Отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.7.2.001-2021 "Методические рекомендации по дистанционному определению наличия и степени развития усталостных трещин в элементах металлических пролетных строений автодорожных мостов (включая ортотропные плиты) методом инфракрасной термографии" (рекомендован распоряжением Федерального дорожного агентства от 27 декабря 2021 г. N 4782-р)

Отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.7.2.001-2021
"Методические рекомендации по дистанционному определению наличия и степени развития усталостных трещин в элементах металлических пролетных строений автодорожных мостов (включая ортотропные плиты) методом инфракрасной термографии"
(рекомендован распоряжением Федерального дорожного агентства от 27 декабря 2021 г. N 4782-р)

Предисловие

1. Разработан Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения".

2. Внесен Управлением научно-технических исследований, информационных технологий и хозяйственного обеспечения Федерального дорожного агентства.

3. Издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства Министерства транспорта Российской Федерации от 27.12.2021 N 4782-р.

4. Носит рекомендательный характер

5. Введен впервые

1 Область применения

Настоящий ОДМ устанавливает рекомендации по применению методики определения усталостных трещин в элементах металлических пролетных строений автодорожных мостов (включая ортотропные плиты) методом инфракрасной термографии.

Данный методический документ рекомендуется для применения при осмотрах, обследованиях, испытаниях и мониторинге технического состояния мостовых сооружений, эксплуатируемых на федеральных автомобильных дорогах Российской Федерации. Для мостовых сооружений, расположенных на дорогах иной подчиненности, этот документ может использоваться по решению соответствующих органов управления.

2 Нормативные ссылки

В настоящем отраслевом дорожном методическом документе использованы нормативные ссылки на следующие документы:

ГОСТ Р 53698-2009 Национальный стандарт Российской Федерации. Контроль неразрушающий. Методы тепловые. Термины и определения

ГОСТ Р ИСО 18434-1-2013 Контроль состояния и диагностика машин. Термография. Часть 1. Общие методы.

СП 79.13330.2012 Свод правил. Мосты и трубы. Правила обследований и испытаний. Актуализированная редакция СНиП 3.06.07-86

3 Термины и определения

В настоящем отраслевом дорожном методическом документе применены термины по ГОСТ Р 53698-2009 и ГОСТ Р ИСО 18434-1-2013, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 абсолютный ноль: Температура 0 К = -273,15 °C.

Примечание - Все объекты, температура которых выше абсолютного нуля, обладают тепловым излучением.

3.2 абсолютно черное тело: Идеализированный объект, поглощающий всю энергию падающего инфракрасного излучения для всех длин волн (коэффициенты отражения и пропускания равны 0, коэффициент излучения равен 1), преобразующий ее в собственное инфракрасное излучение и полностью излучающий его.

Примечание - Коэффициенты излучения реальных тел всегда меньше единицы, поскольку часть падающего излучения всегда отражается поверхностью реального тела и частично поглощается. Интенсивность излучения абсолютно черного тела определяется законом Планка.

3.3 адиабатические условия: Условия нагружения конструкции, когда прирост тепла (разогрев) при механическом деформировании существенно превышает отток тепла за счет диффузии в материале и конвекции (рассеивание тепла во внешнюю среду).

Примечание - При адиабатических условиях нагружения оттоком тепла за счет диффузии и конвекции можно пренебречь. Скорость разогрева при механическом деформировании зависит от скорости нагружения и амплитуды напряжений. На мостах под обращающимися грузовиками массой более 20 т при скоростях движения более 30 км/ч, как правило, условия нагружения соответствуют адиабатическим.

3.4 микроболометр (тепловой детектор, инфракрасный детектор):

Преобразователи (ИК-датчики), которые отбирают падающее ИК-излучение и вырабатывают электрический сигнал, пропорциональный общему потоку инфракрасного излучения, падающему на поверхность детектора.

Примечание -

Существует два основных класса инфракрасных детекторов: тепловые и фотонные. Оба типа реагируют на поглощенные фотоны, но используют разные механизмы отклика, которые приводят к различиям в скорости отклика, чувствительности отклика к длине волны спектра и температурной чувствительности.

Принцип действия тепловых детекторов (микроболометров) основан на изменении электрического сопротивления (емкости, электрического напряжения) полупроводникового термочувствительного элемента при поглощении им инфракрасного излучения (нагревании).

Изменение этих электрических свойств в зависимости от уровня входного электромагнитного потока измеряется внешней электрической цепью. Скорость отклика теплового детектора ниже, чем у фотонных детекторов из-за времени, необходимого для нагрева устройства после поглощения падающего потока. Наиболее распространенными являются полупроводниковые неохлаждаемые микроболометры, группируемые в массивы (микроболометрические матрицы), располагаемые в фокальной плоскости объектива.

В фотонных полупроводниковых детекторах поглощенный фотон мгновенно переводит электроны полупроводникового датчика из непроводящего состояния в проводящее, вызывая изменение электрического сопротивления полупроводникового материала, которое можно измерить с помощью внешней цепи. Основной способ формирование кадра - сканирование, т.е. последовательное подсвечивание строк термочувствительной подложки при перемещении щели сканера (как правило, в вертикальном направлении). Фотонные детекторы заметно быстрее тепловых; однако их скорость отклика ограничивается характеристиками электрической схемы считывания (механического перемещения сканера).

Основными характеристиками отдельных детекторов являются диапазон спектральной чувствительности (для теплового неразрушающего контроля мостовых конструкций пригодны детекторы со средневолновой - 3-5 мкм и длинноволновой - 8-14 мкм чувствительностями), скорость отклика на инфракрасное воздействие, температурная чувствительность (NETD), численно равная мощности излучения, которое вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов микроболометра.

3.4 время стабилизации температуры: Промежуток времени, требуемый тепловизору для адаптации к температуре окружающей среды на месте проведения измерений.

3.5 градус Кельвина (Кельвин) (K): Единица измерения температуры.

Примечания - 0 K соответствует абсолютному нулю (-273,15 °C).

Перевод из градусов Цельсия в градусы Кельвина K = °С + 273,15.

3.6 градус Цельсия (°С): Единица измерения температуры.

Примечания - При нормальном давлении нулевая отметка по шкале Цельсия (0°C) является температурой замерзания воды.

Перевод из градусов Кельвина в градусы Цельсия °C = K - 273,15.

3.7 излучательная способность - Отношение излучения объекта к излучению абсолютно черного тела (выражается числом от 0 до 1).

3.8 инфракрасное (тепловое) излучение (infrared (thermal) radiation): Форма переноса тепловой энергии, связанная с излучением и поглощением электромагнитных волн в диапазоне длин волн от 0,75 (нижняя граница видимого света) до 1000 мкм.

Примечание - В отличие от переноса тепловой энергии за счет теплопроводности и конвекции тепловое излучение может распространяться в вакууме. Тепловое излучение, переносящее энергию от обследуемого объекта до детектора излучения, является основой инфракрасной термографии.

Инфракрасный диапазон электромагнитного излучения делится на ближневолновой (коротковолновой), средневолновой, дальневолновой (длинноволновой). Для технической диагностики строительных объектов обычно применяют тепловизоры, работающие в средневолновом (от 3 мкм до 5 мкм) и дальневолновом (от 8 мкм до 14 мкм) диапазонах инфракрасного излучения электромагнитного спектра, т.к. атмосфера в этих диапазонах имеет так называемые атмосферные окна с наибольшими коэффициентами пропускания атмосферы. В дальневолновом диапазоне коэффициент отражения атмосферы меньше, чем в средневолновом, что позволяет работать на большем удалении от объекта с наименьшими помехами.

3.9 калориметрический тепловой метод; калориметрический метод:

Метод теплового неразрушающего контроля, основанный на измерении количества теплоты, выделенной объектом контроля.

[ГОСТ Р 53698-2009].

