紅外熱成像技術(shù)在化工設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用及發(fā)展

李丹嵩

上海焦化有限公司 （上海 200241）

紅外熱成像技術(shù)在化工設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用及發(fā)展

李丹嵩

上海焦化有限公司 （上海 200241）

紅外熱成像技術(shù)是一種新型的無損檢測(cè)技術(shù)，具有許多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)紅外熱成像技術(shù)和熱像儀的構(gòu)造、功能及測(cè)試方法進(jìn)行了介紹。同時(shí)通過物體表面輻射、物體內(nèi)部熱耗散、紅外熱掃描、紅外輻射應(yīng)力分析技術(shù)（SPATE）等幾個(gè)方面就紅外熱成像技術(shù)在化工設(shè)備中的應(yīng)用及發(fā)展前景進(jìn)行了分析和介紹。

紅外熱成像技術(shù) 熱像儀 紅外無損檢測(cè) 化工設(shè)備

1 紅外熱成像技術(shù)、熱像儀簡(jiǎn)介及應(yīng)用意義

1.1 紅外熱成像技術(shù)的研究意義

眾所周知，熱交換有三種形式：熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)。接觸形式的測(cè)溫工具是通過熱傳導(dǎo)的形式進(jìn)行工作的，而非接觸式的測(cè)溫儀器則是通過測(cè)量物體的熱輻射而進(jìn)行測(cè)溫。熱像儀是屬于后者的一種測(cè)溫儀器。1800年英國的W.Herschel首先發(fā)現(xiàn)了不可見光紅外線。本世紀(jì)初，Planck在其黑體輻射理論和Planck定律中闡述了溫度與紅外輻射間的關(guān)系[1]。理論上任何高于絕對(duì)零度的物體表面都會(huì)發(fā)射紅外輻射能，紅外輻射的波長(zhǎng)范圍一般為0.76～1 000 μm。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，物體發(fā)射的輻射能量與其溫度的四次方成正比，即：

其中，W為物體單位面積的總輻射能（W/m2）；ε為物理表面的發(fā)射率；δ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)；T為物理的絕對(duì)溫度（K）[2]。因此可以得出結(jié)論，只要用一個(gè)紅外探測(cè)器或傳感器探出物體的輻射能量，并知道物體的發(fā)射率，就可能計(jì)算出物體的溫度。而物體的發(fā)射率是物體本身的固有特性，故由發(fā)射能就可得知該物體的表面溫度。

紅外熱成像技術(shù)就是通過上述原理，利用紅外探測(cè)器等接收物體表面的輻射能，通過熱像儀安裝的內(nèi)部分析軟件，存儲(chǔ)和分析熱圖像并生成專業(yè)報(bào)告，通過軟件對(duì)存儲(chǔ)在熱像儀中的圖像的發(fā)射率、反射溫度補(bǔ)償、中間值、增益以及調(diào)色板等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)也可將圖像上的溫度分布圖（即熱像圖）等參數(shù)下載到電腦中進(jìn)行操作和分析。在此以FLUKE公司的TI系列熱像儀作為對(duì)象，較詳細(xì)地介紹熱像儀的工作過程、結(jié)構(gòu)以及功能。圖1是Ti系列熱像儀的測(cè)試方法工作圖。

熱像儀通過攝像機(jī)鏡頭“指向-聚焦-發(fā)射光束”操作接收一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外線，并按紅外線輻射能的大小轉(zhuǎn)換外信號(hào)輸入處理器中，通過軟件的分析成像，在顯示器上呈現(xiàn)物體表面溫度的分布圖。在30℃時(shí)，熱靈敏度≤0.1℃，量程范圍視不同型號(hào)而定，通常在-20～350℃。通過內(nèi)部安裝的inside IR軟件還能對(duì)收集的信號(hào)進(jìn)行分析，呈現(xiàn)溫度點(diǎn)、柱狀圖、等溫線等特征。同時(shí)在圖像上任意地方進(jìn)行框選，被選區(qū)域即時(shí)顯示該區(qū)域的極值溫度（最大值、最小值）和平均值，亦可生成報(bào)表或輸出圖片[3]。

通過與計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的紅外線成像技術(shù)，將物體的紅外輻射圖像轉(zhuǎn)化為直觀的可見圖像，具有非接觸、全場(chǎng)、實(shí)時(shí)以及形象直觀等特點(diǎn)。對(duì)于大型設(shè)備的檢測(cè)、維護(hù)及前期管理有著重大的意義。

設(shè)備的前期管理是以設(shè)備壽命周期費(fèi)用最經(jīng)濟(jì)為理論依據(jù)的。設(shè)備狀態(tài)好壞直接影響產(chǎn)量、質(zhì)量、交貨期、成本、利潤等重要因素，因此使設(shè)備處于精良的技術(shù)狀態(tài)，充分發(fā)揮設(shè)備的綜合效能，消除設(shè)備的缺陷，杜絕事故的發(fā)生，降低故障停機(jī)，減少故障損失，降低維修費(fèi)用，提高設(shè)備的可利用率是非常必要的[4]。而在設(shè)備的維護(hù)過程中，動(dòng)態(tài)檢測(cè)有著舉足輕重的作用，這里討論的紅外熱像測(cè)量?jī)x即為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一種主要手段。

