Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния и перспектив развития тепловизионных методов контроля в пирометаллургии
1.1. Современная тепловизионная аппаратура 10
1.2. Основные области применения тепловизионного контроля в пирометаллургии 20
1.3. Выводы по главе 33
Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования дефектоскопической чувствительности тепловизионной аппаратуры в задачах контроля объектов пирометаллургии
2.1. Особенности применения тепловизионного контроля в условиях пирометаллургических предприятий Заполярного региона 36
2.1.1. Анализ влияния посторонних источников излучения на пирометрические характеристики инфракрасной аппаратуры 43
2.1.2. Влияние атмосферных условий на работу тепловизоров 46
2.1.3. Влияние неизотермичности объектов на дефектоскопическую чувствительность тепловизионного контроля 52
2.1.4. Влияние апертурных характеристик тепловизоров на погрешность тепловизионной пирометрии 55
2.2. Анализ теплофизической модели дефектов покрытий огнеупоров дымовых труб Норильского комбината 58
2.3. Стендовые исследования тепловизионной аппаратуры 64
2.4. Выводы по главе 71
Глава 3. Разработка организационно-методических основ применения и внедрение тепловизионной аппаратуры на объектах Норильского горно-металлургического комбината
3.1. Технологии и методики тепловизионных методов обнаружения дефектов 73
3.2. Тепловизионная диагностика дымовых труб 84
3.3. Тепловизионная диагностика пульпопроводов 87
3.4. Тепловизионная диагностика изложниц Медного завода 93
3.5. Тепловизионная диагностика электролизных ванн Никелевого завода 97
3.6. Тепловизионня диагностика обжиговой известковой печи 101
3.7. Тепловизионная диагностика подины и футеровки плавильных печей 103
3.8. Тепловизионная диагностика кессонов 106
3.9. Тепловизионная диагностика потерны плотины 110
3.10. Выводы по главе 119
Заключение 120
Литература 123
Приложение. Термо- и видеограммы объектов Норильского горно-металлургического комбината 130
- Основные области применения тепловизионного контроля в пирометаллургии
- Влияние атмосферных условий на работу тепловизоров
- Технологии и методики тепловизионных методов обнаружения дефектов
- Тепловизионная диагностика потерны плотины
Введение к работе
Актуальность темы. Характеризуя уровень пирометаллургических процес -в настоящее время, следует отметить, что зачастую они связаны с эксплуата-й оборудования, выработавшего свой ресурс и обслуживаемого по принципу іктического состояния». Учитывая интенсивность тепловых режимов, это принт к необходимости и делает актуальным применение диагностических техно-ий и мониторинга агрегатов в реальном масштабе времени. Особенно перспек-ны дистанционные бесконтактные методы тепловизионного контроля и диаг-тики. Температура в металлургии - ключевой параметр качества процесса, один іажнейших индикаторов степени развития дефектов в огнеупорных материалах, ;онах, изложницах и других объектах. В настоящее время контроль температу-в металлургии производится пирометрами, либо контактными термопарными гаками в ограниченном числе точек объекта. Это не позволяет оперативно влять зоны перегрева оборудования, связанные с появлением дефектов разного вида (эрозия и прогары футеровки, пустоты и трещины, локальные изме-ия теплофизических характеристик газопроницаемости и влагосодержание гриалов ограждающих конструкций), координаты появления которых сложно гнозировать. В то же время современная тепловизионная техника позволяет с окой степенью достоверности, в реальном времени, дистанционно и бескон-но получать информацию о распределении температуры по поверхности агре-в, выявлять различные тепловые аномалии, связанные с отклонением парамет-технологических процессов или характеристик материалов от номинальных и временно принимать меры по предупреждению аварийных ситуаций. Тепло-юнный мониторинг позволяет продлить сроки эксплуатации и увеличить про-утки между планово-предупредительными ремонтами дорогостоящего обору-.ния, такого, например, как плавильные печи различного типа, изложницы, :ерторы, обжиговые известковые печи, миксеры, формы, кессоны, дымовые ы, электролизные ванны, энергоустановки различного назначения и т.д. Несо-шым достоинством тешювизионной технологии контроля является возмож-ь оперативно обнаруживать аварийные утечки из теплопроводов и пульпопро-
водов, контролировать термическое состояние потери хвостохранилищ, друї гидротехнических сооружений горно-металлургического комбината. Существ но, что тепловизионная цифровая аппаратура позволяет оперативно вводить і формацию в ПЭВМ и обрабатывать ее по соответствующим алгоритмам в цеі прогноза остаточного ресурса агрегатов, накопления базы данных и анализа , фектоскопических ситуаций.
Однако, применение современной тепловизионной техники на Нори ском комбинате, расположенном в Заполярье, в зоне вечной мерзлоты и поляр? ночи, требует изучения особенностей работы тепловизоров в этих экстремальн условиях. В этой связи актуальным представляется разработка требований к ап ратуре, способной к работе в этих условиях и обоснованный выбор модели теа визора с характеристиками адекватными условиям эксплуатации на Норильск комбинате, а также разработка и внедрение организационно-методических реї мендаций обеспечивающих их эффективное применение.
