紅外熱成像技術(shù)在設(shè)備維護中的應(yīng)用

福祿克公司

摘要：紅外熱成像技術(shù)在工業(yè)檢測中應(yīng)用廣泛。本文介紹了紅外測溫原理，討論了電力設(shè)備的發(fā)熱原理，過熱損耗的危害，熱像測溫的影響因素等，并結(jié)合實際應(yīng)用介紹紅外熱像設(shè)備預測性維護過程。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；測溫；設(shè)備維扒

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2009.06.005

發(fā)熱常常是設(shè)備損壞或功能故障的早期征兆，這使它成為在預測性維護(PDM)計劃中所監(jiān)視的一個關(guān)鍵性能參數(shù)。進行紅外熱像預測性維護的技術(shù)人員定期對關(guān)鍵設(shè)備的溫度進行檢查，從而可以隨時間跟蹤設(shè)備的運行狀況。并快速發(fā)現(xiàn)異常讀數(shù)以便進一步檢查。通過監(jiān)視設(shè)備性能并在需要時安排維護，可降低因設(shè)備故障而發(fā)生的非計劃性停產(chǎn)的可能性，減少維護費用和設(shè)備維修的成本，延長設(shè)備資產(chǎn)的壽命，并最大限度地提高維護效果和生產(chǎn)能力。

紅外熱像技術(shù)原理

1800年英國的天文學家William Herschel用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測量不同顏色光的熱效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，當水銀溫度計移到紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線的黑暗區(qū)的時候，溫度反而比紅光區(qū)更高。反復試驗證明，在紅光外側(cè)，確實存在一種人眼看不見的“熱線”，后來稱為“紅外線”，也就是“紅外輻射”。自然界任何物體，只要溫度高于絕對零度(-273.15℃)，就會以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內(nèi)發(fā)射能量。產(chǎn)生電磁波(輻射能)。

紅外線在大氣中穿透比較好的波段，通常稱為“大氣窗口”。紅外熱成像檢測技術(shù)就是利用了所謂的“大氣窗口”。短波窗口在1～5μm之間。而長波窗口則是在8-14μm之間。

從普朗克定律可以得知，物體的溫度越高，其輻射的峰值能量就越偏向短波方向。故紅外熱像儀，特別是用以建筑檢測的紅外熱像儀。其工作波段通常在8-14μm的長波波段，建筑用紅外檢測的溫度范圍一般在-20-100℃范圍內(nèi)。

紅外熱像儀是一種新型的光電探測設(shè)備，可將被測目標表面的熱信息瞬間可視化，快速定位故障，并且在專業(yè)的分析軟件幫助下，可進行分析，完成建筑節(jié)能、安全檢測和電氣預防性維護工作。

熱像儀由兩個基本部分組成：光學器件和探測器。光學器件將物體發(fā)出的紅外輻射聚集到探測器上，探測器把入射的輻射轉(zhuǎn)換成電信號。進而被處理成可見圖像，即熱圖(見圖1)。

設(shè)備預測性維護介紹

紅外熱成像儀是預測性維護計劃中的第一道防線。技術(shù)人員可以迅速測量并比較檢查路線上每臺設(shè)備的熱量特征，無需中斷設(shè)備運行。

如果溫度與以前的讀數(shù)有明顯的不同，則可以使用其他維護技術(shù)(振動分析、電機電路分析、空氣超聲波分析以及潤滑油分析等)來調(diào)查問題原因。并決定下一步的行動。

為獲得最佳結(jié)果，將您的所有維護技術(shù)集成到同一個計算機系統(tǒng)內(nèi)，以便它們共享相同的設(shè)備列表、歷史數(shù)據(jù)、報告和工作訂單。在將紅外數(shù)據(jù)與來自其他技術(shù)的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)之后，就可以一種綜合的形式來報告所有機器設(shè)備的實際運行狀況。

紅外熱像設(shè)備預測性維護過程

1開始時使用來自計算機化維護管理系統(tǒng)(CMMS)或其它庫存管理工具的現(xiàn)有設(shè)備清單。

2摒棄不適于紅外測量的部件。

3檢查維護和生產(chǎn)記錄。對易于出故障或經(jīng)常引起生產(chǎn)問題的關(guān)鍵設(shè)備進行優(yōu)先級排序。

4用一個數(shù)據(jù)庫或電子表格程序，按區(qū)域或功能將關(guān)鍵設(shè)備集中在一起，劃分為幾個大致2—3小時的檢查區(qū)。

5使用熱成像儀來獲取每臺關(guān)鍵設(shè)備的基準圖像時要注意：在某些設(shè)備上，您可能耍定期捕獲關(guān)鍵部件或子系統(tǒng)的多個熱圖像。