3.10 компьютерная измерительная система: Комплект электронных приборов, коммуникаций, электронных вычислительных средств и программ для регистрации и обработки результатов измерений.

[СП 79.13330.2012, пункт 1.6].

3.11 конвекция: Перемещение тепла в соответствии с передвижением инфракрасной энергии в жидкости или газе потоками самого вещества (вынуждено или самопроизвольно).

3.12 коэффициент излучения (emissivity) б: Отношение излучения поверхности объекта к излучению абсолютно черного тела при той же температуре и в том же интервале длин волн.

[ГОСТ Р ИСО 184 34-1-2013, пункт 3.4].

Примечание - Коэффициент излучения изменяется в зависимости от свойств поверхности, материала и (для некоторых материалов) от температуры объекта. Выражается числом от 0 до 1.

3.13 коэффициент отражения (reflectivity) : Отношение общей энергии излучения, отраженной поверхностью, к общей энергии излучения, падающего на эту поверхность, показывает степень способности материала отражать инфракрасное излучение.

[ГОСТ Р ИСО 184 34-1-2013, пункт 3.11].

Примечание - Справедливо соотношение (см. п.п. 3.12 и 3.14). Зависит от свойств поверхности, температуры и типа материала. Для зеркала коэффициент отражения приближается к единице, а для абсолютно черного тела равен нулю. Выражается числом от 0 до 1 .

3.14 коэффициент пропускания (tranmissivity) т: Отношении энергии прошедшего через объект инфракрасного излучения к энергии излучения, упавшего на объект, в заданном диапазоне длин волн.

[ГОСТ Р ИСО 184 34-1-2013, пункт 3.18].

Примечание - Для металлов коэффициент пропускания равен нулю.

3.15 магнитострикционное устройство: Устройство для высокочастотного механического воздействия на конструкцию путем передачи ультразвуковых колебаний в исследуемую деталь индентором (бойком) под действием динамической силы.

3.16 мгновенное поле зрения (пространственное разрешение, наименьший видимый объект, iFOV): Отношение минимальной горизонтального размера площади поверхности объекта, инфракрасное изучение которого при заданном угле зрения в горизонтальной плоскости и фокусном расстоянии объектива может быть распознано одним детектором (пикселем микроболометрической матрицы) с расстояния измерения, к этому расстоянию.

Примечание - Пространственное разрешение указывается в мрад (миллирадиан). В паспортных характеристиках тепловизоров указывается для расстояния в 1 м. Существуют математические алгоритмы и готовые калькуляторы для пересчета пространственного разрешения на любое расстояние измерения. Поскольку излучение воспринимается одним пикселем матрицы, то наличие градиентов температур на этой площади выявлено не будет. Для обнаружения таких градиентов, если есть предположение об их наличии (например, в вершинах трещин), следует изменить расстояние измерения (приблизить камеру или изменить угол зрения объектива)

3.17 мгновенное поле зрения по измерению (наименьший измеряемый объект, iFOVmeans): Определяет наименьшую площадь поверхности S, измеряемого объекта, для которого возможно точное измерение температуры тепловизором.

Примечание - Измеряемая площадь (размер дефекта) должна быть в минимум 3 раза больше площади, закрываемой одним пикселем (IFOV): .

Минимальные размеры площади поверхности S = t х t, мм, которая может быть исследована методом инфракрасной термографии, определяют как , где L - расстояние между тепловизором и объектом исследования, м.

3.18 метод анализа термоупругих напряжений: Дифференциальный метод определения изменения напряжений в элементах конструкций на основе данных о рассевании энергии при механическом деформировании.

Примечание - В англоязычной среде имеет название Thermoelastic Stress Analysis (TSA). Получение данных о напряжениях основывается на общих принципах метода инфракрасной термографии и законов термодинамики. Позволяет определять изменение напряжений по площади ("полному полю", fullfield) элемента конструкции.

3.19 метод инфракрасной термографии (тепловизионный метод, инфракрасная термография): Метод теплового неразрушающего контроля, основанный на сборе и анализе информации о тепловом излучении контролируемого объекта с помощью тепловизоров или тепловизионных модулей.

Примечание - Дефекты и повреждения обнаруживаются по неравномерностям температурного поля на поверхности объекта. Температурное поле может быть стационарным (неизменяющимся во времени) и нестационарным. При механических нагружениях температурное поле является нестационарным, а источником неравномерностей (температурных аномалий) - повышенная диссипация (рассеивание) энергии в вершинах видимых трещин, зонах микротрещинообразования при деформировании материала (если трещина еще не вышла на поверхность), из-за эффекта внутреннего трения в материале (наличия концентраторов напряжений), возможного взаимного трения берегов при закрытии трещины и т.д.

3.20 микроболометрическая матрица: Конструктивный элемент тепловизора, состоящий из двумерного массива с большим количеством ИК-датчиков (микроболометров).

3.21 мониторинг технического состояния: Контроль во времени физического и напряженно-деформированного состояния сооружения, в том числе инструментальными методами, с целью поддержания необходимого уровня его потребительских свойств.

[СП 79.13330.2012, пункт 1.9].

3.22 нестационарное температурное поле объекта контроля; нестационарное температурное поле: Поле объекта контроля, температура которого изменяется не только по поверхности объекта контроля, но и с течением времени

[ГОСТ Р 53698-2009, пункт А.2].

3.23 обследование моста: Исследование физического и напряженно-деформированного состояния конструкций, включающее ознакомление с технической документацией, осмотр сооружения, инструментальные измерения, выполняемые с целью оценки уровня потребительских свойств сооружения и выработки рекомендаций по его эксплуатации.

[СП 79.13330.2012, пункт 1.11].

3.24 осмотр моста: Преимущественно визуальное освидетельствование сооружения с составлением ведомости дефектов и повреждений.

[СП 79.13330.2012, пункт 1.12].

3.25 первичная обработка изображения (image processing):

Преобразование полученного тепловизором (тепловизионным модулем) инфракрасного изображения в цифровую форму и подготовка данных для передачи на компьютер или для визуального анализа.

[ГОСТ Р ИСО 184 34-1-2013, пункт 3.6].

Примечание - Такая обработка может включать в себя привязку шкалы температур; измерение температуры участка поверхности; построение температурных профилей; преобразование, вычитание и хранение изображений.

3.26 обработка сигнала (signal processing): Преобразование сигнала с датчика температуры или данных, полученных в результате обработки термограммы, в целях управления процессом.

[ГОСТ Р ИСО 184 34-1-2013, пункт 3.14].

Примечание - Такая обработка может включать в себя удержание максимального/минимального значений: усреднение, совмещение, вычитание или фильтрация данных (для тепловизоров).

3.27 пиксель: Синоним элемента изображения, одна точка изображения.

3.28 поле зрения (FOV): Горизонтальное поле зрения инфракрасного объектива тепловизора.

Примечание - Поле зрения указывается как угол в горизонтальной плоскости (например, 32°) и определяет область, попадающую в поле зрения тепловизора. Поле зрения зависит от типа детектора инфракрасного излучения, применяемого в тепловизоре, и от используемого объектива. Широкоугольный объектив (например, 45 °) имеет большое поле зрения, телеобъектив (например, 12 °) - малое поле зрения. Широкоугольный объектив может быть полезен для захвата большой площади объекта при съемках с малых расстояний. Телеобъектив может быть применен для исследования малых площадей (например, зон около пят сварных швов) с больших расстояний (более 10 м).

3.29 температурная чувствительность (NETD): Разница температур, эквивалентная шуму детектора.

Примечание - Принимается как среднее значение стандартного отклонения по времени для всех пикселей, полученное из анализа 256 последовательных изображений черного тела. При уровне сигнала, превышающим NETD, как правило, не требуется дополнительная обработка сигнала. В противном случае полезный сигнал оказывается затерянным среди шума и для его выделения необходимо применять специальные методы.

3.30 температурное поле: Распределение значений температуры по поверхности контролируемого объекта.

