紅外熱成像技術(shù)在真空絕熱容器定檢中的應(yīng)用

戚 振* 程和新

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 引言

真空絕熱壓力容器是化工行業(yè)中常見的低溫儲(chǔ)存容器，主要用于液氮、液體CO2、液氧、液化天然氣等介質(zhì)存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程。與一般的壓力容器相比，真空絕熱容器主體由內(nèi)膽容器和夾套部分組成，真空絕熱空間內(nèi)填充了真空粉末、多層絕熱材料等介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)低溫容器的保冷效果。真空絕熱容器的內(nèi)部構(gòu)造比較復(fù)雜，在運(yùn)行過程中無法通過人孔或檢查孔對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)，僅僅通過外觀宏觀檢驗(yàn)無法準(zhǔn)確判定夾層、閥門、管路等部件的密封性安全有效。本文結(jié)合紅外熱成像技術(shù)，對(duì)真空絕熱容器定檢過程中存在的隱患進(jìn)行了勘測(cè)，有助于提高實(shí)際工程應(yīng)用中檢驗(yàn)的全面性和有效性。

1 真空絕熱壓力容器簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

真空絕熱壓力容器是由儲(chǔ)液內(nèi)容器和維持真空絕熱空間的外殼組成，并且包含完整的安全附件、儀表裝置以及滿足操作要求的系統(tǒng)，應(yīng)用于存儲(chǔ)冷凍液化氣體的壓力容器[1]。在存儲(chǔ)過程中的液化氣體臨界溫度一般不高于-50 ℃，常見液化氣體工作溫度如表1所示。

表1 常見液化氣體工作溫度

真空絕熱壓力容器絕熱方式主要包括高真空多層絕熱、真空粉末絕熱及真空復(fù)合絕熱。在定期檢驗(yàn)工作中較常見的為真空粉末絕熱壓力容器，該類設(shè)備具有夾套內(nèi)密閉空間，填充多孔微粒絕熱材料（如珠光砂）并抽真空形成絕熱。

1.2 檢驗(yàn)簡(jiǎn)介

目前定期檢驗(yàn)中的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目主要包括資料審查、宏觀檢驗(yàn)（結(jié)構(gòu)、外觀、幾何尺寸等）、壁厚測(cè)定、真空度測(cè)量（未加裝 真空測(cè)試裝置，必要時(shí)需對(duì)設(shè)備日蒸發(fā)率進(jìn)行測(cè)量）、無損檢測(cè)（磁粉/射線）、安全附件檢查（安全閥、爆破片等）。由于真空絕熱容器的構(gòu)造較復(fù)雜，容器內(nèi)部無法進(jìn)行常規(guī)檢驗(yàn)，并且常規(guī)的無損檢測(cè)只能局限在夾焊縫和接管角焊縫部位，檢測(cè)意義比較局限性。為了更加有效并且全面地對(duì)真空絕熱壓力容器進(jìn)行無損檢測(cè)，借助紅外熱像儀作為補(bǔ)充檢驗(yàn)手段是十分有必要的。

2 紅外熱成像原理

高于-273.15 ℃（絕對(duì)零度）的物體，都在向外輻射紅外線，這是一種波長(zhǎng)范圍為0.78～1 000μm的電磁波。紅外熱成像技術(shù)可以由點(diǎn)到面接收物體的電磁波輻射[2]，顯示整體結(jié)構(gòu)的溫度分布情況，并且該技術(shù)將物體的溫度分布轉(zhuǎn)換成直觀的圖像形式。目前市場(chǎng)上的熱成像系統(tǒng)，一般能接受7.5～14μm波長(zhǎng)的紅外線，溫度測(cè)量范圍為-40～1 200 ℃，測(cè)量精度為±1.5%。采集鏡頭能將設(shè)備場(chǎng)景重現(xiàn)到微測(cè)輻射熱計(jì)陣列，熱成像系統(tǒng)的鏡頭將熱輻射重現(xiàn)到探測(cè)器元件，探測(cè)器元件通過吸收熱輻射的方式對(duì)陣列溫度變化情況進(jìn)行分析，從而顯示出物體表面溫度的分布及變化，最終得出溫差分布和溫度梯度變化的情況。

