紅外熱成像技術(shù)在特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用

曹亞旭

（安徽省特種設(shè)備檢測院，安徽合肥 230000）

0 引言

通常狀態(tài)下任何的物體，不論其溫度高低都會(huì)向周圍發(fā)射或吸收熱輻射。其熱輻射強(qiáng)弱與物體材質(zhì)、形狀、化學(xué)與物理特性有關(guān)，還與波長、溫度有關(guān)。紅外熱成像技術(shù)就通過這一事實(shí)依據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。借助儀器設(shè)備測量物體表面溫度場呈現(xiàn)顏色不同的輪廓區(qū)域，從而使人們直觀地看到物體表面的熱量分布情況。紅外熱成像技術(shù)可作為設(shè)備材料缺陷，結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致應(yīng)力集中等方面的檢測方法。該技術(shù)相較于四大常規(guī)檢測手段的優(yōu)點(diǎn)，使其適用范圍更廣。但由于檢測精度等問題，紅外熱成像技術(shù)并沒有形成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)作為檢驗(yàn)依據(jù)。當(dāng)前僅有一部儀器標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38238—2019《無損檢測儀器 紅外熱成像 系統(tǒng)與設(shè)備性能 描述》、一部術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12604.9—2008《無損檢測 術(shù)語紅外檢測》、一部應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8174—2008《設(shè)備及管道絕熱效果的測試與評(píng)價(jià)》中4.1.4 提及該技術(shù)。

1 紅外熱成像技術(shù)在承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用

1.1 大型儲(chǔ)罐的液位檢測

在工業(yè)生產(chǎn)中，使用大型儲(chǔ)存式容器對(duì)工業(yè)產(chǎn)品或原料進(jìn)行儲(chǔ)存，這些存儲(chǔ)的介質(zhì)往往具有一定的揮發(fā)性，如液化石油氣等。因此這類容器通常會(huì)加裝安全防護(hù)裝置——液位計(jì)以防止空罐或滿罐的情況發(fā)生。這類容器多處于室外環(huán)境，液位計(jì)難免會(huì)出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致空罐或者滿罐是生產(chǎn)工作突然中斷或造成儲(chǔ)罐介質(zhì)的溢出事故。根據(jù)儲(chǔ)罐內(nèi)液位線兩側(cè)液相空間與氣相空間存在的溫度差異，通過紅外熱成像儀可以從外部直接檢測出液位線的位置。這樣可以幫助工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)液位計(jì)是否發(fā)生故障，從而確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

1.2 高溫容器耐熱村里破損及容器、管道內(nèi)部腐蝕情況的檢測

在煤化工企業(yè)中，許多容器處在高溫高壓條件下運(yùn)行。例如，高溫汽化爐作為煤制氣裝置的關(guān)鍵設(shè)備，為保證反應(yīng)正常進(jìn)行同時(shí)避免容器殼體在高溫狀態(tài)下與介質(zhì)直接接觸，容器內(nèi)部會(huì)增加隔熱內(nèi)襯材料，但內(nèi)襯材料長期受到高溫、高壓、高流速介質(zhì)的沖刷容易發(fā)生磨損或破損：若內(nèi)襯局部發(fā)生破損脫落的情況，則內(nèi)部高溫介質(zhì)直接沖刷容器殼體，溫度升高；若內(nèi)襯因磨損熱阻值R 減小，容器殼體相應(yīng)位置溫度升高。以內(nèi)襯局部磨損情況建立相關(guān)傳熱模型（圖1）及外壁表面溫度分布圖（圖2），高溫汽化爐反應(yīng)室一般由耐熱耐磨層、隔熱層、金屬外壁3個(gè)部分組成[1]。其中，H1為耐熱耐磨層厚度，H2為隔熱層厚度，H3為容器殼體厚度，q為熱流密度，t內(nèi)為容器內(nèi)部溫度t外為容器外壁溫度，△t 為溫度差值。

