基于紅外成像技術的填埋場裸膜缺陷檢測研究

陳亞宇，張 衛，孫煥奕，黃曉松

基于紅外成像技術的填埋場裸膜缺陷檢測研究

陳亞宇，張 衛，孫煥奕，黃曉松

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038）

利用高密度聚氯乙烯膜（HDPE）缺陷區與完整區同時刻溫差特性，采用紅外熱成像技術對高密度聚氯乙烯膜進行缺陷檢測。在持續熱源作用下，對不同面積及形狀的缺陷進行紅外圖像采集，記錄膜表面不同區域的溫度，分析不同位置溫度及紅外缺陷陰影區隨時間的變化規律，提取溫度特征曲線及缺陷最佳檢測時間范圍。實驗結果表明：缺陷區與完整區溫度隨時間變化趨勢整體相同，但在相同時刻存在溫度差異且紅外圖像采集時間為10～20min內溫差值最明顯，可視為缺陷最佳檢測時間域，紅外熱像采集時間為13min時，紅外圖像邊緣輪廓與實缺陷輪廓基本一致，該時間為最佳檢測時間點。

高密度聚氯乙烯膜；紅外熱成像；同步溫差；時間域

0 引言

隨著近年國民生活質量提高，生活節奏加快，隨之產生的各種垃圾顯著增多[1]。如今垃圾分類正如火如荼進行[2-3]，但分類后的垃圾仍舊有很大一部分要進行填埋處理。其中高密度聚氯乙烯膜（HDPE）作為垃圾填埋場主要防滲材料，其具有化學穩定性好、滲透性小、抗老化性能優異、使用周期長等優勢[4-5]，對防止垃圾帶來次生污染起著至關重要的作用。HDPE膜鋪設作為填埋場施工中最為重要的一個環節，但膜與膜間焊接時經常會出現虛焊、脫焊、漏焊以及施工對膜平面造成的破損等情況，都會為填埋場將來使用埋下滲漏隱患，因此需要重點管理與檢測。為實現垃圾安全填埋，在填埋場投入使用之前及時發現土工膜缺陷并進行補救具有非常重要的意義。

在現有垃圾填埋場裸膜缺陷檢測方法中，針對焊縫主要采用壓力檢測，即在雙焊縫之間充氣，使雙縫之間壓力達到規定值，然后觀察1～5min，壓力值無明顯變化，說明焊縫牢固，符合要求；若壓力值變化明顯，則焊縫之間存在缺陷[6]。該方法原理簡單且能對缺陷進行判定，但不能確定具體缺陷位置，且在充壓時，充壓值控制不當易對HDPE膜造成損傷，對填埋場安全構成潛在威脅。針對HDPE膜平面缺陷，主要采用電學檢測方法[7]，即預先在膜上噴射水流，膜下鋪設檢測電極，通過給場內外電極供電，由滲漏檢測儀對檢測電極掃描來分析破損位置。該方法對裸膜缺陷檢測有良好檢測效果，但整套系統結構復雜而且需要預先埋設，使填埋場成本增加。因此本文提出了一種基于紅外成像技術的填埋場裸膜缺陷檢測方法。紅外成像檢測技術與前述檢測方法相比，其優勢在于不需要對HDPE材料進行直接接觸，避免了對材料的接觸傷害。其檢測結果的可視性好，能精準地觀測到缺陷位置及大小。

本文主要對HDPE膜缺陷區與完整區進行紅外熱成像掃描[8-10]，對不同缺陷、不同時間段狀況的HDPE進行實時紅外熱像采集，根據缺陷區與正常區的熱對比度[11-13]，確定出最佳檢測時間段。從而為HDPE膜缺陷的紅外無損檢測方法提供理論依據。

1 檢測原理

1.1 定位檢測原理

紅外成像技術檢測裸膜缺陷的原理為：水流使HDPE膜缺陷區下土壤層濕潤，由于濕潤土壤層和完整區HDPE膜熱擴散系數差異明顯，在持續熱源作用下，缺陷區和完整區會出現同步溫差特性，通過紅外熱像圖來識別溫差區域可以很好地檢測到缺陷區位置。

