基于紅外熱成像檢測技術的設備預知性維修

范昱

（中國空空導彈研究院，河南洛陽471099）

基于紅外熱成像檢測技術的設備預知性維修

范昱

（中國空空導彈研究院，河南洛陽471099）

基于紅外熱成像檢測技術構建設備預知性維修模式，借助熱成像儀開展以精密點檢為主要手段的預知性維修活動，實現故障的早期發現和狀態監測；根據缺陷程度提前展開檢修工作或制定維修策略和備件準備；從而降低設備故障損失，提高設備運行可靠性和綜合利用率。

紅外熱成像檢測；預知性維修；精密點檢

1 紅外熱成像檢測技術原理

自然界任何物體，只要溫度高于絕對零度（-273.15℃），就會以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內發射能量，產生電磁波（輻射能），紅外輻射與光波和無線電波一樣，是一種電磁波。紅外熱像檢測技術是使用紅外熱像儀來檢測和測量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系的科學，是一種非接觸、直觀、準確、高靈敏度、快速、安全、應用范圍廣的測定物體表面溫度場分布的方法。現代紅外熱像儀的工作原理是使用光電設備來檢測和測量輻射，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系。紅外熱像儀利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。紅外熱像儀通俗講就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。通過查看熱圖像，可以觀察到被測目標的整體溫度分布狀況，研究目標的發熱情況，從而進行下一步工作的判斷，其原理示意如圖1所示。

圖1 紅外熱成像技術原理示意圖

紅外探測器把入射的輻射轉換成電信號，經過電子線路放大處理后以熱電平UΔλ形式輸出，進而被處理成可見圖像在監視器上顯示出來。熱電平UΔλ值與被測目標的輻射溫度T值的關系式如公式（1）所示。

式中B，R，F——熱像儀系統的標定常數，僅與熱像儀的波段、濾光片、孔徑、紅外元件響應率及電路放大系統等因素有關，在儀器出廠時，一般由廠方設定；T——目標等效黑體輻射溫度，K。

2 基于紅外熱像檢測技術的預知性維修模式

為保持生產設備的連續運行，提高設備可靠性避免高費用停機是企業在工業生產中重點關注并急需解決的課題。為此需開展以先進的狀態監測手段，以可靠的評價手段和壽命預知手段來判斷設備的狀態，對故障的部位、嚴重程度、發展趨勢，作出判斷“可識別故障的早期征兆”并根據分析診斷結果；在設備性能下降到一定程度或故障將要發生之前進行預知維修。

預知性維修是一種以運轉狀況驅動的維護程序，它不依賴于工業或工廠內平均壽命統計數據（平均無故障時間）來計劃安排維護活動，而是對運轉狀況、效率、熱量分布和其他指標進行直接監視，以確定實際的平均無故障時間或將危害到工廠或設施內所有關鍵系統裝置運轉的效率損失。當今在各行各業中紅外熱成像檢測技術已無可爭議的成為現代預知性維修中最行之有效的診斷方式。設備預知性維修流程如圖2所示。

圖2 設備預知維修流程圖

基于紅外熱像檢測技術的設備預知性維修工作有2種基本方法。

（1）一般檢測（巡檢）。指按時進行巡檢，以發現問題點為主要目標，發現后進行及時匯報，并對問題熱圖進行保存。一般檢測基本由設備巡檢操作人員完成。

（2）精確檢測（精密點檢）。指定期對所有需要檢測的設備的運行狀態進行熱圖拍攝、保存和分析，并對巡檢人員上報的問題點進行判斷、解決，及早把設備存在的隱患排查出。精確檢測一般由設備維護工程師或以上級別人員完成。紅外熱像點檢流程圖如圖3所示。

3 紅外熱像檢測技術應用范圍

3.1 設備電氣系統檢測

可用于電氣柜和電機控制中心的定期檢查，對于連接松動、負載失衡、腐蝕以及阻抗增加等問題，熱檢測均可通過紅外圖像和可見光圖像快速定位“準確診斷”及時維修，避免因過熱導致連接件熔斷，甚至發生火災。

中低壓設備常見的紅外熱像診斷故障包括：連接件電阻高、連接件被腐蝕、內部保險絲損壞、內部斷路器故障、連接不良及內部缺陷等。

3.2 電機和機械系統檢測

電機失準或失衡通常會導致過高的溫度，電機的電刷觸點磨損和電樞短路故障發生前會產生過多熱量，熱成像技術能夠給出全面的信息常見的紅外熱像診斷故障，包括電機過熱、泵過載、電機軸過熱和軸承溫度高等。在機械部件受到磨損并且效率降低時，釋放的熱量將增加系統中對準失當引起振動增加，將導致傳動機構升溫；借助熱性圖、線溫分布圖等功能，可顯示存在的問題；從而為機械系統正常運作提供保障。

