Termoviziune Si Termografie In Industrie

Rezumat

În lucrarea TERMOVIZIUNE ȘI TERMOGRAFIE ÎN INDUSTRIE, este prezentată metoda de control nedistructiv, termografierea în infraroșu, care a cunoscut în ultimii ani o evoluție rapidă în ceea ce privește aplicabilitatea în domenii diverse.

În prima parte este descrisă evoluția metodelor de control nedistructiv, principiul metodei termografierea în infraroșu și prezentarea pe scurt a câtorva domenii în care această metodă este aplicată cu succes, cum ar fi: domeniul construcțiilor și instalațiilor industriale, domeniul transporturilor (auto/navale/aviatice), domeniul electrotehnic/electronic/energetic, electronic și microelectronică, sau alte domenii ca biologia sau medicina.

1. Locul termografierii în examinarea nedistructivă

Metodele nedistructive de examinare au evoluat de-a lungul timpului ajungând ca în prezent să fie standardizate peste 150. Dintre cele 150 de metode standardizate, doar câteva, 8 -10, sunt foarte răspândite. Din acest punct de vedere, este semnificativ faptul că în România, de exemplu, certificările de personal pentru activități în domeniul examinărilor nedistructive se fac, conform CR 11 (prescripție ISCIR), pentru doar 6 metode:

pulberi magnetice (MT – magnetic testing);

lichide penetrante (PT – penetrant testing);

radiații penetrante (RT – radiography testing);

ultrasunete (UT – ultrasounds testing);

curenți turbionari (ET – eddy curents testing);

etanșeitate (LT – leak testing).

2. Evoluția încercărilor nedistructive

Din cele mai vechi timpuri omul a verificat execuția unui obiect prin examinare atentă cu ochiul liber sau, mai târziu, cu un instrument optic. În afara examinărilor optico-vizuale folosite și de omul primitiv, se consideră că primele încercări nedistructive au fost aplicate pentru detectarea fisurilor de suprafață ale șinelor de cale ferată sau ale unor componente de tren. Părțile suspecte erau unse sau introduse în ulei, după care se curățau și se acopereau cu o pudră. În locurile în care existau fisuri, pudra absorbea uleiul intrat în acestea și, pe suprafața examinată, se întindea o pată de ulei cu o mărime dependentă de mărimea fisurii. Această metodă a stat la baza dezvoltării inspecției, cunoscută astăzi, sub denumirea de “inspecție cu lichide penetrante”. La scurt timp după descoperirea radiației X (1895) de către fizicianul Wilhelm Conrad Roentgen s-a realizat prima radiografie industrială. Alte metode de examinare, bazate pe proprietățile ultrasunetelor sau pe proprietățile curenților turbionari au fost create și aplicate în timpul celui de–al doilea război mondial. La început, aplicarea acestora viza doar detectarea defectelor, după care a urmat etapa în care detectarea defectelor s-a asociat cu verificarea acceptabilității acestora și luarea deciziei admis/respins.

Prin anii ’70 două elemente au condus la schimbarea opiniei specialiștilor privind inspecția calității prin metode nedistructive:

-apariția și extinderea rapidă a disciplinei intitulate mecanica ruperii, care permitea predicția comportării produselor cu defecte în exploatare;

-dezvoltarea tehnicilor de detectare, care a permis semnalarea defectelor din ce în ce mai mici, ceea ce însemna respingerea unui număr tot mai mare de produse în controlul automat.

Prin instrumentele oferite de mecanica ruperii se putea estima momentul în care un produs cu defect se va rupe în funcție de forma și poziția defectului, solicitarea la care urma să fie supus obiectul și caracteristicile acestuia. Mecanica ruperii a dezvoltat o serie de metode de estimare a modului de propagare a fisurilor sau a altor tipuri de defecte sub acțiunea unor solicitări ciclice: solicitarea la oboseală.

Cu ajutorul acestor instrumente a devenit posibilă acceptarea unor structuri care conțineau defecte, dacă dimensiunile, forma și modul de evoluție a acestora erau cunoscute.

