紅外成像技術(shù)在供熱管道漏水檢測中的應(yīng)用

劉保生，劉宇翔，丁克峰

(1.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051； 2.中國社會科學院大學政府管理學院，北京 102488)

1 前 言

近年來，許多城市地區(qū)的冬季供暖問題暴露凸顯，供熱資源浪費現(xiàn)象嚴重，這不僅大大降低了廣大人民的生活質(zhì)量和幸福感，也容易激發(fā)社會矛盾、引發(fā)群體對立。長期以來，城鄉(xiāng)居民、物業(yè)管理者、供暖公司之間的對立沖突現(xiàn)象在各地也屢有發(fā)生，最后往往要依靠當?shù)氐纳鐓^(qū)自組織甚至是上級政府出面解決，這顯然增加了自治組織的管理壓力以及政府組織的行政效能。要想從源頭上解決這一問題，就要從技術(shù)層面尋求多方保障，以更多的、更高效的、更節(jié)約的手段去處理。經(jīng)筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，管道漏水這一問題長期困擾著供熱企業(yè)，供熱管道漏水不僅造成水資源(特別是軟化水)的浪費，水處理成本和耗電量增加，加速設(shè)備老化，企業(yè)供熱成本上升，無法保障用戶正常供熱，還存在巨大的安全隱患，甚至可能造成路面塌陷、人員及財產(chǎn)的損失，危害巨大。筆者針對熱力管道的特點，運用漏水聲波探測技術(shù)，結(jié)合紅外成像技術(shù)以及防腐保溫層檢測技術(shù)，在北京、天津、太原等多地進行實驗調(diào)研，對于目標問題的結(jié)局取得了預(yù)期效果，得到了用戶的認可與肯定。

供熱管道漏水檢測方法包括巡檢法、流量法(流量比對與水量失衡判別)、壓力法(壓力異常)、聲波法、內(nèi)窺檢測法(CCTV法)、氣體示蹤法、紅外測溫法和熱力管道防腐保溫層破損檢測等。近年來隨著城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用普及，監(jiān)控系統(tǒng)也會提供一定的輔助作用。本文只對紅外測溫技術(shù)在供熱管道檢漏的運用加以敘述。

2 紅外熱成像技術(shù)供熱管道漏水檢測工作原理

我們知道，任何物體只要它的溫度高于絕對零度(-273.15℃)，就有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠堋６矬w的溫度在 1 000℃以下的，其熱輻射中最強的電磁波是紅外波。紅外熱像儀是一種成像測溫裝置，是利用目標與周圍環(huán)境之間由于溫度與發(fā)射率的差異所產(chǎn)生的熱對比度不同，而把紅外輻射能量密度分布圖顯示出來，成為“熱像”。由《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》CJJ34-2010適用范圍我們知道，城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)一般為“供熱熱水介質(zhì)設(shè)計壓力小于或等于 2.5 MPa，設(shè)計溫度小于或等于200℃；供熱蒸汽介質(zhì)設(shè)計壓力小于或等于 1.6 MPa，設(shè)計溫度小于或等于350℃。其中熱水熱力網(wǎng)，以熱電廠或大型區(qū)域鍋爐房為熱源時，設(shè)計供水溫度可取110℃～150℃，回水溫度不應(yīng)高于70℃。”當供熱管道發(fā)生漏水時，會使漏水點上方地表與周圍地表環(huán)境產(chǎn)生一定的溫度差異，利用紅外熱成像儀對溫度顯示和圖像顯示雙重效果來定位溫度異常點，然后再利用其他輔助手段進行確認，判定是否由于漏水引起。通過大量收集溫度異常數(shù)據(jù)和圖像，排除假異常，我們就可以利用紅外成像儀進行熱力管道的漏水檢測。