6將基準圖像下載到軟件中，并在需要時通過位置名稱、檢查說明、發(fā)射率以及RTC和報警值來對您的檢查路線進行歸檔。

7當要進行下一次檢查時，如果您的熱成像儀支持數(shù)據(jù)上載，則只需將以前的檢查圖像裝到成像儀中，并按屏幕提示進行操作。

應(yīng)用介紹

電機檢測

電機的部件較多，發(fā)生故障的部位及原因也較多，通過紅外熱像儀可發(fā)現(xiàn)以下問題。

(1)電氣接線(電氣接線盒外殼)

問題點：接線端子過熱。

可能原因：連接松脫、接線端子氧化腐蝕、連接過緊。

建議措施：重新連接或更換接線端子。

問題點：電纜過熱。

可能原因：不平衡電壓或過載。

建議措施：使用萬用表、鉗表或電能質(zhì)量分析儀予以確認具體原因。

(2)電機外殼溫度分布

問題點：外殼部分區(qū)域溫度過高。

可能原因：內(nèi)部鐵芯、繞組因絕緣層老化或損壞導致短路。

建議措施：拆卸外殼進行檢修。

問題點：外殼整體溫度過高

可能原因：空氣流動不充分導致散熱故障。

建議措施：如果停機時間短，則只對電機空氣進口格柵進行清洗；并在下一次有計劃的停機檢修中，安排一次徹底的電機清洗。

(3)與電機連接的軸承、連軸器

問題點：軸承、連軸器溫度過商。

可能原因：潤滑不良或軸未對中。

建議措施：檢查潤滑情況或?qū)S進行調(diào)整。

變壓器檢測

變壓器箱體由于油路管道堵塞、渦流損耗、內(nèi)部異常、鐵芯絕緣不良等造成發(fā)熱，紅外熱像儀對變壓器箱體的檢測可以使變壓器箱體始終處于正常溫度，避免變壓器因溫度過高而損壞。

電容器柜

電容器在供電系統(tǒng)中主要作無功補償或移相使用，大量裝配在各級變配電系統(tǒng)里。在用電負荷較高的行業(yè)(如石化、冶金、造紙、汽車等)。電容器柜是車間內(nèi)最常見的電氣設(shè)備，其發(fā)生故障的頻率相對較高；一旦電容器發(fā)生故障，輕則會影響到供電質(zhì)量，嚴重時還會引發(fā)爆炸，導致停產(chǎn)事故。電容器內(nèi)部的電介質(zhì)或載流導體附近電氣絕緣的電介質(zhì)在交流電壓作用下引起的能量損耗(介質(zhì)損耗)，即使在正常狀態(tài)下，設(shè)備內(nèi)部的介質(zhì)和導體周圍的絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下，也會有介質(zhì)損耗發(fā)熱。當絕緣介質(zhì)的絕緣性能出現(xiàn)缺陷時，會引起介質(zhì)損耗增大，電容值變大，導致介質(zhì)損耗發(fā)熱功率增加，從而引起設(shè)備運行溫度增加。

根據(jù)DL/T 664《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導則》。耦合電容器的異常熱像特征為整體或局部有明顯發(fā)熱。允許的最大溫升為1.5℃(膜紙型)，允許的同類溫差為0.5℃(膜紙型)。

傳送帶和皮帶輪

橡膠制傳送帶的應(yīng)用范圍最廣，但橡膠因受長期摩擦或過熱軸承的熱量傳遞，容易發(fā)生老化、導致斷裂，嚴重時會引發(fā)停產(chǎn)等生產(chǎn)事故。紅外熱像儀可在橡膠傳送帶發(fā)生過熱、老化的初級階段及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免事故損失。

在橡膠傳送帶上受到兩個摩擦

力：一是與傳送帶上物體的靜摩擦力，若物體與傳送帶有相對運動，靜摩擦力則變?yōu)閯幽Σ亮?；二是與傳動軸的靜摩擦力，若傳送帶發(fā)生老化，與軸承間也將轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?。動摩擦力比靜摩擦力給傳動帶造成的發(fā)熱量大，橡膠是容易受到高溫老化的材料。長時間處于高溫狀態(tài)下，橡膠會發(fā)生損壞、斷裂。此外，由于傳送帶上的物品放置不平衡，導致傳送帶向一側(cè)傾斜，也會導致橡膠傳送帶與一側(cè)的傳動軸的壓力增大，造成橡膠傳動帶局部過熱。

