基于紅外熱像技術的過程設備無損檢測

肖學文 王亞淑 劉康林

（1.荊門宏圖特種飛行器制造有限公司；2.福州大學石油化工學院）

過程設備是能源、化工、制藥及輕工等國民經濟支柱領域不可或缺的關鍵設備。 由于過程設備加工處理的氣體、 液體和粉體往往具有易燃、易爆，或有毒、凍害的危害，一旦發生破壞事故，可導致環境的污染、資源的浪費，甚至釀成火災、爆炸或中毒事故。 因此，如何通過無損檢測的方法及早發現缺陷或泄漏的存在，對避免事故或減少事故損失有著極其重要的作用。

過程設備的無損檢測有超聲、射線、聲發射、磁粉及紅外熱像檢測等眾多方法［1］，其中，紅外熱像法可有效、簡便地測取物體表面溫度場，并以紅外圖像的方式將表面溫度信息“固化、儲存”起來，具有直觀性、全場性及在線性等優點，越來越受到工程界的青睞和重視。 然而，該方法的檢測靈敏度和對缺陷的檢出率與設備表面狀態、拍攝角度及熱激勵方法等諸多因素有關，如何提高紅外熱像無損檢測技術的精度和可靠性，擴大其檢測功能和范圍，是該領域長期的熱門課題［2］。 為此，筆者根據紅外熱波的形成和傳播原理，探討提高紅外熱像無損檢測精度的方法。

1 紅外熱像無損檢測及影響因素分析

由熱力學原理可知，一切溫度高于絕對零度的物體都在不斷地以電磁波的形式向外輻射能量［3］，其中，波長在0.76～1000μm 之間的紅外光波具有很強的溫度效應， 其輻射強度遵循斯蒂芬-波爾茲曼定律。 利用紅外探測器、光學成像物鏡等器件接收被測目標的紅外輻射能量分布場，并反映到紅外探測器的光敏元件上，再由探測器將紅外輻射能量轉換成電信號，經放大處理并轉換為標準視頻信號，即可在電視屏或監測器上顯示被測目標的溫度場［4］。也即，利用紅外熱像儀可使人眼看不到的物體外表面溫度分布變成人眼可識別的代表目標表面溫度分布的熱譜圖。 由于設備缺陷或泄漏處的紅外光輻射能量與其他地方的不同，因此，使用紅外熱像儀拍攝被檢設備時，通過拍攝到的圖像就可以找出溫度異常分布的熱點或冷點，由此確定缺陷或泄漏的存在。 顯然，紅外熱像檢測涉及到紅外熱波的形成、傳播和成像3 個關鍵環節，熱像儀所接收的紅外輻射包括目標自身的紅外輻射、目標對周圍環境的反射輻射和大氣的紅外輻射3 部分，要得到高質量熱像圖以獲得好的檢測效果， 應考慮熱激勵源、試件表面狀況、紅外熱波傳播途徑及環境等因素的影響，優化缺陷檢測和熱像圖拍攝的方法［5］。

1.1 熱激勵源的選擇

根據熱源的不同，紅外熱像檢測有主動式和被動式之分。 其中，主動紅外熱像檢測法是以外加熱源為勵源，向被檢測物體注入熱量，再通過紅外熱像儀記錄不同時刻的溫度場信息，根據紅外熱像圖所反映的溫度信息來分析判斷是否存在質量缺陷［6］。 被動紅外熱像檢測法是在無任何外加熱源的情況下，利用被檢測物體本身的熱輻射來檢測缺陷的方法。 也即，當設備內部介質溫度與環境溫度有明顯差異時，設備表面與環境之間的熱交換會因缺陷的存在而擾動，且這種擾動是比較穩定的，采用紅外熱像儀可直接測得缺陷處與非缺陷處的溫度差異和缺陷，而無需外加熱源［7］。 在用低溫/高溫容器或管道存在熱工缺陷和泄漏時，設備內外溫差引起的熱流途徑缺陷有明顯的熱流擾動，可通過被動式紅外熱像法進行檢測；無內熱源的新設備或停用設備，可采用主動式紅外熱像法進行檢測，如脈沖閃光燈、超聲波及電磁感應等激勵下的紅外熱像檢測。 應用時須注意各種方法的特點和適用范圍，如：高能脈沖閃光燈進行照射的脈沖熱波激勵法比較成熟，但不能檢測距離表面較深的缺陷；超聲熱激勵源可有效檢測閉合裂紋類缺陷，但不適于盲孔那樣的開放式缺陷的檢測； 電磁感應熱激勵加熱速度快，適用范圍廣，但容易導致缺陷處溫度場的均化，檢測要求高。