另外，固體材質(zhì)存在熱彈性效應(yīng)[3]，當(dāng)材料或構(gòu)件本身受到拉伸載荷時(shí)，物體內(nèi)大諧振子的能量會(huì)降低，釋放能量使固體溫度降低；當(dāng)材料或構(gòu)件承受彈性壓縮載荷時(shí)，物體本身的能量會(huì)增大，導(dǎo)致物體溫度升高。由于壓力容器受到自身結(jié)構(gòu)、焊接條件、工作壓力等因素影響，材料內(nèi)部產(chǎn)生線彈性應(yīng)力變化，從而引起溫度變化。另外，當(dāng)設(shè)備內(nèi)存在缺陷（如裂紋、未焊透等）導(dǎo)致應(yīng)力集中時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生溫差變化。通過紅外熱成像技術(shù)顯示其溫差變化，從而更具針對(duì)性地對(duì)缺陷部位進(jìn)行檢驗(yàn)，排除安全隱患。

真空絕熱容器內(nèi)膽液化氣體溫度較低，在夾層內(nèi)部絕熱空間完好的情況下，設(shè)備整體溫度分布均勻，不會(huì)存在較大的溫差。但是當(dāng)設(shè)備內(nèi)部絕熱層、管路系統(tǒng)或閥門等出現(xiàn)泄漏或真空度降低等情況時(shí)，紅外成像設(shè)備會(huì)出現(xiàn)溫差顯示，從而發(fā)現(xiàn)隱患部位，為定期檢驗(yàn)工作提供參考。

3 紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用

在真空絕熱壓力容器的運(yùn)行過程中，液化氣體和周圍環(huán)境存在巨大的溫差，在貯存過程中存在冷量損失，夾層絕熱空間保溫效果對(duì)內(nèi)膽液化介質(zhì)汽化損失有重要影響[4]。當(dāng)保溫效果良好時(shí)，紅外熱成像顯示的溫度分布均勻，不會(huì)存在較大的溫度變化。根據(jù)紅外熱成像技術(shù)可以將真空絕熱壓力容器分成四個(gè)檢驗(yàn)部分：（1）對(duì)容器的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體檢測(cè)，查找溫差異常的部位；（2）對(duì)容器焊縫丁字口、接管角焊縫、封頭過渡段等應(yīng)力集中部位進(jìn)行局部檢測(cè)，觀察溫度波動(dòng)情況；（3）對(duì)容器底部接管法蘭、閥門等密封部位進(jìn)行檢測(cè)；（4）對(duì)容器管路系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，觀察溫差變化情況。通過以上步驟找出溫差異常的位置，估算該部位的面積，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙等資料分析產(chǎn)生溫差的具體部位及原因，結(jié)合定期檢驗(yàn)中的檢驗(yàn)方法，對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定性分析。

4 檢驗(yàn)過程中的問題

（1）采用珠光砂保溫的設(shè)備，常會(huì)由于施工質(zhì)量無法保證和維護(hù)工作不到位等原因，導(dǎo)致珠光砂裝填量不足、珠光砂粉化、干燥處理不完善等問題[5]。在使用過程中，由于設(shè)備真空度下降和珠光砂粉化及沉降，導(dǎo)致保溫效果降低的問題，可以通過紅外熱像儀進(jìn)行有效勘測(cè)，并且出現(xiàn)問題部位會(huì)呈現(xiàn)出顏色較深的現(xiàn)象。上述問題在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)在立式容器的頂部位置（封頭與筒體環(huán)焊縫以下部位）。

（2）真空絕熱設(shè)備底部管路較多，周期運(yùn)行存在溫差變化，可能導(dǎo)致管路保溫性能下降和氣體泄漏，紅外熱像儀可根據(jù)氣體泄漏時(shí)引起外界環(huán)境溫度變化情況來探測(cè)管路的密封性能。針對(duì)管路保溫層的破損情況和減薄現(xiàn)象，可通過熱像儀發(fā)現(xiàn)冷量釋放區(qū)域，從而采取措施，減少能量浪費(fèi)，保證工藝溫度。

（3）對(duì)真空絕熱容器罐體外部的閥門、閥芯、法蘭等連接處進(jìn)行外觀常規(guī)檢測(cè)時(shí)，很難發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)在密封面接觸部分的前期滲漏，通過熱像儀可以清晰觀測(cè)到細(xì)微的溫度變化，避免設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)對(duì)人員、環(huán)境造成傷害。

5 總結(jié)

采用紅外熱成像技術(shù)作為真空絕熱容器定期檢驗(yàn)工作的輔助檢測(cè)手段，可以更加全面和有效地對(duì)真空絕熱設(shè)備整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，彌補(bǔ)了常規(guī)無損檢測(cè)的不足，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中可以有效地發(fā)現(xiàn)泄漏、跑冷、缺陷等問題，確保設(shè)備安全運(yùn)行，避免設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)對(duì)人體、環(huán)境造成傷害。