Метод неразрушающего определения теплопроводности защитного покрытия из ПВХ на стальном изделии

1. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего об

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
высшего образования
«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Тема бакалаврской работы : «Исследование метода
неразрушающего определения теплопроводности защитного
покрытия из ПВХ на стальном изделии»
Автор бакалаврской работы: Полковников Дмитрий Владимирович
Научный руководитель: д.т.н., профессор Майникова Нина Филипповна
Тамбов 2017

2.

АКТУАЛЬНОСТЬ:
2
Совершенствование известных, создание новых эффективных методов и средств
определения ТФС защитных покрытий востребованы и являются актуальными из-за большого
объема практического использования ПВХ в качестве антикоррозионных покрытий для защиты
от коррозии металлоконструкций зданий и сооружений различного назначения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Исследование метода неразрушающего определения теплопроводности защитного покрытия
из ПВХ на стальном изделии.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ВЫПУСКНОЙ БАКАЛАВРСКОЙ РАБОТЫ:
1. Выбраны измерительная и тепловая схемы метода НК двухслойных изделий, состоящих
из стального основания и покрытия из ПВХ
2. Численно исследовано распространение тепла в двухслойном изделии от действия
круглого плоского источника тепла постоянной мощности.
3. Изучена возможность неразрушающего определения теплопроводности защитного
покрытия ПВХ исследованным методом НК.

3.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ИЗ
ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА
Покрытия из ПВХ характеризуются:
1) высокая механическая прочность;
2) стойкость к стиранию, низким;
температурам, воздействию влаги;
3) незначительное относительное удлинение;
4) хорошие электроизоляционные свойства.
Поливинилхлорид находит широкое применение в
производстве:
1) конструкционных изделий из металла
с покрытием из ПВХ;
2) кабельной электроизоляции;
3) полимерно-металлических трубопроводов;
4) покрытий для пола;
5) профилей окон и дверей.
3

4. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СХЕМА МЕТОДА НК

4
Свойства материалов объекта исследования.
Свойства
сталь 40
47
462
7800
Свойства
ПВХ
0,12
1260
125
Рис. Измерительная схема
На металлической пластине с низкотеплопроводным покрытием из ПВХ толщиной h1
расположен измерительный зонд (ИЗ), включающий в себя плоский круглый нагреватель
(Н), теплоизолирующую подложку и термоприёмники (ТП1, ТП2).

5.

Математическая модель метода [1]
5
q
q
0
T
T1,, λλ1, ,aa1
1
1
1
T1 ( х, τ)
2T1 ( х, τ)
a1
, τ 0, 0 x h1 ;
τ
x 2
T2 ( х, τ)
2T2 ( х, τ)
a2
, τ 0, h1 x ;
τ
x 2
0
hh11
λ1
x
x
(2)
(3, 4)
T1 (h1 , τ) T2 (h1 , τ);
T1 ( x,0) T2 ( x,0) 0 ;
TT22, ,λλ2,2a, 2a2
(1)
T1 (h1 , τ)
T (h , τ)
λ2 2 1 ;
x
x
(5)
(6, 7)
T (0, τ)
T2 ( , τ) 0.
λ1 1
q;
x
Решение краевой задачи теплопроводности [1]
Рис. 2− Схема системы, состоящей из
ограниченного и полуограниченного тел
2q τ ε12 qh1
Т1 (0, τ)
1 2
.
π ε 2 ε 2 λ1
(8)
Где q – тепловой поток, Вт/м2; ε1, ε2 – тепловые активности первого и второго тел, Вт·с 1/2/(м2·К); h1 – толщина первого слоя, м ; λ1 – теплопроводность,
Вт/(м·К).
Выражение (8) представляет собой линейную зависимость вида: T 0, τ b1 τ b0 ,
где b1
2q
ε
, b 1
π ε2
ε
q h1 λ λ , ε ε ,
, 1
2
1
2
2
λ
2
1
2
1
0
Следовательно,
h1
λ1 b0
q
и
λ1
тогда
(9)
b0
h1 q
.
b0
q h1
.
λ1
(10)
(11, 12)
Из выражений (11, 12), зная λ1, можно определить h1, если задана h1, можно определить λ1.
1. Теоретическое обоснование теплового метода неразрушающего контроля двухслойных изделий / Рогов И.В., Майникова Н.Ф. и др.
// "Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского", 2009, ‒ № 9(23). С. 93 ‒ 96.

6. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЗОНД

6
АЦП
ЦАП
9
10
USB
JTAG
К
ARМ-контроллер
У
Шина данных
Плата Е14-140-МD
ПК
ПО
СПО
ППО
8
ВПО
БУП
БХС
1
ТП1
Н
ТП2
ИЗ
7
2
Исследуемое изделие
3
4
5
6
Рис. 3– Структурная схема
ИС – измерительная система; АЦП аналого-цифровой
преобразователь; БУП блок управления питанием; БХС блок
холодного спая; ИЗ измерительный зонд; СПО – системное
программное обеспечение; ППО прикладное программное
обеспечение; К контроллер; Н нагреватель; ВПО вспомогательное
программное обеспечение; ПО – программное обеспечение;
ПК персональный компьютер; ТП1, ТП2 – термоприемники;
У – усилитель; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.
Рис.4. Измерительный зонд
1 – измерительная ячейка; 2 – корпус;
3 – основание; 4 – теплоизолятор;
5 – нагреватель, 6 – микротермопары;
7 – разъём; 8 – пружина;
9– крышка корпуса;
10 – крышка измерительной ячейки.

7. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА

7
Рис.6 а)Отображение тепловых векторов(τ= 600с.)
Рис.5. Распределение сетки конечных элементов
Рис.6 б) Отображение тепловых векторов и изотерм (τ = 600 с. )

8. Задание меток блоков, ребер и граничных условий

8
Задание меток блоков, ребер и граничных условий
Дано: q=3000Вт/м2; Rн=100мм; h1=2мм; h2=10мм; τ=600c
Рис.7. Вводим граничные
условия
Рис. 8. Свойства метки блока «Покрытие»

9.

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ
9
y
Рис. 9. ‒ Тепловая схема
многослойной системы
Рис. 10. Термограмма на оси нагревателя в слое
полимера:
вблизи границы раздела подложка зонда ‒ защитное
покрытие (1); в слое покрытия (2-7); в
вблизи границы раздела покрытие – металл (8).
.

10. РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

10
РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис.11. Изменение отношения Т1/Тi во времени:
2-5 - изменение отношений во времени Т0.01 /Т0.2; Т0.01 /Т0.6;
Т0.01 /Т1; Т0.01 /Т1.4; Т0.01 /Т1.7; 6 ‒ Т0.01 /Т1.9 и 7 ‒ Т0.01 /Т1.99
соответственно.

11. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА.

Рис. 12. - Термограммы в точках контроля:
1 – в слое ПВХ вблизи границы раздела
подложка зонда ‒ защитное покрытие (x=0,01мм);
2;3 – в слое покрытия (x=0,5мм; x=1мм);
4 – вблизи границы раздела покрытие –
металл (x=1,99мм).
11
Таблица 1 – Соотношения
Т1 к Т i при различных значениях h, где
τ – время эксперимента

12. РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

12
РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 1. – Изменение отношения Т1 /Т2 во времени
Рис. 3. – Изменение отношения Т1 /Т4 во времени
Рис. 2. – Изменение отношения Т1/Т3 во времени

13.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
13
1. Выполнен анализ методов неразрушающего определения теплопроводности
низкотеплопроводных покрытий на металлических основаниях.
2. Выбрана измерительная схема метода неразрушающего определения
теплопроводности полимерных покрытий ПВХ на изделии из стали 40. Предложено
использовать круглый плоский источник тепла постоянной мощности, встроенный
в измерительный зонд.
3. Экспериментально доказано возможность реализации исследуемого метода НК
на данном двухслойном объекте.

14. Спасибо за внимание

Контактная информация:
Россия, 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106
Тамбовский государственный технический университет
Кафедра – Энергообеспечение предприятий и теплотехника
Тел.: 8 (4752) 68 04 48
e-mail: [email protected]