化工設(shè)備檢測中紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用分析

張立國，趙中艷，王國超

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016；2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院開封分院；3.開封空分集團(tuán)有限公司，河南 開封 475001）

紅外成像技術(shù)是目前化工設(shè)備檢測中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，一般紅外成像技術(shù)是對高精度設(shè)備進(jìn)行無損檢測，這種技術(shù)應(yīng)用在化工設(shè)備檢測中，能夠提高損傷檢測效率，并且減少因?yàn)闄z測對設(shè)備產(chǎn)生的損傷。

1 紅外熱成像技術(shù)的相關(guān)概述

紅外熱成像技術(shù)是目前為止最優(yōu)的檢測技術(shù)手段之一，在設(shè)備儀器檢測中廣泛使用，例如電氣設(shè)備、化工設(shè)備以及精密儀器等，并且在檢測過程中由于損傷較少、精密度較高，受到了各設(shè)備檢測單位的青睞。

1.1 紅外熱成像技術(shù)的涵義

紅外熱成像技術(shù)通常使用紅外探測儀器以及顯示屏呈現(xiàn)，對需要檢測的化工設(shè)備進(jìn)行紅外熱檢測，通過顯示紅外輻射能量分布情況來確定化工設(shè)備的工作情況，可以詳細(xì)將檢測的化工設(shè)備紅外熱輻射能量圖在顯示器中呈現(xiàn)出來，檢測維護(hù)人員可以通過顯示屏檢測其化工設(shè)備的運(yùn)行情況，一旦出現(xiàn)故障，紅外熱成像異常，可以及時定位故障部位，有效減少故障帶來的損失，并且提升檢測效率，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)情況，及時進(jìn)行維修，加強(qiáng)工作及時性。

1.2 紅外熱成像技術(shù)的原理

紅外熱成像技術(shù)其實(shí)就是利用目前的成像技術(shù)，對化工設(shè)備進(jìn)行使用過程中的檢測，實(shí)際上在使用紅外熱成像技術(shù)時候，主要應(yīng)用在幾個方面：第一個方面，紅外熱成像技術(shù)檢測化工設(shè)備外表面輻射以及內(nèi)部消耗散熱；第二個方面，可以直接對化工設(shè)備裝置進(jìn)行紅外熱掃描；第三個方面，可以利用紅外熱成像技術(shù)對輻射應(yīng)力進(jìn)行分析。通過以上的正確使用，可以提高檢測的效率。在研究理論上來講，所有溫度高于絕對零度的物體外表面都會發(fā)出紅外熱輻射能，其中一般紅外熱輻射的波長為0.76 ～1000μm，根據(jù)司特攀博爾茲曼定律，其中關(guān)鍵一條可以得出：物體放射的輻射能量能夠與其溫度的四次方成正比。所以目前為止利用相應(yīng)的公式：

公式中W 表示物體外表面單位面積中的輻射能，ξ 表示的是物體外表面的發(fā)射率，δ 表示司特攀博爾茲曼常數(shù)，T 表示其中的絕對溫度。由上述，可以得到利用紅外熱成像技術(shù)探測出物體外表面的輻射能量，就能夠計(jì)算出物體外表面的溫度。紅外熱成像技術(shù)就是利用上述的原理、定律以及相應(yīng)公式，使用紅外熱探測裝置收集化工設(shè)備外表面的輻射能，通過現(xiàn)場安裝的熱像儀器裝置的分析處理軟件進(jìn)行整理、儲存、分析數(shù)據(jù)，最后在屏幕生成具體的檢測報(bào)告，同時內(nèi)部處理軟件可以儲存熱像儀器裝置的具體數(shù)據(jù)，可以還原出相應(yīng)的物體外表面溫度分布圖，就是熱像圖，并且提供物體外表面的相應(yīng)數(shù)據(jù)可以幫助分析以及使用操作。由于石油化工設(shè)備在使用過程中，一旦停產(chǎn)進(jìn)行檢測維護(hù)，將對整個企業(yè)產(chǎn)生巨大的損失，所以進(jìn)行檢測的時候，溫度是最能夠直接反應(yīng)其運(yùn)行穩(wěn)定性以及設(shè)備整個狀態(tài)的重要依據(jù)。其中包括所有可以使用溫度高于絕對零度的物體外表面，紅外熱成像技術(shù)可以使用在整體化工設(shè)備檢測中，并且能夠得到動態(tài)變化的過程，能夠幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)動態(tài)設(shè)備的維護(hù)管理。

