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        基于紅外熱成像的鋼管混凝土脫空檢測(cè)效果仿真分析

        2021-10-16 09:37:12杰,張
        山東交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域混凝土影響

        唐 杰,張 順

        (重慶市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,重慶 400020)

        引言

        近年來,鋼管混凝土拱橋因承載能力強(qiáng)、跨度大的優(yōu)勢(shì)被廣泛投入到建設(shè)使用中[1-2]。在建設(shè)使用過程中,鋼管與核心混凝土之間因?yàn)槭┕?、徐變及溫度影響等原因逐漸形成脫空[3]。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)具有無損、快速及精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn),是檢測(cè)鋼管混凝土脫空的有效方法之一。

        現(xiàn)研究大多集中在混凝土缺陷有限元分析方面,黃紅梅等[4]將有限元方法應(yīng)用到紅外定量中,找到了混凝土缺陷深度與最佳時(shí)機(jī)的關(guān)系。胡爽[5]通過實(shí)驗(yàn)分析了檢測(cè)因素對(duì)檢測(cè)效果的影響,并推導(dǎo)了缺陷深度理論公式。劉海波[6]利用溫差是紅外熱成像檢測(cè)的基礎(chǔ)條件,推導(dǎo)了缺陷與非缺陷區(qū)域表面溫差公式,并分析了檢測(cè)因素對(duì)溫差的影響。雖然紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的無損檢測(cè)中,但對(duì)于鋼管混凝土脫空檢測(cè)尚少,尤其對(duì)其進(jìn)行熱數(shù)值分析更是少見。

        1 鋼管混凝土表面升溫率的理論公式

        根據(jù)能量輻射基本定律,凡是溫度高于絕對(duì)零度的物體,其自身都可以向外界進(jìn)行熱輻射,且溫度越高對(duì)外輻射量越大。當(dāng)鋼管內(nèi)部存在脫空時(shí),脫空區(qū)域被空氣填充,其熱導(dǎo)率很低,導(dǎo)致熱量無法繼續(xù)傳導(dǎo)下去,致使脫空處鋼管表面溫度比周圍升高得快。因此,根據(jù)升溫率就能反推出缺陷的位置,從而實(shí)現(xiàn)缺陷的識(shí)別。

        為簡(jiǎn)化計(jì)算,在理論推導(dǎo)時(shí),將三維的鋼管混凝土模型簡(jiǎn)化為二維、單向傳熱的模型。取鋼管混凝土沿直徑的縱剖面作為研究對(duì)象,所處環(huán)境溫度為Tf,內(nèi)部混凝土長(zhǎng)度為L(zhǎng),外圍鋼管厚度為m,貼壁布設(shè)厚度為h 的脫空區(qū)域,采用聚乙炔塑料泡沫代替空氣。在脫空區(qū)域一側(cè)施加熱流密度q,見圖1。

        圖1 模型

        檢測(cè)因素主要包括內(nèi)、外檢測(cè)因素,前者包含缺陷厚度h 以及壁厚m,后者包含熱流密度q 以及施加時(shí)間t。假設(shè)鋼管與混凝土的密度分別為ρ1與ρ2,導(dǎo)熱率分別為1與2。對(duì)鋼管混凝土表面溫度公式進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到非缺陷與缺陷區(qū)域表面溫度T0與T1的近似公式[5]:

        對(duì)公式(1)、公式(2)兩邊同時(shí)求導(dǎo),得到非缺陷與缺陷區(qū)域鋼管表面升溫率k0與k1:

        從公式(3)、公式(4)可知,缺陷區(qū)域鋼管表面的溫度升溫率k1大于非缺陷區(qū)域鋼管表面的溫度升溫率k0,為缺陷檢測(cè)提供基礎(chǔ)條件;鋼管表面的溫度升溫率只與熱流密度q有關(guān),且為正相關(guān)關(guān)系;與鋼管壁厚m 為負(fù)相關(guān)關(guān)系;與環(huán)境溫度、熱流密度施加時(shí)間t 以及缺陷厚度h 無關(guān)。

        2 檢測(cè)因素對(duì)升溫率的影響

        為驗(yàn)證升溫率檢測(cè)缺陷的可行性以及分析內(nèi)外檢測(cè)因素對(duì)升溫率的影響,采用ANSYS 軟件建立鋼管混凝土的三維仿真模型,采用solid98 單元,對(duì)鋼管和混凝土分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分,見圖2。