3.31 тепловизор (инфракрасная камера, infrared thermography camera): Прибор, предназначенный для приема инфракрасного излучения поверхности обследуемого объекта и преобразования его в видимое изображение и/или передачи в виде набора массивов радиометрических данных о кажущейся температуре поверхности.

Примечания - Тепловизор измеряет инфракрасное излучение от поверхности объекта, а не ее температуру. Полученное инфракрасное излучение преобразуется в значения температуры посредством поправочных коэффициентов, учитывающих излучательную способность поверхности, состояние окружающей среды, угол визирования и др.

По типу детекторов тепловизоры делятся на: квантовые (фотонные) детекторы, обычно охлаждаемые, и микроболометры, не охлаждаемые.

По способу формирования массива радиометрических данных тепловизоры различают сканирующие и матричные.

Для сканирующих тепловизоров формирование матрицы температур по полю происходит по мере продвижения щели сканера по термочувствительному элементу. Перемещение щели производится механически по вертикали или горизонтали. Имеют высокую чувствительность, но относительно длительную реакцию на тепловое воздействие и требуют охлаждения матрицы до криогенных температур (как правило, жидким азотом). Неприменимы для быстрых процессов (например, для измерения мгновенных изменений теплового излучения с поверхности при проходе отдельных осей нагрузки). Могут быть эффективно использованы при относительно длительных методах наблюдениях, где важным контрольным фактором является накопленная энергия. В частности, вершины трещин при их длительном разогреве под длинносоставной проходящей нагрузкой также могут быть выявлены методом накопления. Контрольной характеристикой таких камер является время формирования кадра (например, 0,8 с, 1,2 с, 3,1 с).

Примечание: - в сканирующих устройствах формирование кадра происходит перемещением луча оптической системы по термочувствительной подложке. В этом случае время формирования кадра определяется временем перемещения сканирующего луча по всей поверхности подложки. В настоящее время к тепловизорам такого типа в России относятся тепловизоры семейства ИРТИС.

В матричных тепловизорах с матрицей в фокальной плоскости радиометрические данные формируются по всему полю матрицы одновременно и поэтому могут быть использованы для контроля изменения температур поверхности в быстродействующих процессах, протекающих, например, под воздействиями каждой из осей проходящей нагрузки непосредственно. Контрольной характеристикой таких камер является частота обновления радиометрических данных.

В тепловизорах с микроболометрической матрицей в фокальной плоскости поглощенные фотоны вызывают изменение температуры, которое затем обнаруживается путем измерения температурно-зависимых свойств материала детектора. Входящая в состав прибора оптическая система фокусирует инфракрасное излучение на микроболометрической матрице, которая состоит из чувствительных элементов (микроболометров, пикселей), расположенных в форме сетки (растра). Каждый пиксель матрицы реагирует на сфокусированное на нем инфракрасное излучение и генерирует электронный сигнал. Процессор тепловизора принимает сигнал от каждого пикселя матрицы и на основе математического расчета преобразует его в значения температур, которые могут быть переданы в виде радиометрических данных на внешнее устройство для последующей обработки и/или выведены на экран тепловизора как температурное изображение (тепловое изображение) объекта в соответствии с выбранной цветовой картой видимой температуры.

3.32 тепловизионный модуль: Устройство для приема инфракрасного излучения поверхности обследуемого объекта и передачи его в виде набора массивов радиометрических данных (термограмм) о кажущейся температуре поверхности.

Примечание - в отличие от тепловизора, тепловизионный модуль как правило не обладает средствами визуализации и первичной обработки термограмм

3.33 тепловой неразрушающий контроль: Контроль, основанный на анализе температурных (тепловых) полей объекта контроля, при котором не должна быть нарушена пригодность технических устройств, зданий и сооружений к применению и эксплуатации.

3.34 теплопроводность (тепловая проводимость): Передача тепловой энергии между смежными частицами. Энергия всегда передается от более теплых к более холодным частицам. В отличие от конвекции при проводимости частицы не перемещаются.

3.35 термограмма: Тепловое изображение объекта контроля или его отдельного участка.

[ГОСТ Р 53698-2009, пункт 2.1.8].

Примечания - как правило изображение температурных полей контролируемого объекта в видимом диапазоне, получаемое с помощью измерительных приборов (тепловизоров). Распределение температуры на поверхности объектов отображается посредством использования различных цветов для разных значений температуры.

3.36 угол визирования: Угол между нормалью к поверхности элемента и визирной осью тепловизора.

3.37 частота обновления (частота): Техническая характеристика тепловизора в Гц, указывающая на количество обновлений радиометрических данных в секунду (например, 9 Гц / 30 Гц /60 Гц).

Примечание - частоту обновления радиометрических данных не следует путать с частотой обновления изображения на экране тепловизора, также часто присутствующую в технических характеристиках прибора.

3.38 шум: Случайное колебание электрического выходного сигнала детектора, не связанное с внешним воздействием.

Примечание - основными видами шумов, создаваемыми самими детекторами, являются дробь, генерация-рекомбинация, повышенная частота (1 / f) и колебания температуры, зависящие от площади детектора, полосы пропускания и температуры. Для повышения температурной чувствительности инфракрасной системы шум необходимо минимизировать.

3.39 эталонная температура: Значение температуры, используемое для сравнения обычных данных измерений.

4 Общие указания

4.1 Общие сведения о применение метода инфракрасной термографии при обследовании и оценке технического состояния мостов

4.1.1 При обследовании металлических конструкций мостов согласно п. А.9 СП 79.13330.2012 для выявления внутренних дефектов сварных швов наряду с другими методами неразрушающего контроля применяют радиографические методы, использующие в своей работе свойства электромагнитного излучения.

4.1.2 Метод инфракрасной термографии является радиографическим методом неразрушающего контроля, поскольку основан на преобразовании инфракрасного излучения, испускаемого телом, в электрический сигнал. В отличие от рентгенографии, которая работает с проникающим излучением, создаваемым специальным устройством, инфракрасная термография использует собственное излучение тела в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра. При этом метод инфракрасной термографии является абсолютно безопасным методом по сравнению с методом рентгенографии.

Способность метода инфракрасной термографии к выявлению внутренних дефектов (неоднородностей в металле шва, непроваров) сварных швов и возникающих в процессе эксплуатации повреждений в сварных швах и основном металле конструкции в околошовной зоне (усталостных трещин) основана на различиях в термодинамическом отклике элементов конструкции на механические воздействия в поврежденной и не поврежденной областях.

Метод инфракрасной термографии построен на термодинамических принципах и поэтому требует для своего использования механических воздействий на конструкцию - измерения должны проводиться под испытательной динамической или обращающейся нагрузками.

Примечание - При проведении качественного анализа, основанного на накоплении (суммировании) максимальных значений температурного отклика, для возбуждения местных механических колебаний в элементе конструкции вблизи зоны исследования может быть использован высокочастотного механического воздействия с помощью магнитострикционных устройств. Пример такого устройства приведен в приложении А.

4.1.3 В основе метода лежит способность тела изменять температуру при деформировании. Эта способность описывается уравнением Кельвина, связывающее изменение напряжений в теле при упругом деформировании с изменением его температуры:

,

(4.1)

где - изменение температуры, К;

- сумма приращения главных напряжений (первый инвариантом приращения напряжений), МПа;

- коэффициент теплового расширения, ;

- плотность, ;

- удельная теплоемкость материала при постоянном давлении, ;

T - абсолютная температура, К.

Примечание - Уравнение Кельвина является частью полного дифференциального уравнения теплопроводности

,

(4.2)

где - плотность материала;

- изменение температуры в точке (х, y, z) за время ;

- изменение температуры за счет диффузии энергии (теплопередачи);

- изменение температуры за счет теплоотдачи в окружающую среду (конвекции и радиационного излучения);

- интенсивность внешних и внутренних источников тепла;

,

(4.3)

где - коэффициент теплопроводности, Вт/мК;

,

(4.4)

где - коэффициент теплоотдачи с поверхности, ;

h - параметр открытой поверхности - отношение периметра открытой поверхности к ее площади;

- температура окружающей среды, К.