1.2 試件表面的激冷作用

當被測對象處于高溫且溫度穩定的情況下時，可采用表面冷卻法進行檢測，如表面噴灑水、酒精及低溫氮氣等，在噴灑這些介質后，會對工件表面造成冷沖擊， 破壞原有的溫度平衡狀態，加劇缺陷處熱流與其周邊熱流的不一致，使缺陷對熱流的影響在工件表面溫度場中更清晰地顯現出來，提高對缺陷的檢出率。 如圖1 所示，在鋼管試件（內壁有盲孔）受到內部穩定熱源加熱的狀態下，對試件表面噴灑水、酒精和低溫氮氣進行瞬間冷卻，低溫氮氣冷沖擊作用時熱像圖中的盲孔最清晰， 噴灑酒精時的盲孔圖樣清晰度次之，噴灑水時盲孔圖樣很模糊。 不過，由于低溫氮氣很易飄散，而水蒸發得最慢，因此，噴灑低溫氮氣時盲孔的圖樣持續時間最短，噴灑酒精時的次之，噴灑水時的最長［8］。

圖1 不同冷卻介質的熱像圖對比

1.3 被測構件表面狀況的影響與規避方法

試件表面的紅外熱像圖與試件表面的熱發射率密切相關。 同一試件， 表面被不同發射率材料覆蓋時， 所得到的熱像圖會有所不同。 如光亮的金屬表面發射率低， 顏色較深的油漆與金屬氧化物的發射率較高， 如試件金屬表面存在雜質或氧化程度不均勻的氧化層， 即使試件表面溫度分布均勻， 但其熱像圖仍會表現出不均勻狀態。 這樣，進行缺陷檢測時，可能會導致誤判。 為此， 測試時可在試件表面刷上一層黑色涂層， 使試件表面熱像圖能更好地反映試件內部缺陷對熱流的擾動情況。 如圖2 所示，管道上半部刷上黑色油漆后， 其熱像圖明顯比下半部的均勻。 此外， 涂層還有增大熱像圖中缺陷處與無缺陷處溫度差的作用， 使缺陷顯得更為清晰。

圖2 表面噴漆處理后的熱像圖

1.4 熱像圖的拍攝

為提高檢測的效率和可靠性，檢測時最好將熱像圖所拍位置的白光圖像拍攝下來（性能較好的熱像儀都具有同步拍攝紅外圖像與白光圖像的功能）。圖3 為同時拍攝到的一臺低溫液態CO2儲罐端部法蘭的實景圖和熱像圖， 從圖中可快速、直觀地判定儲罐封頭法蘭右下部存在保溫層脫落的現象。

圖3 CO2 儲罐封頭處法蘭熱像圖

對于高大的設備，由于測試范圍大、距離長，在傳輸過程中，紅外輻射會因大氣的吸收和散射作用而產生部分衰減，設備表面細節也難以觀察到，測試時除了應選擇正確的測試角度外，可考慮將同類型的相鄰儲罐的熱像圖同時拍攝下來，以便進行比較判斷［9］。 圖4 所示為同時拍攝到的兩臺立式LNG 儲罐的熱像圖（儲罐高27m，外直徑3m），從圖中右邊儲罐頂部筒體出現的溫度異常區域可很快確定此區域保溫不好，存在保溫層脫落的現象。

圖4 LNG 儲罐熱像圖

1.5 熱波路徑及測試環境的影響

另外需注意的是，由于鋼制設備的傳熱性能比較好，熱量傳遞很快，當缺陷也很小時，在穩定熱源加熱下缺陷處的溫度場很易均化，因而難以拍攝到反映缺陷存在的熱像圖。 而加大熱激勵的動態性或突變性（可選擇在加熱初始的瞬間拍攝熱像圖） 雖可加劇試件缺陷處的熱不平衡性，但因反映缺陷的熱像圖稍縱即逝，要求熱像儀具有高速拍攝與錄像功能。 這樣，當在限定時段內拍攝熱像圖后， 可以正常放映速度回放熱像圖，找到能較好地反映缺陷存在的某瞬間熱像圖。