        圖2 有限元模型

        假定構(gòu)件初始溫度與環(huán)境溫度Tf相同,設(shè)為20 ℃;在缺陷正上方施加一定強(qiáng)度的均勻熱激勵(lì),采用瞬態(tài)分析。各成分材料參數(shù)見表1。

        表1 各材料熱工參數(shù)

        2.1 熱流密度對(duì)升溫率的影響

        固定脫空厚度2 cm,鋼管壁厚2 mm,加熱時(shí)間300 s。熱流密度分別為500 w/m2、1 000 w/m2、1 500 w/m2、2 000 w/m2,得到仿真結(jié)果見圖3,其中圖3(b)是通過計(jì)算圖3(a)升溫過程中平均升溫率繪制而得。

        圖3 熱流密度的影響

        根據(jù)圖3(b)可知,隨著加熱密度的增加,缺陷區(qū)域中心點(diǎn)溫度升溫率與非缺陷區(qū)域中心點(diǎn)溫度升溫率呈線形增長(zhǎng),說明升溫率與熱流密度呈正相關(guān)的關(guān)系,與公式推導(dǎo)結(jié)果吻合。同時(shí),缺陷區(qū)域的升溫率明顯高于非缺陷區(qū)域的升溫率,說明通過升溫率可實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別。

        2.2 加熱時(shí)間對(duì)升溫率的影響

        固定脫空厚度2 cm,鋼管壁厚2 mm,熱流密度大小為1 000 w/m2。加熱時(shí)間分別為50 s、150 s、300 s、450 s,結(jié)果見圖4。

        圖4 加熱時(shí)間對(duì)升溫率的影響

        根據(jù)圖4(b)可知,隨著加熱時(shí)間的增加,缺陷區(qū)域中心點(diǎn)溫度升溫率與非缺陷區(qū)域中心點(diǎn)溫度升溫率基本保持不變,說明升溫率與加熱時(shí)間無明顯關(guān)系,與公式推導(dǎo)結(jié)果較為吻合。同時(shí),缺陷區(qū)域的升溫率明顯高于非缺陷區(qū)域的升溫率,說明通過升溫率可實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別。

        2.3 脫空厚度對(duì)升溫率的影響

        固定鋼管壁厚2 mm,熱流密度1 000 w/m2,加熱時(shí)間300 s。脫空厚度分別為1 cm、2 cm、3 cm,結(jié)果見圖5。

        圖5 脫空厚度對(duì)升溫率的影響

        根據(jù)圖5 可知,隨著脫空厚度的增加,缺陷區(qū)域中心點(diǎn)溫度升溫率與非缺陷區(qū)域中心點(diǎn)溫度升溫率基本未發(fā)生改變,說明升溫率與加熱時(shí)間無關(guān),與公式推導(dǎo)結(jié)果吻合。同時(shí),缺陷區(qū)域的升溫率明顯高于非缺陷區(qū)域的升溫率,說明通過升溫率可實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別。

        2.4 鋼管壁厚對(duì)升溫率的影響

        固定脫空厚度2 cm,熱流密度1 000 w/m2,加熱時(shí)間300 s。鋼管壁厚分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm,結(jié)果見圖6。

        圖6 壁厚對(duì)升溫率的影響

        根據(jù)圖6(b)可知,隨著鋼管壁厚的增加,缺陷區(qū)域中心點(diǎn)溫度升溫率與非缺陷區(qū)域中心點(diǎn)溫度升溫率不斷減小,說明升溫率與鋼管壁厚m 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與公式推導(dǎo)結(jié)果吻合。同時(shí),缺陷區(qū)域的升溫率明顯高于非缺陷區(qū)域的升溫率,說明通過升溫率可實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別。

        3 檢測(cè)因素對(duì)檢測(cè)效果的影響

        對(duì)比度是反映紅外無損檢測(cè)的一項(xiàng)指標(biāo),代表了識(shí)別缺陷的能力。分析影響檢測(cè)靈敏度的幾個(gè)參數(shù),找到紅外無損檢測(cè)對(duì)比度變化規(guī)律。借鑒文獻(xiàn)[7-8]中對(duì)比度C(t)的定義:

        式中:T0(0)、T0(t)—分別表示0 時(shí)刻、t 時(shí)刻無缺陷區(qū)域鋼管混凝土表面的溫度,℃;T1(0)、T1(t)—分別表示0 時(shí)刻、t 時(shí)刻缺陷區(qū)域(取缺陷區(qū)中心點(diǎn))鋼管混凝土表面的溫度,℃。

