紅外熱成像技術(shù)在化工裝置中的應(yīng)用

李鑫

摘 要：文章簡述了紅外熱成像原理和紅外熱像儀的基本使用方法，介紹了在化工裝置中外保溫效果檢測、設(shè)備襯里檢測、旋轉(zhuǎn)機械故障輔助檢測、電氣設(shè)備檢測等方面的應(yīng)用實例，總結(jié)分析了應(yīng)用該技術(shù)需注意的關(guān)鍵點，如發(fā)射率及環(huán)境參數(shù)的正確確定、避免熱源干擾、圖像的分析等。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；紅外熱像儀；無損檢測；化工裝置

化工裝置通常在高溫、高壓及連續(xù)性操作條件下生產(chǎn)運行，加之易燃、易爆、有毒、有害的危險性，保障裝置安全平穩(wěn)可靠運行顯得尤為重要。作為無損檢測手段之一的紅外熱成像技術(shù)，因其安全的非接觸式操作方法、效率高、范圍廣、圖像直觀等優(yōu)勢，被高度應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程中的在線監(jiān)測、日常巡檢、定期檢查等。

1 紅外熱成像原理

研究證明，溫度在絕對零度（-273.15℃）以上的任何物體，都會對外界放出紅外輻射能[1]。紅外熱像儀就是通過接收物體發(fā)射的紅外輻射能，并將輻射能轉(zhuǎn)換成溫度分布場形式的熱像圖體現(xiàn)出來。由斯蒂芬-玻爾茲曼定律演變出非黑體總輻射功率W為：

W=εбT4 （1）

式中，W為非黑體的總輻射功率（W/m2）；ε為物體的發(fā)射率，由物體材質(zhì)及表面狀態(tài)決定，通常經(jīng)實驗測得；б為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，等于5.67×10-8W/（m2·K4）；T為非黑體的熱力學(xué)溫度（K）。

理論上，通過紅外熱像儀測得的輻射能、材料固有的發(fā)射率參數(shù)，就能計算出物體的各點的溫度，形成熱像圖。然而，紅外熱像儀接收到的有效輻射不僅僅只有物體自身輻射，還包括周圍環(huán)境的反射輻射、大氣輻射[2]。因此，紅外熱像儀遵循以下公式自動對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正補償：

Wtot=ετWobj+（1-ε）τWrefl+（1-τ）Watm （2）

Wtot為熱像儀接收到的全部輻射功率；ετWobj為來自物體的輻射，其中ε是物體的固有發(fā)射率，τ是大氣傳輸率，物體溫度為Tobj；（1-ε）τWrefl為周圍環(huán)境的反射輻射，其中（1-ε）是物體的反射比，周圍環(huán)境的反射溫度為Trefl；（1-τ）Watm為大氣輻射，其中（1-τ）是大氣的輻射率，大氣的溫度為Tatm。

因此，操作人員在實際使用紅外熱像儀過程中，還需設(shè)置待測物體發(fā)射率ε、相對濕度、大氣溫度Tatm、待測物體距離、周圍環(huán)境的反射溫度Trefl等一系列參數(shù)值，來幫助熱像儀根據(jù)測量值更準(zhǔn)確地計算出物體實際溫度值，建立真實有效的溫度分布熱像圖。

2 紅外熱像儀的使用方法

本文以FLIR T40紅外熱像儀為例，開機后根據(jù)待測物體現(xiàn)場情況，在熱像儀中設(shè)置當(dāng)前大氣溫度、周圍環(huán)境的反射溫度；在確定好檢測站位后，設(shè)置與物體之間距離參數(shù)；根據(jù)待測物表面材質(zhì)在熱像儀的內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中選取相應(yīng)發(fā)射率。通過調(diào)整鏡頭角度，觀察熱像儀屏幕內(nèi)圖像溫度色譜分布，調(diào)整對焦，拍攝記錄。檢測結(jié)束，通過連接電腦，在配套軟件中查看熱像圖及對應(yīng)的可見光圖，并可通過軟件中的測量工具，獲取圖像中任意點的溫度數(shù)值以及任意區(qū)域的極值。通過觀察與分析，選擇有代表性的熱像圖生成檢測報告。

