淺析紅外熱成像檢測技術(shù)在壓力容器和壓力管道檢測中應用

黃啟人，楊達，李家興，馮雪松，孔龍，白學剛

（中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

1 原理

紅外線是不可見的光線，屬于電磁波。物體表面溫度如果超過絕對零度（-273℃）即會輻射出電磁波，其中就有載有物體特征信息的紅外線。紅外熱成像技術(shù)是一種被動紅外夜視技術(shù)。通過光電紅外探測器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號后，成像裝置模擬出物體表面溫度的空間分布，再經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖（即紅外熱圖像）。通過熱像圖可人為判斷被檢物體本身的結(jié)構(gòu)特征。此外，由于紅外線對極大部分的固體及液體物質(zhì)的穿透能力極差，因此，紅外熱成像檢測是以測量物體表面的紅外線輻射能量為主。

2 技術(shù)特點

紅外熱成像技術(shù)有其獨到之處，并具有以下等特性：

（1）非接觸性。紅外熱成像技術(shù)的實施不需要接觸被檢測目標，被檢測物體可動可靜，可以是數(shù)千攝氏度的熱體，也可以是溫度很低的冷體。技術(shù)應用范圍廣，且便于現(xiàn)場實施。

（2）安全性。紅外熱成像技術(shù)應用過程對人員和設備無危害。

（3）準確性。紅外熱成像技術(shù)的溫度分辨率和空間分辨率都可以達到較高的水平，檢測結(jié)果準確。

（4）操作便捷。紅外熱成像設備操作簡單，檢測速度快，檢測結(jié)果可保存。

生產(chǎn)單位由于生產(chǎn)要求和其他因素限制需要在非停工狀態(tài)下在線檢查非常溫壓力容器或壓力管道使用安全狀況，因此，特種設備檢測手段引入了紅外熱成像檢測技術(shù)。運行狀態(tài)下的非常溫壓力容器和壓力管道常規(guī)檢測具有一定的局限性，例如，生產(chǎn)工藝要求較嚴格，不允許壓力容器或壓力管道中的介質(zhì)物料有較大的溫度波動，不能大面積拆除壓力容器或壓力管道外部隔熱層，為檢測增加困難；工作溫度較高（大于100℃）或較低（小于0℃）時，常規(guī)檢測手段難以實施。而紅外熱成像檢測技術(shù)應用于非常溫狀態(tài)下的壓力容器和壓力管道檢測，可以非常直觀地發(fā)現(xiàn)非常溫壓力容器和壓力管道在使用過程中的表面溫度分布情況，可快速檢查出非常溫壓力容器和壓力管道運行狀態(tài)下的壁厚情況、外部隔熱層或耐火襯里質(zhì)量及狀態(tài)。紅外熱成像檢測技術(shù)應用于壓力容器和壓力管道檢測具有一定的針對性，彌補了常規(guī)檢測手段客觀存在的一些不足。但紅外熱成像檢測技術(shù)應用于壓力容器和壓力管道檢測也存在局限性。紅外熱成像檢測技術(shù)應用于壓力容器或壓力管道檢測，只能是在壓力容器或壓力管道溫度不同于所處周圍的環(huán)境溫度時進行（不適合檢測常溫壓力容器和壓力管道）。檢測環(huán)境因素對外熱成像檢測技術(shù)影響也十分明顯。H2O、CO2、CH4、N2O、O3等氣體和固體微粒的吸收、散射，使紅外線傳播過程中強度明顯下降。尤其是在石油化工等企業(yè)，現(xiàn)場H2O、CO2、CH4和N2O 等氣體局部含量偏高，會影響紅外線在空氣中的傳播。這也使紅外熱成像設備檢測產(chǎn)生誤差。

3 技術(shù)應用

圖1

圖1 是用菲力爾紅外熱成像設備T620 拍攝的某石化企業(yè)換熱器局部彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在8 ～89℃。從該圖組中彩色照片上看，該換熱器外部宏觀無明顯異常；從紅外熱成像圖像上可以看出，該臺換熱器外部隔熱層狀態(tài)及隔熱層絕熱效果良好。由于換熱器殼程筒體溫度傳遞到換熱器的鞍座，鞍座金屬部位外部無隔熱層，導致鞍座金屬部位溫度高，紅外線輻射強度大，形成的圖像顏色與周圍環(huán)境形成的顏色產(chǎn)生鮮明的對比。