        3.1 熱流密度的影響

        固定脫空厚度2 cm,鋼管壁厚2 mm,加熱時(shí)間300 s。熱流密度分別為500 w/m2、1 000 w/m2、1 500 w/m2、2 000 w/m2時(shí)相應(yīng)的對(duì)比度曲線見圖7。

        圖7 熱流密度大小的影響

        由圖7 可以看出,熱流密度越小,其對(duì)比度最大值Cmax越大,說明熱流密度越小,檢測(cè)靈敏度越高,但是Cmax之間的差值很小,說明熱流密度對(duì)檢測(cè)效果影響不明顯。

        3.2 加熱時(shí)間的影響

        固定脫空厚度2 cm,鋼管壁厚2 mm,熱流密度大小為1 000 w/m2。加熱時(shí)間分別為50 s、150 s、300 s、450 s 時(shí)相應(yīng)的對(duì)比度曲線見圖8。

        由圖8 可以看出,隨著脈沖加熱時(shí)間的增加,其對(duì)比度最大值Cmax越小,說明脈沖加熱時(shí)間越短,檢測(cè)靈敏度越高,且Cmax之間的差值較大,說明加熱時(shí)間對(duì)檢測(cè)效果影響明顯。因此,在脈沖加熱紅外熱成像檢測(cè)中一般宜選擇盡可能短的脈沖加熱時(shí)間,但必須要達(dá)到熱像儀可探測(cè)到的下限加熱時(shí)間。

        圖8 加熱時(shí)間的影響

        3.3 脫空厚度的影響

        固定鋼管壁厚2 mm,熱流密度1 000 w/m2,加熱時(shí)間300 s。脫空厚度分別為1 cm、2 cm、3 cm 時(shí)相應(yīng)的對(duì)比度曲線見圖9。

        圖9 脫空厚度的影響

        由圖9 可以看出,脫空厚度越大,其對(duì)比度最大值Cmax越大,這是由于厚度大的缺陷熱阻大,造成更多的熱量積累,也說明脫空厚度越大,檢測(cè)靈敏度越高,缺陷就越容易被檢測(cè)出來。但是Cmax之間的差值很小,說明脫空厚度的改變對(duì)檢測(cè)效果影響不明顯。

        3.4 鋼管壁厚的影響

        固定脫空厚度2 cm,熱流密度1 000 w/m2,加熱時(shí)間300 s。鋼管壁厚分別為2 mm、4 mm、8 mm、15 mm、20 mm 時(shí)相應(yīng)的對(duì)比度曲線見圖10。

        圖10 鋼管壁厚的影響

        由圖10 可以看出,隨著鋼管壁厚的增加,其對(duì)比度最大值Cmax越小,這是由于鋼管越厚,缺陷對(duì)鋼管表面溫度的影響效果就越小,使得兩區(qū)域溫度變化趨勢(shì)更為接近;也說明鋼管壁厚越小,檢測(cè)靈敏度越高,且Cmax之間的差值較大,表明鋼管壁厚對(duì)檢測(cè)效果影響明顯。

        另外,當(dāng)鋼管厚度大于20 mm 時(shí),對(duì)比度變化相對(duì)平緩且Cmax小,紅外熱像儀很難識(shí)別出缺陷,仿真結(jié)果見圖11??芍毕輩^(qū)域中心點(diǎn)的溫度與非缺陷區(qū)域中心點(diǎn)的溫度十分接近,對(duì)比度低,很難通過紅外熱像儀識(shí)別出缺陷區(qū)域的具體位置。

        圖11 ANSYS 仿真結(jié)果

        4 結(jié)語

        (1)通過理論推導(dǎo),得到脫空區(qū)域與非脫空區(qū)域鋼管表面升溫率的近似公式,發(fā)現(xiàn)脫空區(qū)域的升溫率高于非脫空區(qū)域,為脫空檢測(cè)提供依據(jù)。(2)分析了檢測(cè)因素對(duì)升溫率的影響,從關(guān)系圖中可以看出升溫率與熱流密度正相關(guān),與鋼管厚度負(fù)相關(guān),與脫空厚度、加熱時(shí)間等無關(guān)??傮w結(jié)果與公式推導(dǎo)結(jié)果吻合。(3)熱流密度、加熱時(shí)間、脫空厚度及鋼管壁厚對(duì)檢測(cè)的靈敏度各不相同。鋼管壁厚對(duì)對(duì)比度影響最大,且當(dāng)壁厚超過20 mm 時(shí),很難通過紅外熱像儀識(shí)別出缺陷;加熱時(shí)間的影響次之,而熱流密度、脫空厚度的影響微乎其微。

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