Aceste elemente au stat la baza noii teorii de proiectare denumită "damage tolerant designs”.

Piesele care au defecte pot fi utilizate atât timp cât se poate stabili că defectele respective nu se vor dezvolta în timpul utilizării până la o dimensiune critică, ce conduce la rupere sau distrugere.

Pentru comunitatea specialiștilor în încercările nedistructive s-a deschis o nouă perspectivă privind acceptabilitatea defectelor.

Simpla detectare – calitativă – a defectelor nu mai era suficientă.

A devenit necesară analiza cantitativă a defectelor, ceea ce înseamnă:

– obținerea de informații referitoare la mărimea și forma defectelor;

– informațiile cantitative constituie date de intrare în calculele de mecanica ruperii, pentru estimarea duratei de viață a produsului.

Analiza cantitativă a fost strict impusă în domenii de vârf, cum ar fi cel militar și cel nuclear. În aceste domenii, s-au dezvoltat mai multe programe de cercetare pentru predicția duratei de viață a produselor, ceea ce a condus la apariția unei noi discipline: “Evaluarea nedistructivă” care se referă, pe de o parte, la evaluarea calității și, pe de altă parte, la estimarea comportamentului în exploatare și implicit a duratei de viață.

Unele metode, considerate tradiționale, cum ar fi radiațiile penetrante, pulberile magnetice și lichidele penetrante au o evoluție lentă, chiar ușor descendentă (radiațiile) în ceea ce privește aplicabilitatea, în timp ce alte metode cunosc în ultimele decenii o dezvoltare explozivă. În ansamblul acestor metode, termografierea cunoaște o dezvoltare comparabilă cu cea a ultrasunetelor și a curenților turbionari

3. Principiul metodei

Termografierea în infraroșu este o tehnică ce permite obținerea, cu ajutorul unei aparaturi adecvate, a imaginii termice, a unei scene termice observate într-un domeniu spectral din infraroșu. Înțelegând prin imagine termică – o repartiție structurată a datelor reprezentative ale radiației infraroșii provenind de la o scenă termică și prin scenă termică – parte a spațiului-obiect care se observă cu o aparatură de termografiere. Domeniul spectral denumit infraroșu (IR) este o bandă din spectrul radiației electromagnetice, situată între domeniul vizibil și cel al undelor radio, cu lungimi de undă cuprinse între 0,75 și 30 μm, din care, în defectoscopie, sunt folosite uzual doar intervalele 3,5 … 5 μm și 8 ..12 μm.

Radiația infraroșie

Descoperită în 1800 de către astronomul englez Sir William Herschel, radiația infraroșie stă la baza tehnicii numită "termografie". Această radiație nu este vizibilă cu ochiul liber, ea fiind percepută de noi drept căldură. Ochiul uman are capabilitatea de a vedea o porțiune îngustă din spectrul electromagnetic, numită "vizibil". În absența Soarelui, sursa principală de iluminare, nu există lumina care să fie reflectată și majoritatea mamiferelor sunt practic în imposibilitatea de a vedea ceva.

Ochiul uman nu are abilitatea de a vedea restul spectrului electromagnetic, deci nici zona de spectru ce cuprinde radiația IR. Cu toate acestea, de foarte mult timp se cunoaște că orice corp cu temperatura mai mare de 0K (-273,150C) emite energie în infraroșu. Pare surprinzător dar chiar și un ghețar veșnic din ținuturile antarctice emite radiație infraroșie. Sursa primară a radiației IR este căldura corpurilor. Energia IR este generată de vibrația și rotația atomilor și moleculelor din orice sistem biologic sau tehnic.