3 應(yīng)用實例

3.1 設(shè)備的外保溫效果檢測

在化工裝置中，良好的設(shè)備外保溫效果能減少設(shè)備內(nèi)部熱損失，確保設(shè)備內(nèi)部的反應(yīng)順利進(jìn)行。對于氯堿裝置中的氧氯化反應(yīng)器，如果每個插入反應(yīng)器內(nèi)部的熱電偶外保溫效果不好，都有可能造成內(nèi)部物料HCl低于露點溫度而產(chǎn)生氯離子，腐蝕設(shè)備本體。使用FLIR T40紅外熱像儀對某廠氧氯化反應(yīng)器上分布的20個熱電偶保溫效果進(jìn)行定期檢測，可以清楚直觀地看出保溫質(zhì)量。以2014年10月21日的檢測為例，大氣溫度26℃，待測對象表面發(fā)射率為0.92，檢測距離為2m。從圖1的熱像圖中可以看出，在編號為2213的熱電偶插入口及保溫層與筒體相貫線處溫度值偏高，出現(xiàn)了明顯的漏熱現(xiàn)象，保溫不夠嚴(yán)密。需對檢測出的保溫層有縫隙、薄弱處密封加固，必要時更換保溫。

3.2 設(shè)備襯里檢測

熱設(shè)備內(nèi)部的非金屬材料襯里一般起著防腐、隔熱、耐磨損的作用。而襯里也會因高溫、物料沖蝕、設(shè)備長期運行而造成局部裂紋、脫落，進(jìn)而損傷設(shè)備本體。使用熱像儀對某廠急冷塔襯里情況進(jìn)行每月1次定期狀態(tài)檢測。急冷塔內(nèi)部砌筑雙層防腐襯磚，厚度145mm，檢測時大氣溫度26℃，設(shè)備表面發(fā)射率0.95，檢測距離為10m。從圖2急冷塔西北方向中部熱像圖中看到，此位置的表面溫度分布均勻，無明顯溫度過熱區(qū)域，襯里完好。如若熱像圖中發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)高溫區(qū)塊，說明內(nèi)部襯里可能已存在裂紋或脫落，應(yīng)及時修補或更換襯里。

3.3 旋轉(zhuǎn)機械故障輔助檢測

在化工裝置中，通過振動狀態(tài)監(jiān)測對旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行故障診斷得到了廣泛的應(yīng)用。在這類設(shè)備中，高速轉(zhuǎn)動的軸承等旋轉(zhuǎn)部件由于潤滑不良發(fā)生摩擦，會造成局部溫度過高。通過紅外熱成像技術(shù)對機械的運動狀態(tài)進(jìn)行輔助檢測，無需接觸旋轉(zhuǎn)件，就可安全、直觀地檢測出部件表面溫度，及時發(fā)現(xiàn)過熱問題，并對旋轉(zhuǎn)件進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。對某廠氯氣壓縮機的電機軸承部位進(jìn)行紅外熱像檢測，檢測時大氣溫度4℃，發(fā)射率0.92，檢測距離3m。由圖3可以看到，測點部位溫度分布均勻，傳熱情況良好，溫度最高值在正常范圍內(nèi)，電機運轉(zhuǎn)正常，應(yīng)對設(shè)備繼續(xù)追蹤檢測。

3.4 電氣設(shè)備的檢測

導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)熱的故障主要有接頭和線夾接觸不良、導(dǎo)線老化、銅板局部破損減薄等。在對某廠電氣設(shè)備進(jìn)行紅外熱像檢測時，大氣溫度25℃，發(fā)射率0.95，檢測距離2m，在圖4中，熱點SP2為正常溫度36℃左右，而熱點SP1部位溫度93.4℃，溫差達(dá)56℃。根據(jù)《DL/T664-2008帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，熱點溫度>80℃，屬于嚴(yán)重缺陷。通過分析，熱點SP1位于觸點處，有逐漸溫度傳導(dǎo)過程，應(yīng)為螺栓接觸不良或過緊導(dǎo)致的局部過熱問題，調(diào)整螺栓的緊固程度可以解決問題。

