淺析紅外熱成像檢測技術在壓力容器和壓力管道檢測中應用

黃啟人，楊達，李家興，馮雪松，孔龍，白學剛

（中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

1 原理

紅外線是不可見的光線，屬于電磁波。物體表面溫度如果超過絕對零度（-273℃）即會輻射出電磁波，其中就有載有物體特征信息的紅外線。紅外熱成像技術是一種被動紅外夜視技術。通過光電紅外探測器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置模擬出物體表面溫度的空間分布，再經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖（即紅外熱圖像）。通過熱像圖可人為判斷被檢物體本身的結構特征。此外，由于紅外線對極大部分的固體及液體物質(zhì)的穿透能力極差，因此，紅外熱成像檢測是以測量物體表面的紅外線輻射能量為主。

2 技術特點

紅外熱成像技術有其獨到之處，并具有以下等特性：

（1）非接觸性。紅外熱成像技術的實施不需要接觸被檢測目標，被檢測物體可動可靜，可以是數(shù)千攝氏度的熱體，也可以是溫度很低的冷體。技術應用范圍廣，且便于現(xiàn)場實施。

（2）安全性。紅外熱成像技術應用過程對人員和設備無危害。

（3）準確性。紅外熱成像技術的溫度分辨率和空間分辨率都可以達到較高的水平，檢測結果準確。

（4）操作便捷。紅外熱成像設備操作簡單，檢測速度快，檢測結果可保存。

生產(chǎn)單位由于生產(chǎn)要求和其他因素限制需要在非停工狀態(tài)下在線檢查非常溫壓力容器或壓力管道使用安全狀況，因此，特種設備檢測手段引入了紅外熱成像檢測技術。運行狀態(tài)下的非常溫壓力容器和壓力管道常規(guī)檢測具有一定的局限性，例如，生產(chǎn)工藝要求較嚴格，不允許壓力容器或壓力管道中的介質(zhì)物料有較大的溫度波動，不能大面積拆除壓力容器或壓力管道外部隔熱層，為檢測增加困難；工作溫度較高（大于100℃）或較低（小于0℃）時，常規(guī)檢測手段難以實施。而紅外熱成像檢測技術應用于非常溫狀態(tài)下的壓力容器和壓力管道檢測，可以非常直觀地發(fā)現(xiàn)非常溫壓力容器和壓力管道在使用過程中的表面溫度分布情況，可快速檢查出非常溫壓力容器和壓力管道運行狀態(tài)下的壁厚情況、外部隔熱層或耐火襯里質(zhì)量及狀態(tài)。紅外熱成像檢測技術應用于壓力容器和壓力管道檢測具有一定的針對性，彌補了常規(guī)檢測手段客觀存在的一些不足。但紅外熱成像檢測技術應用于壓力容器和壓力管道檢測也存在局限性。紅外熱成像檢測技術應用于壓力容器或壓力管道檢測，只能是在壓力容器或壓力管道溫度不同于所處周圍的環(huán)境溫度時進行（不適合檢測常溫壓力容器和壓力管道）。檢測環(huán)境因素對外熱成像檢測技術影響也十分明顯。H2O、CO2、CH4、N2O、O3等氣體和固體微粒的吸收、散射，使紅外線傳播過程中強度明顯下降。尤其是在石油化工等企業(yè)，現(xiàn)場H2O、CO2、CH4和N2O 等氣體局部含量偏高，會影響紅外線在空氣中的傳播。這也使紅外熱成像設備檢測產(chǎn)生誤差。

3 技術應用

圖1

圖1 是用菲力爾紅外熱成像設備T620 拍攝的某石化企業(yè)換熱器局部彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在8 ～89℃。從該圖組中彩色照片上看，該換熱器外部宏觀無明顯異常；從紅外熱成像圖像上可以看出，該臺換熱器外部隔熱層狀態(tài)及隔熱層絕熱效果良好。由于換熱器殼程筒體溫度傳遞到換熱器的鞍座，鞍座金屬部位外部無隔熱層，導致鞍座金屬部位溫度高，紅外線輻射強度大，形成的圖像顏色與周圍環(huán)境形成的顏色產(chǎn)生鮮明的對比。

