紅外成像技術(shù)在真空爐故障檢測(cè)中的應(yīng)用

閆殳裔， 李光耀， 王曉禹

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院， 北京 100095）

引言

真空爐是一種工藝處理設(shè)備，廣泛應(yīng)用于粉末冶金、金屬材料熱處理，能夠提高工件質(zhì)量[1-2]。真空爐爐內(nèi)加熱系統(tǒng)可直接用電阻爐絲（如鎢絲）通電加熱，在工作過(guò)程中出現(xiàn)故障需要及時(shí)排查，以減少損失[3]。真空爐殼用碳鋼或不銹鋼焊成，為防止?fàn)t殼受熱后變形和密封材料受熱變質(zhì)，爐殼一般用水冷或氣冷降溫。在真空爐工作過(guò)程中電氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障，如果不能及時(shí)檢測(cè)故障，將會(huì)影響真空爐的正常工作。

為此，本文根據(jù)真空爐故障特點(diǎn)和紅外線技術(shù)原理，對(duì)真空爐故障進(jìn)行檢測(cè)。

1 紅外成像技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 紅外成像儀的原理

紅外線是一種特殊電磁波，波長(zhǎng)在0.78～1 000 μm 之間。自然界的物體均能發(fā)射紅外線電磁波，物體發(fā)射電磁波的強(qiáng)弱與物體自身的溫度有關(guān)，物體的溫度越高，發(fā)射紅外輻射的能力就越大。紅外成像技術(shù)通過(guò)探測(cè)器捕捉物體發(fā)射的紅外線，從而獲取溫度信息[4]。根據(jù)這一原理，過(guò)對(duì)物體紅外線電磁波的進(jìn)行探測(cè)，并經(jīng)過(guò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，得到溫度圖像，從而實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)，紅外成像測(cè)溫原理如圖1 所示。

圖1 紅外成像原理

1.2 紅外成像檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

紅外線成像技術(shù)檢測(cè)比傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)定位更精確，穿透力更強(qiáng)[5]。真空爐工作時(shí)，使用紅外熱成像儀進(jìn)行故障檢測(cè)，不需要停機(jī)或改變真空爐工作參數(shù)。紅外成像檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)如下：

1.2.1 非接觸式檢測(cè)保障安全

利用紅外熱成像儀能夠?qū)Σ灰私佑|的物體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)，具有一定的安全性，避免人為檢測(cè)故障時(shí)出現(xiàn)受傷等突發(fā)情況。

1.2.2 直觀性

紅外成像技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果以形象、直觀的二維熱圖像形式呈現(xiàn)，便于維修人員直觀地發(fā)現(xiàn)故障原因，有利于故障處理。

1.2.3 精確度高

紅外熱像儀溫度分辨率高，一般達(dá)到±2℃或±2%，能夠?qū)υO(shè)備故障嚴(yán)重程度作出判斷，實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)。紅外線成像檢測(cè)結(jié)果便于觀察，能夠根據(jù)檢測(cè)結(jié)果修改檢測(cè)方案，從而使其精準(zhǔn)度得到進(jìn)一步的提高。

1.2.4 測(cè)溫范圍寬

紅外熱成像技術(shù)能夠檢測(cè)零度以下，千度以上的溫度。測(cè)溫范圍廣，能夠滿足不同場(chǎng)合、不同溫度下設(shè)備的使用。

1.2.5 響應(yīng)速度快

紅外線成像檢測(cè)具有非常高的檢測(cè)速度，由于紅外輻射的傳播速度等于光速，探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間即接近檢測(cè)時(shí)間。探測(cè)器在幾分鐘甚至幾秒內(nèi)可實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

1.2.6 適用場(chǎng)景廣泛

紅外檢測(cè)對(duì)光線的敏感度低，白天或者黑夜都能進(jìn)行檢測(cè)，使用的場(chǎng)景十分廣泛。不管是液體、固體的溫度，都可以采用紅外成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

2 紅外成像故障檢測(cè)的應(yīng)用

憑借紅外成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，紅外成像檢測(cè)技術(shù)能夠用于各種設(shè)備的檢測(cè)。對(duì)于真空爐常見(jiàn)的設(shè)備可以進(jìn)行非接觸無(wú)損式檢測(cè)，對(duì)真空爐發(fā)熱問(wèn)題的定期檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)真空爐關(guān)鍵系統(tǒng)異常問(wèn)題。通過(guò)檢測(cè)，能夠進(jìn)行有針對(duì)性的分析，確保真空爐設(shè)備的安全生產(chǎn)和運(yùn)行。減少因設(shè)備故障而導(dǎo)致非計(jì)劃性停機(jī)，保證正常生產(chǎn)進(jìn)行，降低設(shè)備維護(hù)和維修成本。

