紅外成像技術在真空爐故障檢測中的應用

閆殳裔， 李光耀， 王曉禹

（中國航發北京航空材料研究院， 北京 100095）

引言

真空爐是一種工藝處理設備，廣泛應用于粉末冶金、金屬材料熱處理，能夠提高工件質量[1-2]。真空爐爐內加熱系統可直接用電阻爐絲（如鎢絲）通電加熱，在工作過程中出現故障需要及時排查，以減少損失[3]。真空爐殼用碳鋼或不銹鋼焊成，為防止爐殼受熱后變形和密封材料受熱變質，爐殼一般用水冷或氣冷降溫。在真空爐工作過程中電氣系統和水冷系統容易出現故障，如果不能及時檢測故障，將會影響真空爐的正常工作。

為此，本文根據真空爐故障特點和紅外線技術原理，對真空爐故障進行檢測。

1 紅外成像技術原理及特點

1.1 紅外成像儀的原理

紅外線是一種特殊電磁波，波長在0.78～1 000 μm 之間。自然界的物體均能發射紅外線電磁波，物體發射電磁波的強弱與物體自身的溫度有關，物體的溫度越高，發射紅外輻射的能力就越大。紅外成像技術通過探測器捕捉物體發射的紅外線，從而獲取溫度信息[4]。根據這一原理，過對物體紅外線電磁波的進行探測，并經過信號的轉換，得到溫度圖像，從而實現溫度的檢測，紅外成像測溫原理如圖1 所示。

圖1 紅外成像原理

1.2 紅外成像檢測技術特點

紅外線成像技術檢測比傳統的超聲波檢測定位更精確，穿透力更強[5]。真空爐工作時，使用紅外熱成像儀進行故障檢測，不需要停機或改變真空爐工作參數。紅外成像檢測技術特點如下：

1.2.1 非接觸式檢測保障安全

利用紅外熱成像儀能夠對不宜接觸的物體實現遠距離檢測，具有一定的安全性，避免人為檢測故障時出現受傷等突發情況。

1.2.2 直觀性

紅外成像技術的檢測結果以形象、直觀的二維熱圖像形式呈現，便于維修人員直觀地發現故障原因，有利于故障處理。

1.2.3 精確度高

紅外熱像儀溫度分辨率高，一般達到±2℃或±2%，能夠對設備故障嚴重程度作出判斷，實現精確檢測。紅外線成像檢測結果便于觀察，能夠根據檢測結果修改檢測方案，從而使其精準度得到進一步的提高。

1.2.4 測溫范圍寬

紅外熱成像技術能夠檢測零度以下，千度以上的溫度。測溫范圍廣，能夠滿足不同場合、不同溫度下設備的使用。

1.2.5 響應速度快

紅外線成像檢測具有非常高的檢測速度，由于紅外輻射的傳播速度等于光速，探測器響應時間即接近檢測時間。探測器在幾分鐘甚至幾秒內可實現響應，能夠及時發現故障。

1.2.6 適用場景廣泛

紅外檢測對光線的敏感度低，白天或者黑夜都能進行檢測，使用的場景十分廣泛。不管是液體、固體的溫度，都可以采用紅外成像技術進行檢測。

2 紅外成像故障檢測的應用

憑借紅外成像技術的優點，紅外成像檢測技術能夠用于各種設備的檢測。對于真空爐常見的設備可以進行非接觸無損式檢測，對真空爐發熱問題的定期檢測，及時發現真空爐關鍵系統異常問題。通過檢測，能夠進行有針對性的分析，確保真空爐設備的安全生產和運行。減少因設備故障而導致非計劃性停機，保證正常生產進行，降低設備維護和維修成本。

真空爐作為工業生產關鍵環節的大型設備，如未及時發現故障，造成突發性維修，導致停機費用的產生，不利于生產過程控制和產品質量管理。真空爐主要部件包括真空泵、爐膛、真空壓力計、電氣系統、水冷系統，真空爐主要組成如圖2 所示。

圖2 真空爐主要組成

真空爐設備在出現損壞或功能性故障以前通常以發熱為早期征兆，通過紅外成像檢測技術對設備故障判斷、預知性維修時，能夠降低設備發熱情況，避免設備故障的出現。根據真空爐故障檢測和維修的經驗，電氣系統和水冷系統是出現故障較多的部分，為此，對電氣系統和水冷系統進行紅外成像技術檢測，提高真空爐故障的檢測水平，降低故障發生率。

2.1 電氣系統的檢測

真空爐電氣系統常見的紅外熱像診斷故障包括：連接件電阻高、內部保險絲損壞、連接件被腐蝕、連接不良及內部缺陷等，任何一種故障的出現都會導致設備無法正常運轉。真空爐電氣系統工作環境惡劣，長期伴隨有害氣體，溫度變化等不利因素，需要進行經常檢測，以降低故障的發生，提高真空爐設備的利用率。利用紅外圖像快速定位故障出現的部位，經過準確診斷和及時維修，發現存在的問題，避免因電氣系統過熱導致連接件熔斷，嚴重時發生真空爐火災。

2.2 水冷系統的檢測

熱像圖可顯示真空爐水冷系統溫度分布情況，評估設備整體水冷卻效果，從而快速定位缺陷部位。設備水冷系統各管路溫度代表著設備的冷卻情況，一旦溫度異常不能及時發現，將會帶來不必要的麻煩。水冷系統的異常往往導致真空爐冷卻性能異常，需要及時排查和檢修。

3 真空爐故障檢測實例

根據紅外成像檢測原理和真空爐常見的故障，于2021 年8 月對研究院某型號真空爐電氣系統和水冷系統進行檢測，發現的檢測問題和檢測故障分別為接線端子松動和水冷系統溫度異常。

3.1 接線端子松動導致溫度異常

在電路系統中，接線端子發熱功率與接觸電阻和通過該端子的電流的平方成正比。真空爐正常工作時，這些連接處的電阻處于一個合理的溫度范圍，一般不會影響設備的安全運行。但是當真空爐長期工作，接線端受到外力損傷或由于腐蝕氧化，導致電阻異常，從而出現熱功率增大，溫升異常增加，就會使得接線端子產生缺陷。從紅外檢測的實際案例中，明顯看到溫度異常，根據異常狀況進行細節排查和檢修，發現接線端子出現松動。

3.2 水冷系統溫度異常

在日常巡檢中，發現羅茨泵端蓋溫度異常，經紅外成像技術檢測，發現水冷系統回水溫度異常。檢測成像的結果顯示，真空爐爐蓋、爐體溫度過高。經過快速定位其中水溫異常，發現水冷系統存在故障，及時安排檢修。拆解羅茨泵，發現兩齒輪磨損嚴重，導致羅茨泵端蓋溫度升高，導致冷卻水溫度升高，水冷系統異常。經過檢測表明紅外成像技術能夠及時發現水溫異常，從而進行故障維修。

4 結語

真空爐是一種專業的設備，在工作過程中出現故障將導致工作無法正常運行，嚴重時產生安全問題，為此，需要及時發現真空爐存在的故障，從而進行維修，保證真空爐正常工作。針對真空爐工作過程中容易出現的故障進行分析，根據紅外成像技術檢測原理，開展紅外成像檢測技術檢測真空爐電氣系統和水冷系統的研究。經過實際檢測，證明紅外成像技術能夠用于真空爐的檢測。