謝搶來

(江西科技學(xué)院，南昌 330098)

聚丙烯(PP)是一種性能優(yōu)異、價格低廉的通用高分子材料，在日用、建筑工程、車輛工程、醫(yī)療等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用[1–5]。例如，在建筑工程領(lǐng)域，PP 常用作生產(chǎn)水管，用于生活和工業(yè)的給水。然而，雖然PP 的力學(xué)強度較高，但其韌性較差，尤其是在低溫環(huán)境下，PP 非常容易發(fā)生低溫脆裂等現(xiàn)象[6–8]。例如，在我國北方地區(qū)，冬季溫度可低至–20℃以下，因此PP 管路在使用過程中則很容易發(fā)生機械破壞。除此之外，在使用過程中PP 本身的老化、腐蝕等現(xiàn)象，也會造成管路出現(xiàn)裂紋等缺陷。由于PP 管路一般是埋于地下或是建筑物墻體中，當(dāng)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象時，很難迅速排查出發(fā)生機械破壞的部位；而且對于管路的日常查驗、檢修和維護也變得較為困難[9–12]。

紅外成像無損檢測技術(shù)是一種基于計算機技術(shù)發(fā)展起來的無損檢測技術(shù)，能夠廣泛應(yīng)用到金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料的無損檢測中[13–15]。在檢測過程中，采用不同的熱源對制件進行周期性地加熱，然后利用計算機技術(shù)進行熱波信號的采集；再利用專用的軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行分析。通過對制件表面紅外輻射的變化進行采集和分析，能夠直接得到制件的表面信息以及表面以下的信息，實現(xiàn)缺陷的探測。其檢測原理如圖1 所示，脈沖式熱源對制件進行加熱，存在缺陷的部位和不存在缺陷的部位熱傳導(dǎo)情況不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的紅外輻射不同，出現(xiàn)在計算機上的成像結(jié)果不同，實現(xiàn)無損探傷。

圖1 計算機輔助紅外探傷機理示意圖

1 實驗部分

1.1 實驗原料

PP：T30S，熔體流動速率為3.3 g／10 min，寧波禾元化學(xué)有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機：SJGF 型，螺桿直徑為65 mm，口模外徑為32 mm，內(nèi)徑為26 mm，張家港市順科機械有限公司；

紅 外 熱 探 測 儀：CAMTMSC3000 型，瑞 典Therma 公司；

紅外無損檢測系統(tǒng)由計算機、脈沖閃光燈和紅外熱探測儀組成，其中脈沖閃光燈最大能量為9.6 kJ。

1.3 PP 管的制備和缺陷模擬

將PP 原料于100℃下干燥2 d 以上，備用。將擠出機分5 段控溫，由加料口至口模處，各段螺桿溫度分別設(shè)置為200，220，240，240℃和240℃。擠出機螺桿溫度穩(wěn)定后，將PP 原料由加料口加入，擠出，冷卻，定型，干燥備用。

在干燥好的PP 管材內(nèi)部車出一條長為20 mm、寬為2 mm 的裂紋，用以模擬PP 管材在使用過程中所出現(xiàn)的裂紋；通過加熱熔融的方法，在PP 管材內(nèi)部制造出一塊長為10 mm，寬為5 mm的熔融區(qū)，冷卻后該區(qū)域管壁變薄，用以模擬PP 管材在使用過程中出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象；利用黑色膠帶在PP 管內(nèi)部標(biāo)記，用以模擬PP 管材使用過程中產(chǎn)生的水垢沉積現(xiàn)象。

1.4 無損探傷實驗

將紅外熱探測儀與PP 管材試樣垂直放置；采用兩個脈沖閃光燈，分別置于試樣上前方和下前方，保證脈沖傳播方向與管材夾角為45°；開啟脈沖閃光燈對試樣進行加熱，同時紅外熱探測儀對試樣的熱輻射數(shù)據(jù)進行采集，采集頻率為60 Hz，采集時間為20 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋探傷

