紅外熱成像檢測技術在電站鍋爐檢驗領域的應用

胡越峰 郭志強

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450004）

紅外熱成像檢測技術在電站鍋爐檢驗領域的應用

胡越峰 郭志強

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450004）

本文主要論述紅外熱成像技術在鍋爐外部檢驗時的主要影響因素，提出了紅外熱成像技術的檢驗方法和判斷依據，探討了該項技術在電站鍋爐檢驗領域的應用，為保障鍋爐安全運行提供新技術。

電站鍋爐外部檢驗；紅外熱成像技術

電站鍋爐受熱面管由于長期在受火或高溫高壓參數下運行，受到煤粉的沖刷，高壓及超高壓介質的作用、高溫煙氣的灼燒、水（水蒸氣）的腐蝕、連續運行等因素的影響，各部位受熱面管安全狀況差。當電站鍋爐運行一定時間以后，由于受熱面的積灰、積垢和部件的磨損、腐蝕、老化等影響，必然會出現不同程度的損壞。因此，及時檢驗，發現和排除設備存在的缺陷，消除潛在事故因素是十分必要的。電站鍋爐因故障停用的損失和影響是可觀的，一旦發生事故后果不堪設想，所以必須貫徹以預防為主的計劃檢驗方針，來確保鍋爐機組的安全經濟進行。在傳統的電站鍋爐內部檢驗和外部檢驗中，常用的建議方法是宏觀檢查和無損檢測，近年來，在部分內部檢驗和外部檢驗中，逐漸開展了紅外熱成像技術對鍋爐受熱面堵管、鍋爐運行狀態、爐墻保溫、閥門內漏等方面的檢驗。

1 電站鍋爐定期檢驗的法規要求

電站鍋爐定期檢驗的法規要求電站鍋爐是一種直接受火焰加熱的高溫高壓的特種設備，電站鍋爐由于服役溫度高、工況惡劣，易發生由于蠕變、疲勞、腐蝕、磨損等多種損傷因素的聯合作用而過早進入壽命晚期。因此，我國將電站鍋爐納入了特種設備的統一管理，建立了以《特種設備安全法》、《特種設備安全監察條例》、《鍋爐安全技術監察規程》、《電站鍋爐壓力容器檢驗規程（2004）》以及國家質量技術監督局鍋爐壓力容器監察局頒發的1999年版《鍋爐定期檢驗規則》等[1-3]一系列的法律、法規、技術規范組成的法規、標準體系。為了確保電站鍋爐的安全運行，《鍋爐安全技術監察規程》在9.4.2定期檢驗周期中，明確規定如下：一是外部檢驗，每年進行一次。二是內部檢驗，電站鍋爐結合鍋爐檢修同期進行，一般每3年～6年進行一次，外部檢驗每年進行一次。

2 電站鍋爐定期檢驗的技術要求

2.1 電站鍋爐內部檢驗的技術內容。電站鍋爐的內部檢驗是電站鍋爐停止運行狀態下的檢驗，在內部檢驗中，常用的檢測方法主要是在宏觀檢查的基礎上，進行電站鍋爐各主要部件的無損檢測、超聲波測厚、金相檢驗、光譜檢測、割管檢驗等專項檢測。《鍋爐安全技術監察規程》明確了內部檢驗的主要內容包括抽查受壓元件及內部裝置，抽查燃燒室、燃燒設備、吹灰器、煙道等附屬設備，抽查主要承載、支吊、固定件，抽查膨脹、密封、絕熱等情況。由于處于停爐狀態，內部檢驗只能對停止運行的鍋爐進行當前狀態的檢驗，對于運行過程中才出現的問題，則無法檢出。

2.2 電站鍋爐外部檢驗的技術內容。電站鍋爐的外部檢驗是電站鍋爐運行狀態下的檢驗，是對電站鍋爐運行管理、本體及附屬設備運轉情況、安全附件及聯鎖與保護投運情況、水質處理情況、鍋爐操作空間安全狀況、事故應急專項預案的檢驗。外部檢驗要求每年進行一次，與內部檢驗同一年度時，安排在內部檢驗結束、鍋爐投運之后進行。由于兩次內部檢驗的時間間隔一般為3～6年，電站鍋爐在兩次內部檢驗期間，設備是處于動態使用過程當中，前次內檢所發現的缺陷或未消除的事故隱患有可能進一步生長或發展，同時，長時間的運行期間，也可能產生新的缺陷，這一系列問題如果累積發展到危及設備的安全運行的階段，電站鍋爐設備就隨時有發生嚴重事故的可能。在兩次內檢中進行每年一次的外部檢驗能夠及時將上述問題發現并通過技術手段將事故避免則。此外，涉及安全附件運轉情況、安全聯鎖的投運情況、各種接口、閥門、管道是否泄漏、是否存在異常振動、保溫爐墻的保溫狀況等等問題也都必須在鍋爐穩定運行期間才能夠確認問題是否存在。因此，一年一次的外部檢驗非常重要，做好內部檢驗，使用單位能夠及時發現缺陷隱患、規避運行風險、進行設備狀態監控。對電站鍋爐的安全運行來講，外部檢驗是一種不可缺少的必要手段。外部檢驗過程中，對于不能保證鍋爐設備安全運行的嚴重問題，一般需要立即停爐檢修，待消除缺陷后鍋爐才能正常投運，對于不影響鍋爐設備安全運行的一般問題，一般是在計劃內的下一次檢修中進行處理。