圖2

圖2 是用菲力爾紅外熱成像設備T620 拍攝的某石化企業(yè)反應器局部彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在26.9～231℃。從該圖組中彩色照片上看該反應器外部隔熱層金屬皮局部異常銹蝕；而從紅外熱成像照片上看，可以發(fā)現(xiàn)，該反應器局部圖像顏色與周圍顏色產(chǎn)生了鮮明的對比。紅外熱成像照片中光標處顯示溫度為223℃，說明反應器該處外部隔熱層絕熱效果很差。對紅外熱成像照片中溫度異常位置進行驗證，發(fā)現(xiàn)反應器該位置隔熱層質(zhì)量很差，局部存在隔熱層下沉、脫落、缺失。這導致該反應器局部熱量流失，增加了生產(chǎn)能耗，可能會影響工藝生產(chǎn)。

圖3

圖3 是用福祿克紅外熱成像設備Tix640 拍攝的某石化企業(yè)中壓汽水分離器局部彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在51.7 ～143.0℃。從該圖組中彩色照片上看，該中壓汽水分離器外部宏觀無明顯異常；從紅外熱成像照片上看，該中壓汽水分離器筒體與接管連接處溫度偏高。這是由于容器筒體與接管連接處隔熱層存在縫隙所導致的熱損失，該情況是可接受的。

圖4

圖4 是用菲力爾紅外熱成像設備T620 拍攝的某石化企業(yè)壓力管道彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在15.4～92.1℃。從該圖組中彩色照片上看，該壓力管道外部宏觀無明顯異常；從紅外熱成像照片上看，該壓力管道照片所示彎頭背彎處局部溫度有異常變化。經(jīng)驗證，背彎局部溫度有異常變化處隔熱層破損。

圖5

圖5 是用福祿克紅外熱成像設備Tix640 拍攝的某石化企業(yè)壓力管道彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在43.4 ～143.9℃。從該圖組中彩色照片上看，左側(cè)3 條壓力管道照片所示彎頭處外部隔熱層疑似破損；從紅外熱成像照片上看，左側(cè)3 條壓力管道照片所示彎頭處隔熱層絕熱效果良好。

圖6

圖6 是用福祿克紅外熱成像設備Tix640 拍攝的某石化企業(yè)壓力管道彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在37.1～221.3℃。從該圖組中彩色照片上看，該壓力管道外部宏觀無明顯異常；從紅外熱成像照片上看，照片所示彎頭處溫度有變化，是由于該處外表面有兩種涂層且覆蓋不均勻。經(jīng)驗證該壓力管道無襯里，壁厚未出現(xiàn)異常局部減薄或其他缺陷。

4 注意事項

由于紅外線在地表傳送時，會受到大氣組成物質(zhì)(特別是H2O、CO2、CH4、N2O、O3等)影響和固體微粒的吸收、散射，所以在使用紅外熱成像設備檢測前，應輸入相關(guān)參數(shù)（如環(huán)境風速、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、檢測距離、被檢測物體表紅外線發(fā)射率等），還要考慮太陽光的照射、塵埃的散射和附近輻射體的干擾的，從而提高檢測準確性。紅外熱成像設備檢測時，應避免其他輻射干擾。由于紅外熱成像設備屬于光學電子設備，避免在爆炸性氣體、蒸汽周圍或潮濕環(huán)境中使用。

5 結(jié)語

紅外熱成像檢測技術(shù)應用于壓力容器和壓力管道檢測，為非常溫壓力容器和壓力管道在線檢測增加檢測手段，可直觀發(fā)現(xiàn)非常溫壓力容器和壓力管道在使用過程中的表面溫度分布情況，可快速檢查出非常溫壓力容器和壓力管道是否存在異常局部減薄、外部隔熱層或耐火襯里質(zhì)量及狀態(tài)；可對受熱設備散熱損失評估；可對保溫效果及損壞程度和耐火，隔熱層質(zhì)量評定；可對設備襯里損傷部位、程度、形狀、面積進行診斷；可對設備內(nèi)料位和液位進行測定；可對工業(yè)爐管進行溫度測定等?？蓽p少企業(yè)能耗，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供保障。