2 紅外熱成像技術(shù)在化工設(shè)備中的應(yīng)用

2.1 通過物體外表面輻射能和物體內(nèi)部耗散紅外檢測

在化工設(shè)備中，由于需要各種壓力管道以及壓力泵進(jìn)行工作，其內(nèi)部為了防止腐蝕以及保溫隔熱的因素，所以在高溫設(shè)備中裝有內(nèi)襯。一旦壓力容器、壓力管道內(nèi)部隔熱襯里或保溫出現(xiàn)損壞問題，將會出現(xiàn)內(nèi)壁溫度升高，保溫材料的性能受損，設(shè)備很容易受到高溫的影響出現(xiàn)故障。通常對于這種運(yùn)行的高溫設(shè)備容器、管道、內(nèi)襯檢測的手段需要定期安排停止化工生產(chǎn)進(jìn)行維護(hù)檢修，并且需要打開高溫設(shè)備容器，進(jìn)入內(nèi)部檢查內(nèi)襯，進(jìn)行修補(bǔ)。所以這種檢測維修只是憑借維修工人的仔細(xì)檢查以及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，具有較大的盲目性。紅外熱成像技術(shù)可以根據(jù)設(shè)備外表面溫度確定輻射能，及時發(fā)現(xiàn)輻射異常部位，然后根據(jù)異常部位呈現(xiàn)的特征進(jìn)行分析，檢測維修人員可以隨時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障后可以直接安排停車進(jìn)行維修，節(jié)省篩查以及檢測的時間，并且提高篩查的準(zhǔn)確性。其中以某化工企業(yè)的高溫設(shè)備容器管道以及內(nèi)襯為例，進(jìn)行損傷溫度研究。根據(jù)該公司實(shí)際情況，提出相應(yīng)的損傷判斷標(biāo)準(zhǔn)，作為其他單位的參考依據(jù)。通過本單位大量的紅外熱像圖以及高溫設(shè)備容器、管道以及內(nèi)襯損傷檢測進(jìn)行對比分析，可以看出不同種類的損傷都有其特色的紅外熱像圖。其中可以進(jìn)行以下幾項(xiàng)判斷：當(dāng)溫度不規(guī)律散熱區(qū)出現(xiàn)較為細(xì)且長的形狀，通常可以判斷此部位出現(xiàn)裂縫，并且當(dāng)外表面溫度為中等程度故障的時候，基本可以認(rèn)定為貫穿性裂縫，當(dāng)溫度為中下程度故障時，可以認(rèn)定為初始開裂裂縫，進(jìn)行簡單處理即可；當(dāng)出現(xiàn)片狀區(qū)域有小面積異常，其平均溫度為中下程度，為空洞型故障，片狀區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重故障溫度時，是內(nèi)部襯里出現(xiàn)脫落情況，片狀區(qū)域出現(xiàn)中下故障程度溫度，且溫度呈現(xiàn)有較小梯度改變，這種情況為減薄問題。整個檢測診斷過程中，不需要停止化工設(shè)備工作，也不需要人工去進(jìn)行檢測，只需要隨時觀察顯示屏內(nèi)的溫度分布情況，及時有效發(fā)現(xiàn)問題，并且比照本公司內(nèi)的損傷標(biāo)準(zhǔn)，判斷其損傷情況，這種快速、高效的動態(tài)檢測為化工設(shè)備維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

