（高清版）GBT 43413-2023 無(wú)損檢測(cè) 紅外熱成像檢測(cè) 熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法通則

無(wú)損檢測(cè)紅外熱成像檢測(cè)熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法通則2023-11-27發(fā)布國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)前言 I Ⅱ 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 4紅外熱成像檢測(cè)人員 5檢測(cè)環(huán)境 6檢測(cè)設(shè)備 27檢測(cè)方法 8檢測(cè)的實(shí)施和報(bào)告 參考文獻(xiàn) I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》規(guī)定本文件等同采用ISO22290:2020《無(wú)損檢測(cè)紅外熱成像檢測(cè)熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法通則》。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專(zhuān)利的責(zé)任。本文件由全國(guó)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC56)提出并歸口。莞市鑫泰儀器儀表有限公司。Ⅱ熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法利用材料的熱彈性效應(yīng)對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)量，是一種“全隨著熱成像技術(shù)的發(fā)展，熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法的工業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法應(yīng)用的有效性取決于該方法的正確使用。本文件的制定旨在確立熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法的總體原則，以促進(jìn)1無(wú)損檢測(cè)紅外熱成像檢測(cè)測(cè)量方法通則熱彈性應(yīng)力1范圍本文件確立了工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域紅外熱成像檢測(cè)熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法的通則。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于ISO9712無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)人員的資格與認(rèn)證(Non-destructivetesting—QualificationandcertificationofNDTpersonnel)ISO10878無(wú)損檢測(cè)紅外熱成像術(shù)語(yǔ)(Non-destructivetesting—Infraredthermography—Vocabulary)ISO10880無(wú)損檢測(cè)紅外熱成像檢測(cè)總則(Non-destructivetesting—Infraredthermographictesting—Generalprinciples)ISO/TS25107無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)培訓(xùn)大綱(Non-destructivetesting—NDTtrainingsyllabuses)3術(shù)語(yǔ)和定義ISO10878界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。4紅外熱成像檢測(cè)人員包括熱彈性應(yīng)力測(cè)量在內(nèi)的紅外熱成像檢測(cè)(TT)的人員應(yīng)遵守以下要求：a)TT人員應(yīng)具備充分的檢測(cè)知識(shí)，包括按照ISO9712和ISO/TS25107確定的熱成像檢測(cè)和傳熱工程的基礎(chǔ)知識(shí)；b)TT人員的視力和辨色能力應(yīng)符合ISO9712的規(guī)定。5檢測(cè)環(huán)境5.1檢測(cè)設(shè)備環(huán)境在溫度、濕度和氣壓適合檢測(cè)設(shè)備(包括符合ISO10880規(guī)定的紅外熱像儀)工作的環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)。