investigate infrared thermal imaging technology, and it also could provide a computational model for inner defect infrared detection technique.

polyethylene pipe; infrared thermal imaging; finite element simulation; air heating excitation

2017-04-18

王文泉(1982- )，男，工程师，主要研究方向为特种设备检验及红外热成像无损检测

王文泉，75529432@qq.com

10.11973/wsjc201708007

TQ325.1+2;TN219； TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0029-05