檢測原理如圖1所示，首先由水流對HDPE膜全表面進行降溫處理，在既定時間內由紅外熱像儀按橫縱既定采集路線對HDPE膜進行全方位采集。當紅外熱像儀位于正常區時，采集結果的熱對比值無明顯變化，當紅外掃描儀位于缺陷區時，掃描結果的熱對比值差異明顯。

1.2 缺陷檢測模型建立

熱波在HDPE膜及土壤中傳播時遵循熱傳導方程，為檢測缺陷，僅考慮深度方向上的熱傳導方式。在導熱系數確定情況下，熱傳導方程式為：

針對平面熱源可得：

式中：代表梯度；(,)代表所處介質溫度，為所處介質深度，為時間；為熱流密度。

將式(2)帶入式(1)得：

式中：為所處介質熱擴散系數；為導熱率；為密度；為比熱容；為體積。當值越大時，物體對環境溫度變化反應越快。如圖2所示，由破損區濕潤土壤作為導熱介質，其導熱率1最大，對環境溫度變化反應最快。膜下濕潤區由于受HDPE膜及濕潤土壤共同影響，其等效2值小于1，大于3。因此在灑水降溫后一段時間內，溫度升勢走向為1＜2＜3。

定義熱相對值為HDPE膜正常區表面溫度（3）與缺陷區表面溫度（1）的差值，用D表示為：

D＝3－1(4)

通過分析上述公式可知，由于水流作用，當HDPE膜存在缺陷時，將會對膜表面熱場造成波動，最終影響紅外輻射檢測過程。通過紅外掃描儀采集紅外圖像，并在顯示屏顯示彩色熱圖，從而可對HDPE膜缺陷進行檢測和研究。

圖1 紅外成像檢測HDPE膜缺陷示意圖

圖2 缺陷區熱傳導示意圖

2 缺陷檢測實驗

2.1 實驗材料及性能參數

紅外熱像儀（Fluke Tis10 9Hz thermal imager），精度為±2℃，工作溫度為－10℃～＋50℃，分辨率為80×60，紅外熱像儀工作波段為7.5～14mm，滿足成像精度要求。HDPE膜厚度為0.3cm，穿刺強度為249N，斷裂強度為53N，導熱率為0.527 W/(m×K)。濕潤土層平均導熱率1.052 W/(m×K)。

2.2 實驗方法

如圖3所示，制作尺寸為50cm×35cm×20cm的實驗土箱，最上層鋪設HDPE膜，膜上預置不同類型缺陷，缺陷區編號依次為1、2、3，其中編號1和編號3為不同形狀的膜平面破損缺陷，編號2為雙軌焊縫漏焊缺陷。膜下均勻鋪設厚度為10cm的土層。考慮到實況工作環境因素，到實驗結束之前所有工作都在陽光充足條件下進行。

將暴曬30min后的HDPE膜鋪設到土壤層上方并采集紅外熱像圖；熱像圖采集完成后，對HDPE膜進行噴水降溫（水溫一般保持在26℃），然后對缺陷區持續進行紅外熱像采集，觀測缺陷區與完整區的紅外熱像溫差變化，記錄具有明顯差異的觀測值及時間點，直至最終次采集結果無變化，停止采集實驗；將記錄的圖像進行對比分析找出最佳采集時間域。

3 實驗結果分析

對比圖4中不同加熱時間段紅外圖像可以看出，在對HDPE膜進行灑水降溫之前，膜表面溫度分布均勻保持在47℃以上，如圖4(a)所示。

＝0.0min在剛經過水流降溫的HDPE膜表面溫度整體降低，HDPE膜缺陷區與完整區無明顯差異，如圖4(b)所示。從＝0.5min開始，缺陷區溫度開始出現差異，水流由缺陷區滲漏到膜下土層中，由于初始階段水流與HDPE膜的直接接觸面積大于與缺陷區土層的接觸面積，最終導致土層的降溫速率明顯小于膜的降溫速率，所以在圖4(c)中缺陷區溫度偏高。從＝10.0min開始，由于土層的導熱率大于HDPE膜的導熱率以及熱源與缺陷區土層之間存在對流，導致HDPE膜完整區溫度相對于缺陷區溫度更高，如圖4(d)所示。＝11min，在持續熱源作用下，隨時間加長，缺陷區溫度逐漸上升導致紅外模式下缺陷邊緣輪廓持續減小。＝13min后，缺陷區溫度隨時間上升且接近HDPE膜完整區溫度，導致缺陷區邊緣輪廓逐漸模糊，如圖4(e)、(f)、(g)所示。＝20min后缺陷區溫度與完整區相近，紅外邊緣輪廓逐漸消失。如圖4(h)、(i)、(j)所示。