2 電脈沖熱激勵下的紅外熱像無損檢測

紅外熱像無損檢測技術雖具有全場、 快速、直觀、適合大面積掃測的優點，但也存在難以檢測埋藏缺陷的問題。 解決這一問題，對紅外熱像無損檢測技術的拓展無疑具有重要的實際意義。

脈沖電流通入金屬構件中，電流在金屬構件的缺陷處會產生集中和繞流，形成電磁熱效應和歐姆效應，在非導電的缺陷附近，電能轉化成熱能，從而使缺陷處溫度升高（對裂紋尖端可形成數百上千攝氏度的高溫）， 與金屬構件的其他區域形成明顯溫度差，如在放電的同時，利用紅外熱像儀拍攝設備構件表面溫度場，則可得到能清晰反映缺陷信息的熱像圖。 基于這一想法，籌建了圖5 所示的基于電脈沖熱激勵的紅外熱像無損檢測試驗裝置，主要由充電單元、控制單元、電容器組、高壓開關、試件夾具及紅外熱像儀拍攝單元等組成。 高壓電源的輸出電壓為1～100kV。

圖5 基于電脈沖熱激勵的紅外熱像無損檢測試驗裝置

試驗所用試件分為板狀和半圓管狀 （圖6），材料為304 不銹鋼。 其中，板狀試件的長×寬×厚為100mm×26mm×2mm； 半 圓 管 狀 試 件 外 徑320mm、長120mm、厚2mm。兩種試件兩端均加工有圓孔，供固定試件和施加電載荷用。 為模擬埋藏裂紋的檢測，在兩種試件一側正中間用電火花分別加工出深1mm、 寬0.2mm 的線槽和環向槽，試驗時，在電容放電瞬間，拍攝試件未開設線槽板面的熱像圖，通過回放視頻，查找反映缺陷的熱像圖。 板狀試件和半圓管狀試件在激勵電壓為3、5kV 時的熱像圖如圖7、8 所示。 顯然，通過電脈沖熱激勵作用下的紅外熱像圖可直觀而清晰地觀察到裂紋類缺陷。 而且，放電脈沖電壓越高，熱像圖中的缺陷圖樣越清晰、亮堂。 由此可見，增大電容的放電電壓， 可提高對缺陷的檢測效果。不過，從圖7、8 也可看出，半圓管狀試件的熱像圖不如板狀試件的熱像圖清晰。 實際上，針對半圓管狀試件進行了多次檢測試驗，所得熱像圖效果基本都不如板狀試件的檢測效果。 其原因和針對半圓管狀試件的檢測工藝尚需進一步研究。

圖6 試件實物照片

圖7 板狀試件的熱像圖

圖8 半圓管狀試件的熱像圖

圖9 試件噴漆與未噴漆時的熱像圖

為提高電脈沖熱激勵下紅外熱像法的檢測效果，進行了試件表面發射率對檢測效果的影響試驗。 試驗中通過在未加工線槽的試件表面噴涂黑色啞光漆，獲得了較好的檢測效果。 圖9a、b 為施加電壓為5kV、裂紋深度為0.8mm 的試件在噴漆前后的熱像圖，其中噴漆前線槽處的最高溫度為26.3℃，噴漆后線槽處的最高溫度達39.2℃。從圖9 也可直觀地觀察到，試件噴漆后所獲得的熱像圖中，線槽缺陷處的亮度明顯高于未噴漆時線槽缺陷處的亮度。

3 結論

3.1 為得到高質量熱像圖以獲得好的檢測效果，應充分考慮熱激勵源、試件表面狀況、紅外熱波傳播途徑及環境等因素的影響，優化缺陷檢測和熱像圖拍攝的方法。

3.2 為提高對缺陷的檢出率，尤其是對埋藏缺陷的檢出率， 應增加熱激勵源的脈動性或沖擊性，以加劇缺陷處熱流與其周邊熱流的不一致，避免溫度場的均化，使缺陷對熱流的影響能在試件表面溫度場中清晰地顯現出來。

3.3 在試件表面涂以高熱發射率的涂層（如黑色油漆），可減小試件表面狀態對熱像圖的影響，有效提高熱像圖中缺陷的清晰度。

3.4 在脈沖電流熱激勵作用下進行的紅外熱像無損檢測可有效實現對鋼制試件埋藏缺陷的檢測，而且，電容脈沖放電電壓越大，缺陷邊沿的溫度相對附近材料的溫度差越大，對缺陷的檢測能力越高。