Уравнение (4.1) может быть получено из уравнения (4.2) при и .

Рисунок 4.1 иллюстрируют эффект Кельвина. На рисунке 4.1 показаны сигналы: синий - изменения температуры, красный - изменения напряжений. Сигналы приведены в нормализованном виде - минимальному значению сигнала соответствует 0, а максимальному 1. Все значения температурного сигнала умножены на -1. Графики, показанные на рисунке 4.1, показывают синхронное изменение напряжений и температуры.

Упругие деформации составляют обратимую часть термодинамического процесса - при увеличении объема тела с ростом растягивающих напряжений температура падает, а при уменьшении (сжатии) - возрастает. В случае пластической деформации и возникающих при этом разрушениях в кристаллической решетке переход механической энергии деформирования в тепловую энергию становится необратимым. Изменение напряжений в вершине трещины резко возрастает по сравнению с окружающими ее неповрежденными участками. Согласно (4.1) также ощутимо возрастает и тепловыделение в вершине трещины - происходит саморазогрев металла. Интенсивность саморазогрева характеризует интенсивность самого процесса разрушения.

Рисунок 4.1 - Графики изменения напряжений в продольных рёбрах ортотропной плиты под проходящим седельным тягачом, совмещенные с изменениями температуры (изменения температуры приняты с обратным знаком)

За счет явления теплопереноса (термодиффузии) тепло от места разрушения (вершины трещины) распространяется по ближайшему объему материала и достигает наружной поверхности. Внешне это приводит к повышению температуры поверхности элемента над областью разрушения. Такое повышение температуры носит локальный характер, поэтому область над вершиной трещины становится хорошо различимой в инфракрасном диапазоне на фоне теплового излучения соседних участков. Таким образом, анализируя интенсивность инфракрасного излучения в некоторой области конструкции, имеется возможность выявления фактического положения вершин трещин (концентраторов напряжений), а также и прогнозирование их развития.

4.1.4 Достоверность получаемой информации зависит от соответствия применяемых приборов (тепловизоров, тепловизионных модулей) условиям измерения, правильности проведения измерений и от методики обработки радиометрических данных.

Для обнаружения и контроля развития трещин и микроповреждений методом инфракрасной термографии удаления лакокрасочного покрытия, как правило, не требуется.

Примечание: - Данные о некоторых тепловизорах и тепловизионных модулей, выпускавшихся на момент разработки настоящего ОДМ, приведены в приложении А.

4.1.5 Основной тепловизоров (тепловизионных модулей, ИК-камер) является матрица термочувствительных элементов (детектор). Количество термочувствительных элементов определяет размер матрицы (например, матрица размером 320 х 240 пикселей содержит 76800 термочувствительных элементов). Такие элементы изменяют электрическое напряжение при попадании на них через оптическую систему (объектив) фотонов электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне. В дальнейшем встроенным программным обеспечением ИК-камеры выполняются выравнивание интенсивности излучения по всей матрице (устранение краевых искажений, свойственных любой оптической системе - процедура NUC), калибровка (установление соответствия изменения электрического напряжения кажущейся температуре), корректировка кажущейся температуры по задаваемым оператором значениям фоновой температуры (температуры среды) и коэффициентом излучения - получение фактической температуры поверхности. Откорректированные таким образом данные, полученные от каждого термочувствительного элемента, записываются в массив радиометрических данных (термограмму) в виде значений температур, и могут отображаться на встроенном дисплее ИК-камеры в различных цветовых гаммах, выбираемых оператором, после преобразования значений температур в значения цветов RGB (стандартной системы цветов, принятой в компьютерной графике). Такое отображение может быть сделано также позже пользователем по своим собственным программам компьютерной графики.

Снятие значений с термочувствительных датчиков происходит в течение некоторого времени (время формирования кадра) и в технических характеристиках детектора ИК-камеры представляется в виде частоты формирования кадров (например, частота 9 Гц означает, что за 1 секунду детектор может сформировать и записать 9 кадров-термограмм, рисунок 4.2). Аналогом может являться частота опроса в тензометрических и других электронных измерительных системах.

Рисунок 4.2 - Пакет термограмм, записанных за время t; (x, у, t) - значение температуры в пикселе (x, у) в момент времени t

Поле зрения и мгновенное поле зрения ИК-камер определяется совместно размером матрицы детектора, углом зрения в горизонтальном направлении и фокусным расстоянием объектива (рисунки 4.3 и 4.4).

Пространственное разрешение или мгновенный угол поля зрения iFOV измеряется в милирадианах (мрад), приходящийся на один пиксель матрицы детектора:

,

(4.5)

где - угол поля зрения объектива по горизонтальной оси, град.; п - количество пикселей матрицы детектора по горизонтали.

Рисунок 4.3 - К определению поля зрения (FOV) тепловизоров: , , - расстояние от тепловизора до объекта измерения, м; , , - ширина обзора по горизонтали, м; , , - ширина обзора по вертикали, м; , , - минимальный размер объекта, "видимый" на расстоянии , , , соответственно, .

Рисунок 4.4 - Представление мгновенного поля зрения тепловизора

Как правило в ИК-камерах для расчета температуры в одном пикселе берется усредненное значение на основе соседних пикселей (обычно 3 х 3 пикселя). Таким образом, минимальный размер объекта , температура которого будет распознана на расстоянии D, определяется как

.

(4.6)

На расстоянии D (м) тепловизор способен различать области с разной температурой, если они имеют размеры более (мм). Если же внутри квадрата со стороной будет несколько областей, отличающихся по температуре, прибор не сможет их различить и выведет усредненное значение. Таким образом, чем дальше тепловизор находится от объекта, тем больше будет "размыто" изображение.

По этой же причине для корректного измерения температуры объекта необходимо, что бы он полностью "попадал" в пиксель (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - Корректное измерение температуры объекта: а) правильно; б) не правильно.

Размеры области исследования определяются как (рисунок 4.6):

по горизонтали ; по вертикали .

ГАРАНТ:

Нумерация пунктов приводится в соответствии с источником

4.1.7 Для анализа развития трещины при эксплуатационных нагрузках (при возникающих номинальных напряжениях более 30 МПа и скоростях нагружения не менее 600 МПа/с) необходимо обеспечить размер iFOV не более 3 мм. В приложении А приведены данные по изменению величин iFOV и FOV в зависимости от размеров матрицы детектора, углов зрения объективов, расстояния до области измерения для некоторых типов ИК-камер.

Примечание: - Пример тензограммы, полученной в продольном ребре жесткости ортотропной плиты в зоне проведения инфракрасной съемки под проходящим по мосту 4-х осным самосвалом, приведен на рисунке 4.7. Скорость изменения напряжений составила 1545 МПа/с при амплитуде напряжений около 40 МПа. Измерения деформаций были проведены с помощью системы ТензорМС, включенной в государственный реестр средств измерений.

Рисунок 4.6 - К определению размера области исследования: D - расстояние измерения; f - фокусное расстояние объектива

Рисунок 4.7 - Тензограмма, полученная под проходящим тяжелым грузовиком в зоне проведения тепловизионных наблюдений в продольном ребре жесткости ортотропной плиты

4.1.8 Качество инфракрасного сигнала, полученного с поверхности элемента конструкции под действием переменных механических нагрузок, и возможность его дальнейшего анализа зависит от следующих факторов:

- частоты приложения нагрузки (количество осей нагрузки за период измерения) и скорость движения нагрузки (скорость изменения напряжений при нагружении) ¹;

- амплитуды напряжений, вызываемой движущейся нагрузкой ²;

- угла визирования (съемки) и пространственного разрешение оптической системы (объектива) тепловизора (тепловизионного модуля) ³;

- излучательной способности и физического состояние покрытия поверхности: толщины и состояния лакокрасочного покрытия, наличия коррозии, влажности поверхности ⁴.