真空爐作為工業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的大型設(shè)備，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，造成突發(fā)性維修，導(dǎo)致停機(jī)費(fèi)用的產(chǎn)生，不利于生產(chǎn)過(guò)程控制和產(chǎn)品質(zhì)量管理。真空爐主要部件包括真空泵、爐膛、真空壓力計(jì)、電氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)，真空爐主要組成如圖2 所示。

圖2 真空爐主要組成

真空爐設(shè)備在出現(xiàn)損壞或功能性故障以前通常以發(fā)熱為早期征兆，通過(guò)紅外成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備故障判斷、預(yù)知性維修時(shí)，能夠降低設(shè)備發(fā)熱情況，避免設(shè)備故障的出現(xiàn)。根據(jù)真空爐故障檢測(cè)和維修的經(jīng)驗(yàn)，電氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)是出現(xiàn)故障較多的部分，為此，對(duì)電氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)進(jìn)行紅外成像技術(shù)檢測(cè)，提高真空爐故障的檢測(cè)水平，降低故障發(fā)生率。

2.1 電氣系統(tǒng)的檢測(cè)

真空爐電氣系統(tǒng)常見(jiàn)的紅外熱像診斷故障包括：連接件電阻高、內(nèi)部保險(xiǎn)絲損壞、連接件被腐蝕、連接不良及內(nèi)部缺陷等，任何一種故障的出現(xiàn)都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。真空爐電氣系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期伴隨有害氣體，溫度變化等不利因素，需要進(jìn)行經(jīng)常檢測(cè)，以降低故障的發(fā)生，提高真空爐設(shè)備的利用率。利用紅外圖像快速定位故障出現(xiàn)的部位，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確診斷和及時(shí)維修，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，避免因電氣系統(tǒng)過(guò)熱導(dǎo)致連接件熔斷，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生真空爐火災(zāi)。

2.2 水冷系統(tǒng)的檢測(cè)

熱像圖可顯示真空爐水冷系統(tǒng)溫度分布情況，評(píng)估設(shè)備整體水冷卻效果，從而快速定位缺陷部位。設(shè)備水冷系統(tǒng)各管路溫度代表著設(shè)備的冷卻情況，一旦溫度異常不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)帶來(lái)不必要的麻煩。水冷系統(tǒng)的異常往往導(dǎo)致真空爐冷卻性能異常，需要及時(shí)排查和檢修。

3 真空爐故障檢測(cè)實(shí)例

根據(jù)紅外成像檢測(cè)原理和真空爐常見(jiàn)的故障，于2021 年8 月對(duì)研究院某型號(hào)真空爐電氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)的檢測(cè)問(wèn)題和檢測(cè)故障分別為接線端子松動(dòng)和水冷系統(tǒng)溫度異常。

3.1 接線端子松動(dòng)導(dǎo)致溫度異常

在電路系統(tǒng)中，接線端子發(fā)熱功率與接觸電阻和通過(guò)該端子的電流的平方成正比。真空爐正常工作時(shí)，這些連接處的電阻處于一個(gè)合理的溫度范圍，一般不會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行。但是當(dāng)真空爐長(zhǎng)期工作，接線端受到外力損傷或由于腐蝕氧化，導(dǎo)致電阻異常，從而出現(xiàn)熱功率增大，溫升異常增加，就會(huì)使得接線端子產(chǎn)生缺陷。從紅外檢測(cè)的實(shí)際案例中，明顯看到溫度異常，根據(jù)異常狀況進(jìn)行細(xì)節(jié)排查和檢修，發(fā)現(xiàn)接線端子出現(xiàn)松動(dòng)。

3.2 水冷系統(tǒng)溫度異常

在日常巡檢中，發(fā)現(xiàn)羅茨泵端蓋溫度異常，經(jīng)紅外成像技術(shù)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)水冷系統(tǒng)回水溫度異常。檢測(cè)成像的結(jié)果顯示，真空爐爐蓋、爐體溫度過(guò)高。經(jīng)過(guò)快速定位其中水溫異常，發(fā)現(xiàn)水冷系統(tǒng)存在故障，及時(shí)安排檢修。拆解羅茨泵，發(fā)現(xiàn)兩齒輪磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致羅茨泵端蓋溫度升高，導(dǎo)致冷卻水溫度升高，水冷系統(tǒng)異常。經(jīng)過(guò)檢測(cè)表明紅外成像技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)水溫異常，從而進(jìn)行故障維修。

4 結(jié)語(yǔ)

真空爐是一種專業(yè)的設(shè)備，在工作過(guò)程中出現(xiàn)故障將導(dǎo)致工作無(wú)法正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生安全問(wèn)題，為此，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)真空爐存在的故障，從而進(jìn)行維修，保證真空爐正常工作。針對(duì)真空爐工作過(guò)程中容易出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，根據(jù)紅外成像技術(shù)檢測(cè)原理，開(kāi)展紅外成像檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)真空爐電氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的研究。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測(cè)，證明紅外成像技術(shù)能夠用于真空爐的檢測(cè)。