避免被測(cè)對(duì)象表面結(jié)露。為避免因視場(chǎng)抖動(dòng)而出現(xiàn)圖像模糊，盡量避免紅外熱像儀振動(dòng)。當(dāng)紅外熱像儀的振動(dòng)周期與被測(cè)對(duì)象的加載周期同步時(shí)，能通過(guò)位置校正技術(shù)減少影響。2干擾規(guī)避的相關(guān)要求和信息符合ISO10880中的規(guī)定。此外，宜盡量減少被測(cè)對(duì)象除了基于熱彈性效應(yīng)之外的表面溫度變化。例如，盡可能避風(fēng)以避免氣流引起的溫度變化。6檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)設(shè)備配置見(jiàn)圖1。除了紅外熱像儀(見(jiàn)圖1中標(biāo)引序號(hào)3)外，檢測(cè)設(shè)備還包括用于紅外熱像儀控制、參考信號(hào)處理、圖像處理、圖像顯示等的計(jì)算機(jī)(見(jiàn)圖1中標(biāo)引序號(hào)7)。當(dāng)對(duì)被測(cè)對(duì)象施加循環(huán)載荷時(shí)，材料試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖1中標(biāo)引序號(hào)1)應(yīng)具備按所需波形和頻率加載紅外熱像儀應(yīng)符合ISO10880的規(guī)定。此外，紅外熱像儀的紅外測(cè)量波長(zhǎng)范圍宜為3μm～5μm或8μm～14μm,以測(cè)量極小的溫度變化。紅外熱像儀的幀頻應(yīng)在每個(gè)加載周期提供足夠的幀數(shù)。為獲得檢測(cè)所需的空間分辨力，應(yīng)適當(dāng)設(shè)置紅外熱像儀的鏡頭視角、有效像素?cái)?shù)以及與被測(cè)對(duì)象的距離。宜使用具備適當(dāng)溫度分辨力的紅外熱像儀，以獲得所需的應(yīng)力(表面主應(yīng)力之和)分辨力。注：對(duì)于鋼，獲得1MPa的應(yīng)力分辨率需要約0.001K的溫度分辨率。通常，溫度分辨率能通過(guò)圖像平均等圖像處理來(lái)提高，以及使用具有大約0.03K噪聲等效溫度差(NETD)的紅外熱像儀。標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——材料試驗(yàn)機(jī)；2——被測(cè)對(duì)象；3——紅外熱像儀；4——傳送至紅外熱像儀的控制信號(hào)；5——來(lái)自紅外熱像儀的檢測(cè)信號(hào)；6——來(lái)自材料試驗(yàn)機(jī)的參考載荷或位移信號(hào)；7——帶有信號(hào)處理單元和顯示器的計(jì)算機(jī)；F——載荷；t——時(shí)間。36.3基于熱彈性效應(yīng)的溫度變化檢測(cè)的溫度變化量。與被測(cè)對(duì)象的應(yīng)力變化同步的參考信號(hào)用于執(zhí)行信號(hào)處理。參考信號(hào)應(yīng)使用來(lái)自材料試驗(yàn)機(jī)的載荷或位移信號(hào)(見(jiàn)圖1中標(biāo)引序號(hào)6),或從被測(cè)對(duì)象上安裝的應(yīng)變計(jì)獲得的信號(hào)。注：溫差成像技術(shù)是一種獲取主應(yīng)力之和變化圖像的信號(hào)處理方法，包括測(cè)量最高溫度時(shí)段和最低溫度時(shí)段的溫度分布圖像，并繪制一個(gè)整體的“溫度范圍圖像”,見(jiàn)ISO10878。鎖相技術(shù)具備在極其噌雜的環(huán)境中提取已知載波信號(hào)的能力。該信號(hào)包括但不限于溫度。7檢測(cè)方法被測(cè)對(duì)象宜由被視為均質(zhì)各向同性線彈性體的材料制成。被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率應(yīng)符合ISO10880的規(guī)定。被測(cè)對(duì)象的表面發(fā)射率宜均勻并接近黑體的發(fā)射率1.0。為此，能在材料表面均勻地涂覆發(fā)射率大于0.95的黑色啞光涂料薄層。使用黑色啞光涂料還能減少其他紅外輻射源在被測(cè)對(duì)象表面的反射，從而有效提高檢測(cè)精度。當(dāng)被測(cè)對(duì)象的加載頻率較高和/或涂層較厚時(shí)，宜注意涂層表面的溫度變化不等同于被測(cè)對(duì)象表面在檢測(cè)聚合物時(shí)，通過(guò)用砂紙進(jìn)行均勻的表面處理獲得與黑色啞光涂層基本相同的效果。注1:發(fā)射率因紅外線的波長(zhǎng)和涂料的規(guī)格而異。注2:黑色啞光涂層的最佳厚度為20μm～30μm。通常，使用氣溶膠噴霧在被測(cè)對(duì)象上均勻噴涂2次黑色啞光涂料，在5Hz～30Hz的加載頻率下的檢測(cè)結(jié)果不受影響。將被測(cè)對(duì)象適當(dāng)?shù)毓潭ㄔ谠囼?yàn)機(jī)上后，應(yīng)對(duì)其施加平均值、幅值和頻率恒定的正弦循環(huán)載荷。