橋梁涂裝紅外熱成像技術(shù)檢測用試板設(shè)計應(yīng)用

高昊，張運(yùn)入，姚騰

（1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，南京 210018；2.江蘇法爾勝材料分析測試有限公司，江蘇 江陰 214445）

1 引言

五峰山長江大橋是公鐵兩用大橋，橋梁涂裝面積很大，同時所處運(yùn)營環(huán)境比較惡劣，橋梁長期暴露于大氣環(huán)境之中。在多種外界因素耦合作用下，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層的物理及化學(xué)性能隨時間推移逐漸衰變失去保護(hù)性能，導(dǎo)致防護(hù)涂層部分或全部失去對基體的保護(hù)作用，因此，保障鋼結(jié)構(gòu)涂層質(zhì)量對后期橋梁的運(yùn)營意義重大。

常規(guī)涂裝檢測方法如漆膜厚度、涂層附著力的檢查均在施工完成后進(jìn)行破壞性檢查，然后對破壞區(qū)域進(jìn)行涂裝修復(fù)，并且常規(guī)檢測手段受位置、結(jié)構(gòu)、構(gòu)件尺寸的影響。紅外熱成像技術(shù)以間歇式輻射加熱的方式進(jìn)行涂層的吸熱/放熱特性分析，并形成圖像，對鋼結(jié)構(gòu)涂層進(jìn)行檢測。從理論上來說，紅外熱成像技術(shù)可以彌補(bǔ)橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝常規(guī)檢測手段對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及破壞性檢測手段的不足，因此，很多學(xué)者對紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于橋梁的涂裝檢測的可行性展開了大量研究[1～3]。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝的缺陷包括各種噴涂工藝下的涂層缺陷以及各種涂裝失效形態(tài)，根據(jù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝缺陷設(shè)計制作缺陷試板，采用紅外設(shè)備進(jìn)行試驗檢測，根據(jù)試驗試板的檢測結(jié)果研究鋼結(jié)構(gòu)涂層相關(guān)工藝。

2 紅外熱成像設(shè)備

檢測設(shè)備采用Thermal Stare公司生產(chǎn)的IR-CIS涂裝紅外系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由攝像頭、主機(jī)及控制器構(gòu)成。控制器進(jìn)行檢測過程的控制，通過攝像頭對檢測物體熱激及圖像采集，經(jīng)過主機(jī)系統(tǒng)完成處理并在控制器顯示數(shù)字圖像以及紅外圖像。

當(dāng)物體存在缺陷時，不同的導(dǎo)熱系數(shù)對熱傳導(dǎo)過程的影響不同，熱流在物體內(nèi)傳導(dǎo)的過程會反映在物體表面溫度的差異上。紅外熱成像技術(shù)原理是通過電子裝置探測器將物體表面的發(fā)熱與散熱部位的溫度分布情況進(jìn)行采集，通過系統(tǒng)處理后形成代表物體溫度分布的熱圖像，熱圖像中不同的顏色代表著物體不同的溫度顯示狀況，可以根據(jù)紅外圖像中顯示的不同顏色識別被檢物體中存在的缺陷。

3 涂裝紅外檢測試板設(shè)計

設(shè)計制作紅外熱成像檢測試板采用鋼材料，預(yù)留6個區(qū)域預(yù)埋缺陷，缺陷位置分布及編號如圖1所示。試板尺寸為L×B×H=180mm×120mm×5mm，設(shè)置同一行缺陷面積相同，即A1、B1、C1 缺陷邊長為 15mm，A2、B2、C2 缺陷邊長為 20mm，橫排缺陷之間的距離為40mm。每列孔洞缺陷的深度相同，3列缺陷深度分別為1mm、1.5mm和2mm。每列缺陷之間的距離為45mm。設(shè)計制作試板的俯視圖如圖1所示。

圖1 試板俯視圖

4 涂裝紅外檢測試板制作

涂裝紅外檢測試板設(shè)計制作的目的是為了解決上述背景問題中提出的涂裝紅外檢測在實際橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝應(yīng)用的可行性，橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝缺陷包括涂料和基體之間的結(jié)合不良、涂料之間的結(jié)合不良，因此，設(shè)計制作涂裝缺陷試板包括無缺陷、細(xì)砂+膠帶、涂料未干透+細(xì)砂+膠帶、涂料未干透+銹蝕+細(xì)砂+膠帶。預(yù)制完成的缺陷試板如圖2所示。

