紅外熱成像技術在特種設備檢驗中的應用

曹亞旭

（安徽省特種設備檢測院，安徽合肥 230000）

0 引言

通常狀態下任何的物體，不論其溫度高低都會向周圍發射或吸收熱輻射。其熱輻射強弱與物體材質、形狀、化學與物理特性有關，還與波長、溫度有關。紅外熱成像技術就通過這一事實依據來實現的。借助儀器設備測量物體表面溫度場呈現顏色不同的輪廓區域，從而使人們直觀地看到物體表面的熱量分布情況。紅外熱成像技術可作為設備材料缺陷，結構不合理導致應力集中等方面的檢測方法。該技術相較于四大常規檢測手段的優點，使其適用范圍更廣。但由于檢測精度等問題，紅外熱成像技術并沒有形成相應標準作為檢驗依據。當前僅有一部儀器標準GB/T 38238—2019《無損檢測儀器 紅外熱成像 系統與設備性能 描述》、一部術語標準GB/T 12604.9—2008《無損檢測 術語紅外檢測》、一部應用標準GB/T 8174—2008《設備及管道絕熱效果的測試與評價》中4.1.4 提及該技術。

1 紅外熱成像技術在承壓類特種設備檢驗中的應用

1.1 大型儲罐的液位檢測

在工業生產中，使用大型儲存式容器對工業產品或原料進行儲存，這些存儲的介質往往具有一定的揮發性，如液化石油氣等。因此這類容器通常會加裝安全防護裝置——液位計以防止空罐或滿罐的情況發生。這類容器多處于室外環境，液位計難免會出現故障可能導致空罐或者滿罐是生產工作突然中斷或造成儲罐介質的溢出事故。根據儲罐內液位線兩側液相空間與氣相空間存在的溫度差異，通過紅外熱成像儀可以從外部直接檢測出液位線的位置。這樣可以幫助工作人員及時發現液位計是否發生故障，從而確保設備的安全運行。

1.2 高溫容器耐熱村里破損及容器、管道內部腐蝕情況的檢測

在煤化工企業中，許多容器處在高溫高壓條件下運行。例如，高溫汽化爐作為煤制氣裝置的關鍵設備，為保證反應正常進行同時避免容器殼體在高溫狀態下與介質直接接觸，容器內部會增加隔熱內襯材料，但內襯材料長期受到高溫、高壓、高流速介質的沖刷容易發生磨損或破損：若內襯局部發生破損脫落的情況，則內部高溫介質直接沖刷容器殼體，溫度升高；若內襯因磨損熱阻值R 減小，容器殼體相應位置溫度升高。以內襯局部磨損情況建立相關傳熱模型（圖1）及外壁表面溫度分布圖（圖2），高溫汽化爐反應室一般由耐熱耐磨層、隔熱層、金屬外壁3個部分組成[1]。其中，H1為耐熱耐磨層厚度，H2為隔熱層厚度，H3為容器殼體厚度，q為熱流密度，t內為容器內部溫度t外為容器外壁溫度，△t 為溫度差值。

通過紅外熱成像急速可以快速找出故障位置。對于襯里磨損的情況一般可以采用熱傳導基本定律（傅里葉定律）[1]進行計算評估。找出了故障位置，再根據計算評估的結果采取相應的處理措施使設備可以安全運行至計劃檢修時間，從而避免臨時停車檢查造成的損失。紅外熱成像技術同樣適用于容器、管道內部局部腐蝕、腐蝕凹坑的檢測。

圖1 傳熱模型

圖2 金屬外壁溫度分布

1.3 低溫容器局部“跑冷”情況的檢測

按照絕熱方式，低溫容器分為高真空絕熱、真空粉末絕熱和多層纏繞絕熱3 種：高真空絕熱應用較少；真空粉末絕熱一般采用膨脹珍珠巖作為絕熱材料；多層纏繞絕熱一般采用導熱系數小，放氣率低的纖維布、纖維紙作為絕熱材料。低溫容器運行過程的絕熱性能一般由檢驗人員利用真空計等儀器連接容器外部的真空規管測出的真空度數值判斷。由于結構原因，大型立式真空粉末低溫容器上部夾層粉末絕熱材料易沉降，導致容器上部發生局部“跑冷”現象。通過紅外熱成像技術檢驗，人員在地面就可以迅速檢測出容器上部的“跑冷”位置和大體面積，從而避免登高作業。對于無外接真空規管的低溫容器，如低溫泵池等，在日蒸發率測量的同時，通過紅外熱成像技術檢測是否存在嚴重“跑冷”現象。紅外熱成像技術在輔助檢驗低溫容器方面有很大的作用。

1.4 管道保溫層破損情況的檢測

大型化工企業，廠內管線具有種類繁多、錯橫交錯等特點。這些管線的外部保溫因長期暴露在室外環境，易發生破損、脫落的情況。當管線某處保溫發生破損或脫落時，管線外壁溫度升高。巡檢員在地面上利用紅外熱成像儀器就可以快速發現保溫破損位置，從而避免管線的熱量損失。

1.5 設備焊縫應力集中情況的檢測

設備發生應力腐蝕開裂的3 個因素[2]——拉應力、相對應的腐蝕介質和材料應力腐蝕的敏感性，因此焊縫應力集中的區域應是檢驗的重點部位。焊縫本身存在的一些缺陷，如氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、咬邊等，都有可能造成應力集中的情況。設備在運行的過程中，常規的檢測手段往往無法對100%或者大比例的焊縫進行檢驗。依據金屬固體材料的熱彈性效應[3]，即物體在彈性范圍內發生形變時伴有溫度改變的效應，通過對容器在允許工作壓力下逐步升壓的方式，利用紅外熱成像技術可以快速、非接觸式的發現設備應力集中嚴重部位，為檢驗人員確定檢驗重點部位提供參考。

2 結束語

在承壓類特種設備檢驗檢測中，紅外熱成像技術有它獨特的優勢，但受其檢測精確度和可靠性的影響，當前主要作為輔助檢驗的一種手段。紅外熱成像技術應具備對缺陷定性、定量能力的方向發展。對缺陷和故障反饋的紅外信號更精準的數值化處理、標準操作規范的形成、相應評價標準的建立以及設備高度集成便攜，將會對紅外熱成像技術的廣泛應用產生影響。