圖3 缺陷檢測實驗圖

為進一步分析HDPE膜缺陷狀況，提取了實驗缺陷區和正常區表面的溫度曲線進行分析。缺陷區和正常區表面溫度曲線如圖5所示，由圖5可知：缺陷區與完整區溫度變化趨勢整體相同，主要是由于缺陷區濕潤土層和HDPE膜完整區處在相同的作用環境下；但在10～20min時相對溫差值較大，紅外熱像儀能明顯捕捉缺陷區位置，主要是由于濕潤土層及HDPE膜材質不同，導熱率差異明顯，最終會導致在相同時間段內出現溫差值。同時由圖5可以進一步看出在＝13min時，溫差值最大，觀測到的結果更加明顯。

圖4 不同加熱時間段熱像圖

圖5 HDPE膜缺陷區與完整區溫度曲線對比圖

4 結論

利用HDPE膜缺陷區與完整區的同時刻溫差特性，采用紅外成像技術對HDPE膜缺陷區進行檢測研究，研究結果表明：

1）紅外熱像圖中可以觀測到缺陷區和完整區的溫度差異且在＝10～20min時，溫差特性最為顯著，該時間段為最佳檢測時間域，在＝13min時，D＝4.5℃，該時間點為最大溫差時間節點。

2）HDPE膜在水流冷卻及熱源加熱過程中，膜的缺陷區與完整區在相同時間段內會出現溫差特性，基于該特性利用紅外熱成像檢測技術能夠準確檢測到HDPE膜的缺陷位置。避免了對膜的接觸式損壞，實現了HDPE膜無損檢測。同時也為HDPE膜材料在不同場合的應用提供了一種全新的缺陷檢測方法。

3）缺陷面積大小會對檢測難度帶來影響，缺陷面積越小，最佳檢測時間域越短。

[1] 趙艷, 葛新權, 李曉非. 城市生活垃圾產生量的影響因素分析[J]. 統計與決策, 2016, 23: 91-94.

ZHAO Y, GE X Q, LI X F. Analysis of factors affecting the production of municipal domestic waste[J]., 2016, 23: 91-94.

[2] 孟小燕, 王毅, 蘇利陽, 等. 我國普遍推行垃圾分類制度面臨的問題與對策分析[J]. 生態經濟, 2019, 35(5): 184-188.

MENG Xiaoyan, WANG Yi, SU Liyang, et al. Research on problems and countermeasures of the implementation of household solid waste separation system in China[J]., 2019, 35(5): 184-188.

[3] 譚爽. 城市生活垃圾分類政社合作的影響因素與多元路徑——基于模糊集定性比較分析[J]. 中國地質大學學報: 社會科學版, 2019, 19(2): 85-98.

TAN Shuang. Influencing factors and multi-path of cooperation between governments and social organizations in MSW sorting——a fuzzy set qualitative comparison analysis(fsQCA)[J].: Social Sciences Edition, 2019, 19(2): 85-98.

[4] 向銳, 雷國元, 徐亞, 等. 填埋場環境下HDPE膜老化特性及其對周邊地下水污染風險的影響[J]. 環境科學研究, 2019, 8(2): 1-12.

XIANG Rui, LEI Guoyuan, XU Ya, et al. Aging behaviors of HDPE gomembrane in landfill environment and its impact on pollution risk of surrounding groundwater[J]., 2019, 8(2): 1-12.

[5] Malekie S, Ziaie F, Feizi S, et al. Dosimetry characteristics of HDPE–SWCNT nanocomposite for real time application[J].,,, 2016, 833: 127-133.

