橋梁涂裝紅外熱成像技術檢測用試板設計應用

高昊，張運入，姚騰

（1.中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指揮部，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，同時所處運營環境比較惡劣，橋梁長期暴露于大氣環境之中。在多種外界因素耦合作用下，鋼結構防腐涂層的物理及化學性能隨時間推移逐漸衰變失去保護性能，導致防護涂層部分或全部失去對基體的保護作用，因此，保障鋼結構涂層質量對后期橋梁的運營意義重大。

常規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行破壞性檢查，然后對破壞區域進行涂裝修復，并且常規檢測手段受位置、結構、構件尺寸的影響。紅外熱成像技術以間歇式輻射加熱的方式進行涂層的吸熱/放熱特性分析，并形成圖像，對鋼結構涂層進行檢測。從理論上來說，紅外熱成像技術可以彌補橋梁鋼結構涂裝常規檢測手段對于復雜結構以及破壞性檢測手段的不足，因此，很多學者對紅外熱成像技術應用于橋梁的涂裝檢測的可行性展開了大量研究[1～3]。

橋梁鋼結構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，根據橋梁鋼結構涂裝缺陷設計制作缺陷試板，采用紅外設備進行試驗檢測，根據試驗試板的檢測結果研究鋼結構涂層相關工藝。

2 紅外熱成像設備

檢測設備采用Thermal Stare公司生產的IR-CIS涂裝紅外系統，系統主要由攝像頭、主機及控制器構成?？刂破鬟M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，經過主機系統完成處理并在控制器顯示數字圖像以及紅外圖像。

當物體存在缺陷時，不同的導熱系數對熱傳導過程的影響不同，熱流在物體內傳導的過程會反映在物體表面溫度的差異上。紅外熱成像技術原理是通過電子裝置探測器將物體表面的發熱與散熱部位的溫度分布情況進行采集，通過系統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計

設計制作紅外熱成像檢測試板采用鋼材料，預留6個區域預埋缺陷，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構涂裝應用的可行性，橋梁鋼結構涂裝缺陷包括涂料和基體之間的結合不良、涂料之間的結合不良，因此，設計制作涂裝缺陷試板包括無缺陷、細砂+膠帶、涂料未干透+細砂+膠帶、涂料未干透+銹蝕+細砂+膠帶。預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，在試板上預留 3個面積為 15mm×15mm（A1、B1、C1）和 3個面積為20mm×20mm（A2、B2、C2）的區域，位置如圖 1所示。除 C1、C2區域外，試板表面噴砂后刷涂環氧富鋅底漆，主∶固（主劑∶固化劑）=19∶1，C1、C2區域用水及化學試劑噴灑，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，然后刷涂環氧云鐵中間漆，主∶固=6∶1。在 A1、A2 處采用膠帶下面鋪細沙制作缺陷，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區域因布置缺陷厚度不均勻，干膜厚度在250～350μm。

3）B1、B2區域底漆未完全干透前，刷涂環氧云鐵中間漆，主∶固=6∶1。同樣在B1、B2區域布置膠帶下面鋪細沙制作缺陷，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 預制完成的缺陷試板

4）待C1、C2區域表面發生銹蝕后直接涂刷底漆，主∶固=19∶1，底漆未完全干透前，刷涂環氧云鐵中間漆，主∶固=6∶1。同樣，在C1、C2區域布置膠帶下面鋪細沙制作缺陷，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用

當系統狀態及攝像頭測試完成后，點擊測試圖標即可完成一次涂裝的紅外熱成像檢測，控制系統將會在自動完成設定次數的間歇輻射后拍攝紅外和數字圖像。由于獲得的涂裝紅外圖像是經過主動熱激勵源的數次間歇輻射，表征鋼結構涂裝的吸熱、放熱特性，采用紅外熱成像系統對試制的缺陷試板進行試驗。

由試板紅外檢測試驗結果照片可知，照片中存在鮮明的顏色對比，未設置缺陷區域圖像為藍色，設置缺陷的區域為黃色或紅色，缺陷位置與預制缺陷位置基本相同；A1、A2區域的缺陷為膠帶+細砂，缺陷厚度較淺，檢測圖像顯示顏色較淺，B1、B2區域的缺陷為底漆未干+膠帶+細沙，檢測圖像顯示有明顯的缺陷，缺陷深度加深；C1、C2的區域為基體銹蝕+底漆未干+膠帶+細沙，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 結語

綜上所述，得出以下結論：

1）對設計制作的缺陷試板的紅外設備檢測試驗結果進行分析可得，紅外熱成像技術能夠檢測出試板預制的缺陷，且不同缺陷的紅外圖像結果對比明顯。表明紅外熱成像技術可以應用于橋梁涂裝缺陷的檢測。

2）鋼結構涂裝內部存在缺陷時，缺陷區域的溫度與無缺陷區域差異性明顯，即無缺陷區域的圖像為藍色，缺陷區域的圖像顏色為黃色甚至紅色，顏色越接近紅色和紅色區域越大表示涂裝缺陷越嚴重。

3）涂裝缺陷面積不同，試件表面產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，熱量不易擴散，紅外圖像顏色越深。