紅外熱成像技術在承壓類特種設備運行檢驗中的應用探討

張輝

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院，江蘇 泰州 225500）

1 前言

承壓類特種設備主要有鍋爐、壓力容器、壓力管道等，它們可能存在高溫、高壓、有毒有害、易燃易爆等特點，安全運行責任重大，定期進行檢驗檢測排除安全隱患是十分重要和必要的。目前，對承壓類特種設備的年度檢驗和因結構原因無法進行內部檢驗的承壓類特種設備的檢驗，多以宏觀檢查、壁厚測量、功能測試及安全附件與儀表檢查為主，對設備內部的工作狀態缺乏有效的監控，不能及時準確地發現設備內部缺陷，并及時采取相應措施排除安全隱患來確保設備的安全運行，存在一定的風險。紅外熱成像技術具有非接觸和無損的特點，不僅可以降低檢驗人員在檢驗過程中自身的安全風險，還可以對設備內部的工作狀態實時監控，及時發現設備內部的安全隱患，不僅能夠提升承壓類特種設備運行檢驗的有效性與準確性，也大幅提升了承壓類特種設備運行檢驗的效率與安全程度。這意味著紅外熱成像技術在承壓類特種設備運行檢驗中有著較大的應用空間。

2 關于紅外熱成像技術

2.1 紅外熱成像技術的原理

從熱力學的研究內容中可得知，理論上物體表面都會發射紅外輻射能，紅外熱成像技術就是基于這一現象開發出的。紅外熱成像技術的原理在于探測物體的輻射能量與發射率，以此計算出物體的溫度并生成直觀圖像。紅外熱成像技術多需要借助熱像儀及紅外探測器，紅外探測器是為了接收物體表面的輻射能，熱像儀則借助內部的分析軟件對接受到的輻射能進行存儲分析，將分析結果生成專業報告，也能夠將圖像上的熱像圖及其他相關參數下載到電腦中進行操作分析。當前的紅外熱成像技術結合了計算機、探測傳感技術、數字圖像處理技術等各類型技術，能夠將紅外輻射圖像轉換為具有較強直觀性的可見圖像，因此在功能上具備非接觸、實時、全場及形象直觀等特點，十分適用于應用到承壓特種設備的運行檢驗檢測、維護及前期管理工作中。

2.2 紅外熱成像技術的檢測優勢

現行紅外熱成像技術的應用需要借助包括紅外探測器、熱圖像分析軟件（熱像儀）實現，在對物體表面的輻射熱量進行充分分析后即可生成專業檢測報告。對承壓類特種設備而言，其使用管理工作的主要目的就是采取有效、合理的檢驗檢測手段發現安全隱患，及時采取相應整改和監控措施來排除安全隱患，確保設備的安全運行。在紅外熱成像技術的幫助下，檢驗人員可以在設備不停機的情況下進行非接觸式檢測，降低自身檢驗安全風險，同時能夠獲得設備運行的高精度、高度專業化的檢測數據，借助這些數據可以判斷出缺陷的位置、類型及風險危害程度，并采取最合適、最有效的整改措施與監控使用方案來排除安全隱患，這對最大限度提升設備的使用性能、實現設備的最佳使用效率以及保障設備的安全生產很有幫助，進而有效控制設備在運行過程中出現事故的概率，并實現設備維護運行成本的有效控制。有些承壓類特種設備由于各種特殊原因不能按時定期檢驗，使用單位在完成備案及批準手續后可以延期檢驗，但需采取相應的監控措施來保證設備的安全運行，設備的運行溫度往往能夠直接反映設備的運行狀態，而紅外熱成像技術本身無接觸檢測的特點不會影響設備的正常運行，同時也會實時監測設備內部運行狀態及時發現運行異常點，是有效的監控措施之一。由此可見，紅外熱成像技術能夠在承壓類特種設備運行檢驗工作中發揮獨有的價值并有廣闊的應用空間。