3 紅外熱成像儀儀器設(shè)備及其影響因素

目前國內(nèi)市場品牌較多，其中進口的有：美國菲力爾(FLIR)、美國福祿克(Fluke)、德國德圖(Testo)、法國C.A.、日本NEC等；國產(chǎn)的有：浙江大立、武漢高德(GUIDE)、廣州颯特(SAT)等。熱成像儀一般具有實時提供可見光圖像與紅外(偽)彩色圖像，顯示探測結(jié)果；成像精度高，高靈敏度，多點測溫與高低溫自動捕捉功能，分析功能強大，儀器直接顯示點、線、面溫度分析結(jié)果，PC卡貯存信息，容量大，圖像不易丟失，非常方便工程使用。當然，儀器使用過程中需做好防塵、防潮、抗電磁干擾等維護工作。

對于紅外熱像儀來說，影響熱像儀結(jié)果的參數(shù)主要有距離、輻射率、環(huán)境溫度和濕度等。其中，距離的選擇可參考物體的尺寸和測量距離的關(guān)系式：D/L≥3θ。其中，D為被測物尺寸，L為測量距離，θ為空間分辨率。

4 紅外熱成像儀供熱管道漏水檢測工作方法

首先，我們需要收集供熱運行、管網(wǎng)資料等資料。其次，進行方法試驗和環(huán)境調(diào)查。再有，開展紅外熱成像檢測普查工作。

4.1 工作時間

宜選取晚間22：00～次日1：00；可根據(jù)具體情況，具體調(diào)整。

4.2 工作內(nèi)容劃分

(1)沿目標管道上方測量地表紅外異常；

(2)設(shè)定屏幕視場為前方5 m～6 m；

(3)以四點測溫為基本方式，即SP1、SP2、SP3和最大值方式。前三點測溫成直線或?qū)蔷€排列，使點1在視場中間，這樣比較容易定位最高溫點；

(4)設(shè)置選項中其他選項中的自動調(diào)節(jié)和連續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)定為全部調(diào)節(jié)(在白天最好這樣設(shè)置)，夜間最好還是把自動調(diào)節(jié)設(shè)為無，把連續(xù)調(diào)解設(shè)為窗口中值(因為冬季夜間地表溫差不大)。啟動激光定位模式；

(5)以閥栓聽音為主要輔助手段；(一般情況下，壓力在 3 kg/cm2以上。)

(6)發(fā)現(xiàn)周圍介質(zhì)紅外異常后，首先拍攝異常區(qū)的圖片，同時拍攝周圍環(huán)境無地表異常區(qū)域的圖片，其次現(xiàn)場觀察是否是由于地表自身原因引起的紅外異常；

(7)在進行普查過程和拍攝圖片時一定要根據(jù)當時環(huán)境溫度設(shè)定紅外熱成像儀的環(huán)境溫度值；

(8)在拍攝完圖片后及時做記錄，使圖片和現(xiàn)場情況一一對應(yīng)；

(9)在紅外異常區(qū)找到最高溫點做一標記，換個時間段進行復(fù)測。

4.3 注意事項

(1)不要用成像儀直接對太陽、焊槍或其他超高溫目標進行檢測；

(2)不要測量超過設(shè)定溫度范圍的高溫目標物；

(3)當打開熱成像儀，儲存第一幅溫譜圖前，請等待一定時間，確認紅外成像儀溫度穩(wěn)定；

(4)設(shè)備在某種特殊條件下，對靜電敏感。

4.4 紅外異常分類

紅外成像異常可分為地表異常、管道異常、管道附屬物異常、各種井蓋異常、其他異常等幾類。下面是這幾類紅外異常圖。

圖1 供熱管道紅外異常圖

4.5 異常確認工作

工作內(nèi)容包括：

(1)對紅外異常點在不同的時間段進行復(fù)測，看是否與上次紅外異常位置一致。溫度變化情況，無論再有無異常都需拍攝圖片；

(2)當有溫度異常時需使用管線儀進行管道探測，把管道埋深作為重點記錄，如果能看到主管道也要對管道做好記錄；

(3)對紅外異常(特別是地表異常)進行確認工作。確認方法包括閥栓聽音、地面聽音、相關(guān)檢測等方法手段；

(4)打孔確認，當紅外異常在管道正上方時只需在管道正上方打孔，最好兩條管道都能打到；當異常位置不在管道正上方時，還需對紅外異常最高溫點進行打孔確認是否有水。

需要注意的是紅外熱像異常無法確定供水或回水異常，確認時需分別確認。另外，紅外熱像異常不一定在管道上方，需在異常及管道上同時做確認工作。最后，完成漏點修復(fù)、復(fù)測及報告提交等工作。