通過紅外熱成像急速可以快速找出故障位置。對(duì)于襯里磨損的情況一般可以采用熱傳導(dǎo)基本定律（傅里葉定律）[1]進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。找出了故障位置，再根據(jù)計(jì)算評(píng)估的結(jié)果采取相應(yīng)的處理措施使設(shè)備可以安全運(yùn)行至計(jì)劃檢修時(shí)間，從而避免臨時(shí)停車檢查造成的損失。紅外熱成像技術(shù)同樣適用于容器、管道內(nèi)部局部腐蝕、腐蝕凹坑的檢測。

圖1 傳熱模型

圖2 金屬外壁溫度分布

1.3 低溫容器局部“跑冷”情況的檢測

按照絕熱方式，低溫容器分為高真空絕熱、真空粉末絕熱和多層纏繞絕熱3 種：高真空絕熱應(yīng)用較少；真空粉末絕熱一般采用膨脹珍珠巖作為絕熱材料；多層纏繞絕熱一般采用導(dǎo)熱系數(shù)小，放氣率低的纖維布、纖維紙作為絕熱材料。低溫容器運(yùn)行過程的絕熱性能一般由檢驗(yàn)人員利用真空計(jì)等儀器連接容器外部的真空規(guī)管測出的真空度數(shù)值判斷。由于結(jié)構(gòu)原因，大型立式真空粉末低溫容器上部夾層粉末絕熱材料易沉降，導(dǎo)致容器上部發(fā)生局部“跑冷”現(xiàn)象。通過紅外熱成像技術(shù)檢驗(yàn)，人員在地面就可以迅速檢測出容器上部的“跑冷”位置和大體面積，從而避免登高作業(yè)。對(duì)于無外接真空規(guī)管的低溫容器，如低溫泵池等，在日蒸發(fā)率測量的同時(shí)，通過紅外熱成像技術(shù)檢測是否存在嚴(yán)重“跑冷”現(xiàn)象。紅外熱成像技術(shù)在輔助檢驗(yàn)低溫容器方面有很大的作用。

1.4 管道保溫層破損情況的檢測

大型化工企業(yè)，廠內(nèi)管線具有種類繁多、錯(cuò)橫交錯(cuò)等特點(diǎn)。這些管線的外部保溫因長期暴露在室外環(huán)境，易發(fā)生破損、脫落的情況。當(dāng)管線某處保溫發(fā)生破損或脫落時(shí)，管線外壁溫度升高。巡檢員在地面上利用紅外熱成像儀器就可以快速發(fā)現(xiàn)保溫破損位置，從而避免管線的熱量損失。

1.5 設(shè)備焊縫應(yīng)力集中情況的檢測

設(shè)備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的3 個(gè)因素[2]——拉應(yīng)力、相對(duì)應(yīng)的腐蝕介質(zhì)和材料應(yīng)力腐蝕的敏感性，因此焊縫應(yīng)力集中的區(qū)域應(yīng)是檢驗(yàn)的重點(diǎn)部位。焊縫本身存在的一些缺陷，如氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、咬邊等，都有可能造成應(yīng)力集中的情況。設(shè)備在運(yùn)行的過程中，常規(guī)的檢測手段往往無法對(duì)100%或者大比例的焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)。依據(jù)金屬固體材料的熱彈性效應(yīng)[3]，即物體在彈性范圍內(nèi)發(fā)生形變時(shí)伴有溫度改變的效應(yīng)，通過對(duì)容器在允許工作壓力下逐步升壓的方式，利用紅外熱成像技術(shù)可以快速、非接觸式的發(fā)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)力集中嚴(yán)重部位，為檢驗(yàn)人員確定檢驗(yàn)重點(diǎn)部位提供參考。

2 結(jié)束語

在承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測中，紅外熱成像技術(shù)有它獨(dú)特的優(yōu)勢，但受其檢測精確度和可靠性的影響，當(dāng)前主要作為輔助檢驗(yàn)的一種手段。紅外熱成像技術(shù)應(yīng)具備對(duì)缺陷定性、定量能力的方向發(fā)展。對(duì)缺陷和故障反饋的紅外信號(hào)更精準(zhǔn)的數(shù)值化處理、標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范的形成、相應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立以及設(shè)備高度集成便攜，將會(huì)對(duì)紅外熱成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生影響。