加載時(shí)，應(yīng)使用合適的支撐裝置和加載裝置，使被測(cè)對(duì)象上各點(diǎn)的主應(yīng)力之和與載荷成比例變化。如果該條件難以實(shí)現(xiàn)，則評(píng)估檢測(cè)結(jié)果應(yīng)計(jì)及被測(cè)對(duì)象的主應(yīng)力之和不隨載荷成比例變化。示例：在2個(gè)物體接觸的情況下，接觸面積的大小通常根據(jù)載荷的大小而變化。當(dāng)接觸面積的大小發(fā)生變化時(shí)，接觸區(qū)域附近主應(yīng)力之和的變化與載荷的變化不成正比。宜通過(guò)設(shè)置恒定加載頻率的同時(shí)改變載荷平均值和幅值進(jìn)行初步測(cè)量。然后，在隨載荷幅值變化的溫度歸一化值基本恒定的范圍內(nèi)選擇載荷平均值和幅值。載荷平均值和幅值宜在考慮以下a)～c)項(xiàng)后適當(dāng)設(shè)置。a)設(shè)定最小載荷(平均值減去幅值得到的載荷)和最大載荷(平均值加上幅值得到的載荷),以避免被測(cè)對(duì)象的任何部分出現(xiàn)明顯的屈服、屈曲或破壞。如果被測(cè)對(duì)象的一部分不可避免地發(fā)b)載荷幅值設(shè)置足夠大，以便能以足夠高的分辨率和準(zhǔn)確度測(cè)量由熱彈性效應(yīng)引起的溫度變化。c)載荷幅值設(shè)置足夠小，使最小載荷和最大載荷下被測(cè)對(duì)象在測(cè)量區(qū)域中的位移(剛體位移和/或變形)的差異不至于過(guò)大。如果位移太大以至于無(wú)法忽略，使用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。在這種情況下，宜在評(píng)估測(cè)量結(jié)果時(shí)注意運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的適用范圍。4GB/T43413—2023/ISO22290:20207.2.3加載頻率保持恒定的載荷平均值和幅值，改變加載頻率來(lái)進(jìn)行初步測(cè)量，選擇加載頻率使測(cè)量溫度的變化范圍和/或相對(duì)于加載頻率的相位變化最小，從而確定合適的加載頻率。加載頻率宜在考慮以下a)～c)項(xiàng)后適當(dāng)設(shè)置。a)加載頻率設(shè)置足夠大，使被測(cè)對(duì)象的熱傳導(dǎo)對(duì)溫度分布的影響最小，被測(cè)對(duì)象處于近絕熱狀態(tài)。注2:熱傳導(dǎo)對(duì)被測(cè)對(duì)象溫度分布的影響程度與加載頻率成反比，與被測(cè)對(duì)象材料的導(dǎo)熱系數(shù)(熱擴(kuò)散率)成正比。注3:如果整個(gè)被測(cè)對(duì)象的主應(yīng)力之和的變化是均勻的，則由于熱彈性效應(yīng)引起的溫度變化也變得均勻，從而能忽略熱傳導(dǎo)。b)設(shè)置加載頻率值，使得紅外熱像儀在每個(gè)加載周期提供足夠的幀數(shù)。c)如果被測(cè)對(duì)象表面涂有防腐涂料，則將加載頻率設(shè)置為與涂層類(lèi)別和厚度相對(duì)應(yīng)的值。7.3成像方法成像方法應(yīng)符合ISO10880的規(guī)定。另外，根據(jù)應(yīng)力測(cè)量視場(chǎng)所需的分辨率設(shè)置被測(cè)對(duì)象與紅外熱像儀的距離。被測(cè)對(duì)象表面與紅外熱像儀應(yīng)接近正對(duì)。同時(shí)，避免被測(cè)對(duì)象表面反射紅外熱像儀本身的影像。如果被測(cè)對(duì)象表面的法線與紅外熱像儀光軸的夾角大于45°,則從被測(cè)物表面發(fā)射到紅外熱像儀的紅外輻射會(huì)隨著夾角的增大而逐漸下降，大于60°則急劇下降。因此，測(cè)量夾角設(shè)置在45°以?xún)?nèi)，最大不應(yīng)大于60°。紅外反射鏡能用于測(cè)量夾角大于60°或測(cè)量被測(cè)對(duì)象的背面，但宜考慮鏡面反射率對(duì)測(cè)量精度的影響。7.4應(yīng)力值校準(zhǔn)在絕熱條件下，被測(cè)對(duì)象主應(yīng)力之和的變化與熱彈性效應(yīng)引起的溫度變化之間的關(guān)系見(jiàn)公式(1):…………(1)式中：△o——主應(yīng)力之和的變化，單位為帕斯卡(Pa);△T——溫度變化，單位為開(kāi)爾文(K);T——被測(cè)對(duì)象溫度，單位為開(kāi)爾文(K);k:——熱彈性系數(shù)，單位為每帕斯卡(Pa-l)。式中：a?——線性熱膨脹系數(shù)，單位為每開(kāi)爾文(K-1);p——材料密度，單位為千克每立方米(kg/m3);Cp——定壓比熱容，單位為焦耳每千克開(kāi)爾文[J/(kg·K)]。根據(jù)公式(1),被測(cè)對(duì)象表面的溫度變化(△T)換算為表面主應(yīng)力之和的變化△o[△(σ?+σ?)]。