軸承檢測

軸承的過熱會直接導致電機故障，造成生產(chǎn)線的突然中斷，但軸承工作時運轉(zhuǎn)速度很快，無法使用接觸式溫度計，紅外熱像儀通過非接觸手段，可對軸承的溫度進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)軸承過熱故障，保證正常的生產(chǎn)。

所有旋轉(zhuǎn)設(shè)備都在系統(tǒng)的摩擦點(即軸承)處產(chǎn)生熱量。潤滑可降低摩擦，因而可減少并在不同程度上(取決于潤滑類型)將熱量散發(fā)。通過熱成像方法，我們可以在揭示軸承狀況時，形象地觀察到這一過程。當熱圖像指示出有過熱的軸承時，我們應(yīng)該做出一個維護決定，將軸承更換或者潤滑。

三相不平衡、過載、諧波檢測

過載就是負荷過大，超過了設(shè)備本身的額定負載，產(chǎn)生的現(xiàn)象是電流過大，用電設(shè)備發(fā)熱，線路長期過載會降低線路絕緣水平，甚至燒毀設(shè)備或線路。

三相不平衡：是指在電力系統(tǒng)中三相電流(或電壓)幅值不一致，且幅值差超過規(guī)定范圍。變壓器內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流(及過熱)，并可使電動機的效率降低。

電力系統(tǒng)中有非線性(時變或時不變)負載時，即使電源都以工頻50Hz供電。當工頻電壓或電流作用于非線性負載時，就會產(chǎn)生不同于工頻的其它頻率的正弦電壓或電流，這些不同于工頻頻率的正弦電壓或電流，用傅氏級數(shù)展開，就是人們稱的電力諧波。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴重干擾。

電氣接頭檢測

所謂電氣設(shè)備熱缺陷，通常是指通過一定手段檢測得到，由于其內(nèi)在或外在原因所造成的發(fā)熱現(xiàn)象。根據(jù)缺陷所產(chǎn)生的原因不同，我們通常歸納為以下幾類：

長期暴露在空氣中的部件，由于溫度濕度的影響?；虮砻娼Y(jié)垢而引起的接觸不良。

由于外力作用所引起的部件損傷，因而使得的導電截面積減少而產(chǎn)生的發(fā)熱。如接頭連接不良，螺栓、墊圈未壓緊或過緊。

長期運行腐蝕氧化；大氣中的活性氣體、灰塵引起的腐蝕；元器件材質(zhì)不良，加工安裝工藝不好造成導體損傷；機械振動等各種原因所造成的導體實際截面降低。

負荷電流不穩(wěn)或超標等。

由于電器內(nèi)部本身故障，如內(nèi)部連接部件接觸不良導致的電阻過大。

我們知道，發(fā)熱功率(p)與接觸電阻(R)、通過電流(I)的平方成正比。正常時，這些連接處(部位)的電阻在允許范圍，通過額定工作電流后發(fā)熱也在設(shè)計允許值以內(nèi)。所以不會影響設(shè)備的安全運行。由于以上因素使接觸電阻異常。電流通過時發(fā)熱功率增大。而且通電時間越長、電流越大，會產(chǎn)生異常發(fā)熱，使溫升異常增加，就會產(chǎn)生缺陷。

鐵路運輸檢測

電力機車檢測

電力機車內(nèi)部有大量的電力設(shè)備，其運行時會產(chǎn)生很大的熱量。同時由于連接件松動、設(shè)備問題等原因?qū)⒃斐蓹C車故障，嚴重時會導致事故的發(fā)生，紅外熱像儀可以在機車停車間隙進行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)機車內(nèi)部的設(shè)備隱患，避免事故的發(fā)生。

電力機車內(nèi)部涉及到紅外熱像儀檢測的部件主要有：主變壓器、調(diào)壓開關(guān)、變流裝置、牽引電動機、電子控制柜、制動電阻柜等。

輪軸檢測

目前，隨著車速的提高，輪軸溫升的問題愈發(fā)重要。這就需要加強對輪軸溫升的監(jiān)控。當輪軸的溫度高于環(huán)境溫度40℃以上的，就必須立即更換，否則會損害軸承強度及剎車片性能，導致事故，所以當列車進站后就需要進行輪軸的檢測。每次發(fā)現(xiàn)的溫度過高情況都需要進行記錄并做標記(最高溫度的輪軸的位置也需要記錄)。

火車的輪軸安裝不當和超負荷運轉(zhuǎn)時，與軸瓦摩擦會產(chǎn)生大量的熱量，嚴重時會使整個車軸發(fā)熱變紅，最后發(fā)生車軸斷裂，造成翻車事故，紅外熱像儀可以通過非接觸測量來及時發(fā)現(xiàn)過熱的輪軸，避免因輪軸溫度過高發(fā)生行車事故。