Цель работы - разработка эффективного метода тепловизионного kohtj ля процессов и объектов пирометаллургия с учетом реальных условий райог Крайнего Севера и специфики пирометаллургического производства.
Задачи исследования. Для достижения вышеуказанной цели в работе і ставлены и решены следующие основные задачи:
-
Выявление основных природных и техногенных факторов, влияют на эффективность применения тешювизионных технологий контроля объект пирометаллургии на Норильском комбинате.
-
Проведение теоретических и экспериментальных исследований влияе основных отрицательных факторов на работу тепловизионной аппаратуры в ycj виях Норильского комбината и разработка рекомендации по их устранению и/и ослаблению.
-
Разработка требований к характеристикам тепловизионной аппаратур предполагаемой к использованию в условиях Норильского комбината, и выб конкретного приборного комплекса на основе квалиметрнческого анализа кс мерческих моделей тепловизоров.
-
Разработка методики оперативного контроля основных характеристик ювизионной аппаратуры, необходимых для обеспечения их метрологической гжности в условиях эксплуатации Норильского комбината.
-
Разработка математической модели дымовых труб, как объекта контро-исследование на её основе влияния дефектов типа нарушения сплошности на пературное поле их поверхности, а также обоснование соответствующего кри-іія качества.
-
Исследование влияния неизотермичности объектов, апертурных харак-истик тепловизора на дефектоскопическую чувствительность тепловизионного ода.
-
Разработка и внедрение организационно-методических рекомендаций применению тепловизионного контроля объектов Норильского комбината и их ктическая апробация.
Методы исследования.
Поставленные задачи решались путем сочетания теоретических и экспе-іентальньїх исследований. Теоретические исследования проведены на основе ематического моделирования задачи распространения тепла в твердом теле с іектами типа нарушения сплошности с использованием положений теории ин-ікрасного излучения, теплофизики, фотометрии, теоретических основ оптико-ктронных приборов. При экспериментальном исследовании использованы из-)ительный тепловизор - РМ 595 и цифровой пирометр - THERMOPOINT 90 эмы FLIR Systems, аттестованные Росттестом Российской Федерации. Калиб-жа аппаратуры производилась с помощью поверенного излучателя типа "чер-; тело" - модель ВВ 400-3 фирмы AGEMA. При обработке результатов измере-\ применялись специализированные программы для анализа термограмм, в том :ле THERMACAM REPORTER и IRvvin Research 500 фирмы FLIR Systems.
Научная новизна
1. Впервые разработана математическая модель дымовой трубы, позво-ощая исследовать влияние дефектов огнеупорных слоев ограждающих конст-
рукций на температурное поле поверхности трубы с учетом внешних условий технологических факторов.
2.Установлены закономерности влияния на дефектоско-пическую чув< вительность тепловизионного контроля основных отрицательных факторов, харг терных для пирометаллургического производства, таких как засветка от посторс них источников излучения, состояние атмосферы и неизотермичность поверхнос объекта.
-
Предложены и обоснованы критерии дефектности кессонов плавильні печей при их контроле активным тепловым методом, учитывающие динами нагрева и суммарную площадь бракованных элементов.
-
Получена зависимость влияния размеров объектов на погрешность те ловизионного измерения температуры с учетом апертурных характеристик теш визора.
Практическая ценность
-
Разработаны и внедрены в практику технической диагностики объект Норильского комбината, организационно-методические рекомендации по прим нению тепловизионного контроля оборудования.
-
На основе разработанных методик проведено комплексное тепловиз онное обследование термического состояния важнейших объектов Норильске комбината, в том числе плавильных печей различных типов, кессонов, изложив дымовых труб, электролизных ванн, потерны и плотины хвостохранилищ, тещ трасс, пульпопроводов, разливочных ковшей, миксеров и ряда других объектов.
-
Разработаны рекомендации по дополнительному оснащению тешюв зоров цифровой фотокамерой, лазерным дальномером и телевизионным визире для повышения точности измерения температуры при контроле удаленных объе тов, а также их топографической привязке к местности.
-
Применение тепловизионной диагностики позволило продлить ресу ряда высоко термически нагруженных объектов, своевременно выявлять дефею оборудования и предотвращать аварийные ситуации, в результате чего получі социально-экономический эффект.
Реализация работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использо-ы рядом предприятий Норильского ГМК (Медный и Никелевый заводы, Наде-шский комбігаат, Управление гидротехшгческой службы) для неразрушающего троля и тепловизиошюго мониторинга термически высоконагруженных и ра-ающих в экстремальных условиях дорогостоящих объектов ответственного начения.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно-ктических конференциях Норильского ГМК, региональных совещаниях по блемам пирометаллургии (г.Норильск, 1990г., 1995г. и 1999г.), ряде отрасле-; семинаров и конференций.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 атных работ, в том числе одна монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, течения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изло-іа на 146 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка и 10 таблиц, сок использованных источников из 103 наименований и приложения.
