способ теплового неразрушающего контроля многослойных объектов

Формула изобретения

1. Способ теплового неразрушающего контроля многослойных объектов, при котором определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата контроля, и в течение всего временного интервала периодически регистрируют на внутренней и наружной поверхностях обследуемого участка многослойного объекта значения температур, задают произвольно и многократно значения коэффициента теплопроводности ( _i) каждого интересующего слоя обследуемого участка, и для каждого заданного значения коэффициента теплопроводности рассчитывают теоретически возможное значение плотности теплового потока через одну из поверхностей, используя для этого зарегистрированные данные обследуемого участка, определяют плотность теплового потока через выбранную поверхность обследуемого участка, сравнивают теоретически возможное значение плотности теплового потока с определяемым, выбирают для дальнейших расчетов сопротивления теплопередаче то значение коэффициента теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условия сравнения, отличающийся тем, что определяемую плотность теплового потока через выбранную поверхность обследуемого участка многослойного объекта получают с помощью референсной пластины, которую устанавливают на выбранную поверхность обследуемого участка, и в определенном заранее временном интервале периодически регистрируют температуры на поверхностях референсной пластины, после чего, используя нестационарное уравнение теплопроводности для референсной пластины и зарегистрированные данные для референсной пластины, определяют плотность теплового потока через поверхность референсной пластины, соприкасающуюся с выбранной поверхностью обследуемого участка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадь поверхности референсной пластины задают в пределах 10Н²S100Н ², где

S - площадь поверхности референсной пластины,

Н - толщина обследуемого участка многослойного объекта.

Описание изобретения к патенту

Предложенный способ относится к области неразрушающего контроля и найдет применение практически во всех процессах строительства, производства, эксплуатации, ремонта различных технических объектов, где необходимы диагностика, контроль качества, обеспечение работоспособности, безопасности эксплуатации непосредственно объектов и их отдельных узлов, блоков и деталей.

Одним из основных параметров, определяемых в тепловом неразрушающем контроле многослойных объектов, является сопротивление теплопередаче объекта (R₀). Сопротивление теплопередаче многослойного объекта, рассчитанное исходя из проектных данных для объекта, может существенно отличаться от реально существующего на данный момент времени. Это различие может быть связано с возникающими в процессе эксплуатации объекта изменениями теплофизических характеристик материалов слоев многослойного объекта. Одной из основных целей теплового неразрушающего контроля многослойных объектов является определение реально существующего на момент проведения измерений сопротивления теплопередаче исследуемого объекта. Достоверность результата определяется близостью измеренного значения сопротивления теплопередаче и реально существующего на момент проведения измерений. Целью всех существующих на сегодняшний день способов теплового неразрушающего контроля является повышение достоверности результата контроля.

Как правило, в исследуемом многослойном объекте можно выделить слой, наиболее сильно влияющий на процесс теплопередачи в исследуемом объекте. Основной характеристикой, определяющей теплофизические свойства материала слоя, является его коэффициент теплопроводности .

Аналогом предложенного способа может быть способ, положенный в основу действующего ГОСТа 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций» [1].

Согласно аналогу сопротивление теплопередаче обследуемого участка многослойного объекта определяют, исходя из значений средней за расчетный период времени плотности теплового потока через внутреннюю поверхность обследуемого участка При проведении контроля участка многослойного объекта одну из его поверхностей обозначают как "внутренняя", а другую как "наружная".

Недостатком аналога является то, что он применим лишь при тепловых режимах контроля, близких к стационарному, т.е. режиму, при котором значения температур на поверхностях обследуемого участка многослойного объекта не изменяются со временем. В практике теплового неразрушающего контроля исследования объектов проводятся, как правило, при существенно нестационарном температурном режиме. В нестационарном температурном режиме мгновенная величина плотности теплового потока через внутреннюю поверхности объекта отличается от усредненной по времени, и это необходимо учитывать при расчетах сопротивления теплопередаче (R₀). Поскольку в известном способе это не учтено, то процедура усреднения величины плотности теплового потока приводит к увеличению погрешности определения основного параметра - сопротивления теплопередаче (R₀). Следовательно, достоверность результата контроля, полученного с помощью использования известного способа, не велика. Как показывает практика, достоверность определения величины сопротивления теплопередаче при таком способе составляет величину порядка 70%.

Более достоверный результат контроля достигается в другом известном способе теплового неразрушающего контроля многослойных объектов, выбранном заявителем в качестве прототипа [2].

В прототипе учитывается возможная нестационарность температурного режима, и при расчетах сопротивления теплопередаче (R₀) используется серия значений величины плотности теплового потока, проходящего через внутреннюю поверхность объекта, Плотность теплового потока определяют в последовательные моменты времени в течение заранее определенного временного интервала. Для определения плотности теплового потока в прототипе используются датчики теплового потока.