5 案例分析

我們以廊坊供熱紅外普查項目為例進行案例分析。本次工程共檢測熱力管線 57 km，發(fā)現(xiàn)紅外異常共15處，經(jīng)確認，其中5處漏水(其中之一為自來水管道漏水)，5處為保溫層破壞，2處為熱力管道彎頭變淺引起(彎頭處保溫做得不好)，1處為地下有井蓋但地表看不出來，1處為地下有管溝。由此，不難看出，紅外成像技術(shù)在供熱管道漏水檢測中較為適用，效果良好。

5.1 紅外熱像資料分析

圖2異常為集寧里小區(qū)35號樓附近漏水，管道埋深為 60 cm。經(jīng)確認漏水點位置和紅外異常無誤差，為P01位置，地表溫度為-3.84℃，與其他背景存在明顯溫度差。

圖2 漏水引起的紅外熱像異常

圖3異常為迎春小區(qū)6號樓對面，異常呈長條狀分布，且與管道走向一致。經(jīng)確認，熱力井蓋和管線儀檢測管道顯示管道埋深為 10 cm，且路面和閥門并無漏水聲音，斷定管道保溫層破損引起。

圖3 保溫層破損引起的異常

另外，還有其他幾種異常：

圖4廊坊政協(xié)院內(nèi)紅外異常，異常呈規(guī)則等寬條狀分布。經(jīng)確認和環(huán)境調(diào)查，為埋深較淺的供熱管溝，且管道沒有漏水，保溫層破損。

圖4 管溝引起的異常

圖5異常在花園樓供熱站對面小區(qū)內(nèi)。經(jīng)過打孔確認，發(fā)現(xiàn)溫水，而供熱管道保溫層破損，但沒有漏水；又進一步工作后，確認為自來水管道漏水。因為供水管道正好位于供熱管道正上方 15 cm處，管道漏水使水溫升高，溫度達到了21℃，從而造成紅外異常。

圖5 供水管道漏水引起的異常

5.2 熱力管道漏水點開挖驗證

(1)供水溫度60℃，回水溫度47℃，水壓 0.4 MPa，DN150鋼管，埋深 0.3 m，漏水量0.2 m3/h。

圖6 開挖驗證點1

(2)供水溫度80℃，回水溫度50℃，水壓 0.5 MPa，DN300鋼管，埋深 0.5 m，漏水量 0.3 m3/h。

圖7 開挖驗證點2

6 總 結(jié)

熱成像測溫技術(shù)具有操作簡單、測溫速度快、測溫面積大、測溫分辨率高和非接觸的特點，檢測效率高，日探測長度是地面聽音的3倍～4倍，紅外異常直觀，且一次檢測可發(fā)現(xiàn)多個異常，是供熱管道漏水檢測技術(shù)重要手段。但是，假異常較多(主要為管道保溫層破損以及伸縮節(jié)引起)，紅外溫度異常與真正漏水點位置可能存在一定的偏差。此外，因為大埋深、管溝敷設(shè)等因素沒有引起地表溫度變化的漏水目前還無法發(fā)現(xiàn)；同時受物體表面發(fā)射率、反射率(或吸收率)、環(huán)境溫度、大氣溫度、測量距離和大氣衰減等因素的干擾影響較大。

隨著工程實踐的增多，經(jīng)驗的積累，并結(jié)合聲波法、防腐保溫層檢測等多種技術(shù)，紅外熱成像供熱管道檢測技術(shù)的現(xiàn)實意義是巨大而深遠的，在預(yù)防階段我們可以通過該技術(shù)日常對相關(guān)的管道進行檢查和觀測，對于哪些細小甚微的問題可以及時發(fā)現(xiàn)并處理，極大地提高了效率節(jié)省了后續(xù)的維修和沖突成本；另一方面當明顯的漏水漏熱問題發(fā)生后，維修人員也可有的放矢，對已發(fā)生的問題進行點對點式解決，這對提高城鄉(xiāng)居民滿意度有著重要意義。