3 紅外熱成像技術在承壓類特種設備運行檢驗中的具體應用

3.1 壓力容器與壓力管道內部狀態的監測及性能評估

化工設備多以壓力管道與壓力容器的形式為主，為了防止化學品腐蝕壓力容器與壓力管道，通常會在壓力容器與壓力管道的內壁裝置一層或是數層內襯進行保護，同時還能起到為壓力容器與管道隔熱的作用。如果設備在運行過程中因為長期沖刷及各種異常工況導致內襯損壞，不僅會出現損壞位置金屬溫度升高的局面，溫度的提升也會影響內部材料的力學性能，還會出現腐蝕減薄、泄漏、裂紋等現象，最終對材料性能整個甚至整套化工設備的安全運行造成影響。早先化工廠多根據大修周期，采用定期停工進行全面檢驗，針對損壞狀態再制定相應維修方案，但這種維護策略缺乏即時性，在出現短期內難以解決的安全隱患的情況下往往使得工作人員處于被動，對化工廠的正常生產產生影響，還有可能導致整個化工廠面臨經濟損失。隨著科學技術的發展，紅外熱成像技術開始被應用到壓力容器與壓力管道內部工作狀態的監測及設備性能評估工作中，利用紅外熱成像技術無接觸、高精度、實時的技術優點，工作人員能夠隨時觀測壓力容器及管道的溫度變化異常部位，進而定性、定量評估設備當前的運行狀態與性能，及時采取相應的維護檢修工作，排除安全隱患或者最大程度阻止安全隱患擴大發展，保障設備的安全運行，在最大程度上幫助化工廠避免潛在的經濟損失。

如果是對化工設備中的反應容器進行檢測，則可采取結合反應器熱圖像及容器結構特征的方法，對容器中產生的熱故障的類型、成因進行分析，并以此為基礎建立不同熱圖像之間的關系。某些承壓類特種設備內部會配置冷壁與內襯，其熱故障多以不銹鋼內襯出現裂紋、隔熱層出現微裂紋和沖孔、穿透裂紋為主。在這種情況下，對內襯損壞程度的計評估就成了了解襯里損壞程度、確定維修工作數據的關鍵。此時，就可應用紅外熱成像技術對內襯損壞的狀態進行定性，在此基礎上還能結合傳熱理論、相關技術條件及設備結構等內容，對熱過程下內襯的殘余厚度進行精準計算，為設備的維護提供可靠的數據支持。

3.2 外保溫層及其他同類內容的檢測

紅外熱成像技術同樣可應用在具有絕熱能力的壓力管道與壓力容器中。部分設備可能會因為外壁保溫層老化受損或設備出現泄漏導致外壁溫度升高的情況，這種情況會加劇熱損失。為及時發現這種問題，就可應用紅外熱成像技術對損壞位置及損傷程度進行實時監測。另一方面，紅外熱成像技術還能用于顯示工業鍋爐和壓力容器中的液位，由于工業鍋爐和壓力容器在使用過程中會在內部出現液、氣混合的情況。在這種情況下，就可應用紅外熱成像技術掃描設備內部，確定設備內部液體水平，對液體水平的精準定位，以使生產過程的順利進行得到可靠保障。

3.3 輻射應力分析

承壓類特種設備在經歷加工、使用過程時會產生應力變化，而應力變化也會導致溫度變化的出現，此時如果應用紅外熱成像技術進行檢測，會發現生成圖像的內容同樣會產生變化，這種變化就能夠有效反映物體的應力變化狀態。這意味著通過紅外熱成像技術反饋得來的信息，檢驗人員能夠深入了解材料在應力變化過程中產生的缺陷，并對材料應力變化狀態進行分析。一般情況下，如果材料處于危險狀態，其應力會在材料最終屈服之前集中在裂紋周圍，因此材料裂紋周圍的溫度會表現出明顯的特征。當材料發生屈服后，裂紋附近原本集中的應力會跟隨塑性變形的變化逐漸釋放，表現出的溫度圖像也會發生變化，具體表現為與塑性變形相關的紅外線輻射迅速增加，因此可通過圖形紅外輻射的變化規律查探到裂紋出現的位置、規律及狀態，對承壓類特種設備的檢驗檢測提供一定的技術支撐，但這一技術當前還處于實驗室階段，在實際應用上還面臨著眾多因素的制約，因此這也是紅外熱成像技術急需解決的技術問題之一。

4 結語

相比其他無損檢測技術，紅外熱成像技術在承壓類特種設備運行檢驗中的應用具有非接觸、實時監測及更高精度的優勢。不僅為承壓類特種設備檢驗檢測增加了檢驗手段，還助推了承壓類特種設備檢驗檢測技術的發展。但就其實際應用狀態來看，環境中存在的其他熱源同樣會對紅外圖像質量產生影響，同時包括大氣傳輸、目標輻射率在內的其他干擾因素也會影響紅外測溫的精度。另一方面，紅外熱成像技術的溫度分辨率及空間分辨率還需要進一步提高，以滿足不斷提升的檢驗檢測作業需求。隨著科技不斷進步，這些問題將隨著信息與數字技術、探測傳感技術的發展得到有效解決。