Основные области применения тепловизионного контроля в пирометаллургии
Аналитический обзор современного состояния и перспектив развития тепловизионного контроля пирометаллургических агрегатов в условиях Крайнего Севера показал, что накопленный отечественными и зарубежными исследователями опыт применения тепловизионных методов контроля в металлургии убедительно доказал их эффективность и, одновременно, необходимость тщательного анализа условий их применений. В работах известных российских ученых, члена-корреспондента РАН Клюева В.В., д.т.н. Вавилова В.П., д.т.н. Жукова А.Г., д.т.н. Мирошникова М.М., д.т.н. Ковалёва А.В., д.т.н. Коннова В.В., к.т.н. Кетковича А.А., к.т.н. Федчишина В.Г. и других ученых рассматривались различные аспекты применения тепловизионной техники в неразрушающем контроле. Однако, специфические условия работы тепловизоров при контроле пирометаллургических агрегатов в условиях Крайнего Севера, до настоящего времени практически не исследовались.
Инфраструктура пирометаллургического комплекса включает объекты основного производства (плавильные печи различного типа), агрегаты и системы вспомогательного назначения (пульпопроводы, теплотрассы, дымовые трубы, элементы энергетического и механотехнологического оборудования). В свою очередь агрегаты основного производства подразделяются на: печи для обжига цинковых и медных концентратов, печи автогенной плавки на штейн и черновую медь, агрегаты для кислородно-факельной плавки сульфидов на штейн, печи Ванюкова для плавки руд и концентратов, конвертеры различных типов, шахтные печи для плавки окисленных никелевых руд и свинца, анодные и вейербасовые печи, руднотермические печи с теплогенерацией за счет электрической энергии. Несмотря на разнообразие конструкций и функциональных особенностей печей они как объекты диагностирования могут быть классифицированы на огнетехнические и пирометаллургические агрегаты, работающие на предельных технологических режимах, требующие непрерьгоного контроля; причем температура в большинстве случаев выступает как ключевой диагностический параметр. Например, износ футеровки стен и подин печей проявляется в виде аномалии топологии температурного поля соответствующих поверхностей от расчетных (штатных) значений.
Контроль температурных режимов пироагрегатов позволяет своевременно определить участки опасного перегрева (охлаждения), принять меры к устранению дефектов на ранних стадиях их появления, следить за динамикой их развития в процессе теплового мониторинга.
Однако тепловой контроль пироагрегатов, имеющих многометровые размеры, при отсутствии, априорной информации о координатах появления дефектов (и соответствующих тепловых аномалий) с помощью традиционньгх средств пирометрии (пирометры излучения, термопары, термоиндикаторы), затруднен, а в ряде случаев невозможен, например, из-за отсутствия доступа для контактных измерений.
В то же время старение оборудования, его физический износ, особенно быстрый в послересурсный период, делает необходимым разработку и внедрение методов оперативного контроля тепловых полей объектов, среди которых ведущее место занимают тепловизионные технологии. Тепловизоры, т.е. оптоэлектронные приборы для визуализации тепловых полей объектов, позволяют дистанционно, быстро, с высокой пространственной и температурной разрешающей способностью получать достоверную информацию о температурных режимах оборудования. Существенно, что широко распространенные цифровые тепловизоры позволяют оперативно вводить информацию в ПЭВМ, архивировать, подвергать статистической обработке, целенаправленно воздействовать на качество тепловизионных изображений для повышения их дефектоскопической информативности.
Как уже отмечалось, пирометаллургическое производство отличается чрезвычайно сложной инфраструктурой. С точки зрения определения перспектив внедрения тепловизионных технологий контроля, очень важно то обстоятельство, что большинство пиковых дефектов вспомогательного оборудования (трещины и раковины покрытий дымовых труб, утечки из пульпопроводов и теплотрасс, перегревы оборудования из-за чрезмерных механических электрических нагрузок) также может быть обнаружено с помощью тепловизоров по их тепловым проявлениям.
Наконец, тепловизионные методы контроля могут быть успешно применены для контроля таких важных элементов инфраструктуры пирометаллургических производств, как хвостохранилища, дамбы и потерны, различных теплозашитньгх конструкций, асфальтобетонных покрытий, железнодорожных путей, емкостей для хранения горючего, др. технологических сред. Таким образом, тепловидение выступает в качестве универсального метода контроля, пригодного для контроля температуры как непосредственного технологического параметра (температуры концентратов, шихты, расплавов, электролита в электролизных ваннах), так и для выявления различных дефектов по их проявлениям в тепловом поле объекта.
В России накоплен определенный опыт применения тепловизоров в металлургии. Например, НИИАЧермет разработал методы тепловизионного контроля температурного профиля шихты на колосниках, диагностики локальных перегревов кожуха доменных печей [13,30, 59, 60]. Существенно, что одновременно с тепловизором применялись контактные термопарные датчики (контроль температуры шихтовых материалов, диагностика накопления жидких продуктов плавки в металлоприемнике) и пирометры излучения (измерение температуры чугуна по ходу выпуска, горячего доменного дутья и восстановительных газов, диагностика разгара кладки горна). Подобное сочетание тепловизоров и традиционных пиродатчиков в едином информационном пространстве теплового контроля является определяющей тенденцей развития термодиагностики металлургических и подобных процессов.