2.3 應用紅外熱成像技術進行檢驗的主要影響因素。在電站鍋爐外部檢驗中應用紅外熱成像技術是否可行，關鍵在于現場紅外熱成像檢測的數據是否真實、可靠。電站鍋爐的檢驗現場條件比較復雜，發熱源、發生物體材質不同，影響因素較多，如果在應用熱成像儀之前沒有對現場條件進行認真辨識，未充分考慮相關影響因素，那么檢測數據結果就不能如實反映設備缺陷情況，影響最后的檢驗結論[4，5]。對紅外熱成像檢測存在影響的因素較多，諸如太陽光輻射、氣象條件、臨近設備熱輻射、大氣衰減等，但是，在電站鍋爐外部檢驗中，除了紅外熱成像儀本身的儀器精度外，真正對檢測數據結果造成影響的因素主要是還是鍋爐受檢部位本身發射率、臨近設備熱輻射這兩種。

首先，需要重點考慮鍋爐受檢部位本身發射率的影響。發射率是一個物體相對于黑體輻射能力大小的物理量，發射率的大小和該物體的幾何外形、外表面粗糙度、平整度以及進行紅外熱像測試的方向有關。對于外表面平整、光潔度高的物體，測試方向的影響更大。材質不同的物體擁有不同的發射率，進行測試時，對于發射率高的物體，紅外熱成像儀能夠接收到更多的輻射能量，反之，對于發射率低的物體，紅外熱成像儀接受到較少的輻射能量。其一，發射率的設定。根據基爾霍夫定理：物體表面的半球單色發射率ε等于它的半球單色吸收率α，ε=α。在熱平衡條件下，物體發射功率等于它的吸收功率，即吸收率α、反射率ρ、透射率γ總和為1，對于不透明的（或具有一定厚度）的物體，電站鍋爐本體保溫、閥門的閥體都屬于此類物體，它們的透射率可視γ=0，只有發射和反射（α+ρ=1）。當物體的發射率越高，反射率就越小，背景和反射的影響就會越小，測試的準確性也就越高；反之，背景溫度越高或反射率越高，對測試的影響就越大。由此可以看出，在實際的檢測過程中必須注意不同物體和熱成像儀相對應的發射率，對發射率的設定要盡量準確，以減小所測溫度的誤差。在電站鍋爐爐墻保溫上普遍采用的保溫鐵皮以及閥門閥體材料的發射率，在檢驗中，一般參照鋼材的發射率進行選取。由于保溫鐵皮和閥體材料表面狀態均是氧化或嚴重氧化狀態，故正常檢驗時，我們選取發射率為0.95左右。其二，檢測時的角度控制。進行輻射率測試時，紅外熱成像儀拍攝方向與受檢部位的夾角越大，所帶來的檢測誤差就越大，在現場檢驗，這一點很容易被忽視。從現場的工作實際出發，夾角應盡量控制在30度之內，最多不超過45度，如果無法在45度以下進行檢測，檢驗人員可以通過調低輻射率進行檢測校正。在進行熱像圖分析時，只有在檢測夾角接近或相同時，分析結果才有意義。

圖1 發射率原理

其次，需要充分考慮臨近設備熱輻射的影響。受檢部位面積和紅外熱像儀的攝像范圍大小直接影響熱像儀檢測時的精度。現場進行紅外熱像測試時，主要針對受檢設備外表面被選定范圍。測試時紅外熱成像儀攝像范圍同受檢部位會出現下列情況：一是當受檢部位面積大于紅外熱成像儀攝像視場時，測試時不受其他設備熱輻射的影響，生成的熱像圖只反映受檢部位的熱輻射分布，這時的檢測效果最好。二是當受檢部位面積等于紅外成像儀攝像視場時，測試時會受到其他設備熱輻射的影響，生成的熱像圖反映了受檢部位和少量外加熱輻射的疊加分布情況，這時檢測效果一般。三是當受檢部位小于紅外熱成像儀攝圖像視場時，測試時會受到其他設備熱輻射的影響，其他臨近設備熱輻射能夠較大影響溫度測量，直接造成讀數誤差。此時熱像圖上顯示溫度與受檢部位的實際溫度產生偏差。因此，建議在現場進行電站鍋爐外部檢驗時，盡量使紅外熱成像儀的攝像視場同受檢部位面積接近，同時盡量把受檢部位和部件的外圍設備排除在攝像視場之外。

3 紅外熱成像技術的檢驗方法和判斷依據

3.1 表面溫度判斷法[6]。表面溫度判斷法對于保溫不良缺陷、閥門內漏缺陷的檢驗均適用。對于鍋爐本體和管道部位的保溫不良缺陷《火力發電廠熱力設備耐火及保溫檢修導則》明確了保溫外表面的允許溫度值：當環境溫度低于27℃時，設備與管道保溫結構外表面溫度不應超過50℃；當環境溫度高于27℃時，保溫結構外表面溫度允許比環境溫度高25℃。

3.2 圖像特征判斷法。圖像特征判斷法僅適用于閥門內漏缺陷的檢驗，當閥門本體兩側的引入和引出管從熱像圖上均有高熱反映，且兩側溫差不大，那么說明內漏缺陷較嚴重，如兩側溫差較大，那么說明內漏缺陷較輕微，如出口側基本沒有高熱反映，那么說明受檢閥門無內漏缺陷。

3.3 相對溫差判斷法。相對溫差判斷法主要針對法蘭接口微量泄漏、密封不嚴泄漏檢查，當熱像圖上顯示受檢部位存在超溫，說明受檢部位存在泄漏。檢驗員在整個超溫區域的熱像圖上尋找到超溫區域中存在的最高溫度點，那么相應部位即存在的泄漏點。

[1]國家質檢總局，國家標準化管理委員會.DL/T936-2005火力發電廠熱力設備耐火及保溫檢修導則[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]國家質量技術監督局.鍋爐定期檢驗規則[S]，1999.

TK226.1

A

1671-0037（2014）09-100-2

胡越峰（1974.3-），男，助理工程師，大專，研究方向：熱能動力。