紅外熱成像技術在特種承壓設備檢驗中的應用

惠志全 羅健剛 楊俊強

（廣州特種承壓設備檢測研究院 廣州 510663）

特種設備是指對人身和財產安全有較大危險性的鍋爐、壓力容器（含氣瓶）、壓力管道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施等[1]。按照特種設備的工作模式又可以分為承壓類及機電類兩大類。特種承壓設備往往伴隨著高溫或者低溫，高壓的工作環境，設備外表也通常覆蓋保溫層。傳統的檢驗技術對溫度的使用范圍較小，通常要求設備停機并拆除局部保溫層進行抽查檢測，無法對設備進行整體的運行狀況的判斷，停機檢測也大大增加了企業的檢測成本。而利用紅外熱成像技術可以對在役設備外表的整體溫度分布數據進行采集，具有測溫準確、非接觸、測溫距離遠等優點[2]，并通過測得的熱圖像特征對設備是否正常運轉進行判斷。本文對特種承壓設備中常見的鍋爐、壓力容器、壓力管道如何運用紅外熱成像檢測技術檢驗進行分析。

1 紅外熱成像技術的基本原理

紅外熱成像檢測的基本原理是捕捉待檢測設備發出的紅外輻射，并形成可見的圖像，物體溫度越高，紅外輻射量越大。不同的溫度、不同的物體輻射的紅外線的強度不同。紅外熱成像技術就是將紅外圖像轉換成輻射圖像并從中反映出物體不同部位溫度值的技術。其成像的基本原理如圖1所示，待測物體（A)輻射的紅外能量，經光學鏡片（B)聚焦于探測器（C)上，并引起光電反應，電子裝置（D)讀取該反應，從而將熱信號轉換成電子圖像（E)，并顯示在屏幕上[3]。

設備的紅外輻射承載著設備的信息，通過將獲取的紅外熱成像圖與標準規定的設備允許的運行溫度范圍或者設備正常的運行溫度范圍進行比較可以分析出設備運行的狀態，從而判斷設備是否出現故障及出現故障的部位。

圖1 紅外熱成像技術原理

2 紅外熱成像技術在特種承壓設備檢測中的應用

2.1 紅外熱成像技術在鍋爐檢測中的應用

鍋爐是可以將化學能轉變成熱能，在工業中得到廣泛應用，同時鍋爐在使用過程中承受壓力和溫度，是一種能源消耗大具有較高危險的特種設備。按照加熱的載體通?？煞譃檎羝仩t及有機熱載體鍋爐。鍋爐能源消耗巨大，運用紅外熱成像技術可以對鍋爐整體的溫度分布進行直觀的觀察，如圖2（a）可以看出鍋爐局部保溫不良，大量的熱能被浪費掉，可以有針對性地對保溫不良的地方進行修補。圖2（b）為有機熱載體鍋爐高位槽熱成像圖，高位槽表面最高溫度已經達到150.2℃，遠遠超過規范中建議的不超過70℃，高位槽中有機熱載體溫度過高將加速有機熱載體與空氣接觸時老化的速度，使有機熱載體性能變差，降低有機熱載體鍋爐熱效率并帶來安全隱患。圖2（c）為鍋爐循環泵紅外熱成像圖，鍋爐循環泵溫度偏高，可能存在事故隱患。

圖2 紅外熱成像技術在鍋爐檢測中的應用

2.2 紅外熱成像技術在壓力容器檢測中的應用

壓力容器作為儲存、反應及熱交換的設備，按使用溫度可分為低溫容器、常溫容器及高溫容器?？梢岳眉t外熱成像技術檢測設備溫度的分布情況進而確認設備的運行情況。圖3（a）用紅外熱成像技術檢測分汽缸的疏水閥是否正常工作，正常工作的蒸汽疏水閥，其蒸汽一側的溫度應該高于冷凝一側的溫度，該圖中的情況正是如此；圖3（b）為某大型立式液化天然氣貯罐，頂部局部溫度偏低，說明容器可能存在保冷不良，珠光砂下沉現象[4]，這將影響容器內介質的貯存；圖3（c）為通過溫度來判斷大型儲罐的液位水平[5]。