Тепловизионный контроль температурных профилей поверхности шихты на колосниках доменных печей осуществлялся путем измерения интенсивности инфракрасного излучения на поверхности засыпки. Тепловизор визировал шихту через защитное окно из сапфира и монтировался в кожухе с охлаждением. На цветном дисплее воспроизводились температурные профили на колоснике печи, указьшались цветом места максимальной температуры, кривые ее распределения по взаимным параметрам и цифровое значение. Применялись тепловизоры "ИРБИС" фирмы AGEMA (США) и "Спиротерм" Центра металлургических исследований СРМ (Бельгия). Температурная чувствительность тепловизора составляла 0,1 С, а диапазон контроля до 1500С. Применение тепловизора позволило дополнительно получать картину профиля поверхности расположения шихты внутри печи, осыпания шихты в печь с лотка, количественное изменение выноса пыли и движения лотка в реальном масштабе времени. Это позволило на 2% снизить удельный расход кокса, увеличило срок службы фурм (их стойкость составляет в среднем два года), уменьшило износ кладки шихты печей, не оборудованных защитными плитами колосника [59]. Бесконтактное измерение температуры зоны воздухонагревателей (кауперов) с помощью термодиагностической аппаратуры позволило повысить оперативность контроля температуры горячих восстановительных газов и поднять на 0,5% производительность процесса плавки. Погрешность измерения составляла 10С. МИСиС и НПО Цветметавтоматика разработали методику тепловизионного контроля яркости фурменных очагов. Получаемая информация характеризует тепловое состояние фурменных очагов и применяется для его стабилизации путем изменения расхода природного газа по фурмам [59].
Применение тепловизоров позволяет наряду с диагностикой перегревов кожухов печей, воздухонагревателей и тракта горячего доменного дутья определять повреждения и степень износа футеровки, выявлять сгоревшие холодильники, контролировать забивание пылью трубопроводов и исправность силового оборудования [49].
Тепловой контроль футеровки позволяет оперативно оценивать ее текущий износ по высоте и днищу конвертора, выявлять локальные места интенсивного износа и поддерживать требуемый профиль конвертора путем своевременного торкретирования [52].
По данным фирмы FLIR SYSTEMS (США) применение специально сконструированного для цветной металлургии сканирующего пирометра (термопрофиля) позволяет оперативно контролировать процесс электролиза меди в электролизных ваннах Медных заводов. На термограмме, получаемой при перемещении прибора над ванной (в сочетании с секторным оптическим сканированием), отчетливо видны дефекты типа коротких замыканий электродов, неоднородности температуры электролита. Чувствительность термопрофиля составляет ОД С, а быстродействие 50 строк/сек. [60]. Аналогичный прибор фирма рекомендует применять для контроля вращающихся печей для обжига известняка. Сочетание вращения печи и секторного строчного сканирования позволяет получить полную развертку поверхности печи за один оборот. Выявляются дефекты типа износа футеровки, неоднородность перемешивания обжиговой шихты и неравномерность нагрева по оси печи [59].
Влияние атмосферных условий на работу тепловизоров
Для оценки дальности работы тепловизоров и достигаемых при этом значений отношения "сигнал-шум" и температурной чувствительности необходимо располагать данными о пропускании ИК излучения атмосферой в различных погодных условиях.
В чистой атмосфере ослабление ИК излучения обусловлено молекулярным поглощением и рассеянием. В слабозамутненной атмосфере к этим видам ослабления добавляются поглощение и рассеяние на частицах атмосферного аэрозоля, образующего дымки континентального или морского типа. Наихудшие условия распространения излучения связаны с появлением на трассе осадков (облаков, тумана, дождя и снега).
Таким образом, чтобы учесть влияние атмосферных условий на работу тепловизоров, необходимо проанализировать вклад различных видов ослабления, действующих одновременно. При этом следует помнить, что поглощение и рассеяние ИК излучения молекулами газов и частицами аэрозолей имеет место всегда, тогда как появление осадков носит эпизодический характер и определяется климатом данного географического района. Спектральная прозрачность атмосферы характеризуется величиной коэффициента пропускания та или коэффициентом ослабления ах на длине волны А, которые связаны соотношением.
Методика расчета коэффициентов пропускания т или Т\ в условиях только молекулярного поглощения и рассеяния изложена в [36, 37, 53] , поэтому в данной работе приводятся лишь некоторые количественные результаты для сопоставления с указанными коэффициентами в других условиях.
В работе исследовано влияние сложных метеоусловий (плотных дымок, тумана, дождя и снега) на ослабление РЖ излучения. В качестве основного параметра, характеризующего распространение излучения в различных атмосферных условиях, была использована метеорологическая дальность видимости. При наблюдении объектов через слой атмосферы ее влияние сказывается на снижении начального контраста К0 объекта по отношению к фону из-за рассеяния, поглощения и собственного излучения. Определяемый с расстояния S от объекта контраст К становится равным [34].