試板的制作步驟分別為：

1）制作試板尺寸L×B×H=180mm×120mm×5mm，在試板上預(yù)留 3個面積為 15mm×15mm（A1、B1、C1）和 3個面積為20mm×20mm（A2、B2、C2）的區(qū)域，位置如圖 1所示。除 C1、C2區(qū)域外，試板表面噴砂后刷涂環(huán)氧富鋅底漆，主∶固（主劑∶固化劑）=19∶1，C1、C2區(qū)域用水及化學(xué)試劑噴灑，等待生銹。

2）待試板表面涂刷的底漆完全干燥后，測得干膜厚度約為 120μm，然后刷涂環(huán)氧云鐵中間漆，主∶固=6∶1。在 A1、A2 處采用膠帶下面鋪細(xì)沙制作缺陷，待中間漆完全干燥后，涂刷氟碳面漆。無缺陷處試板干膜厚度約為250μm，A1、A2區(qū)域因布置缺陷厚度不均勻，干膜厚度在250～350μm。

3）B1、B2區(qū)域底漆未完全干透前，刷涂環(huán)氧云鐵中間漆，主∶固=6∶1。同樣在B1、B2區(qū)域布置膠帶下面鋪細(xì)沙制作缺陷，待中間漆完全干燥后，涂刷氟碳面漆。因布置缺陷底漆厚度未干以及布置缺陷厚度不均勻，干膜厚度在300～650μm。

圖2 預(yù)制完成的缺陷試板

4）待C1、C2區(qū)域表面發(fā)生銹蝕后直接涂刷底漆，主∶固=19∶1，底漆未完全干透前，刷涂環(huán)氧云鐵中間漆，主∶固=6∶1。同樣，在C1、C2區(qū)域布置膠帶下面鋪細(xì)沙制作缺陷，待中間漆完全干燥后，涂刷氟碳面漆。試板因布置缺陷厚度不均勻，干膜厚度在 350～750μm。

5 涂裝紅外試板檢測應(yīng)用

當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)及攝像頭測試完成后，點擊測試圖標(biāo)即可完成一次涂裝的紅外熱成像檢測，控制系統(tǒng)將會在自動完成設(shè)定次數(shù)的間歇輻射后拍攝紅外和數(shù)字圖像。由于獲得的涂裝紅外圖像是經(jīng)過主動熱激勵源的數(shù)次間歇輻射，表征鋼結(jié)構(gòu)涂裝的吸熱、放熱特性，采用紅外熱成像系統(tǒng)對試制的缺陷試板進(jìn)行試驗。

由試板紅外檢測試驗結(jié)果照片可知，照片中存在鮮明的顏色對比，未設(shè)置缺陷區(qū)域圖像為藍(lán)色，設(shè)置缺陷的區(qū)域為黃色或紅色，缺陷位置與預(yù)制缺陷位置基本相同；A1、A2區(qū)域的缺陷為膠帶+細(xì)砂，缺陷厚度較淺，檢測圖像顯示顏色較淺，B1、B2區(qū)域的缺陷為底漆未干+膠帶+細(xì)沙，檢測圖像顯示有明顯的缺陷，缺陷深度加深；C1、C2的區(qū)域為基體銹蝕+底漆未干+膠帶+細(xì)沙，檢測圖像同樣顯示有明顯的缺陷。由此可見，缺陷深度越大，顏色顯示越深，缺陷面積越大，缺陷越容易識別。

6 結(jié)語

綜上所述，得出以下結(jié)論：

1）對設(shè)計制作的缺陷試板的紅外設(shè)備檢測試驗結(jié)果進(jìn)行分析可得，紅外熱成像技術(shù)能夠檢測出試板預(yù)制的缺陷，且不同缺陷的紅外圖像結(jié)果對比明顯。表明紅外熱成像技術(shù)可以應(yīng)用于橋梁涂裝缺陷的檢測。

2）鋼結(jié)構(gòu)涂裝內(nèi)部存在缺陷時，缺陷區(qū)域的溫度與無缺陷區(qū)域差異性明顯，即無缺陷區(qū)域的圖像為藍(lán)色，缺陷區(qū)域的圖像顏色為黃色甚至紅色，顏色越接近紅色和紅色區(qū)域越大表示涂裝缺陷越嚴(yán)重。

3）涂裝缺陷面積不同，試件表面產(chǎn)生溫度異常的范圍越大，紅外顯示的顏色差異明顯，缺陷深度越深，熱量不易擴(kuò)散，紅外圖像顏色越深。