Однако достоверность результата контроля с помощью прототипа также недостаточно велика и не приближена к 100%. Это связано с тем, что тепловой поток через поверхность объекта имеет две составляющие - конвективную и лучистую, а современные датчики теплового потока не совершенны и позволяют с достаточной точностью определить лишь лучистую составляющую теплового потока. В свою очередь, погрешность определения плотности теплового потока через поверхности объекта приводит к погрешности определения сопротивления теплопередаче (R₀) обследуемого участка многослойного объекта. К недостаткам прототипа можно отнести также большое количество используемых для измерений датчиков. В частности, для расчета сопротивления теплопередаче обследуемого участка необходимо измерять температуры обеих поверхностей обследуемого участка, температуры воздуха вблизи обеих поверхностей обследуемого участка, а также скорости движения воздушных масс вблизи поверхностей обследуемого участка объекта. Большое количество используемых датчиков приводит к усложнению процедуры контроля и к увеличению погрешности результата контроля.

Признаки предложенного способа, являющиеся общими с известным техническим решением, выбранным в качестве прототипа, заключаются в том, что вначале определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата контроля, и в течение всего временного интервала периодически регистрируют на внутренней и наружной поверхности обследуемого участка многослойного объекта значения температур. Затем задают произвольно и многократно значение коэффициента теплопроводности ( _i) каждого интересующего слоя обследуемого участка и для каждого заданного значения коэффициента теплопроводности рассчитывают теоретически возможное значение плотности теплового потока через одну из поверхностей, используя для этого зарегистрированные данные обследуемого участка. После этого определяют плотность теплового потока через выбранную поверхность обследуемого участка, сравнивают теоретически возможное значение плотности теплового потока с определяемым, выбирают для дальнейших расчетов сопротивления теплопередаче то значение коэффициента теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условия сравнения.

Техническая задача предложенного способа - повышение достоверности и объективности определения сопротивления теплопередаче многослойных объектов.

Решение технической задачи достигается тем, что определяемую плотность теплового потока через выбранную поверхность обследуемого участка многослойного объекта получают путем расчета с помощью референсной пластины, которую устанавливают на выбранную поверхность обследуемого участка и в определенном заранее временном интервале периодически регистрируют температуры на поверхностях референсной пластины. Затем, используя нестационарное уравнение теплопроводности для референсной пластины и зарегистрированные данные для референсной пластины, определяют плотность теплового потока через поверхность референсной пластины, соприкасающуюся с выбранной поверхностью обследуемого участка. Определенная таким образом плотность теплового потока используется в дальнейшем для сравнения с теоретически возможным значением плотности теплового потока через выбранную поверхность обследуемого участка многослойного объекта. При этом согласно проведенным расчетам площадь поверхности референсной пластины необходимо задавать в пределах: 10Н ²S100Н ², где

S - площадь поверхности референсной пластины,

Н - толщина обследуемого участка многослойного объекта.

Предложенный способ поясняется схемой, где на чертеже дана структура обследуемого участка многослойного объекта с прикрепленной к его поверхности референсной пластиной.

Обследуемый участок объекта состоит из трех слоев, из которых слои 1 и 2 являются граничными, а слой 3 является утеплителем.

На наружную поверхность граничного слоя 2 прикрепляют референсную пластину 4. Теплофизические характеристики материала референсной пластины, такие как удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности, известны - отсюда и название "референсная пластина" (т.е. пластина с известными характеристиками). На поверхности референсной пластины 4 прикрепляют датчики 5 и 6 температуры. На наружную поверхность граничного слоя 1 прикрепляют датчик температуры 7.

Для достижения максимально точного результата контроля референсную пластину изготавливают из материала с достаточно малым значением коэффициента теплопроводности ( _pn). В идеальном случае значение сопротивления теплопередаче (R_pn) референсной пластины должно быть максимально приближено к величине , где - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности обследуемого участка многослойного объекта.

При практическом использовании предложенного способа целесообразно на поверхности референсной пластины накладывать тонкие (толщина 1-2 мм) пластины из материала с большим коэффициентом теплопроводности (например, алюминий), а на боковые поверхности референсной пластины целесообразно накладывать пластины из материала с малым коэффициентом теплопроводности (например, утеплитель "Пеноплекс"). Это необходимо для выравнивания температурного поля на поверхности обследуемого участка.

Способ контроля осуществляют следующим образом.