3.3 其他項目

其他常見的紅外熱像檢測包括：冶金、熱處理等高溫設備隔熱破損檢測：如爐中出現的熱點、耐火材料絕熱受損等；電子及機電產品制造業對產品外殼的溫度場分布分析檢測；電路研發過程中元器件發熱、電路板熱分布情況測試；LED、鋰電池、太陽能等新能源相關制造業對產品和質量控制過程中的溫度檢測；儲液罐內液位檢測；建筑物外墻、屋頂和熱力管道保溫性能質量檢測等。

4 紅外熱成像檢測在各類設備預知性維修中的應用

4.1 紅外熱像儀現場檢測操作要點

紅外熱像儀在開機后需進行內部溫度校準，待圖像穩定后即可開始工作。一般先遠距離對所有被測設備進行全面掃描，發現有異常后，再有針對性地近距離對異常部位和重點被測設備進行準確檢測。儀器的調色板溫度量程宜設置在環境溫度加10～20℃左右的溫升范圍。盡量選擇高對比度顯示方式，調節圖像使其具有清晰的溫度層次顯示。被測設備的發射率ε一般設置為0.95。紅外熱像儀在實際使用中，需要經過參數設置、對焦、設置溫度水平和跨度、設置混合水平條等步驟后才能進行測溫。

4.2 設備電氣系統檢測檢測實例

某電氣設備點檢中發現三相進線空氣開關下端頭L3電纜發熱異常，溫度超過88.2℃且比L1，L2兩相溫度高出近一倍多，根據DL/T 664-2008《帶電設備紅外診斷應用規范》屬于嚴重熱缺陷。檢測三相電流平衡后檢修發現電纜老化、L3端子接觸電阻過大，更換后該電纜恢復正常，三相溫度接近。維修前、后對比熱像圖如圖4所示。某設備電控柜內印制板保險管發熱異常，中間的保險管下端溫度達75.9℃，檢查發現保險座彈性下降接觸不良，維修后恢復；維修前后對比熱像圖如圖5所示。某設備電控柜一個大功率電阻溫度偏低，熱像圖如圖6所示，檢查發現電阻燒斷，在設備故障停機前及時進行維修更換。

圖3 紅外熱像檢測精密點檢流程圖

4.3 電機、機械系統檢測實例

某真空泵檢測熱像圖如圖7所示，可見最高溫度70.8℃出現在傳動軸上，可能電機軸承潤滑不良或磨損，需進一步跟蹤記錄溫度趨勢，根據劣化情況及時安排檢修。某進口立式加工中心點檢中發現Z軸伺服電機溫度表面溫度為64.7℃，比較同類設備Z軸伺服電機溫度偏高，持續檢測該部位溫度，發現溫度有上升趨勢。檢修該電機后發現其尾部軸流風機損壞，更換后檢測溫度降為45.6℃且溫升穩定。由此避免了該設備較大的故障損失，維修前后的熱像圖對比如圖8所示。

4.4 壓縮機、真空泵檢測實例

紅外熱成像檢測真空泵、壓縮機等大型部件，熱像圖可顯示其整體溫度分布情況，由此快速發現熱缺陷或確定需關注的具體部位，開展持續監測，追蹤溫度趨勢。某步進式氣候箱壓縮機溫度分布熱像圖如圖9所示。某真空爐擴散泵溫度分布熱像如圖10所示，可見其中一段泵壁溫度異常（69℃），與相鄰的區域比較偏高近30℃，需安排進一步檢修查明原因。某設備羅茨真空泵溫度分布熱像圖如圖11所示。

4.5 水冷設備冷卻效果檢測實例

熱像圖可顯示水冷大型設備整體溫度分布情況以及各個管路水溫，評估設備整體水冷卻效果，從而快速定位缺陷部位。某真空爐路蓋、爐體溫度分布熱像圖如圖12所示。熱像圖可顯示多根交織在一起的冷卻軟管溫度（圖13），可快速定位其中水溫過高者，安排檢修。

圖4 空氣開關三相電纜熱像圖

圖5 印制板保險管熱像圖

圖6 大功率電阻熱像圖

圖7 真空泵熱像圖

圖8 伺服電機熱像圖

圖9 壓縮機熱像圖

圖10 擴散泵熱像圖

圖11 羅茨真空泵熱像圖

5 結論

基于熱成像檢測技術構建設備預知性維修模式，開展以精密點檢為主要手段的預知性維修活動。對數控機床、真空鍍膜、真空熱處理、真空焊接設備、高低溫、振動、沖擊等環境試驗設備等多種類設備的紅外熱成像檢測，達到故障的早期發現和狀態檢測。點檢人員通過對熱像圖進行分析判斷，并根據設備發熱的發展趨勢、設備負荷大小、環境溫度等情況進行綜合分析，提前開展檢修或制定維修策略，使預知性維修工作做到有的放矢。不僅大大降低了設備故障損失和維修停機時間，并為維修計劃和備件采購計劃提供科學的依據。通過熱像圖數據庫建立和相關預知性維修制度的不斷完善，將進一步提升企業的設備保障效率，消除故障隱患，提高設備運行可靠性和綜合利用率。

圖12 真空爐熱像圖

圖13 冷卻軟管熱像圖

〔編輯 凌瑞〕

TH17

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.02.14