В данной работе под SM подразумевается дальность видимости только в дневных условиях. В этом случае (по определению) метеорологическая дальность видимости равна максимальному расстоянию, на котором черный объект, имеющий угловые размеры не менее 30 , воспринимается на фоне неба как предельно различимый контраст. При Ко = I и 8 =0,02 - соотношение (2.12) переходит в широко применяемую на практике формулу.
Ослабление инфракрасного излучения в атмосфере, свободной от аэрозоля и осадков, вызывается в основном поглощением на колебательно-вращательных переходах молекул водяного пара, углекислого газа, озона, метана. На рис.2.4 приведены характеристики пропускания атмосферы в двух участках спектра (2,5 5мкм и 5-И 4 мкм), включающих в себя рабочие диапазоны тепловизоров.
Пропускание 1% соответствует трассе протяженностью 1 км на уровне моря для двух моделей атмосферы, охватьшающих условия с минимальным и максимальным содержанием водяного пара.
При оценке пропускания атмосферы по кривым, приведенных на рис.2.4, следует иметь в виду, что получаемые значения т, как следует из (2.11), зависят от АХ прибора и от разрешения по спектру, с которым получены исходные т .. По этой причине в справочной литературе обычно приводятся зависимости т или Тх с указанием условий получения и для определенной длины трассы, а не погонные коэффициенты поглощения в км" , как это делается, например, для узких лазерных линий.
Величины %х на рис.2.4 соответствуют определенной концентрации поглощающих газов и метеорологическим условиям (давлению, температуре, влажности). Для оценки пропускания на трассе при других значениях метеопараметров целесообразно применить программы для численных расчетов молекулярного поглощения и соответствующие банки данных, учитывающие большое число линий поглощения атмосферных газов, которые позволяют вычислить коэффициенты пропускания для разных метеопараметров чистой атмосферы, длин трасс и спектральных диапазонов приборов. Учет вклада молекулярного рассеяния в ослабление может быть осуществлен по методике, изложенной в [34].
В прогнозировании ослабления в континентальных и морских дымках имеются значительные трудности, связанные с вариациями параметров дымок в разных погодных условиях. Основным параметром служит функция распределения концентрации частиц дымок по размерам п — (г). Эта функция определяется не только природой дымок, но и влиянием относительной влажности на их микроструктуру. В зависимости от вида функции п — (г), ее численных параметров и от комплексного показателя преломления материала частиц спектральные зависимости ослабления в дымках могут заметно отличаться, хотя видимость в них будет одинаковой. Можно, как это сделано для видимого диапазона, охарактеризовать связь о с SM в ИК диапазоне с помощью коэффициента соответствия К.
Сравнение спектральных зависимостей К , в континентальных дымках приведено на рис.2.5 для различных аэрозольных моделей атмосферы [37].
Соответствие кривых, приведенных на рис.2.5, ссылкам литературы дано в табл. 2.5. Как видно из рис.2.5 , близкие значения К , в ИК диапазоне дают формула (2.16) и модель 2 из [37] . Дымка с моросью (кривая I) и плотные дымки весны и осени (кривая 2) в континентальной зоне ослабляют ИК излучение менее селективно и этим резко отличаются от других. Величины коэффициентов ослабления а, в видимом диапазоне для рассмотренных моделей приведены в табл. 2.5.
С помощью данных табл. 2.5. и рис.2.5 по формулам (2.12) и (2.16) можно рассчитать ослабление в ИК диапазоне, задавшись SM или ссн.
Спектральная зависимость а , в дымках менее селективна, чем в газах, поэтому для приближенной оценки интегрального пропускания т можно взять его равным ослаблению в центре рабочей полосы тепловизора. В частности, для окон 3-5 и 8-13 мкм можно с небольшой погрешностью использовать монохроматические коэффициенты ослабления длин волн лазеров 3,5 и 10,6 мкм. Ослабление в снеге и особенно в дожде в видимой и ИК частях спектра можно считать не зависящим от длины волны, то есть ctA=const. Поэтому для определения ослабления в дожде и снеге по интенсивности их выпадения можно пользоваться эмпирическими формулами, полученными на волне 10,6 мкм:
Снег и дождь можно также характеризовать метеорологической дальностью видимости.
Для оценки времени, в течение которого в работу тепловизоров в открытой атмосфере погодные условия не будут вносить существенных помех, необходимо учесть распределение вероятности ослабления Р — (а) в заданном районе, которое определяется повторяемостью в этом районе тех или иных метеоусловий, Методика оценки Р (а) по данным повторяемости SM в разных погодных условиях приведена в [34].
Технологии и методики тепловизионных методов обнаружения дефектов
Применение теплового метода обнаружения дефектов (ТМОД) применительно к условиям Крайнего Севера строится на сочетании следующих основных принципов: многократности и регулярности получения информации, ее узкой направленности, оперативности и связи с потребителями информации.
