紅外熱成像技術(shù)在煙囪腐蝕檢測中的應用

陳鏡伊 張鋒劍

1平頂山姚孟第二發(fā)電有限公司（467000）2河南城建學院土木工程學院（467036）

紅外熱成像技術(shù)在煙囪腐蝕檢測中的應用

陳鏡伊1張鋒劍2

1平頂山姚孟第二發(fā)電有限公司（467000）2河南城建學院土木工程學院（467036）

結(jié)合傳熱學中熱傳導和熱輻射理論，給出腐蝕后煙囪外壁利用紅外熱成像技術(shù)檢測煙囪壁腐蝕程度的方法。根據(jù)紅外熱成像儀采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合熱工計算原理定量計算出煙囪腐蝕厚度。這里結(jié)合平頂山姚孟第二發(fā)電有限公司#1、2機組單筒式鋼筋混凝土煙囪紅外檢測，通過數(shù)據(jù)分析表明，紅外熱成像技術(shù)能夠檢測出缺陷的位置，能夠初步判斷缺陷大小及腐蝕深度。

鋼筋混凝土煙囪；紅外無損檢測；腐蝕

0 前言

自2004年1月1日國家環(huán)境保護總局頒布實施《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223－2003）以來，我國燃煤火力發(fā)電廠大部分采用濕法煙氣脫硫工藝，脫硫濕煙氣中的腐蝕物質(zhì)包括硫酸、亞硫酸、氯化物、氟化物等，其腐蝕等級為強腐蝕，脫硫煙氣形成的冷凝物就具有了很強的腐蝕性。煙氣脫硫后，混凝土（或鋼）煙囪在酸性環(huán)境下工作，受煙氣壓力和濕度的雙重作用發(fā)生腐蝕，嚴重影響煙囪安全使用和結(jié)構(gòu)耐久性，致使許多電廠的煙囪在機組脫硫改造前尚可正常使用，機組脫硫改造完成后卻遭到嚴重的侵蝕[1-3]。煙囪作為燃煤火力發(fā)電廠的重要構(gòu)筑物，直接影響機組發(fā)電運行和電廠的安全生產(chǎn)，因此需要對煙囪腐蝕進行經(jīng)常性的檢測和監(jiān)控,以了解煙囪內(nèi)襯的完整性和煙囪結(jié)構(gòu)的安全性。傳統(tǒng)的煙囪受腐蝕程度檢測是在機組停機的情況下,采用破損性或半破損性的檢測方法進行檢測，不但損傷煙囪內(nèi)襯防腐層，而且檢測工作現(xiàn)場取樣存在較多高空作業(yè)環(huán)節(jié)，危險性高，檢測周期長，整個過程耗時、費力。紅外無損檢測技術(shù)具有方便、快捷、高效、節(jié)省人力和物力等優(yōu)點，可對煙囪內(nèi)壁腐蝕程度進行定期監(jiān)控，以判斷內(nèi)襯的完整性，評估煙囪內(nèi)襯有無必要進行更換。

1 紅外熱成像檢測原理

紅外熱成像技術(shù)運用光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將該信號轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，并可以計算出溫度值。紅外熱成像技術(shù)使人類超越了視覺障礙，可以檢測到物體表面的溫度分布狀況[4，5]。

火力發(fā)電廠鋼筋混凝土煙囪中，為了防止煙氣溫度和煙氣成分對其內(nèi)襯及結(jié)構(gòu)本身的腐蝕，通常采用內(nèi)襯+隔熱層的做法。腐蝕從內(nèi)襯開始逐漸移向筒壁，先腐蝕結(jié)構(gòu)薄弱部位后逐漸擴大。內(nèi)襯的灰縫、筒壁裂縫和混凝土不密實處，都是先腐蝕的部位。

煙囪內(nèi)壁的內(nèi)襯及隔熱層如被腐蝕，將發(fā)生剝落或變形，影響煙囪的隔熱效果，隔熱薄弱區(qū)會產(chǎn)生大量的熱泄漏，并在煙囪外壁形成過熱區(qū)。在這個階段煙囪外壁會出現(xiàn)溫度差異，紅外熱成像技術(shù)能感知這種溫度差異，并通過圖像顯示。

使用紅外熱像儀檢測煙囪，當煙囪因腐蝕存在缺陷時，被檢測部位產(chǎn)生非連續(xù)性缺陷進而對熱傳導性能產(chǎn)生影響，體現(xiàn)在紅外熱像儀上則有明暗差異，從而反映出物體表面溫度的差異。也就是說，煙囪因腐蝕產(chǎn)生的缺陷區(qū)域會產(chǎn)生溫度梯度，導致在物體表面原本連續(xù)的紅外輻射能力發(fā)生改變。當紅外熱像儀在測試出這種差異后，可以推斷出物體內(nèi)部是否存在缺陷以及缺陷范圍大小。利用熱工原理,可以在機組不停運的情況下，定量地估計煙囪內(nèi)壁腐蝕程度。

在建筑物或構(gòu)筑物中，當室內(nèi)外空氣存在溫差時，在圍護結(jié)構(gòu)中就會發(fā)生熱量傳遞，熱量總是從溫度較高的一側(cè)傳向溫度較低的一側(cè)。根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)導熱理論，如圖1所示，吸收的熱量qin將等于釋放出的熱量qout，即其熱流密度相等。

式中，ti——構(gòu)筑物內(nèi)或室內(nèi)空氣溫度，單位℃；t0——構(gòu)筑物外或室外空氣溫度，單位℃；two——維護結(jié)構(gòu)外表面溫度,單位℃；R0——維護結(jié)構(gòu)總熱阻,單位（m2·℃）/W；Rw——維護結(jié)構(gòu)外表面換熱阻，單位（m2·℃）/W。

