油田站庫紅外成像檢測技術(shù)研究與應(yīng)用

畢新忠 張建國 呂書棟

【摘 要】紅外熱像儀能夠檢測設(shè)備表面不同溫度紅外波長而形成熱圖像，可以直觀有效地顯示油水罐、分離器的物位以及各種電氣設(shè)備的運行狀況。其具有非接觸式、利用率高、安全性強、檢測準確、操作便捷等諸多優(yōu)點。因此，使用紅外熱像儀進行站庫裝置設(shè)備檢測是一種可行的手段。

【關(guān)鍵詞】油田；站庫；紅外成像；檢測技術(shù)；研究與應(yīng)用

國內(nèi)對油水罐運行狀態(tài)評價主要通過對生產(chǎn)運行參數(shù)的檢測，憑經(jīng)驗進行分析評價。對罐底集泥、內(nèi)部零部件運行狀況等沒有直接有效的檢測手段，給日常生產(chǎn)帶來了很大的影響。目前聯(lián)合站現(xiàn)有技術(shù)無法檢測油水罐、分離器等底部集泥情況，加劇了內(nèi)部構(gòu)件、填料等腐蝕，影響設(shè)備使用壽命和運行效果；無法檢測油水罐罐壁、管線等結(jié)垢腐蝕情況，發(fā)生穿孔泄漏等問題；無法檢測電器設(shè)備運行情況，造成設(shè)備發(fā)熱燒毀，缺乏有效檢測手段與工具。因此，研究使用紅外熱像儀進行站庫裝置設(shè)備檢測是當務(wù)之急。

1.紅外成像檢測原理

自然界中的一切物體由于物質(zhì)分子熱運動，所有物體都會發(fā)射電磁波，兩物質(zhì)系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)能的傳遞稱為傳熱。傳熱有三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。根據(jù)能量守恒定律，景物與環(huán)境之間所發(fā)生的熱傳遞應(yīng)遵從熱平衡方程如下式所示：

g+jcnv=qcnd+qcnv+M

式中：g—物體自身發(fā)熱；jcnv—物質(zhì)從環(huán)境吸收的熱量；qcnd—物質(zhì)通過傳導(dǎo)釋放的熱量；qcnv—物質(zhì)通過對流釋放的熱量；M—物質(zhì)通過輻射釋放的熱量。

只要物體的溫度高于絕對零度，那么該物體總是在不斷地發(fā)射紅外輻射，就有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?。對常溫物體，輻射是主要形式。任何物體，不論其溫度高低都發(fā)射或吸收電磁熱輻射，其大小除與物體材料種類、形貌特征、化學(xué)與物理學(xué)結(jié)構(gòu)（如表面氧化度、粗糙度等）特征有關(guān)外，還與波長、溫度有關(guān)。紅外熱像儀就是利用物體的這種輻射性能來測量物體表面溫度場的。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律[1]。

W=εσT4

式中：σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；ε—待測物體表面發(fā)射率系數(shù)；T—待測物體表面的溫度；W—物體表面總輻射強度。

因此，不同物體具有不同的溫度和發(fā)射系數(shù)，熱像儀接收來自物體的輻射，便可測定物體表面的溫度場分布。

2.紅外熱像儀結(jié)構(gòu)與型號選擇

紅外熱像儀是能夠?qū)崿F(xiàn)熱成像測溫的精密儀器，它是紅外熱成像測溫的核心設(shè)備，因此將能生成紅外圖像的紅外成像系統(tǒng)，稱為紅外熱像儀。紅外熱像儀是一種二維平面成像系統(tǒng)，熱像儀中具體實現(xiàn)由紅外光變成電信號、又由電信號變換可見光的轉(zhuǎn)換功能，這是由熱像儀的內(nèi)部組成部件完成的。紅外熱像儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、掃描器紅外探測器、信號處理電路和顯示記錄裝置等幾部分組成。

（1）光學(xué)系統(tǒng)。紅外光學(xué)系統(tǒng)的作用是會聚被測目標的紅外輻射，經(jīng)過光學(xué)和空間濾波，將景物的輻射熱圖聚焦到探測元件的焦平面。

（2）信號處理。在熱像儀中，紅外探測器輸出的信號非常微弱，只有通過充分放大和處理后才能加以顯示，因此信號放大和處理電路是熱成像裝置中的重要組成部分。

（3）顯示方法。①光源顯示法：視頻信號經(jīng)放大與處理后，其輸出信號直接驅(qū)動發(fā)光二極管、等離子顯示板或輝光放電管等光源，使之顯示出目標表面紅外輻射能量分布情況。

