紅外熱成像技術(shù)在承壓類特種設(shè)備運行檢驗中的應(yīng)用探討

張輝

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院泰州分院，江蘇 泰州 225500）

1 前言

承壓類特種設(shè)備主要有鍋爐、壓力容器、壓力管道等，它們可能存在高溫、高壓、有毒有害、易燃易爆等特點，安全運行責(zé)任重大，定期進(jìn)行檢驗檢測排除安全隱患是十分重要和必要的。目前，對承壓類特種設(shè)備的年度檢驗和因結(jié)構(gòu)原因無法進(jìn)行內(nèi)部檢驗的承壓類特種設(shè)備的檢驗，多以宏觀檢查、壁厚測量、功能測試及安全附件與儀表檢查為主，對設(shè)備內(nèi)部的工作狀態(tài)缺乏有效的監(jiān)控，不能及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部缺陷，并及時采取相應(yīng)措施排除安全隱患來確保設(shè)備的安全運行，存在一定的風(fēng)險。紅外熱成像技術(shù)具有非接觸和無損的特點，不僅可以降低檢驗人員在檢驗過程中自身的安全風(fēng)險，還可以對設(shè)備內(nèi)部的工作狀態(tài)實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的安全隱患，不僅能夠提升承壓類特種設(shè)備運行檢驗的有效性與準(zhǔn)確性，也大幅提升了承壓類特種設(shè)備運行檢驗的效率與安全程度。這意味著紅外熱成像技術(shù)在承壓類特種設(shè)備運行檢驗中有著較大的應(yīng)用空間。

2 關(guān)于紅外熱成像技術(shù)

2.1 紅外熱成像技術(shù)的原理

從熱力學(xué)的研究內(nèi)容中可得知，理論上物體表面都會發(fā)射紅外輻射能，紅外熱成像技術(shù)就是基于這一現(xiàn)象開發(fā)出的。紅外熱成像技術(shù)的原理在于探測物體的輻射能量與發(fā)射率，以此計算出物體的溫度并生成直觀圖像。紅外熱成像技術(shù)多需要借助熱像儀及紅外探測器，紅外探測器是為了接收物體表面的輻射能，熱像儀則借助內(nèi)部的分析軟件對接受到的輻射能進(jìn)行存儲分析，將分析結(jié)果生成專業(yè)報告，也能夠?qū)D像上的熱像圖及其他相關(guān)參數(shù)下載到電腦中進(jìn)行操作分析。當(dāng)前的紅外熱成像技術(shù)結(jié)合了計算機、探測傳感技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等各類型技術(shù)，能夠?qū)⒓t外輻射圖像轉(zhuǎn)換為具有較強直觀性的可見圖像，因此在功能上具備非接觸、實時、全場及形象直觀等特點，十分適用于應(yīng)用到承壓特種設(shè)備的運行檢驗檢測、維護(hù)及前期管理工作中。