Примечания:

¹ При достаточно высокой скорости изменения напряжений (не менее 600 МПа/с), которая напрямую связана со скоростью движения транспортных средств, в элементе конструкции реализуются адиабатические условия, когда рассеиванием тепла в материале и во внешнюю среду можно пренебречь. Как правило, такая скорость нагружения реализуется под всеми проходящими тяжелыми транспортными средствами (грузовиками, самосвалами, фурами).

² Если амплитуда напряжений вызывает термоупругий отклик, близкий или меньший чувствительности NETD, для сбора и обработки данных следует применять специальные способы, описанные в приложении Б. Если термоупругий отклик элемента конструкции превышает NETD, применение специальных приемов не является обязательным, но остается желательным, поскольку в любом случае увеличивает качество получаемых данных.

³ Углы визирования должны находиться в пределах от 5° до 45°.

⁴ Коэффициенты излучения для различных материалов без покрытия и рекомендации по определению фактического значения коэффициентов излучения приведены в приложении В. Окрашенные поверхности мостовых конструкций, как правило, имеют коэффициент излучения s = 0,9-0,95, что является достаточным для использования метода инфракрасной термографии (как качественной, так и количественной). При необходимости для повышения качества измерений рекомендуется дополнительно покрывать исследуемую область матовым графитовым спреем.

4.1.9 Для выделения полезного сигнала из сильно зашумленного исходного теплового сигнала могут быть использованы два способа, подробно описанных в приложении Б:

- синхронизация тепловых измерений с данными тензометрических измерений деформаций, принимаемых за эталонные (опорные);

- самосинхронизация тепловых сигналов, полученных из исследуемой и эталонной (заведомо бездефектной) областей конструкции. Такие сигналы извлекаются из одного и того же набора термограмм и, соответственно, не требуют установки тензодатчиков.

Примечание - Ориентировочно изменению температуры на 1 градус соответствует изменение напряжений в стали 1000 МПа. Таким образом, при NETD = 0,05 К изменение напряжений, выше которого могут не потребоваться меры по синхронизации измерений, составит 50 МПа. Однако, поскольку уровень изменения напряжений заранее не известен, то указанные процедуры синхронизации измерений следует проводить всегда. Для проведения качественной сравнительной диагностики достаточно использовать метод самосинхронизации тепловых сигналов между собой. Для количественной диагностики применение синхронизации тепловых сигналов с сигналами тензодатчиков является предпочтительным (таблица 4.1).

4.1.10 Для диагностики и мониторинга технического состояния элементов мостовых конструкций под механическими воздействиями могут быть использованы разновидности метода инфракрасной термографии - методы сравнительной количественной и сравнительной качественной термографии.

Для выполнения исследовательских работ, целью которых является изучение напряженно-деформированного состояния элементов конструкции, следует применять точный количественный (калориметрический) метод - метод анализа термоупругих напряжений.

Таблица 4.1 Исходные и обработанные изображения сильнозашумленного сигнала

Изображение на экране тепловизора	Термограмма после выделения полезного сигнала из исходного сильнозашумленного (напряжения вызывали изменения температуры меньше величины NETD)

4.2 Сравнительная качественная термография

4.2.1 Метод сравнительной качественной термографии [ГОСТ Р ИСО 18434-1-2013, пункт 4] не требует знания абсолютных значений температуры объекта. Метод использует относительную разницу в тепловом отклике на механическое воздействие на участке (площади) контролируемого элемента конструкции для получения необходимой исходной информацию для оценки состояния элемента. Метод использует накопительную (интегральную) схему выявления неисправностей - для каждого i-го пикселя матрицы за время наблюдения под нагрузкой вычисляется сумма разницы температур . Пиксели с наибольшими значениями указывают на высокую вероятность наличия дефекта или повреждения в пределах площади конструкции, закрываемой этими пикселями (рисунок 4.8):

,

(4.6)

где - изменение температуры поверхности ДТ, в i-й точке (пикселе) за время dt; и - границы суммирования записи по времени в момент прохождения нагрузки над сечением (определяется оператором из условия получения наилучшего результата).

Рисунок 4.8 - Термограмма пятки сварного шва с зарождающимися трещинами после интегрирования (суммирования значений) термографических данных каждого пикселя по времени (уравнение (4.1)): а) образец; б) термограмма

4.2.2 Для повышения эффективности измерений рекомендуется использовать радиометрические данные, полученные только в момент прохождения нагрузки. Участки записи без нагрузки (между транспортными средствами) следует отбрасывать.

4.2.3 Метод сравнительной качественной термографии быстр (достаточна длина записи до 10 с), прост в применении, не требует точных настроек тепловизора (тепловизионного модуля) для коррекции на атмосферные условия и условия работы элемента конструкции, а также не требует точного знания излучательных свойств и толщины лакокрасочного покрытия. Поэтому для решения задач контроля технического состояния элементов конструкций, решаемых при обследованиях и периодических осмотрах, достаточно использовать только метод сравнительной качественной термографии.

4.2.4 Пример использования метода сравнительной качественной термографии для выявления вершин трещин и измерения ее длины приведен на рисунке 4.8. Данные рисунка 4.8 показывают, что при выборе соответствующего масштаба изображения длина трещины в пятке сварного шва может быть достаточно точно измерена по расстоянию между центрами наиболее ярких точек.

4.3 Сравнительная количественная термография

4.3.1 Метод сравнительной количественной термографии является инструментом для оценки состояния элементов конструкции по приближенным значениям абсолютных температур. Получение точных значений температур по инфракрасному излучению представляет собой весьма сложную задачу. Это объясняется тем, что на измеряемую температуру оказывает влияние большое число факторов. В их число входят коэффициенты излучения и отражения разных объектов. Знание приближенных значений этих коэффициентов позволяет получать оценки температур со степенью точности, достаточной для практических целей.

4.3.2 Для проведения количественной термографии рекомендуется на месте обследования проводить измерения и получать фактический коэффициент излучения поверхности исследуемого элемента конструкции. На величину коэффициента излучения оказывают влияние степень загрязнения поверхности, матовость лакокрасочного покрытия, наличие коррозии, толщины краски.

Точное знание абсолютной температуры поверхности необходимо для определения напряжений в элементе конструкции, а также для определения приближения наступления предельного состояния в материале (образования трещины) и составления прогноза относительно скорости продвижения трещины. Однако для таких выводов необходимо иметь результаты лабораторных исследований изменения температуры объекта, характеризующей выделение теплоты при его циклическом деформировании на всем протяжении от начала нагружения до разрушения при характеристиках цикла нагружения, свойственных фактической работе исследуемого элемента.

Ввиду сложности определения точных значений температур и даже коэффициента излучения поверхности каждого элемента более практичным решением является применение сравнительной количественной термографии [ГОСТ Р ИСО 18434-1-2013, пункт 5.2]. В этом случае для определения температурных отклонений сравнивают значения температур, полученных с использованием некоторого постоянного коэффициента излучения поверхностей, обладающих примерно одинаковой излучающей способностью. поскольку условия окружающей среды и свойства сравниваемых поверхностей за время проведения измерений под проходящим транспортным средством не изменяются, полученная разность температур рассматривается как отклонение температуры обследуемого объекта от его нормальной рабочей температуры.