Utilitatea practică constă în faptul că prin măsurători ale radiației infraroșii emise de un obiect se poate estima cu o excelentă precizie temperatura sa. Cu cât temperatura obiectului este mare, cu atât radiația infraroșie produsă este mai intensă.
Necesitatea generării de hărți și imagini termice care să poată fi interpretate în diverse domenii ale științei sau vieții cotidiene a condus la creșterea interesului unor firme în dezvoltarea de echipamente speciale care să extindă câmpul vizual uman și în domeniul radiației infraroșii. Astfel, grație noilor tehnologii, au fost fabricate camere de termoviziune și termografie care permit vizualizarea energiei IR radiate, transmise și reflectate de sistemele biologice sau tehnice, rezultatul final fiind vizualizarea temperaturii (temperaturilor) la nivelul obiectului măsurat. Camerele de termoviziune moderne pot masura temperaturi începând de la -40°C până la +1500°C și pot identifica diferențe de temperatură de până la 0,05°C. Utilizarea termografiei este mai mult decât recomandată în orice domeniu în care monitorizarea temperaturii de funcționare a diferitelor echipamente joacă un rol crucial în activitațile de mentenanță.

4. Domenii de utilizare și aplicații practice

IR reprezintă o tehnică de ultimă oră în domeniul metodelor moderne de diagnosticare în industrie, oferind rezultate de mare precizie ce conduc la reducerea timpului de depistare a defectelor și evaluare performantă a stării echipamentelor în timpul functionării, fără a fi nevoie de oprirea acestora sau de efectuarea unor operații mai complicate, cum ar fi demontarea și transportul lor la un centru de diagnosticare. Metoda poate fi utilizată în multiple aplicații tehnice din domeniul industrial, cele mai vizate domenii fiind energetica, electrotehnica, electronica si microelectronica dar nu trebuie omise industria constructoare de mașini, petrolieră sau cea metalurgică / siderurgică.

a. În domeniul construcțiilor si instalațiilor industriale variațiile de temperatură oferă informații extrem de bogate, acest domeniu beneficiind din plin, în ultimul deceniu, de performanțele atinse de termoviziune/termografie.

Izolațiile efectuate incorect, crăpăturile existente în structură, infiltrațiile, ciupercile etc. apar foarte clar în imaginile termice obținute cu o cameră de termografie specializată. În țările avansate termografia este utilizată pe scară largă în inspecțiile monumentelor istorice.

De foarte multe ori termografia este singura metodă rapidă de investigare la fața locului a unei construcții. Prin simpla scanare a fațadei unei clădiri se pot observa zonele în care pereții nu oferă o izolație corespunzătoare, implicațiile fiind un consum de energie nejustificat de mare pentru încalzirea încăperilor pe timp de iarnă și încălzirea excesivă a interiorului clădirii pe timpul verii. În mod asemănător se pot detecta zonele în care etanșeizările nu sunt realizate în mod corespunzător: ferestre, uși, terase, etc. Similar, umiditatea este detectabilă foarte ușor cu un sistem ThV/ThG-IR.

O aplicație deosebit de importantă este scanarea suprafeței barajelor. Apariția unor crăpături în structura acestora se va putea observa foarte ușor pe o termogramă.
Termografierea țevilor, caloriferelor și a altor sisteme de încălzire și climatizare determină gradul de utilizare a acestora. Este important de menționat că programul de vizualizare și prelucrare a termogramelor are posibilitatea de a introduce diferite formule, prin acestea putând fi efectuate rapid calcule de determinare a pierderilor existente.
Prin scanarea coșurilor și sobelor se poate verifica dacă izolația este corespunzătoare și dacă nu există pericolul declanșării unor incendii. Tot pentru prevenirea incendiilor este necesară și scanarea instalațiilor și echipamentelor electrice: calorifere electrice, frigidere, aparate de aer condiționat, etc.

Rezultate extrem de utile se obțin prin scanarea instalațiilor industriale din petrochimie, metalurgie sau siderurgie, unde activitățile "cu foc continuu" nu permit oprirea procesului tehnologic și realizarea unor operații de testare clasică.

b. În domeniul transporturilor (auto/navale/aviatice) în ultimii ani IR a început să fie utilizată din ce în ce mai mult. Începutul a fost făcut cu inspectarea avioanelor și elicopterelor. În prezent termografia se utilizează pentru identificarea eventualelor fisuri ce pot să apară în structura acestora, verificarea funcționării corespunzătoare a motoarelor, scanarea bordurilor pentru depistarea supraîncălzirii acestora.