圖3 紅外熱成像技術在壓力容器檢測中的應用

2.3 紅外熱成像技術在壓力管道檢測中的應用

壓力管道作為輸送工藝介質及熱量的重要媒介，通過判斷管道溫度分布狀況，可以檢測出管道的運行狀況。圖4（a）看出管道膨脹節溫度偏高，會浪費大量的能源；圖4（b）為拆除保溫情況下管道表面的溫度分布，文獻[6]研究了管道溫度表面分布與內部缺陷的關系，認為管道表面溫度偏高的區域內部可能存在管壁減薄性缺陷，在壁厚抽查及無損檢測環節應重點關注；圖4（c）為通過溫度的差異來檢測復雜系統管線的工藝流程，判別不同管線的運行參數，對管線進行劃分。

圖4 紅外熱成像技術在壓力管道檢測中的應用

3 紅外熱成像技術使用的注意事項

作為一種先進的檢測技術，紅外熱成像技術的應用給特種承壓設備的檢測帶來了極大的便利。但檢測分析的基礎是確保檢測數據的準確，影響測溫準確與否主要取決于四個因素[7]包括物體表面發射率、大氣衰減、環境及測溫距離。在實際的檢測中，盡量選擇空氣清新的少塵或無塵的環境下進行，讓環境溫度與目標物體的溫度差別盡量大，檢測的距離盡量短，而影響最大的則是物體表面發射率的影響。以不銹鋼水杯內裝75℃熱水為檢測對象進行試驗，不銹鋼水杯外側分別貼有紅色和黑色的電工膠帶，日光圖見圖5（a），紅外熱成像圖見圖5（b），采用接觸法直接測得不銹鋼水杯表面溫度為74.7℃。可見，貼有電工膠帶的部位可以準確地測出物體表面的溫度，而在采用同一發射率進行測試的情況下，直接測試不銹鋼表面的溫度與實際溫度值偏差較大。因此，在實際的檢測過程中，對外表面為不銹鋼、包有鋁箔等表面反射及輻射率差別較大的材料檢測前應進行輻射率的標定。輻射率標定的具體方法為：1）將膠帶貼在被測物體表面，充分預熱；2）調整熱像儀輻射率，直至無膠帶表面溫度與有膠帶的表面溫度相同；3）此時的輻射率即為目標物體的輻射率。通過對檢測環境的選擇、距離的控制及待測物體輻射率的修正可以將測量的結果控制在較高的精度范圍內，并以此檢測結果作為分析判斷的基準，對設備及其運行狀況進行進一步的分析。

圖5 紅外熱成像檢測溫度試驗

4 結論

紅外熱成像技術具有很多其他無損檢測技術不具備的優點，利用紅外熱成像技術的優勢可以提高特種承壓設備的檢測效率，通過圖像處理診斷出設備的故障隱患，及時采取相應的措施排除故障，避免事故的發生，對確保特種承壓設備的安全和經濟運行具有重要的意義，但在檢測過程中應熟悉設備的使用原理及方法，按照正確的操作步驟進行，確保檢測數據的準確性。

[1]中華人民共和國特種設備安全法[S].

[2]林群武. 紅外熱成像技術在電力系統設備故障檢測中的應用研究[D]. 合肥：安徽理工大學，2016.

[3]丁德武，申屠靈女，鄒兵，等. 紅外熱成像技術在石化裝置泄漏隱患檢測中的應用[J]. 安全、健康和環境，2015，15（12）：17-20.

[4]勞英杰. 紅外熱成像技術在低溫絕熱壓力容器定期檢驗中的應用[J]. 化學工程與裝備，2012， 20（08）：176-178.

[5]史強，朱文勝，胡洋. 紅外熱成像技術在煉油行業的應用[J]. 石油化工腐蝕與防護，2012，30（01）：55-60.

[6]趙燁,方正中,李霞. 在用壓力管道檢測中紅外熱成像技術的應用[J]. 管道技術與設備，2008， 23（05）：25-27.

[7]張杰. 紅外熱成像測溫技術及其應用研究[D]. 成都：電子科技大學，2011.