รอยแตกร้าวซ่อนอยู่? ใช้การถ่ายภาพอินฟราเรดเพื่อวิเคราะห์ความเครียดความร้อนของหินแกรนิต

ที่ ZHHIMG® เราเชี่ยวชาญในการผลิตชิ้นส่วนหินแกรนิตด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตร แต่ความแม่นยำที่แท้จริงนั้นครอบคลุมมากกว่าความคลาดเคลื่อนในกระบวนการผลิตเบื้องต้น ครอบคลุมถึงความสมบูรณ์ของโครงสร้างและความทนทานในระยะยาวของวัสดุเอง หินแกรนิต ไม่ว่าจะใช้ในฐานเครื่องจักรที่มีความแม่นยำสูงหรือการก่อสร้างขนาดใหญ่ ล้วนมีความเสี่ยงต่อข้อบกพร่องภายใน เช่น รอยแตกร้าวขนาดเล็กและช่องว่าง ความไม่สมบูรณ์แบบเหล่านี้ ประกอบกับความเครียดจากความร้อนจากสภาพแวดล้อม เป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานและความปลอดภัยของชิ้นส่วนโดยตรง

สิ่งนี้ต้องการการประเมินขั้นสูงแบบไม่รุกราน การถ่ายภาพด้วยความร้อนอินฟราเรด (IR) ได้กลายเป็นวิธีการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) ที่สำคัญสำหรับหินแกรนิต ซึ่งเป็นวิธีการที่รวดเร็วและไม่ต้องสัมผัสในการประเมินสภาพภายในของหินแกรนิต เมื่อใช้ร่วมกับการวิเคราะห์การกระจายตัวของเทอร์โม-สเตรส เราจะก้าวข้ามการค้นหาข้อบกพร่องเพียงอย่างเดียว ไปสู่การทำความเข้าใจผลกระทบที่มีต่อเสถียรภาพของโครงสร้างอย่างแท้จริง

วิทยาศาสตร์แห่งการมองเห็นความร้อน: หลักการถ่ายภาพอินฟราเรด

การถ่ายภาพความร้อนด้วยอินฟราเรดทำงานโดยจับพลังงานอินฟราเรดที่แผ่ออกมาจากพื้นผิวหินแกรนิตและแปลงเป็นแผนที่อุณหภูมิ การกระจายอุณหภูมินี้เผยให้เห็นคุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์โดยอ้อม

หลักการนี้ตรงไปตรงมา: ข้อบกพร่องภายในทำหน้าที่เป็นความผิดปกติทางความร้อน ตัวอย่างเช่น รอยแตกหรือช่องว่างจะขัดขวางการไหลของความร้อน ทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิที่ตรวจพบได้จากวัสดุเสียงโดยรอบ รอยแตกอาจปรากฏเป็นเส้นที่เย็นกว่า (ปิดกั้นการไหลของความร้อน) ในขณะที่บริเวณที่มีรูพรุนสูง เนื่องจากความแตกต่างของความจุความร้อน อาจแสดงจุดร้อนเฉพาะที่

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิค NDT ทั่วไป เช่น การตรวจสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงหรือเอกซเรย์ การถ่ายภาพด้วยอินฟราเรดมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจน ดังนี้

• การสแกนพื้นที่ขนาดใหญ่และรวดเร็ว: ภาพเดียวสามารถครอบคลุมพื้นที่ได้หลายตารางเมตร ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการคัดกรองส่วนประกอบหินแกรนิตขนาดใหญ่อย่างรวดเร็ว เช่น คานสะพานหรือฐานเครื่องจักร
• ไม่ต้องสัมผัสและไม่ทำลาย: วิธีนี้ไม่ต้องใช้การเชื่อมต่อทางกายภาพหรือตัวกลางสัมผัส ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะไม่เกิดความเสียหายรองต่อพื้นผิวอันบริสุทธิ์ของส่วนประกอบ
• การตรวจสอบแบบไดนามิก: ช่วยให้สามารถบันทึกกระบวนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญในการระบุข้อบกพร่องที่อาจเกิดขึ้นอันเกิดจากความร้อนในขณะที่เกิดขึ้น

การปลดล็อกกลไก: ทฤษฎีเทอร์โมสเตรส

ส่วนประกอบของหินแกรนิตย่อมเกิดความเค้นความร้อนภายในอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ อันเนื่องมาจากความผันผวนของอุณหภูมิโดยรอบหรือภาระภายนอก ซึ่งเป็นไปตามหลักการเทอร์โมอิลาสติก:

• ความไม่สอดคล้องกันของการขยายตัวเนื่องจากความร้อน: หินแกรนิตเป็นหินผสม เฟสของแร่ภายใน (เช่น เฟลด์สปาร์และควอตซ์) มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่างกัน เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความไม่สอดคล้องกันนี้จะนำไปสู่การขยายตัวที่ไม่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดบริเวณที่มีแรงดึงหรือแรงอัดรวมกันเป็นจำนวนมาก
• ผลกระทบจากข้อจำกัดของข้อบกพร่อง: ข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกหรือรูพรุน เป็นตัวจำกัดการปลดปล่อยแรงเค้นเฉพาะจุดโดยธรรมชาติ ทำให้เกิดความเข้มข้นของแรงเค้นสูงในวัสดุข้างเคียง ปัจจัยนี้ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งการขยายตัวของรอยแตก

การจำลองเชิงตัวเลข เช่น การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ (FEA) เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการประเมินความเสี่ยงนี้ ตัวอย่างเช่น ภายใต้อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงเป็นวัฏจักร 20°C (เช่น วัฏจักรกลางวัน/กลางคืนทั่วไป) แผ่นหินแกรนิตที่มีรอยแตกร้าวในแนวตั้งอาจได้รับแรงดึงผิวสูงถึง 15 MPa เนื่องจากความแข็งแรงดึงของหินแกรนิตมักน้อยกว่า 10 MPa ความเข้มข้นของแรงดึงนี้อาจทำให้รอยแตกร้าวขยายตัวเมื่อเวลาผ่านไป นำไปสู่การเสื่อมสภาพของโครงสร้าง

วิศวกรรมในการปฏิบัติ: กรณีศึกษาในการอนุรักษ์

ในโครงการบูรณะเสาหินแกรนิตโบราณเมื่อเร็วๆ นี้ การถ่ายภาพด้วยอินฟราเรดความร้อนสามารถระบุแถบเย็นแบบวงแหวนที่ไม่คาดคิดในส่วนกลางได้สำเร็จ การเจาะในภายหลังยืนยันว่าความผิดปกตินี้คือรอยแตกแนวนอนภายใน

ได้มีการเริ่มการสร้างแบบจำลองความเค้นความร้อนเพิ่มเติม การจำลองแสดงให้เห็นว่าความเค้นแรงดึงสูงสุดภายในรอยแตกร้าวในช่วงฤดูร้อนมีอุณหภูมิสูงถึง 12 MPa ซึ่งเกินขีดจำกัดของวัสดุอย่างอันตราย การแก้ไขที่จำเป็นคือการฉีดเรซินอีพอกซีที่มีความแม่นยำสูงเพื่อทำให้โครงสร้างมีเสถียรภาพ การตรวจสอบ IR หลังการซ่อมแซมยืนยันว่าสนามอุณหภูมิมีความสม่ำเสมอมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และการจำลองความเค้นยืนยันว่าความเค้นความร้อนลดลงจนถึงเกณฑ์ที่ปลอดภัย (ต่ำกว่า 5 MPa)

ขอบเขตของการติดตามสุขภาพขั้นสูง

การถ่ายภาพความร้อนแบบอินฟราเรด ร่วมกับการวิเคราะห์ความเค้นอย่างเข้มงวด ช่วยให้มีแนวทางทางเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้สำหรับการตรวจสอบสุขภาพโครงสร้าง (SHM) ของโครงสร้างพื้นฐานหินแกรนิตที่สำคัญ

อนาคตของวิธีการนี้ชี้ไปที่ความน่าเชื่อถือและการทำงานอัตโนมัติที่ได้รับการปรับปรุง:

1. การผสมผสานหลายโหมด: การรวมข้อมูล IR เข้ากับการทดสอบอัลตราโซนิกเพื่อปรับปรุงความแม่นยำเชิงปริมาณของการประเมินความลึกและขนาดของข้อบกพร่อง
2. การวินิจฉัยอัจฉริยะ: การพัฒนาอัลกอริธึมการเรียนรู้เชิงลึกเพื่อเชื่อมโยงฟิลด์อุณหภูมิกับฟิลด์ความเครียดจำลอง ช่วยให้สามารถจำแนกข้อบกพร่องและประเมินความเสี่ยงเชิงคาดการณ์ได้โดยอัตโนมัติ
3. ระบบ IoT แบบไดนามิก: การบูรณาการเซ็นเซอร์ IR เข้ากับเทคโนโลยี IoT เพื่อตรวจสอบสถานะทางความร้อนและกลไกแบบเรียลไทม์ในโครงสร้างหินแกรนิตขนาดใหญ่

การระบุข้อบกพร่องภายในและการวัดความเสี่ยงจากความเครียดเนื่องจากความร้อนที่ไม่รุกราน ทำให้วิธีการขั้นสูงนี้ขยายอายุการใช้งานของส่วนประกอบได้อย่างมีนัยสำคัญ พร้อมทั้งให้การรับรองทางวิทยาศาสตร์สำหรับการอนุรักษ์มรดกและความปลอดภัยของโครงสร้างพื้นฐานหลัก