圖1 一維穩(wěn)態(tài)溫度場

在式（2）中，ti從煙囪溫控監(jiān)測室可以得到煙囪的內(nèi)部溫度；t0為煙囪的外部空氣溫度，可以在進行紅外測量時實時記錄;two煙囪的外表面溫度,可以通過熱像儀進行提取;R0圍護結(jié)構(gòu)的總熱阻,即煙囪壁的總熱阻，可以根據(jù)煙囪設計施工圖紙得到其材料組成及厚度,通過熱工設計規(guī)范查出導熱系數(shù)，計算出熱阻;Rw是外表面換熱阻,其值可以通過反算方法算出。

在煙囪壁的某個區(qū)段的熱像圖中，將溫度均勻的部分作為參考區(qū)，通過公式反算出Rw，然后對個別高溫點計算其熱阻R0，根據(jù)熱阻的變化推算煙囪內(nèi)壁的腐蝕程度。

2 工程應用實例

本項目檢測的煙囪為平頂山姚孟第二發(fā)電有限公司#1、2機組共用的單筒煙囪。該煙囪高150 m，煙囪出口直徑7.5 m。煙囪由原水利電力部華東電力設計院于1971年5月完成施工圖設計。煙囪為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，筒身內(nèi)襯采用#100普通紅磚、#25混合砂漿砌筑，筒壁及基礎(chǔ)采用#200混凝土，筒壁最大厚度300 mm，最小厚度160 mm，隔熱層采用50 mm厚封閉空氣層。根據(jù)環(huán)保要求，對#1、2機組煙氣進行濕法（石灰石-石膏法）煙氣脫硫改造。由于濕法脫硫后低溫高濕的腐蝕性煙氣對煙囪腐蝕性較強,因此對原有煙囪進行內(nèi)襯防腐改造，拆除原有內(nèi)襯，增加新型防腐蝕內(nèi)襯。

新增內(nèi)襯及防腐做法:第一層，外筒內(nèi)壁抹碳纖維耐酸鉀水玻璃防腐砂漿層15 mm厚；第二層，內(nèi)襯防腐層，?；沾善鲋u用鉀水耐酸膠泥砌筑120 mm厚；第三層，外貼防腐層，?；沾擅娲u50 mm厚。

煙囪防腐改造具體構(gòu)造見圖2。

圖2 姚孟電廠煙囪結(jié)構(gòu)圖

使用紅外熱成像技術(shù)對#1、2機組煙囪進行測試。測試時使用FLUKE Ti32熱像儀外加長焦鏡頭。紅外檢測從煙囪東南方向開始測試，向東逆時針測量煙囪四周，直到正南方向結(jié)束。圖3為該煙囪某處的熱像圖，圖4為熱像圖溫度分布直方圖。

圖3 煙囪某部位熱像圖

圖4 溫度分布直方圖

從熱像圖中可以判斷大面積紅色區(qū)域為煙囪主結(jié)構(gòu),在煙囪主結(jié)構(gòu)中有兩條明顯的黃色低溫帶，為防腐層搭接區(qū)域，因該區(qū)域防腐層較厚，故該區(qū)域溫度較低。除去該環(huán)形低溫帶，其余區(qū)域溫度分布基本均勻，根據(jù)測試結(jié)果分析，該區(qū)域的最高溫度小于防腐層完全損壞的臨界溫度，說明該煙囪內(nèi)襯基本完好，50 mm厚的防腐層未出現(xiàn)明顯破壞，防腐效果良好。

利用熱工理論分析圖3熱像圖，能定量計算出煙囪內(nèi)襯腐蝕厚度，表明紅外熱成像技術(shù)在實際工程的運用中能夠準確地檢測出缺陷的位置，并能夠分辨出搭接位置和缺陷位置，還可以定量地檢測出內(nèi)襯某一層是否出現(xiàn)破損。能夠根據(jù)異常顏色面積的大小、最大溫度和臨界溫度的關(guān)系，判斷出缺陷面積的大小。

3 結(jié)論

通過理論分析及工程實例，研究了通過紅外熱像技術(shù)檢測缺陷的情況,并對數(shù)據(jù)進行分析，得到如下主要結(jié)論:

1）紅外熱像技術(shù)通過調(diào)整拍攝參數(shù)及選取合適的拍攝時間,可以真實采集到煙囪外表面溫度分布圖，用于計算與分析煙囪腐蝕程度。

2）利用熱工原理及計算公式，根據(jù)紅外熱像儀采集的煙囪外表面溫度，能定量計算出溫度異常點的內(nèi)部腐蝕厚度，對煙囪腐蝕情況作出損壞評估。

3）通過實際應用，紅外熱成像技術(shù)在煙囪腐蝕檢測中具有準確、快速不破損檢測等優(yōu)點。

[1]宋紅兵.已建機組加裝濕法煙氣脫硫后的煙囪防腐[C].第十屆全國燃煤二氧化硫、氮氧化物污染治理技術(shù)暨煙氣脫硫脫氮工程建設和運行管理交流會論文集,蘇州, 2006.

[2]中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會脫硫脫硝委員會.我國脫硫脫硝行業(yè)2012年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2013(7):8～20.

[3]于世秋,劉運誠.大型火電機組脫硫改造后低溫煙氣損毀煙囪事故分析[J].電力系統(tǒng)裝備，2013(8):71～72.

[4]黃沛.紅外熱像技術(shù)在建筑工程中的應用研究[D].汕頭:汕頭大學,2006.

[5]李國華,吳立新,吳淼,等.紅外熱像技術(shù)及其應用的研究進展[J].紅外與激光工程,2004(03):227～230.