[6] 傅剛輝. HDPE膜在垃圾處理中心的施工技術[J]. 建筑技術, 2017, 48(11): 1208-1210.

FU Ganghui. Study on construction of HDPE geomembrane in garbage disposal center [J]., 2017, 48(11): 1208-1210.

[7] 能昌信, 孫新宇, 徐亞, 等. 垂直HDPE膜安裝過程的電學破損檢測方法[J]. 環境工程學報, 2018, 12(1): 349-355.

NENG Changxin, SUN Xinyu, XU Ya, et al. Electrical method to locate damage in vertical HDPE geomembrane during installation[J]., 2018, 12(1): 349-355.

[8] 牛奕, 馬云, 李明明, 等. 非金屬材料紅外無損檢測的建模和數值分析[J]. 紅外技術, 2019, 41(3): 214-219.

NIU Yi, MA Yun, LI Mingming, et al. Modeling and numerical analysis of infrared nondestructive testing of non-metallic materials[J]., 2019, 41(3): 214-219.

[9] 鄭凱, 江海軍, 陳力. 紅外熱波無損檢測技術的研究現狀與進展[J].紅外技術, 2018, 40(5): 401-411.

ZHENG Kai, JIANG Haijun, CHEN Li, Infrared thermography NDT and its development[J]., 2018, 40(5): 401-411.

[10] 高曉進, 周金帥, 江柏紅, 等. C/SiC復合材料的紅外熱像無損檢測研究[J]. 激光與紅外, 2018, 48(6): 720-725.

GAO Xiaojin, ZHOU Jinshuai, JIANG Baihong. Research on infrared thermography nondestructive testing of C/Si C composite[J]., 2018, 48(6): 720-725.

[11] Chrysafi A P, Athanasopoulos N, Siakavellas N J. Damage detection on composite materials with active thermography and digital image processing[J]., 2017, 116: 242-253.

[12] 林隆榮, 鐘舜聰, 伏喜斌, 等. 復合材料缺陷的脈沖熱成像有限元模擬研究[J]. 機電工程, 2016, 33(1): 18-23.

LIN Longrong, ZHONG Shuncong, FU Xinbin. Finite element analysis of pulsed infrared imaging of defects in composites[J]., 2016, 33(1): 18-23.

[13] 張劍, 齊暑華. 紅外熱成像技術在復合材料無損檢測中的應用現狀[J]. 工程塑料應用, 2015, 43(11): 122-126.

ZHANG Jian, QI Shuhua. Application of infrared thermography in nondestructive testing of composites[J]., 2015, 43(11): 122-126.

Defect Detection of Landfill Bare Film Based on Infrared Imaging Technology

CHEN Yayu，ZHAGN Wei，SUN Huanyi，HUANG Xiaosong

(,,056038,)

Based on the simultaneous temperature difference of the HDPE film defect area and the intact area, defects of HDPE film were detected with infrared thermal imaging technology. Under the action of a continuous heat source: i) infrared images are collected for defects of different areas and shapes, ii) the temperature of different areas of the film surface is recorded, iii) the temperature changes of different locations and the shadow area of infrared defects with time are analyzed, and iv) finally, the temperature characteristic curve and the best defect detection time limit were studied. The experimental results show that the temperature trends of the defect and complete area are the same the whole time; however, there is a synchronous temperature difference, and the infrared temperature image acquisition time is clearly in the 10-20 mins. It can be regarded as the best detection time domain of the defect. When the thermal image acquisition time is 13 mins, the infrared image edge contour is the same as the real defect contour; therefore, it is the optimal detection time point.

HDPE film, infrared thermalimaging, sync temperature difference, time domain

TN219

A

1001-8891(2020)06-0598-05

2019-08-20；

2020-02-16.

陳亞宇（1984-），男，博士，副教授，主要從事過程檢測與控制。E-mail：121847157@qq.com。

國家自然科學基金資助項目（51807047）；河北省自然科學基金資助項目（F2017402069）；河北省普通高等學校青年拔尖人才計劃項目（BJ2019003）；河北省重點研發計劃項目（20373901D）。