Необходимость многократной тепловой съемки следует из динамичности и неоднозначности характера теплового поля земной поверхности. Как правило, однократная тепловая съемка не может дать достаточно достоверной информации не только о состоянии изучаемого объекта, но и о его присутствии в анализируемой области пространства. Регулярность регистрации теплового поля вытекает из самого определения мониторинга. Интервал повторных съемок определяется характером объектов наблюдения, их связью с антропогенной деятельностью.
Узкая направленность теплового мониторинга обусловлена спецификой тепловой съемки как дистанционного метода исследований. Объем полезной информации, которая может быть получена из тепловых изображений, в значительной степени определяется условиями выполнения ИК съемки. Причем от выбора условий зависит не только качество снимков, но и возможность отображения исследуемых объектов. Аэровариант обладает универсальностью и используется для наблюдения практически за всеми объектами, поэтому ему следует уделять основное внимание при разработке методов и технологии тепловой диагностики удаленных объектов.
При любом варианте выполнения тепловой ИК съемки, как при всех видах дистанционных методов исследований, в состав комплекса работ входят непосредственные наземные исследования. Синхронные наземные исследования проводятся на эталонных площадках с целью получения фактических значений параметров среды на момент дистанционной регистрации теплового поля. Эти данные используют при анализе тепловых изображений, главным образом при количественной оценке состояния объектов наблюдения.
Основной технологический процесс съемки связан с выбором оптимальных условий, режима и ее технических параметров. Эти условия включают время суток съемки, сезонную и метеорологическую обстановку.
Время наблюдений. Временем суток в наибольшей степени определяются радиационные условия съемки. Для объектов с внешним источником нагрева солнечное время является основным фактором, определяющим регистрируемый контраст. Для исследования таких объектов целесообразна двукратная съемка, выполняемая как в дневное, так и в ночное время.
Выделение объектов в этом случае производится на основе анализа суточной динамики температур путем сопоставления тепловых полей поверхности в условиях максимально и минимально напряженной радиационной обстановки.
Для объектов с внутренним источником нагрева, например теплотрасс, более информативна ночная съемка. Время суток мало влияет на величину регистрируемых контрастов, однако им определяются неоднородности теплового поля фоновой поверхности. В светлое время суток распределение температур, обусловленное различиями в составе верхнего слоя грунта и его влажности, в состоянии земной поверхности (особенно ее покрытия) и в рельефе, маскирует тепловые аномалии, связанные для большинства объектов наблюдения с выходом нагретого вещества на дневную поверхность (например, аварийные утечки из тепловых сетей, неглубокие очаги возгорания). В ночное время неоднородности, являющиеся помехами для РЖ съемки, в значительной мере нивелируются.
Радиационно-контрастные объекты более требовательны к выбору момента съемки. При выборе оптимального времени необходимо учитывать вариант съемки и конкретные условия; при этом возможно возникновение противоречивых требований. В этих случаях выбирается компромиссный вариант, обеспечивающий наибольшую эффективность съемки. Например, утечки из подземных водонесущих коммуникаций лучше всего проявляются в тепловом поле в ночное время. Однако установлено, что тепловую аэросъемку для наблюдения за ними целесообразно выполнять днем, так как малые размеры объектов наблюдения требуют съемки с малых высот, что возможно только в светлое время суток.
Сезонное время для проведения тепловой диагностики выбирают с учетом как времени возникновения объектов наблюдения (или критического изменения их состояния), так и оптимальных условий проявления объектов. Важен учет факторов изменения влажности грунтов; оптимальный период съемки приходится на июнь-сентябрь.
Частота наблюдений. Как уже отмечалось, объекты наблюдения тепловой диагностики отличаются высокой динамичностью, поэтому интервал повторных съемок колеблется от нескольких дней до года. Для объектов, существование которых носит случайный характер (дефекты), интервал мониторинга выбирается в соответствии с частотой возникновения.
В наибольшей степени на условия съемки влияют такие параметры метеорологической обстановки, как температура воздуха, скорость ветра, осадки, облачность и состояние атмосферы.
Выбор метеоусловий. В наибольшей степени на тепловой метод обнаружения дефектов объектов в полевых условиях (вне зданий и сооружений) влияют: скорость ветра, осадки и облачность. Наиболее благоприятный период наблюдения в условиях Норильска май-сентябрь. Дождь и снег приводят к выравниванию естественного теплового поля дневной поверхности, поэтому обычно они рассматриваются как неблагоприятные условия для тепловой аэросъемки. Однако при выполнении съемок для целей мониторинга в случае объектов наблюдения с внутренним источником теплоты слабые осадки выступают в роли "усилителя" тепловых аномалий. Это объясняется повышением теплопроводности грунта вследствие увеличения его влажности. Сильные осадки в любом случае являются помехой для дистанционных тепловых съемок.