②電視屏幕顯示法：把經(jīng)放大和處理的信號輸入到電視顯像管中，在熒光屏上便顯示出目標的紅外圖像。對于黑白顯像管，將顯示出明暗不同的黑白圖像，所呈現(xiàn)的不同灰度等級，代表著不同溫度。對于彩色顯像管，視頻信號經(jīng)分層和編碼處理后，輸入到管中，其熒光屏上便顯示出目標的彩色圖像。

油田站庫設(shè)備體積較大，因此對熱像儀的精度要求不嚴格，所國內(nèi)生產(chǎn)的紅外熱像儀同樣可以滿足現(xiàn)場要求，結(jié)合油田需求，確定了手持式熱像儀和在線式熱像儀。考慮到性能、需求等因素，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備布置情況，確定了紅外熱像儀的型號，選擇型號為C300手持式熱像儀，型號為R30在線檢測熱像儀，如圖2。

與動態(tài)熱像儀主機連接的安裝有動態(tài)溫度流軟件的計算機，可同時實現(xiàn)多任務(wù)的并行處理，例如實現(xiàn)動態(tài)熱像顯示，任意區(qū)域的實時溫度趨勢分析、實時溫度流數(shù)據(jù)連續(xù)存儲。分析軟件涵蓋了所有常規(guī)功能，例如分析框設(shè)置、采樣幀頻、抓圖功能、報告導(dǎo)出功能、偽彩設(shè)置、框溫度分布、區(qū)域溫度分布、游標調(diào)用、報警設(shè)置、等溫分析。

3.現(xiàn)場技術(shù)研究與應(yīng)用

（1）油水罐與紅外成像關(guān)聯(lián)技術(shù)研究。開展油水罐不同運行狀況模擬和紅外成像技術(shù)研究。油水罐內(nèi)部不同構(gòu)造、罐底泥沙不同高度等狀態(tài)下，利用紅外成像技術(shù)，建立罐內(nèi)溫度分布數(shù)學(xué)模型。利用紅外成像技術(shù)和溫度數(shù)學(xué)模型，直觀地掌握油水罐運行狀況，實現(xiàn)科學(xué)高效的站庫運行管理。

（2）開展電氣設(shè)備隱患和紅外成像技術(shù)研究。利用紅外成像技術(shù)，建立電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)庫。利用數(shù)據(jù)庫對電氣設(shè)備運行中的隱患進行事先預(yù)警，避免故障發(fā)生。

（3）開展設(shè)備、管道腐蝕、泄漏等隱患排查和紅外成像技術(shù)研究。利用可視化成像技術(shù)對設(shè)備管道施工質(zhì)量、腐蝕或結(jié)構(gòu)完整性評估預(yù)警，形成管道監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)有效地預(yù)處理。

（4）開展集輸站庫熱成像技術(shù)影響因素研究。對保溫油水罐以及油水溫差較小等印象因素進行研究，對電氣設(shè)備導(dǎo)熱不同等印象熱成像技術(shù)研究。

（5）開展油田集輸站庫專用成像技術(shù)軟件開發(fā)研究。

依據(jù)數(shù)據(jù)模型、熱成像數(shù)據(jù)庫，進行油田集輸站庫專用熱成像技術(shù)軟件開發(fā)，應(yīng)用于油水罐、三相分離器、加熱爐、電氣設(shè)備等，實現(xiàn)熱成像技術(shù)的錄入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控結(jié)論、處理方案功能。

（6）對油田集輸站庫專用熱成像技術(shù)軟件開發(fā)的應(yīng)用試驗再改進。

4.結(jié)論

本文論述了紅外熱成像原理，紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)、型號等特點以及項目內(nèi)容。紅外熱成像運用光電技術(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，并可以進一步計算出溫度值。通過研究選擇了適用于現(xiàn)場的熱像儀，選擇型號為C300手持式熱像儀，型號為R30在線檢測熱像儀。

結(jié)合紅外熱成像技術(shù)，對站庫有水罐裝置、電氣設(shè)備等進行熱成像技術(shù)研究，利用紅外熱成像技術(shù)去檢測罐體設(shè)備內(nèi)物位變化、電氣設(shè)備發(fā)熱情況以及設(shè)備腐蝕情況等，及時掌握集輸站庫設(shè)備的運行狀況，編制紅外熱圖分析軟件和數(shù)據(jù)庫，利用分析軟件和數(shù)據(jù)庫對站庫裝置設(shè)備運行狀況進行提前預(yù)警，形成集輸站庫紅外成像測試、分析和預(yù)警專有技術(shù)，有效提高油田集輸站庫安全經(jīng)濟運行水平。

【參考文獻】

[1] 劉暉，陳國華.紅外熱像檢測技術(shù)在石化工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備， 2010，39（01）：47-53.