然而，通過(guò)紅外熱成像進(jìn)行溫度測(cè)量的方法很難準(zhǔn)確估計(jì)所有參數(shù)，例如，被測(cè)對(duì)象表面的實(shí)際發(fā)射率以及由于被測(cè)對(duì)象與紅外熱像儀之間的紅外吸收/散射所造成的任何影響。采用應(yīng)變片法在被測(cè)對(duì)象應(yīng)力分布的平坦位置測(cè)量主應(yīng)力之和的變化，同時(shí)使用紅外熱成像測(cè)量視在溫度變化，以獲得校準(zhǔn)5GB/T43413—2023/ISO22290:2020系數(shù)(β),見(jiàn)公式(2)。式中：△o'—-主應(yīng)力之和變化的標(biāo)定值，單位為帕斯卡(Pa);β——校準(zhǔn)系數(shù)；△T'——視在溫度變化，單位為開(kāi)爾文(K)。8檢測(cè)的實(shí)施和報(bào)告8.1無(wú)損檢測(cè)工藝規(guī)程應(yīng)編制書(shū)面無(wú)損檢測(cè)工藝規(guī)程，以提供檢測(cè)和被測(cè)對(duì)象的有關(guān)信息。檢測(cè)工藝規(guī)程應(yīng)包含但不限于以下內(nèi)容：a)檢測(cè)目的；b)適用范圍；c)適用標(biāo)準(zhǔn)；d)檢測(cè)人員；e)被測(cè)對(duì)象和檢測(cè)區(qū)域；f)檢測(cè)設(shè)備；g)檢測(cè)環(huán)境；h)檢測(cè)方法和檢測(cè)條件；i)評(píng)估方法；j)記錄和報(bào)告。8.2無(wú)損檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)應(yīng)編制書(shū)面無(wú)損檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。無(wú)損檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)應(yīng)包含但不限于以下內(nèi)容：a)檢測(cè)日期、時(shí)間和地點(diǎn)；b)檢測(cè)區(qū)域；c)檢測(cè)設(shè)備，包括紅外熱像儀[樣式、型號(hào)、鏡頭、使用的光學(xué)系統(tǒng)(如紅外反射鏡)等]、材料試驗(yàn)機(jī)(樣式、型號(hào)、加載方式等);d)檢測(cè)方法和檢測(cè)條件，包括熱彈性應(yīng)力測(cè)量方法、紅外熱像儀的參數(shù)設(shè)置、被測(cè)對(duì)象的加載條件(如波形、頻率、最小載荷、最大載荷)、信號(hào)處理方法(如鎖相技術(shù))、被測(cè)對(duì)象表面處理方法、環(huán)境干擾因素等；e)記錄方法。8.3檢測(cè)條件記錄紅外熱成像檢測(cè)的結(jié)果因檢測(cè)環(huán)境、檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)條件而異。應(yīng)記錄影響結(jié)果的任何條件。a)檢測(cè)日期、時(shí)間和地點(diǎn)。b)檢測(cè)人員。c)被測(cè)對(duì)象和待測(cè)區(qū)域，包括被測(cè)對(duì)象的形狀、尺寸、材質(zhì)、表面紋理，紅外熱像儀與被測(cè)對(duì)象的距離、被測(cè)對(duì)象的可見(jiàn)光視覺(jué)圖像等。6d)檢測(cè)設(shè)備[紅外熱像儀的樣式及型號(hào)(檢測(cè)元件、有效像素?cái)?shù))、光學(xué)系統(tǒng)(鏡頭、濾光片和紅外f)檢測(cè)方法和檢測(cè)條件：●表面處理提高發(fā)射率的方法；●采用的信號(hào)處理和圖像處理方法，如溫差成像技術(shù)或鎖相技術(shù)。g)評(píng)估方法(根據(jù)獲得的指示，將相關(guān)數(shù)據(jù)評(píng)估為屬于異常應(yīng)力產(chǎn)生點(diǎn)的原因)。根據(jù)具體需要，報(bào)告列出無(wú)損檢測(cè)工藝規(guī)程和無(wú)損檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)中的部分條目。GB/T43413—2023/ISO22290:[1]ISO18251-1,Non-destructivetesting—Infraredthermography—Part1:Characteristicsofsystemandequipment[2]NASA/TM-1999-209376,Thermoelasticstrealloys,Gyekenyesi,AL.andBaaklini,GY.,NationalAeronauticsandSpaceAdministration(1999)[4]ASTME1934,StandardGuideforExaminingElectricalandMechanicalEquipmentwithInfraredThermography[5]DIN5