2.2 紅外熱成像技術(shù)的檢測優(yōu)勢

現(xiàn)行紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用需要借助包括紅外探測器、熱圖像分析軟件（熱像儀）實現(xiàn)，在對物體表面的輻射熱量進(jìn)行充分分析后即可生成專業(yè)檢測報告。對承壓類特種設(shè)備而言，其使用管理工作的主要目的就是采取有效、合理的檢驗檢測手段發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時采取相應(yīng)整改和監(jiān)控措施來排除安全隱患，確保設(shè)備的安全運行。在紅外熱成像技術(shù)的幫助下，檢驗人員可以在設(shè)備不停機的情況下進(jìn)行非接觸式檢測，降低自身檢驗安全風(fēng)險，同時能夠獲得設(shè)備運行的高精度、高度專業(yè)化的檢測數(shù)據(jù)，借助這些數(shù)據(jù)可以判斷出缺陷的位置、類型及風(fēng)險危害程度，并采取最合適、最有效的整改措施與監(jiān)控使用方案來排除安全隱患，這對最大限度提升設(shè)備的使用性能、實現(xiàn)設(shè)備的最佳使用效率以及保障設(shè)備的安全生產(chǎn)很有幫助，進(jìn)而有效控制設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)事故的概率，并實現(xiàn)設(shè)備維護(hù)運行成本的有效控制。有些承壓類特種設(shè)備由于各種特殊原因不能按時定期檢驗，使用單位在完成備案及批準(zhǔn)手續(xù)后可以延期檢驗，但需采取相應(yīng)的監(jiān)控措施來保證設(shè)備的安全運行，設(shè)備的運行溫度往往能夠直接反映設(shè)備的運行狀態(tài)，而紅外熱成像技術(shù)本身無接觸檢測的特點不會影響設(shè)備的正常運行，同時也會實時監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部運行狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)運行異常點，是有效的監(jiān)控措施之一。由此可見，紅外熱成像技術(shù)能夠在承壓類特種設(shè)備運行檢驗工作中發(fā)揮獨有的價值并有廣闊的應(yīng)用空間。

3 紅外熱成像技術(shù)在承壓類特種設(shè)備運行檢驗中的具體應(yīng)用

3.1 壓力容器與壓力管道內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)測及性能評估

化工設(shè)備多以壓力管道與壓力容器的形式為主，為了防止化學(xué)品腐蝕壓力容器與壓力管道，通常會在壓力容器與壓力管道的內(nèi)壁裝置一層或是數(shù)層內(nèi)襯進(jìn)行保護(hù)，同時還能起到為壓力容器與管道隔熱的作用。如果設(shè)備在運行過程中因為長期沖刷及各種異常工況導(dǎo)致內(nèi)襯損壞，不僅會出現(xiàn)損壞位置金屬溫度升高的局面，溫度的提升也會影響內(nèi)部材料的力學(xué)性能，還會出現(xiàn)腐蝕減薄、泄漏、裂紋等現(xiàn)象，最終對材料性能整個甚至整套化工設(shè)備的安全運行造成影響。早先化工廠多根據(jù)大修周期，采用定期停工進(jìn)行全面檢驗，針對損壞狀態(tài)再制定相應(yīng)維修方案，但這種維護(hù)策略缺乏即時性，在出現(xiàn)短期內(nèi)難以解決的安全隱患的情況下往往使得工作人員處于被動，對化工廠的正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響，還有可能導(dǎo)致整個化工廠面臨經(jīng)濟損失。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外熱成像技術(shù)開始被應(yīng)用到壓力容器與壓力管道內(nèi)部工作狀態(tài)的監(jiān)測及設(shè)備性能評估工作中，利用紅外熱成像技術(shù)無接觸、高精度、實時的技術(shù)優(yōu)點，工作人員能夠隨時觀測壓力容器及管道的溫度變化異常部位，進(jìn)而定性、定量評估設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)與性能，及時采取相應(yīng)的維護(hù)檢修工作，排除安全隱患或者最大程度阻止安全隱患擴大發(fā)展，保障設(shè)備的安全運行，在最大程度上幫助化工廠避免潛在的經(jīng)濟損失。

如果是對化工設(shè)備中的反應(yīng)容器進(jìn)行檢測，則可采取結(jié)合反應(yīng)器熱圖像及容器結(jié)構(gòu)特征的方法，對容器中產(chǎn)生的熱故障的類型、成因進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)建立不同熱圖像之間的關(guān)系。某些承壓類特種設(shè)備內(nèi)部會配置冷壁與內(nèi)襯，其熱故障多以不銹鋼內(nèi)襯出現(xiàn)裂紋、隔熱層出現(xiàn)微裂紋和沖孔、穿透裂紋為主。在這種情況下，對內(nèi)襯損壞程度的計評估就成了了解襯里損壞程度、確定維修工作數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。此時，就可應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)對內(nèi)襯損壞的狀態(tài)進(jìn)行定性，在此基礎(chǔ)上還能結(jié)合傳熱理論、相關(guān)技術(shù)條件及設(shè)備結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，對熱過程下內(nèi)襯的殘余厚度進(jìn)行精準(zhǔn)計算，為設(shè)備的維護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.2 外保溫層及其他同類內(nèi)容的檢測