Până la aplicarea acestor tehnici și la automobile nu a mai fost decât un pas. În prezent, cu ajutorul sistemelor de termoviziune, se verifică în industria auto funcționarea corespunzătoare a motorului, sistemele de climatizare, de frânare, de răcire, direcția, starea generală a caroseriei, gradul de etanșare termică a acesteia, precum și echipamentul electric.

Datorită faptului că nu este necesară efectuarea contactului direct cu corpul măsurat, prin intermediul unui sistem de termoviziune/termografie se pot obține, în timpul rulării, temperaturile pneurilor de automobil, osiilor și boghiurilor de tren, trenurilor de aterizare ale avioanelor, etc. Se poate observa astfel modul în care sunt solicitate piesele în mișcare și se pot găsi soluții pentru a reduce solicitarea acestora.

c.În domeniul electrotehnic/electronic/energetic utilizarea ThV/ThG-IR este deosebit de importantă deoarece această tehnică de ultimă oră oferă informații prețioase cu privire la starea sistemelor și echipamentelor aflate sub test și previziuni cu privire la evoluția lor ulterioară. Supraîncălzirea este un fenomen extrem de periculos în industria electrotehnica și energetică deoarece conduce la distrugerea termică a izolațiilor, îmbinărilor sau conexiunilor și, dupa un anumit timp, la o posibilă declanșare a unui incendiu. Avantajele principale ale măsurării temperaturii prin evaluarea radiației infraroșii emise sunt acelea că nu este necesar să se realizeze contactul direct cu sistemul/echipamentul măsurat și că acesta nu trebuie oprit din funcționare. În acest fel se pot măsura contacte electrice și conexiuni aflate sub tensiune sau in locuri inaccesibile.

d.În electronică și microelectronică realizarea de termograme ale modulelor și echipamentelor conduce la o evaluare exactă a managementului termic la nivelul acestora, putându-se depista încalziri excesive ale procesoarelor, dispozitivelor și circuitelor active sau pasive.

e. Domeniul medical

Termografia medicală este unică prin capacitatea sa de a arăta o parte din procesele fiziologice și metabolice ce au loc în corpul uman. Prin vizualizarea schimbărilor de temperatură la suprafața corpului se pot detecta efecte combinate ale sistemului nervos și vascular, de la disfuncții capilare, până la procese în profunzime, permițând diagnosticarea unor boli ale organelor interne chiar în faza incipientă, ce nu se pot detecta prin alte metode. Orice variație de temperatură este o indicație clară a unei anomalii.

Avantaje generale TIR

• este o metodă non-contact neinvazivă;

• se poate examina o suprafață relativ mare la o aceeași evaluare;

• rezultatele se prezintă într-o manieră sugestivă, ușor de interpretat și pentru luarea deciziilor;

• este o metodă de investigare relativ rapidă;

• se poate lucra uneori fără întreruperea funcționării obiectului inspectat;

• datele sunt ușor de stocat și prelucrat folosind calculatorul;

• securitatea personalului de inspecție e garantată in comparație cu metodele radiografice.

Dezavantaje ale termografiei

• cost ridicat al instalației (de ordinul zecilor sau sutelor de mii de dolari);

• calificare superioară a personalului operator;

• posibilități de detectare doar a defectelor situate în apropierea suprafeței;

• produsele cu suprafețe lucioase nu pot fi examinate fără o pregătire prealabilă a suprafeței;

• materialele cu o conductivitate termică foarte mare sau foarte mică nu pot fi examinate în mod obișnuit.

Bibliografie:

Amza Ghe., Mihai A., Popovici V., Goanță V., ș.a., “Metode moderne de detectare a defectelor”, Ed. Oamenilor de Știință din România, București, 2011

Mihai Alexandrina, “Temografia în infraroșu”, E.T., București, 2005

SR 13340: 1996 Examinari nedistructive. “Termografiere în infraroșu”