Облака непрозрачны для ИК излучения, поэтому тепловую аэросъемку можно производить только с высоты ниже нижней кромки облачности. В общем случае облака искажают тепловое поле земной поверхности из-за относительно слабого прогрева теневых участков. Сплошная облачность ослабляет поток солнечной радиации, вследствие чего уменьшается амплитуда температурных контрастов у объектов с внешним источником нагрева. В этом случае можно считать, что облачность является помехой для дистанционной съемки.
При наблюдении объектов с внутренним источником теплоты, а также радиационно-контрастных объектов выравнивание температуры фоновой поверхности следует рассматривать как фактор, повышающий эффективность съемки.
Наиболее неблагоприятные условия съемки это густой туман. Дымка и слабый туман прозрачны для теплового излучения. Состояние атмосферы практически не влияет на результаты наземной и аквасъемки, поскольку они производятся с малого расстояния (десятки метров). При тепловой аэросъемке излучение воздушной средой более существенно, что учитывается при выборе высоты съемки.
Выбор съемочной дистанции. Дистанция это важнейший параметр теплового метода обнаружения дефектов. Она определяет масштаб изображения и степень детальности поля дефектов. От нее зависит масштаб, линейное разрешение и поле обзора, а так же поток ИК-излучения от объекта. Для протяженных объектов ослабление излучения атмосферой можно не учитывать. Критерием размера объекта при этом является его десятикратное превышение мгновенного поля зрения тепловизора. Для мелких объектов сигнал на входе тепловизора обратно пропорционален квадрату дистанции, что необходимо учитывать при измерениях. При аэро и вертолетной съемке рекомендуемая дистанция 100-500 м. В цехах дистанция определяется условием производства и составляет 2-15 м.
Спектральный диапазон. Для полевых условий рекомендуется диапазон 8-44 мкм. Для контроля в цехах объектов, нагретых более 100 С, рекомендуется диапазон 2 5 мкм.
Дешифрирование результатов съемок. Интерпретация материалов, полученных при дистанционном мониторинге, как и при изучении природных ресурсов, основана на двух взаимодополняющих подходах: геофизическом и ландшафтно-индикационном. При геофизическом подходе анализируется поле тепловых контрастов и характер его поведения при измерении природных и технических условий съемки. Ландшафтно-индикационный подход заключается в выяснении индикационных свойств природных образований искусственных объектов(дефектов), находящих отражение в тепловом поле земной поверхности.
Тепловизионная диагностика потерны плотины
Согласно классификации плотина Надеждинского хвостохранилища относится ко второй группе сооружений. Противофильтрационным элементом плотины является экран из щебнисто-дресвяного суглинка, покрытого полиэтиленом и фильтром из песчано-фавийной смеси. Сопряжение экрана с остальным основанием выполнено частично в виде слабоармированной бетонной плиты с цементационной галереей (потерной).
Основание плотины сложено диабазами, покрытыми на 1,5-2 м. рыхлыми суглинистыми отложениями с примесью дресвы и щебня. Высота каменно-набросной плотины составляет 74 м. Под основанием потерны заложен бетонный фундамент. Борта и свод состоят из слабоармированных бетонных плит, покрытых гидроизоляцией.
Поставленная нами задача, заключалась в нахождении мест фильтрации стоков под потерной или их проявления по бортам и над сводом. При этом исходили из следующего. Полиэтиленовая пленка противофильтрационного экрана повсеместно прорвана скальным грунтом отсыпки. Следовательно можно ожидать, что плиты бортов, свода и основания потерны либо сильно увлажнены, либо уже находятся в воде. При этом вода может находиться в покое или в движении. Учитывая, что процесс фильтрации шел многие годы, можно считать его стационарным. Можно сделать вывод, что тепломассообмен между плитами бетона потерны и подвижной или неподвижной водой, в значительной степени отличается друг от друга.
На основании измерений температуры внутри потерны свода, бортов и основания теплотехническими расчетами можно определить расположение фильтрационных стоков и состояния мерзлоты вне ее. Учитывая значительный объем вычислений необходимый для использования этого метода диагностики, было принято решение упростить его, используя только измерения температуры элементов потерны, проводя диагностику по температурным перепадам. Для измерения использовались три разновидности приборов: два инфракрасных пирометра для бесконтактного измерения, и один контактный - зонд. Измерения проводились в 3-4 точках на бортах, своде, основании (на участках свободных от теплоизоляции и гидроизоляции). Всего было сделано 2000 замеров для всей плотины.
Методология тепловой диагностики площадных съемок плотины НМЗ и местности заключалась в следующем. Плотина НМЗ, имеет свои характерные особенности. Подготовка материала для строительства, его дальнейшая укладка на карте, утрамбовка, обработка грунта высококонцентрированными солями, укладка противофильтрационных элементов экрана, покрытие его полиэкранным фильтром шла с дальнейшим промораживанием всего сооружения.