4.4 Общие требования к средствам измерения

4.4.1 При выборе средств теплового контроля в качестве контрольных параметров рекомендуется использовать следующие величины, указанные в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Требуемые параметры тепловизора (тепловизионного модуля)

Параметр	Значение параметра
основной рабочий спектральный диапазон прибора	от 8 до 14 мкм (допускается от 3 до 5 мкм)
абсолютная погрешность измерения температуры 1	не более °С
формат микроболометрической матрицы 2	не менее 320 x 240 элементов
тип детектора	матрица в фокальной плоскости
частота обновления радиометрических данных (частота) 3	не менее 25 Гц (допускается не менее 9 Гц)
температурная чувствительность NETD 4	К
пространственное разрешение тепловизора или тепловизионного модуля 5	необходимое значение определяется задачей измерения

Примечания:

¹ Поскольку при качественном анализе знание абсолютной температуры не является обязательным, это требование носит рекомендательный характер. Для количественной термографии для определения абсолютного значения температуры поверхности можно использовать контактные термодатчики (термопары и элементы Пельтье), погрешность которых значительно ниже.

² Формат (разрешение) микроболометрической матрицы не следует путать с разрешением экрана тепловизора, которое также приводится в технических характеристиках прибора.

³ Минимальная частота обновления данных должна удовлетворять правилу Найквиста - быть больше половины частоты воздействия внешней нагрузки. В большинстве случаев для мостовых конструкций минимальная частота обновления данных 9 Гц соответствует правилу Найквиста, что является приемлемым для проведения качественного анализа.

⁴ Паспортная чувствительность NETD является некоторой осредненной величиной по площади микроболометрической матрицы. Рекомендации по определению реальной чувствительности NETD, которая может быть существенно выше, приведены в приложении Г.

⁵. В паспортных характеристиках тепловизоров приводится пространственное разрешение для расстояния съемки 1 м. Для пересчета на другое расстояние и для разных объективов существуют специальные программы-калькуляторы.

Пространственное разрешение тепловизора или тепловизионного модуля, определяемое сочетанием параметров объектива, формата микроболометрической матрицы и расстояния измерения, должно обеспечивать получение минимального размера области измеряемой поверхности, приходящейся на один пиксель матрицы при принятом расстоянии съемки, не более 3 мм.

Тепловизоры должны иметь возможность обмена радиометрическими данными с внешними устройствами обработки данных, возможность синхронизации измерений с дополнительными измерительными устройствами (например, тензоизмерительными системами), рабочий температурный диапазон эксплуатации тепловизоров должен соответствовать условиям применения.

Как правило, для применения качественного метода инфракрасной термографии достаточно использования только тепловизоров или тепловизионных модулей для сбора информации и переносных компьютеров (ноутбуков, нетбуков) с установленным на них специальным программным обеспечением для обработки и анализа данных.

Примечание - основные алгоритмы для специального программного обеспечения приведены в приложении Б.

4.4.2 Для повышения качества анализа при необходимости могут быть также использованы:

- электронные толщиномеры покрытий с датчиком, измеряющим толщины диэлектрических покрытий в диапазоне от 0 до 1250 мкм, или другие инструменты для контроля толщины лакокрасочного покрытия;

- тензометрическая система с тензодатчиками с базой не более 5 см для синхронизации изменений инфракрасного сигнала с деформациями элемента при воздействии нагрузки;

- термопары или контактные термодатчики для уточнения коэффициента излучения поверхности;

- анемометры для контроля скорости ветра.

4.5 Неисправности, доступные для контроля методом инфракрасной термографии, и места их возможного появления

4.5.1 Сталежелезобетонные пролетные строения

тип 1 - трещины в металле элемента основного сечения:

тип 1а - трещина в стенках главных продольных балок у верхних концов швов приварки вертикальных ребер жесткости (рисунок 4.9). Чаще возникает у опорных ребер жесткости и ребер жесткости, к которым крепятся горизонтальные и продольные связи, и как правило при наличии зазоров в "сухариках".

тип 1б - трещина в стенках главных балок по линии сплавления шва прикрепления верхнего пояса к стенке балки у вертикальных ребер жесткости. Возникает у вертикальных опорных ребер жесткости и ребер жесткости, к которым крепятся горизонтальные и продольные связи, при наличии зазоров в "сухариках". Часто появляется после возникновения трещины типа 1а. При появлении трещины типа 1б трещина типа 1а перестает интенсивно развиваться, а основной процесс усталостного разрушения переходит в вершины трещины типа 1б.

Рисунок 4.9 - Трещины типа 1а и 1б

Поскольку появлению трещины типа 1б может предшествовать появление трещины типа 1а, рекомендуется при обнаружении трещины типа 1а проверить также зону возможного образования трещины типа 1б.

тип 1в - трещина в вертикальных ребрах жесткости у верхнего пояса балки, начинаются от закругленной части выреза в ребре и распространяются под углом 45° (рисунок 4.10). Как правило, возникают в конструкциях вертикальных ребер жесткости без "сухариков" при наличии прикрепления к ребру жесткости горизонтальных и продольных связей.

тип 2 - трещины в сварном шве прикрепления ребра жесткости к элементу конструкции:

тип 2а - трещина в сварном шве прикрепления вертикальных ребер жесткости к верхним поясам балок без выхода в основной металл (рисунок 4.11). При своем развитии может переходить в основной металл соединяемых листов. Не зависит от расположения сечения по длине пролета.

Рисунок 4.10 - Трещина типа 1в

Рисунок 4.11 - Трещина типа 2а

4.5.2 Пролетные строения с ортотропными плитами проезжей части

тип 1 - трещины в сварном шве прикрепления ребра жесткости к элементу конструкции:

тип 1 - трещины в металле элемента основного сечения в листе настила нижней ортотропной плиты (рисунок 4.12). Начинаются в сварном шве от выкружки в стенке поперечного ребра жесткости и могут выходить на основной металл стенки

тип 2 - трещины в сварном шве прикрепления ребра жесткости к элементу конструкции:

тип 2а - трещина в сварном шве прикрепления вертикальных ребер жесткости к верхнему листу настила без выхода в основной металл (рисунок 4.13). Чаще возникает в ребрах, расположенных под полосами движения колес автотранспортных средств. Не зависит от расположения сечения по длине пролета. Рекомендуется контролировать каждый такой узел.

Рисунок 4.12 - Трещины типа 1

Рисунок 4.13 - Трещина типа 2а

тип 2б - трещина в сварном шве прикрепления поперечных ребер жесткости к нижнему листу настила балок коробчатого сечения без выхода в основной металл от кромки продольного ребра в зоне выкружки на примыкании поперечной балке и к листу настила (рисунок 4.14). Возможен переход в трещину типа 1 с выходом в основной металл. Не зависит от расположения сечения по длине пролета. Рекомендуется контролировать каждый такой узел.

Рисунок 4.14 - Трещина типа 2б

тип 2в - трещина в сварном шве прикрепления полосового продольного ребра жесткости ортотропной плиты к горизонтальному листу настила. Достигает большой длины и может ответвляться в ребро жесткости под углом 45 ° и лист настила под углом почти 90 ° (рисунок 4.15). Чаще возникает в ребрах, расположенных под полосами движения колес автотранспортных средств. Не зависит от расположения сечения по длине пролета. Следует контролировать соединения по всей длине под полосами движения колес автотранспортных средств.

Рисунок 4.15 - Трещина типа 2в

5. Проведение теплового контроля

5.1 Перед началом эксплуатации тепловизора (тепловизионного модуля) рекомендуется уточнить область микроболометрической матрицы, имеющую повышенную чувствительность NETD по сравнению с паспортными данными. Как правило, такой является область около центра матрицы, составляющая до 25% площади всей матрицы. Такая оценка может быть выполнена согласно рекомендациям приложения Г.

В дальнейшем при нацеливании объектива прибора следует стремиться к тому, что интересующая область попадала в область с наибольшей чувствительностью.

5.2 Рекомендуемая дальность съемки тепловизором (тепловизионным модулем) - от 0,2 до 10 м в зависимости от размеров области контроля, размеров предполагаемых дефектов и пространственного разрешения тепловизора (тепловизионного модуля). Для измерений с расстояний больше 10 м следует применять объективы с более узкими углами зрения.