2.2 通過紅外熱掃描對被測物體進(jìn)行檢測

紅外熱掃描與物體外表面輻射能和內(nèi)部耗散紅外檢測的不同之處在于一個屬于主動式，一個屬于被動式。其中物體外表面輻射能和內(nèi)部耗散紅外檢測這種被動式紅外熱成像技術(shù)，在國內(nèi)外已經(jīng)較為成熟并且被廣泛使用，但是紅外熱掃描盡管在國外已經(jīng)可以投入實(shí)際工作中，在國內(nèi)還處于研究中尚未投入使用。被動式紅外熱成像與主動式的區(qū)別在于：被動式是依靠被檢測的化工設(shè)備自身輻射能進(jìn)行成像，這是因?yàn)槲矬w本身能夠發(fā)熱；而主動式是可以通過人為主動對被測的化工設(shè)備加入熱能然后通過紅外探測攝像頭進(jìn)行熱掃描檢測。這種熱掃描檢測，可以對化工設(shè)備中的玻璃鋼制材料以及無機(jī)復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測。這種熱掃描檢測，可以通過兩種不同圖像特征在紅外熱像圖中呈現(xiàn)出缺陷，這兩種分別是：第一種是損傷處的紅外輻射能發(fā)射率與無缺陷部分不同；另一種是有損傷處外表面與無損傷處持續(xù)散熱不同。這兩種不同導(dǎo)致紅外熱輻射成像分布不具有規(guī)律性，從而在熱成像圖中分析出損傷情況。在對檢測部件注入能量時，經(jīng)常由于損傷部位傳遞能量受阻的情況，導(dǎo)致缺陷部位溫度在一段時間內(nèi)低于無損傷部位，但是隨著注入能量的不斷增加，熱像圖也隨之產(chǎn)生變化，這需要能夠在最佳時刻發(fā)現(xiàn)問題。盡管利用熱掃描檢測的試驗(yàn)方法和檢出缺陷的原理對化工設(shè)備特定部件的缺陷檢測有著極為廣闊的前景，但是對于最佳時刻的捕捉成為當(dāng)前國內(nèi)的阻礙。

2.3 紅外輻射應(yīng)力分析技術(shù)在化工設(shè)備中的應(yīng)用

在19 世紀(jì)中，勞德·凱文在實(shí)驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)物體在受到應(yīng)力后會發(fā)生相應(yīng)的變化，并且同時會伴隨著物體外表面溫度的改變，這就導(dǎo)致輻射能會有相應(yīng)變化。這時候由于紅外熱發(fā)射的輻射能信息與化工設(shè)備內(nèi)部的不可見缺陷、裂縫以及擴(kuò)展產(chǎn)生的應(yīng)力，即便化工設(shè)備受到應(yīng)力在屈服極限值以下，化工設(shè)備表面溫度仍然會與應(yīng)力有聯(lián)系。在平常情況下，裂縫薄弱四周處于所受應(yīng)力集中的部位，在屈服之后由于變形后的發(fā)展態(tài)勢，裂縫薄弱部位四周的應(yīng)力會得以釋放。所以在屈服極限以前，紅外熱發(fā)射信息能夠明顯體現(xiàn)裂縫薄弱處；屈服以后，由于變形持續(xù)發(fā)展，會使得紅外熱輻射能急劇增加。根據(jù)相應(yīng)的紅外熱發(fā)射相關(guān)信息的突然改變，可以確定物體內(nèi)部的裂縫以及薄弱點(diǎn)的擴(kuò)展規(guī)律以及具體位置。并且在化工設(shè)備材料屈服極限以前，也可以通過紅外熱信息判斷應(yīng)力以及缺陷情況。這種遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服極限下利用紅外熱像技術(shù)來檢測應(yīng)力集中而判定裂縫和危險位置的方式，較其他紅外熱成像技術(shù)更能超前預(yù)示問題。

3 結(jié)語

對化工企業(yè)而言，化工設(shè)備是工廠生產(chǎn)的核心，是公司的重要財(cái)產(chǎn)，也是企業(yè)運(yùn)營的保障。紅外熱成像技術(shù)在保證化工設(shè)備不停止運(yùn)行的狀態(tài)下對設(shè)備儀器進(jìn)行檢測，所以化工企業(yè)應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，符合當(dāng)代企業(yè)快節(jié)奏的運(yùn)行基調(diào)，幫助詳細(xì)了解化工設(shè)備的準(zhǔn)確情況，減少檢測過程中對設(shè)備的損壞，檢測成本較低，有效促使檢測人員盡快采取措施進(jìn)行維護(hù)，以上促使紅外熱成像技術(shù)在化工設(shè)備檢測中的應(yīng)用。