3.5 其他應(yīng)用

使用紅外熱成像技術(shù)對儲罐類設(shè)備的液位進(jìn)行檢測，可以幫助設(shè)備員及時發(fā)現(xiàn)有故障的液位計；通過對閥門、管路等掃描，可以對無色無味氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)圖像中溫度變化判斷泄漏情況；對物料流動狀態(tài)的檢測，可以根據(jù)溫度場分布觀察管路是否通暢。

4 應(yīng)用中需注意的關(guān)鍵點

紅外熱像儀是對物體發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行測量和成像的，并通過輻射量與溫度之間的函數(shù)關(guān)系來計算出每點的溫度值[3]。因此函數(shù)關(guān)系中，發(fā)射率、環(huán)境產(chǎn)生的輻射、反射等參數(shù)都影響著計算結(jié)果。為了精確地完成溫度測量，檢測對象地運行狀態(tài)，還需注意以下問題。

4.1 發(fā)射率的確定

發(fā)射率是在相同溫度條件下，實際物體與黑體輻射出射度的比值，它與物體本身的材質(zhì)和表面性質(zhì)有關(guān)，是熱像儀設(shè)定中的一個重要參數(shù)[1]。通過熱像儀內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫，可以查到常用材質(zhì)的發(fā)射率。需要驗證所選發(fā)射率是否準(zhǔn)確時，可在待測物體表面貼一片發(fā)射率已知的絕緣膠帶（通常為0.97），靜置一段時間；待物體溫度基本傳導(dǎo)至絕緣膠帶后，對膠帶位置進(jìn)行紅外拍攝，讀取溫度值；取下膠帶，測量拍攝物體本體，通過更改發(fā)射率，直至讀出與前面溫度相同的值，此時的發(fā)射率即為物體表面真實的發(fā)射率。

4.2 環(huán)境參數(shù)的設(shè)置

環(huán)境參數(shù)包括大氣溫度、反射溫度、距離、相對濕度等。

大氣溫度，為熱像儀與目標(biāo)物體之間的空氣溫度；反射溫度，用于補償對象上反射的輻射，當(dāng)發(fā)射率低且待測對象的溫度與其反射的溫度相差很多時，準(zhǔn)確的設(shè)置就顯得尤為重要；距離，熱像儀與待測對象之間的距離，用于補償來自于待測對象的輻射中被大氣吸收的部分以及大氣自身的輻射；相對濕度，補償空氣相對濕度對輻射傳輸造成的影響。在距離短和正常濕度的情況下，可設(shè)置為50%的默認(rèn)值，并避免在雨天、霧天等濕度較大的天氣進(jìn)行紅外檢測作業(yè)。

4.3 避免熱源干擾

太陽光直射、周圍存在熱源都會對紅外熱成像檢測的準(zhǔn)確度造成較大影響。應(yīng)盡量選擇陰天作業(yè)或者設(shè)置遮板來避免陽光的干擾。操作人員應(yīng)注意選取適當(dāng)?shù)慕嵌葋肀荛_周圍熱源的影響。

4.4 圖像的分析

對于熱像圖的處理分析，需要結(jié)合檢測人員的經(jīng)驗、設(shè)備現(xiàn)場情況及相關(guān)檢測規(guī)范的要求，通過配套軟件進(jìn)行綜合分析，并與歷次存檔記錄進(jìn)行比對，得出診斷結(jié)論及設(shè)備運行的狀態(tài)。

5 結(jié)束語

在化工裝置中應(yīng)用紅外熱像檢測技術(shù)，可以方便定期對設(shè)備進(jìn)行檢測維護(hù)，迅速直觀地發(fā)現(xiàn)故障位置，防止事故的進(jìn)一步發(fā)展；為及時了解裝置運行狀態(tài)、制定檢維修計劃提供了可靠的技術(shù)依據(jù)，避免過剩維修。

作為操作者，除了學(xué)會正確使用紅外熱像儀、設(shè)置相關(guān)參數(shù)、熟悉操作規(guī)范，還應(yīng)在日常檢測中多加觀察，積累對不同設(shè)備的分析診斷經(jīng)驗，撰寫出有參考價值的總結(jié)報告，才能為生產(chǎn)裝置管理人員提供準(zhǔn)確科學(xué)的技術(shù)信息，為裝置安全運行提供保障。

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