Примечание - Как правило, при диагностировании трещин методом сравнительной качественной термографии при интенсивном воздействии эксплуатационных нагрузок минимальный размер объекта , температура которого будет распознана на расстоянии D (п. 4.1.6), не должен быть больше 0,28 см.

5.3 Для выполнения измерений необходимо закрепить прибор на земле или опоре путем установки камеры на неподвижный штатив, или обеспечить синхронное перемещение прибора вместе с исследуемой областью путем закрепления прибора на конструкции пролетного строения струбцинами, магнитами и т.д., исключив при этом любые другие перемещения прибора. Съемка "с руки" не допускается.

5.4 При необходимости, перед началом измерений могут быть выполнены определение и установка в приборе следующих характеристик - фоновой температуры и коэффициента излучения. При использовании методов сравнительной термографии эти величины могут быть заданы приблизительно.

5.5 Для повышения коэффициента излучения область исследования рекомендуется равномерно покрывать матовой графитовой смазкой-спреем следующего состава: графит, диметоксиметан, диметиловый эфир без дополнительных компонент. Толщина такого покрытия не должна быть больше 25 мкм, что обычно достигается за один-два прохода распылителя.

Повышение коэффициента излучения может потребоваться:

- если поверхность исследуемой зоны имеет коэффициентом излучения ниже 0,85 (например, на зачищенной до блеска поверхности металла);

- при толщине лакокрасочного покрытия больше 200-250 мкм, ослабляющей инфракрасный сигнал;

- если расстояние съемки и пространственное разрешение ИК-камеры не обеспечивают получение минимального размера объекта S, не более 0,28 см.

Примечания: 1. При использовании сравнительных методов термографии (качественного и количественного) знание точного коэффициента излучения желательно, но необязательно, особенно в тех случаях, когда дефекты обнаруживаются на однородном излучательном фоне. Однако при проведении количественного анализа знание коэффициента излучения предпочтительно. Методики определения коэффициента излучения указаны в приложении В.

2. Как правило, толщина лакокрасочного покрытия мостовых конструкций составляет меньше 250 мкм.

5.6 Подготовка к проведению теплового контроля включает:

- ознакомление с местоположением объекта контроля, определение наличия мешающих факторов, способных оказать негативное влияние на результаты контроля, определение наличия и пригодности смотровых приспособлений;

- оценку метеорологических параметров в районе объекта контроля;

- проведение визуального контроля состояния поверхности контролируемого объекта и выявление зон, имеющих различные коэффициенты излучения;

- проверку работоспособности средств контроля и их настройки в соответствии с требованиями эксплуатационных документов на средства контроля.

5.7 Тепловой контроль мостовых сооружений и их элементов не рекомендуется проводить в дождь, туман, снегопад, при наличии снега, инея, влаги на поверхности и при скорости ветра больше 7 м/с (для незакрытых от ветра поверхностей). Качество записи улучшается при измерениях на более теплой поверхности, прогретой, например, солнечной радиацией. При отрицательных температурах ИК-камеру не рекомендуется выключать между измерениями.

Примечание. - Скорость ветра определяют с помощью анемометра, а при его отсутствии - приблизительно, по шкале Бофорта (приложение Д). Ветер при скорости 16 км/ч (4,4 м/с) снижает температуру объекта примерно на 50%, а при скорости 24 км/ч (6,67 м/с) - на 75%.

5.8 Следует избегать съемки при температурах близких или меньших указанных для условий работы в паспортных данных тепловизора. В таких условиях приборы, как правило, автоматически не калибруются.

5.9 Измерения рекомендуется начинать не ранее чем через 10-15 минут после включения питания прибора для обеспечения прогрева его электронных компонент.

5.10 Перед началом измерений следует выполнить фокусировку прибора на исследуемую область. Фокусировка прибора может быть проведена в автоматическом режиме (если это позволяет сделать конструкция камеры), и обязательно уточняться ручным регулированием. Для этого необходимо переключить камеру на серую шкалу, найти "опорную" острую грань в исследуемой области (или, если расстояние съёмки не велико, и исследуемая область не содержит "опорных" острых граней, то расположить в исследуемой области предмет с острыми краями, например, стержень авторучки или металлическую линейку) и регулировать фокусирование камеры до тех пор, пока опорная грань не приобретёт чёткие границы.

5.11 Измерения следует проводить под движущейся обращающейся или испытательной нагрузками, или при специальном возбуждении механических колебаний с помощью магнитострикционных устройств (п. А.3).

5.12. При выполнении измерений под движущейся нагрузкой запись термограмм следует начинать за некоторое время до прохода нагрузки и продолжать некоторое время после прохода нагрузки. Как правило, достаточной является длина записи 10-15 секунд, если это время совпадает с проходом нагрузки, вызвавшей изменения напряжений необходимого уровня.

5.13. Представляющие интерес события в основном кратковременны, случайны и происходят в течение коротких периодов времени. Оптимальная продолжительность времени, необходимого для получения полезного инфракрасного изображения из серии переходных событий зависит от уровня возникающих напряжений. Качество ответа возрастает с увеличением амплитуды напряжений и общего времени записи - чем выше амплитуда напряжений, тем короче может быть запись.

На длину записи также оказывает влияние частота обновления кадров ИК-камеры. Например, при частоте 9 Гц длина записи должна быть больше, чем при частоте 30 Гц, поскольку возрастает вероятность пропуска существенных значений.

5.14 Качество полученной записи рекомендуется проверять на месте и при необходимости - повторять запись. Качественной следует считать запись, на которой при необходимом уровне напряжений в элементе от проходящей нагрузки саморазогрев четко может быть выделен.

Если саморазогрев не выделяется на всех сделанных записях, то следует убедиться в том, что электроника тепловизора перед измерениями была прогрета, фокусировка камеры была сделана правильно, нагрузка создавала достаточный уровень напряжений, а ее скорость была достаточной для обеспечения адиабатических условий. Если указанные условия выполнены, то отсутствие саморазогрева свидетельствует об отсутствии повреждений на контролируемом участке.

5.15 В записях не должно быть ощутимого дрейфа температурного сигнала по времени. Как правило, такой дрейф указывает на неготовность тепловизора к работе или его неисправности или на неподходящие условия съемки.

Примечание - Все тепловизоры (тепловизионные модули) требуют коррекции (самокалибровки или калибровки) температурного дрейфа, возникающего из-за работы электроники приборов, через определенные промежутки времени. Во время самокалибровки съемка прекращается (камеры "зависают"). Чтобы минимизировать время "зависания", на ряде моделей приборов коррекция теплового дрейфа может быть выполнена с помощью внешнего управления в подходящий момент времени. Если аппаратное управление самокалибровкой невозможно, следует предусмотреть корректировку дрейфа температур программно при обработке полученных радиометрических данных (п. Б.2.2).

Многократная самокалибровка свидетельствует о неподходящих условиях съемки (одновременного присутствия в поле зрения объектов с существенно различающейся температурой, например - исследуемой поверхности и неба, или при быстроменяющихся условиях окружающей среды - сильном ветре). В этом случае необходимо дождаться стабильных погодных условий или переместить камеру.

5.16 Для идентификации области исследования на термограмме выполняют геометрическую привязку ИК-изображения области сканирования к характерным точкам объекта контроля. Это может быть сделано через совмещения видимого и инфракрасного изображений (при наличии такой возможности тепловизора) или путем включения в поле термограммы ярко выделяющихся в инфракрасном диапазоне характерных элементов конструкции (например, ребер жесткости, сварных швов и т.д.).