Первые съемки, проведенные 17 ноября 1995 года в сложных метеоусловиях: (г=-20 -22 С, ветер 8-10 м/с), при снежном покрове местами достигавшего высоты 0,5 - 1,5 м, поставили вопрос: по каким критериям нужно проводить диагностику: по температуре, влажности или коэффициентам черноты излучения. Если вести обработку съемки по тепловой программе с учетом интегральных коэффициентов излучения, то картина получится размытой и выделить фильтрацию затруднительно, так как величина Єт зависит от многих факторов. Например: снег свежевьшавпшй имеет Єт = 0,96; снег сырой Єт = 0,98; пленка воды толщиной 0,1 - 0,2 мм при 0 С имеет Єт = 0,96 - 0,98; почва замерзшая - Єт=0,93; открытые породы скального грунта в зависимости от удельного веса и дисперсности (суглинки, щебень) имеют Єт = 0,8 -0,96. Поэтому была принята гипотеза о взятии за основу при проведении расчетов средних коэффициентов, которые позволят решить главную задачу (определить зоны растепления и влажность), то есть Єт = 0,92, нивелируя все остальные показатели. Одновременно с этим была смоделирована картина физических процессов, происходящих по сечению плотины при устоявшейся и нарастающей фильтрации. Гипотеза была основана на следующих факторах:
1. Температура пульпы в зимний период составляет плюс 1СН-17 С. Подавалась она с другой стороны хвостохранилища и устойчивыми струйными потоками двигалась к плотине. Этому движению способствовала и фильтрация через плотину. Движение струйного течения четко наблюдалось по поверхности хвостохранилища по незамерзающим каналам. Температура воды у верхнего бьефа достигала приблизительно +5 С.
2. Продолжительность фильтрации нарастала в течение длительного времени. Следовательно, противофильтрационные элементы из щебнисто-дресвяного суглинка в силу его способности поглощать воду ею перенасыщены, а экранные покрытия во многих местах водопроницаемы.
3. Вода имеет большую теплопроводность и теплоемкость, следовательно, несет весьма значительный объем тепловой энергии, передавая ее элементам конструкции плотины. В зимний период 1995 г. перепад температуры воды с верхнего до нижнего бьефа составляла приблизительно 3-6 С, а начиная с 1997 г. когда слив пульпы ведется непосредственно под верхний бьеф, перепад возрос втрое, и составляет 8-12 С. При своем движении вода обводняет потерну со всех сторон, и сливаясь под уклон распределяется по бортам и под ее основание. В некоторых местах фильтрация идет и под основанием потерны, т.е. секции потерны обводнены движущейся и неподвижной водой. Можно считать, что противофильтрационные экраны плотины водопроницаемы, а щебнисто - дресвяные суглинки пропитаны водой и имеют положительную температуру даже в зимнее время. В результате глубинного теплового потока, идущего снизу от воды, в них возникает градиент температуры, который возбуждает процессы термодиффузии и конвекции. Вода, образуя пленку влаги, облегчает передачу тепла от одной частицы к другой.
Значительную роль в этом процессе играет влагоемкость горных пород, зависящая от пористости и дисперсности. В свою очередь это связано с молекулярной, гигроскопической и пленочной водой, которая благодаря силам поверхностного натяжения улучшает контакт между частицами. Таким образом можно считать, что теплопередача по сечению плотины происходит с разной интенсивностью, конвекцией и теплопроводностью, в зависимости от пористости и дисперсности, влияющих на влагоемкость скальных пород. При низких температурах теплопередача лучеиспусканием ничтожно мала и ее может не учитывать. Приведенный механизм процесса теплопередачи по сечению плотины не учитывает некоторых факторов: влияние теплового баланса хвостохранилища на весь объем плотины, тепловой поток идущий из-под земли под основание плотины и хвостохранилище.
4. Можно с высокой достоверностью утверждать, что вследствие наличия градиента температуры, в местах фильтрации воды выделяется значительный объем испарений пронизывающий по сечению всю плотину. Часть этих испарений увлажняет грунт, другая, конденсируясь, образует пористый лед. Еще одна часть испарений через трещины, пустоты, поры проникает на поверхность, образуя на валунно - щебнистой поверхности пленку воды, которая в дальнейшем продолжает испаряться. Если поверхность закрыта снежным покровом, часть влаги конденсируется и увлажняет снег, делая его пористым с микроканалами в местах испарения. Такая картина наблюдается при обработке тепловизионных съемок при различных интегральных коэффициентах излучения. Это дает возможность уверенно отличать сухой снег от увлажненного, выделять влагонасыщенные суглинки или валунно - щебнистый скальный грунт и многое другое. В качестве примера, подтверждающего выводы, можно привести визуальные наблюдения в летний и осенний период. Дороги, проложенные по плотине и пространство между ними отсыпаны щебнистыми суглинками. В тех местах, где по сечению плотины идет интенсивная фильтрация, суглинки влажные, и во многих случаях, даже в солнечные дни, лужи не просыхают. Другой пример: в начале сентября при t = -1 +2 С вся поверхность отсыпки нижнего бьефа покрыта инеем, и только там, где идет фильтрация по сечению плотины инея нет. Здесь механизм теплопередачи другой: интенсивное испарение подогревает валунно-щебнистую отсыпку, а перепад температуры недостаточен для образования инея, при этом картина получается очень наглядной.