紅外熱成像技術(shù)同樣可應(yīng)用在具有絕熱能力的壓力管道與壓力容器中。部分設(shè)備可能會因為外壁保溫層老化受損或設(shè)備出現(xiàn)泄漏導(dǎo)致外壁溫度升高的情況，這種情況會加劇熱損失。為及時發(fā)現(xiàn)這種問題，就可應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)對損壞位置及損傷程度進(jìn)行實時監(jiān)測。另一方面，紅外熱成像技術(shù)還能用于顯示工業(yè)鍋爐和壓力容器中的液位，由于工業(yè)鍋爐和壓力容器在使用過程中會在內(nèi)部出現(xiàn)液、氣混合的情況。在這種情況下，就可應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)掃描設(shè)備內(nèi)部，確定設(shè)備內(nèi)部液體水平，對液體水平的精準(zhǔn)定位，以使生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行得到可靠保障。

3.3 輻射應(yīng)力分析

承壓類特種設(shè)備在經(jīng)歷加工、使用過程時會產(chǎn)生應(yīng)力變化，而應(yīng)力變化也會導(dǎo)致溫度變化的出現(xiàn)，此時如果應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行檢測，會發(fā)現(xiàn)生成圖像的內(nèi)容同樣會產(chǎn)生變化，這種變化就能夠有效反映物體的應(yīng)力變化狀態(tài)。這意味著通過紅外熱成像技術(shù)反饋得來的信息，檢驗人員能夠深入了解材料在應(yīng)力變化過程中產(chǎn)生的缺陷，并對材料應(yīng)力變化狀態(tài)進(jìn)行分析。一般情況下，如果材料處于危險狀態(tài)，其應(yīng)力會在材料最終屈服之前集中在裂紋周圍，因此材料裂紋周圍的溫度會表現(xiàn)出明顯的特征。當(dāng)材料發(fā)生屈服后，裂紋附近原本集中的應(yīng)力會跟隨塑性變形的變化逐漸釋放，表現(xiàn)出的溫度圖像也會發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為與塑性變形相關(guān)的紅外線輻射迅速增加，因此可通過圖形紅外輻射的變化規(guī)律查探到裂紋出現(xiàn)的位置、規(guī)律及狀態(tài)，對承壓類特種設(shè)備的檢驗檢測提供一定的技術(shù)支撐，但這一技術(shù)當(dāng)前還處于實驗室階段，在實際應(yīng)用上還面臨著眾多因素的制約，因此這也是紅外熱成像技術(shù)急需解決的技術(shù)問題之一。

4 結(jié)語

相比其他無損檢測技術(shù)，紅外熱成像技術(shù)在承壓類特種設(shè)備運行檢驗中的應(yīng)用具有非接觸、實時監(jiān)測及更高精度的優(yōu)勢。不僅為承壓類特種設(shè)備檢驗檢測增加了檢驗手段，還助推了承壓類特種設(shè)備檢驗檢測技術(shù)的發(fā)展。但就其實際應(yīng)用狀態(tài)來看，環(huán)境中存在的其他熱源同樣會對紅外圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時包括大氣傳輸、目標(biāo)輻射率在內(nèi)的其他干擾因素也會影響紅外測溫的精度。另一方面，紅外熱成像技術(shù)的溫度分辨率及空間分辨率還需要進(jìn)一步提高，以滿足不斷提升的檢驗檢測作業(yè)需求。隨著科技不斷進(jìn)步，這些問題將隨著信息與數(shù)字技術(shù)、探測傳感技術(shù)的發(fā)展得到有效解決。