首先對PP 管材樣品的裂紋缺陷進行了計算機輔助的紅外探傷研究，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行處理后得到圖2。圖2 的兩條曲線分別為裂紋部位和非裂紋部位的熱輻射強度隨時間的變化趨勢。圖2 數(shù)據(jù)顯示，在采集時間為0.10 s 之前，裂紋部位和非裂紋部位的熱輻射強度基本未出現(xiàn)明顯區(qū)別；而當(dāng)采集時間延長到0.15 s 時，兩個部位的熱輻射強度則出現(xiàn)了區(qū)別，且隨時間進一步延長，這種熱輻射強度的差別越大；當(dāng)采集時間為0.20～0.40 s 時，裂紋部位的熱輻射強度明顯高于非裂紋部位的熱輻射強度。由于裂紋的存在，該部位PP 管壁中存在空氣，因此裂紋部位的熱傳導(dǎo)和非裂紋部位的熱傳導(dǎo)出現(xiàn)了差異；裂紋部位由于存在空氣，導(dǎo)熱率降低，熱傳導(dǎo)效率降低，所以探測到的熱輻射強度相對較高。以上實驗結(jié)果表明，利用計算機輔助的紅外探測方法能夠精準(zhǔn)地檢測出PP 管材中裂紋缺陷的存在。這一方法也可以用于其它材料和其他制品的缺陷檢測。

圖2 裂紋缺陷檢測曲線圖

2.2 腐蝕探傷

腐蝕也是管材在使用過程中常見的損傷，主要是由于土壤或墻體中的化學(xué)物質(zhì)、微生物等作用導(dǎo)致的破壞。腐蝕通常會導(dǎo)致管材局部變薄，密度改變等。筆者也對PP 管材樣品的腐蝕缺陷進行了計算機輔助的紅外探傷研究，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行處理后得到了如圖3 所示曲線。圖3 中兩條曲線分別為腐蝕部位和非腐蝕部位的熱輻射強度隨時間的變化趨勢。圖中數(shù)據(jù)顯示，在采集時間為0.50 s 之前，腐蝕部位和非腐蝕部位的熱輻射強度基本未出現(xiàn)明顯區(qū)別；而當(dāng)采集時間延長到1.0 s 時，兩個部位的熱輻射強度則出現(xiàn)了區(qū)別，且隨時間進一步延長，這種熱輻射強度的差別越大；當(dāng)采集時間為3～12 s 時，腐蝕部位的熱輻射強度明顯高于非腐蝕部位的熱輻射強度。由于腐蝕的存在，該部位PP 管壁中會出現(xiàn)氣泡，導(dǎo)致空氣存在影響材料本身的熱導(dǎo)率；另一方面，腐蝕過后的PP 密度發(fā)生變化，熱導(dǎo)率也會出現(xiàn)變化。以上兩種因素的綜合影響，腐蝕部位的PP 熱導(dǎo)率降低，熱傳導(dǎo)效率降低，所以探測到的熱輻射強度相對較高。與裂紋缺陷相比，該方法對腐蝕缺陷的探傷時間較長。這主要是由于，相對于腐蝕缺陷來說，裂紋缺陷造成的熱導(dǎo)率影響主要是由于空氣存在所造成的，效果更明顯；而且，裂紋缺陷具有一定的深度，更靠近管壁外側(cè)，更易檢測出來。