Вначале определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата. Это связано с тем, что интервал времени измерений должен превышать некоторое пороговое значение для того, чтобы исключить ошибки, связанные с некорректным заданием начального распределения температуры внутри обследуемого участка многослойного объекта. С другой стороны, слишком большой интервал измерений приводит к неоправданному увеличению времени обработки экспериментальных результатов. Для этого берут образец с известными характеристиками (аналогичными проектным характеристикам исследуемого объекта) и помещают его в климатическую камеру. Затем в климатической камере в течение некоторого интервала времени имитируют температурный режим, характерный для условий контроля реальных объектов. В климатической камере это достигается за счет изменения температур воздуха вблизи поверхностей объекта. Зная теплофизические характеристики материала тестового объекта и решая нестационарное уравнение теплопроводности, определяют сопротивление теплопередаче объекта и сравнивают его с известным для данного образца. Так поступают многократно, пока не подберут временной интервал, при котором рассчитанное сопротивление теплопередаче образца не приблизится к известному в пределах допустимой погрешности (8-10%).

В случае если исследуемый многослойный объект неоднороден, то предварительно регистрируют температурное поле наружной поверхности объекта и выявляют зоны, в пределах которых температурное поле однородно. Референсные пластины необходимо установить на внутренней либо на внешней поверхности выявленных зон. В случае контроля ограждающих конструкций зданий и строительных сооружений предпочтение отдается внутренней поверхности объекта. Во-первых, саму пластину удобно крепить именно внутри помещения, а во-вторых, внутри помещения можно поддерживать постоянную температуру для обеспечения стационарного температурного режима, наиболее предпочтительного при использовании предложенного способа. Референсная пластина может быть прикреплена к поверхности обследуемого участка многослойного объекта либо с помощью клеящих веществ, нанесенных на поверхность пластины вблизи ее границ, либо с помощью дополнительных фиксирующих винтов, вкручиваемых в поверхностный слой объекта. Для обеспечения надежного термического контакта пластины и поверхности объекта на поверхность пластины необходимо нанести термопроводящую пасту.

Затем приступают к измерениям датчиками 5 и 6 температур поверхностей референсной пластины и датчиком 7 температуры внешней поверхности граничного слоя 1. Решая нестационарное уравнение теплопроводности для референсной пластины 4

где:

р_r, C_r и _r - соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности материала референсной пластины 4,

T(z,t) - температура внутри референсной пластины 4 в момент времени t в точке с координатой z, определяют плотность теплового потока через поверхность референсной пластины 4, к которой прикреплен датчик 5.

Рассчитанная таким образом плотность теплового потока равна плотности теплового потока через поверхность граничного слоя 2, соприкасающуюся с референсной пластиной 4.

Затем, используя показания датчиков 5 и 7, рассчитывают плотность теплового потока через поверхность граничного слоя 2, соприкасающуюся с референсной пластиной 4. Для этого в течение определенного ранее интервала времени измерений произвольно и многократно задают значение коэффициента теплопроводности ( _i) интересующего слоя 3 и, используя нестационарное уравнение теплопроводности для обследуемого участка, для каждого заданного значения коэффициента теплопроводности теоретически рассчитывают величину плотности теплового потока через поверхность граничного слоя 2 объекта, соприкасающуюся с референсной пластиной 4.

После этого для каждого заданного значения коэффициента теплопроводности сравнивают величину плотности теплового потока, определенную с помощью референсной пластины 4, с теоретически рассчитанной. Затем выбирают для дальнейших расчетов сопротивления теплопередаче обследуемого участка то значение коэффициента теплопроводности, которое смогло обеспечить максимальную близость величин рассчитанной и определенной плотности теплового потока.

Использование предложенного способа позволит учесть как лучистую, так и конвективную составляющую теплового потока. Кроме того, в предложенном способе исключается влияние ветра, которое трудно учесть как теоретически, так и экспериментально в процессе измерений. Существенным достоинством предложенного способа является уменьшение количества необходимых для измерений датчиков, таких как датчики температуры окружающего воздуха и датчиков теплового потока. Уменьшение количества используемых датчиков приводит к существенному упрощению процедуры контроля. Благодаря этому также появится возможность существенно повысить достоверность результатов контроля.

Предложенный способ найдет применение практически во всех процессах строительства, производства, эксплуатации, ремонта различных технических объектов, где необходимы диагностика, контроль качества, обеспечение работоспособности, безопасности эксплуатации непосредственно объектов и их отдельных узлов, блоков и деталей.

Литература

[1] Государственный стандарт Союза ССР ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций». Издание официальное Государственный комитет СССР по делам строительства. Москва. Утвержден и введен в действие Постановлением от 2 августа 1984 г. №127. У.Д.К. 624.01.001.4:006.354

[2] Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И., Троицкий-Марков Т.Е., Абрамова Е.В. Тепловой неразрушающий контроль изделий. - М.: Наука, 2002, стр.139-145.