圖2

圖2 是用菲力爾紅外熱成像設備T620 拍攝的某石化企業(yè)反應器局部彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在26.9～231℃。從該圖組中彩色照片上看該反應器外部隔熱層金屬皮局部異常銹蝕；而從紅外熱成像照片上看，可以發(fā)現(xiàn)，該反應器局部圖像顏色與周圍顏色產(chǎn)生了鮮明的對比。紅外熱成像照片中光標處顯示溫度為223℃，說明反應器該處外部隔熱層絕熱效果很差。對紅外熱成像照片中溫度異常位置進行驗證，發(fā)現(xiàn)反應器該位置隔熱層質(zhì)量很差，局部存在隔熱層下沉、脫落、缺失。這導致該反應器局部熱量流失，增加了生產(chǎn)能耗，可能會影響工藝生產(chǎn)。

圖3

圖3 是用福祿克紅外熱成像設備Tix640 拍攝的某石化企業(yè)中壓汽水分離器局部彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在51.7 ～143.0℃。從該圖組中彩色照片上看，該中壓汽水分離器外部宏觀無明顯異常；從紅外熱成像照片上看，該中壓汽水分離器筒體與接管連接處溫度偏高。這是由于容器筒體與接管連接處隔熱層存在縫隙所導致的熱損失，該情況是可接受的。

圖4

圖4 是用菲力爾紅外熱成像設備T620 拍攝的某石化企業(yè)壓力管道彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在15.4～92.1℃。從該圖組中彩色照片上看，該壓力管道外部宏觀無明顯異常；從紅外熱成像照片上看，該壓力管道照片所示彎頭背彎處局部溫度有異常變化。經(jīng)驗證，背彎局部溫度有異常變化處隔熱層破損。

圖5

圖5 是用福祿克紅外熱成像設備Tix640 拍攝的某石化企業(yè)壓力管道彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在43.4 ～143.9℃。從該圖組中彩色照片上看，左側3 條壓力管道照片所示彎頭處外部隔熱層疑似破損；從紅外熱成像照片上看，左側3 條壓力管道照片所示彎頭處隔熱層絕熱效果良好。

圖6

圖6 是用福祿克紅外熱成像設備Tix640 拍攝的某石化企業(yè)壓力管道彩色照片和紅外熱成像照片。該圖組中紅外熱成像中顏色越亮的部位表明表面溫度越高，溫度變化在37.1～221.3℃。從該圖組中彩色照片上看，該壓力管道外部宏觀無明顯異常；從紅外熱成像照片上看，照片所示彎頭處溫度有變化，是由于該處外表面有兩種涂層且覆蓋不均勻。經(jīng)驗證該壓力管道無襯里，壁厚未出現(xiàn)異常局部減薄或其他缺陷。

4 注意事項

由于紅外線在地表傳送時，會受到大氣組成物質(zhì)(特別是H2O、CO2、CH4、N2O、O3等)影響和固體微粒的吸收、散射，所以在使用紅外熱成像設備檢測前，應輸入相關參數(shù)（如環(huán)境風速、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、檢測距離、被檢測物體表紅外線發(fā)射率等），還要考慮太陽光的照射、塵埃的散射和附近輻射體的干擾的，從而提高檢測準確性。紅外熱成像設備檢測時，應避免其他輻射干擾。由于紅外熱成像設備屬于光學電子設備，避免在爆炸性氣體、蒸汽周圍或潮濕環(huán)境中使用。

5 結語

紅外熱成像檢測技術應用于壓力容器和壓力管道檢測，為非常溫壓力容器和壓力管道在線檢測增加檢測手段，可直觀發(fā)現(xiàn)非常溫壓力容器和壓力管道在使用過程中的表面溫度分布情況，可快速檢查出非常溫壓力容器和壓力管道是否存在異常局部減薄、外部隔熱層或耐火襯里質(zhì)量及狀態(tài)；可對受熱設備散熱損失評估；可對保溫效果及損壞程度和耐火，隔熱層質(zhì)量評定；可對設備襯里損傷部位、程度、形狀、面積進行診斷；可對設備內(nèi)料位和液位進行測定；可對工業(yè)爐管進行溫度測定等?？蓽p少企業(yè)能耗，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供保障。