圖3 腐蝕缺陷檢測曲線圖

2.3 積垢探傷

由于水中礦物質(zhì)的存在，輸水管路隨著使用時間的延長，其管壁上容易沉積污垢，尤其是在轉(zhuǎn)角的部位。水管中沉積污垢增多后，會導(dǎo)致管路堵塞等現(xiàn)象，因此對管路中積垢的檢測也是十分必要的。筆者對PP 管材樣品的積垢缺陷進行了計算機輔助的紅外探傷研究，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行處理后得到了如圖4 所示曲線。圖4 中兩條曲線分別為積垢部位和非積垢部位的熱輻射強度隨時間的變化趨勢。圖4數(shù)據(jù)顯示，在采集時間為3.0 s 之前，積垢部位和非積垢部位的熱輻射強度基本未出現(xiàn)明顯區(qū)別；當(dāng)采集時間延長到5.0 s 時，兩個部位的熱輻射強度則出現(xiàn)了區(qū)別，且隨時間進一步延長，這種熱輻射強度的差別越大；當(dāng)采集時間為5～16 s 時，積垢部位的熱輻射強度明顯高于非積垢部位的熱輻射強度。由于積垢的存在，該部位PP 管壁的熱導(dǎo)率會出現(xiàn)明顯降低，熱傳導(dǎo)效率降低，所以探測到的熱輻射強度相對較高。與裂紋缺陷和腐蝕缺陷相比，該方法對積垢缺陷的探傷時間最長。這主要是由于，管壁積垢處于管路內(nèi)側(cè)，在熱量采集初期，積垢部位和非積垢部位的熱量傳遞沒有明顯區(qū)別，僅當(dāng)熱量傳遞至積垢時，才出現(xiàn)了明顯的熱量傳遞變化，因此探傷時間較長。

圖4 積垢缺陷檢測曲線圖

2.4 不同檢測方式對比

為了進一步驗證該計算機輔助的紅外探傷技術(shù)的準(zhǔn)確性，筆者以帶有裂紋的PP 管材作為模型，分別利用X 射線檢測、超聲檢測和紅外探傷檢測對其進行了缺陷檢測，檢測能力相關(guān)結(jié)果見表1。

由表1 可以看出，不同檢測方法對裂紋缺陷的檢測分辨能力。對于裂紋缺陷來說，與X 射線檢測和超聲檢測手段相比，紅外探傷檢測技術(shù)的缺陷分辨能力更高。X 射線檢測和超聲檢測能夠精準(zhǔn)檢測到長度為20 mm、寬度為0.5 mm 的裂紋缺陷；而紅外探傷檢測能夠精準(zhǔn)檢測到長度為20 mm，寬度為2.0 mm 的裂紋缺陷。這3 種檢測方法的分辨率未出現(xiàn)明顯差別，均為D9 級別；另外，與X 射線檢測手段與紅外探傷手段相比，超聲檢測手段處理所得數(shù)據(jù)的信噪比較低，僅為90.0；X 射線檢測手段與紅外探傷手段的信噪比分別為121 和123。對比以上數(shù)據(jù)，計算機輔助的紅外探傷手段在對裂紋缺陷進行檢測時，不僅能夠檢測到尺寸更大的裂紋缺陷，而且數(shù)據(jù)的分辨率與信噪比都較高，是一種綜合性較為突出的無損探傷手段。

表1 不同檢測方法對裂紋缺陷的檢測分辨能力

3 結(jié)論

制備了一種PP 管材，并通過物理手段模擬了管材的裂紋、腐蝕和積垢缺陷，利用計算機輔助的紅外探傷技術(shù)對這三類缺陷進行了檢測。實驗結(jié)果表明，該紅外探傷技術(shù)能夠精準(zhǔn)地檢測到PP 管材中所存在的這三類缺陷，而且檢測時間較為迅速，分別在0.2，1.0 s 和5.0 s 后明顯檢測到了相應(yīng)的缺陷。由于缺陷類型和缺陷所處位置的原因，裂紋缺陷較容易被檢測到；而積垢缺陷需要的探測時間較長。與X 射線檢測方法與超聲檢測方法相比，該紅外探傷技術(shù)對缺陷的分辨能力更強，能夠檢測到大尺寸的裂紋缺陷，而且相應(yīng)數(shù)據(jù)的分辨率和信噪比也相對較高。