6. Обработка результатов контроля

6.1 Выходной сигнал микроболометра тепловизора (тепловизионного модуля) на уровне реализуемых изменений температур в элементах мостовых конструкций под проходящими транспортными средствами является сильно зашумленным и зачастую не может быть прямо отображен на экране тепловизора. Поэтому следует применять методы обработки сигналов, адаптированные к температурным сигналам. К таким методам относятся:

- осреднение сигнала по пространству;

- осреднение сигнала по времени записи;

- синхронизация теплового сигнала во временной и/или частотной областях с эталонным сигналом, который может быть получен с тензодатчика тензометрической системы (синхронизированная термография) или по температурному сигналу с эталонного участка исследуемой поверхности после применения одного или обоих типов осреднения (самосинхронизированная термография).

Из-за различий между частотой дискретизации ИК-камеры и тензометрической системы необходимо предусмотреть алгоритм окончательной синхронизация данных, чтобы сопоставить каждое ИК-изображение с соответствующей эталонной нагрузкой.

Могут быть применены и другие обоснованные способы обработки сигналов.

6.2. Осреднение по пространству заключается в получении эталонного (опорного) сигнала при осреднении значения температуры опорного пикселя по соседним пикселям для каждого кадра по времени. Количество соседних пикселей, необходимое для проведения качественного осреднения, зависит от характеристик камеры. Например, для камеры Fluke Ti400 Pro с матрицей 320 х 240 и стандартным объективом 24 ° х 17 ° размер зоны осреднения вокруг базового пикселя составляет 20 х 20 пикселей (п. Б.3).

6.3. Осреднение по времени может быть выполнено с помощью метода плавающего среднего, осреднения по Гауссу и т.д. Однако применять осреднение по времени следует с осторожностью, чтобы не удалить полезные значения сигнала, соответствующие воздействию осей транспортных средств.

6.4. Синхронизация записи термограмм с данными опорных измерений является эффективным способ выделения полезного сигнала из сильно зашумленных данных. Для этого выбирается эталонный (опорный) сигнал, который предварительно должен быть очищен от шумов. Это может быть сигнал с тензодатчика или такой же тепловой сигнал из области измерения.

В первом случае синхронизация теплового сигнала с сигналом тензодатчика (деформациями конструкции) выполняется с помощью дополнительных аппаратных устройств (п. Б.1). Поскольку сигнал тензодатчика способен различать слабые воздействия, то его использование позволяет выделять соответствующий им полезный температурный сигнал (который, как правило, будет меньше величины NETD) из зашумленного теплового сигнала. Поэтому применение синхронизации тензосистемы и тепловизора является предпочтительным при тепловом контроле усталостных процессов и обязательным при количественном контроле.

Однако из-за различия в шаге дискретизации сигналов тензосистемы и тепловизора требуются дополнительные мероприятия по синхронизации отсчетов, а также установка тензосистемы на конструкции.

Во втором случае нет необходимости в дополнительных устройствах, а также облегчается процесс синхронизации, поскольку дискретность опорного и изучаемого сигналов одинакова. Такая синхронизация называется самосинхронизацией. Поскольку величины тепловых сигналов (и опорного, и изучаемого), получаемых при упругом деформировании мостовых конструкций, невелики и зачастую не превышают величину NETD, то применимость метода самосинхронизации является ограниченной, однако остается пригодной для качественной диагностики в большинстве случаев.

В обоих случаях синхронизация выполняется на основе метода наименьших квадратов, где в первом случае опорный сигнал выбирается из той же последовательности термограмм, а во-втором - является сигналом с тензодатчика тензосистемы.

6.5. Степень опасности дефекта при количественном анализе может быть установлена по величине коэффициентов интенсивности напряжений, определяемых по полученным температурным сигналам на основании уравнений (4.1) и (4.2) по специально разрабатываемым методикам или по тарировочным кривым, получаемых отдельно в результате экспериментальных исследований узлов и соединений конструкций в лабораторных условиях.

При качественном анализе степень опасности дефекта может быть приблизительно оценена по наличию или отсутствию температурных аномалий (разогрева) на термограммах или по соотношению значений коэффициентов уравнения (Б.7) в дефектной и бездефектной областях.

7 Интерпретация результатов

В таблице 7.1 и рисунках 7.1 - 7.4 приведены критерии оценки результатов диагностики усталостных повреждений методом инфракрасной термографии. Критерии приведены в формате визуального восприятия, как наиболее быстрого при экспресс-диагностике. Визуальные изображения построены по результатам обработки термограмм в виде интуитивно понятной расцветки (повышенные температуры отображены более красными "теплыми" тонами, менее нагретые - более "холодными" тонами). Поскольку визуальное изображение является отображением накопленных изменений температур, то оно может служить достаточным индикатором опасности трещины при качественной термографии.

На рисунке 7.1 отчётливо прослеживается, что положение вершины трещины на фотографии, которое было зафиксировано в ходе экспертной оценки визуально (а) отличается от того, которое определяется саморазогревом на итоговом изображении (б), что говорит о накоплении повреждений и внутреннем развитии трещины. Сквозные трещины типа 1а и 1б ведут себя схожим образом, это представлено на рисунках ниже.

На рисунке 7.2, а представлен узел с относительно короткой трещиной, которая ещё находится в торце ребра жесткости и имеет волосяное раскрытие. В данном случае саморазогрев имеет огибающую форму, что говорит об интенсивном трении берегов трещины во время прохода нагрузки.

Таблица 7.1 - Критерии оценки результатов диагностики усталостных повреждений

Описание	Состояние повреждения	Склонность к развитию	Эскиз
Разогрев только в вершине трещины	Трещина является четко выраженной, сквозной, не зажатой, с большим раскрытием под нагрузкой	да	Рисунок 7.1
Разогрев по всей длине (или на части длины)	Трещина не сквозная, "волосяного" раскрытия или зажата (по крайней мере, на части длины)	да	Рисунок 7.2
	Повреждение скрытое, не видимое еще на дневной поверхности	да	Рисунок 7.3
Отсутствие температурных аномалий	Отсутствие процесса развития повреждений даже при наличии трещины	нет	Рисунок 7.4

На рисунке 7.2, б представлена трещина, которая перерастает из торца ребра жесткости в его боковые грани, тем самым увеличивая свою ширину раскрытия. Интенсивный саморазогрев по сравнению с предыдущей трещиной наблюдается уже в области одной из вершин (левой), которая смещается к боковой грани ребра.

На рисунке 7.2, в представлена трещина, концы которой расположены уже на боковых гранях ребра жесткости, при этом, эта трещина имеет уже существенную ширину раскрытия по сравнению с предыдущими в момент прохода нагрузки (подтверждено капиллярной диагностикой). Интенсивный саморазогрев наблюдается в области вершин трещины.

В целом, трещины, представленные на рисунке 8.2 имеют различную степень развития, но их температурный отклик соответствует результатам экспериментальных исследований, приведенных в приложении Ж.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду "на рисунке 7.2"

Рисунок 7.1 - Разогрев в вершинах сквозных трещин

В сварных узлах с визуальным отсутствием трещины наличие саморазогрева будет соответствовать активному накоплению повреждений и внутреннему развитию усталостных повреждений. На рисунках 7.3 представлены результаты инфракрасной съёмки таких узлов без видимых усталостных трещин. При этом ультразвуковой контроль не дал однозначный ответ о наличии здесь скрытых повреждений.

Рисунок 7.2 - Разогрев по длине и в вершинах несквозных коротких трещин по сварному шву

Форма саморазогрева также схожа с формой саморазогрева околошовной зоны на испытательном образце, которая предшествовала образованию видимой усталостной трещины в сварном узле (см. приложение Ж).

На рисунках 7.4 показаны трещины, в вершинах которых отсутствовал саморазогрев. Это указывает на то, что такие трещины не "активны", т.е. не проявляют тенденции к росту. Этот факт подтвержден длительным визуальным наблюдением за состоянием таких трещин и вихретоковой диагностикой длины трещин.

Рисунок 7.3 - Разогрев в носке сварного шва при отсутствии видимых повреждений

Рисунок 7.4 - Отсутствие разогрева в вершинах трещин (тепловые аномалии отсутствуют) - трещины не развиваются