紅外線探測(cè)壓力管道缺陷工藝探究

張瀚文，司永宏，李 喆

(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津300192)

0 引 言

壓力管道是利用一定的壓力，輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備，廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)領(lǐng)域，尤其在流體輸送方面，管道運(yùn)輸具有不可取代的突出優(yōu)勢(shì)。然而工業(yè)管道在服役期間存在制管和施工缺陷，可能會(huì)因?yàn)楦g、機(jī)械損傷等因素引起管線的泄漏和開(kāi)裂，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒等事故發(fā)生[1]。利用紅外探測(cè)技術(shù)檢測(cè)管道缺陷的實(shí)踐表明，該技術(shù)長(zhǎng)于發(fā)現(xiàn)在帶保溫層管道的缺陷[2]。 本文針對(duì)該技術(shù)的檢測(cè)工藝進(jìn)行了試驗(yàn)與研究。

1 管道保溫層對(duì)探測(cè)的影響

利用機(jī)械加工方法制造的樣管幾何形貌如圖 1所示，其壁厚為 4mm，直徑為 60mm，長(zhǎng)為 1m，材質(zhì)為20G，并帶有機(jī)械加工缺陷。

圖1 樣管本體透視圖Fig.1 Perspective view of sample pipe

對(duì)樣管進(jìn)行了 500s的有限元模擬[3]，其試驗(yàn)條件為樣管內(nèi)壁施加 80℃熱載荷，樣管外部用巖棉材質(zhì)[4]、厚度為 35mm 的保溫層包覆，并施加自然對(duì)流換熱，如圖 2所示。圖中深色區(qū)域表示溫度較高區(qū)域，淺色區(qū)域表示溫度較低區(qū)域，保溫層外表面的溫度隨時(shí)間變化十分微小。圖 3為利用紅外線熱成像儀對(duì)上述條件下帶有保溫層的樣管進(jìn)行檢測(cè)判斷樣管本體的熱分布狀況。

圖2 有限元模擬樣管熱分布Fig.2 Heat distribution of pipe in finite element simulation

圖3 加熱后樣管熱像圖Fig.3 Thermal image of sample pipe after heating

2 環(huán)境光照對(duì)探測(cè)的影響

為了研究光照對(duì)探測(cè)的影響，將樣管放置到暗室中進(jìn)行紅外線探測(cè)，正常光照試驗(yàn)室和暗室條件下對(duì)第1節(jié)下的樣管熱成像圖對(duì)比情況如圖4、圖5。

圖 4、圖 5表明光照對(duì)熱成像圖影響不大，熱成像圖較亮部分為鐵銹。

圖4 暗室中樣管熱成像圖與光學(xué)圖Fig.4 Thermal and optical images of sample pipe in dark room

圖5 正常光照中樣管熱成像圖與光學(xué)圖Fig.5 Thermal and optical images of sample pipe under normal lighting

3 對(duì)管道內(nèi)表面缺陷的探測(cè)

依據(jù)第1節(jié)所列條件對(duì)樣管進(jìn)行有限元模擬，樣管在內(nèi)壁設(shè)置有缺陷，在加熱 0.33s后，如圖 6所示，不同位置的溫度不同，尤其是內(nèi)部缺陷也可以通過(guò)溫度差判別出來(lái)；同時(shí)減薄區(qū)域、表面缺陷區(qū)域也可以通過(guò)溫度的差異進(jìn)行辨別，這主要是因?yàn)闊岬膫鲗?dǎo)需要一定的時(shí)間，在內(nèi)壁保持一定溫度時(shí)，較薄的管壁層最先被加熱，較厚的區(qū)域加熱要慢一些。而缺陷的一個(gè)重要特征就是薄厚不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致在特定的時(shí)間內(nèi)，其表面溫度分布也不均勻。紅外探測(cè)利用該規(guī)律檢測(cè)出缺陷。

圖6 0.33 s時(shí)有限元模擬溫度云圖Fig.6 Finite element simulated temperature cloud diagram at 0.33 seconds

有限元模擬進(jìn)行到2s時(shí)，其熱力云圖如圖 7所示。樣管整體的溫度趨于一致，其原因在于內(nèi)壁的溫度一定且時(shí)間足夠時(shí)，熱量可以充分傳導(dǎo)，最終溫度與內(nèi)壁一致。這說(shuō)明在檢測(cè)該規(guī)格的鋼管時(shí)，檢測(cè)的理論時(shí)間應(yīng)該在介質(zhì)剛開(kāi)始加載的2s內(nèi)。

圖7 2 s時(shí)有限元模擬溫度云圖Fig.7 Finite element simulated temperature cloud diagram at 2 seconds

4 對(duì)管道保溫層缺陷的探測(cè)

圖8 帶保溫層缺陷的溫度云圖Fig.8 Temperature cloud diagram with defects of insulation layer

本次模擬條件如上文所述，檢測(cè)到距保溫層左端100mm處有一半徑約 45mm、長(zhǎng) 200mm的圓柱形缺陷，溫度云圖如圖 8所示。可以看到保溫層缺陷所在區(qū)域的溫度明顯異于保溫層完好區(qū)域，說(shuō)明通過(guò)紅外探測(cè)技術(shù)對(duì)保溫層的缺陷的檢測(cè)具有一定效果。

5 結(jié) 論

①紅外線檢測(cè)需要具備一定的現(xiàn)場(chǎng)條件，建議在管道剛剛加載時(shí)進(jìn)行檢測(cè)以提高檢出率。

②現(xiàn)有民用領(lǐng)域內(nèi)紅外線檢測(cè)設(shè)備難以達(dá)到隔保溫層檢測(cè)管道上缺陷的要求，而對(duì)于保溫層本體缺陷，其檢測(cè)效果明顯。

③光照對(duì)紅外線檢測(cè)結(jié)果影響并不大。

④對(duì)不帶保溫層管道進(jìn)行紅外線檢測(cè)時(shí)，要保證管道表面沒(méi)有銹蝕、污跡等其他物質(zhì)影響輻射率。

本文研究了不同工況下的紅外線探測(cè)工藝，證實(shí)了在特定工藝下民用紅外線探測(cè)的局限性，同時(shí)也探究了紅外線探測(cè)的有效應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用有一定參考價(jià)值。