對(duì)于大多數(shù)石油化工設(shè)備，溫度是反映其運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備本身的一項(xiàng)重要參數(shù)，因此在所有包含有熱過程的領(lǐng)域，熱成像技術(shù)是一種理想的無損檢測(cè)工具，并且在壓力容器、壓力管道、電機(jī)、軸承、電氣柜等在線檢測(cè)和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了一定作用。上海焦化有限公司為一大型煤化工企業(yè)，故設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)有著至關(guān)重要的作用，而紅外熱成像技術(shù)為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了有效的手段，故在該公司設(shè)備動(dòng)態(tài)管理中起了一定作用。

1.2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

紅外無損檢測(cè)分為被動(dòng)式（如熱成像方法）和主動(dòng)式（如熱掃描方法）。其中被動(dòng)式無論在國外還是國內(nèi)均已被廣泛應(yīng)用，但是作為熱掃描的主動(dòng)方式，國外雖已被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)的應(yīng)用卻還不普及。被動(dòng)式是利用被測(cè)物體或者材料自身的熱輻射來進(jìn)行熱成像，如上海焦化有限公司的各個(gè)實(shí)例，均是設(shè)備本身發(fā)熱，均屬于被動(dòng)式。而主動(dòng)式則是人為的對(duì)被測(cè)物體或材料注入恒定熱量利用熱像儀進(jìn)行熱掃描檢測(cè)。

2 紅外檢測(cè)的原理及應(yīng)用

2.1 通過物體表面輻射和物體內(nèi)部耗散來進(jìn)行紅外檢測(cè)

2.1.1 壓力容器及管道內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測(cè)及性能評(píng)估

在煤化工裝置中，許多壓力容器和壓力管道為避免腐蝕和隔熱等原因在其內(nèi)部裝有內(nèi)襯。如果這些內(nèi)襯、內(nèi)部管道或設(shè)備有損壞的話，將導(dǎo)致壁溫升高和材料的性能下降，成為設(shè)備隱患。通常對(duì)于運(yùn)行中設(shè)備內(nèi)襯的檢修方法是按周期安排停車檢修，之后開釜開罐拆除內(nèi)件以檢查襯里的損傷程度，再予以修復(fù)。因此檢修工作的盲目性較大，經(jīng)常造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。更為嚴(yán)重的是只有在停車檢查后才能知道內(nèi)襯的損壞程度，若在損壞造成后果后才停車，將造成惡劣的設(shè)備事故，故通常很難及時(shí)地排除設(shè)備隱患。如果能通過檢測(cè)器壁外的表面溫度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常高溫區(qū)，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施就可以避免事故發(fā)生和確保安全運(yùn)行。紅外熱成像技術(shù)可以為化工設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和性能狀態(tài)評(píng)估提供了一種有效的方法。圖2、3為上海焦化有限公司氣體分公司某裝置換熱器的可見光參考圖以及熱象圖。

測(cè)量的環(huán)境溫度為22℃，熱象儀型號(hào)Ti 25，在環(huán)境條件為室內(nèi)、無陽光直射、風(fēng)速小的情況下，發(fā)射率為0.95，圖上P0部位為正常溫度值94.7℃，P1部位為溫度異常部位最高溫度32.3℃。該部分面積低于正常值，溫度差接近60℃。造成局部溫度過低的原因可能是換熱器該部位的列管堵塞，造成部分溫度值低?？刹扇〉拇胧椋和＼嚈z修時(shí)對(duì)該部位予以及時(shí)清洗或更換相應(yīng)列管；為確保該換熱器長(zhǎng)期正常工作，建議定期對(duì)該部位進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有上述異常情況，在最近的檢修時(shí)段內(nèi)予以維護(hù)。

對(duì)于容器類的反應(yīng)器，可結(jié)合熱像圖和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)容器可能出現(xiàn)的熱故障類型進(jìn)行分析并建立與熱像圖之間的聯(lián)系。一般冷壁加內(nèi)襯的反應(yīng)器熱故障有三類：（1）不銹鋼內(nèi)襯有裂紋；（2）隔熱層減薄，存在微裂紋及有沖刷孔洞；（3）隔熱層有穿透性裂紋。

為了更定量地了解設(shè)備襯里損傷程度和為修復(fù)工作提供更精確數(shù)據(jù)，對(duì)襯里損傷程度或參與襯里厚度計(jì)算和評(píng)估就有著重要的意義。一般可以采用熱傳導(dǎo)的基本定律即傅里葉定律對(duì)襯里壁厚進(jìn)行計(jì)算[5]。對(duì)于由幾層襯里組成的平板的穩(wěn)定傳熱過程有：

由公式可見，利用紅外熱成像技術(shù)不僅可以通過熱像圖定性地分析襯里是否損壞，亦可利用傳熱學(xué)理論結(jié)合設(shè)備工藝條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)一些熱過程的殘余厚度作進(jìn)一步的分析和計(jì)算，為容器內(nèi)部檢修提供了科學(xué)依據(jù)。

2.1.2 外保溫層及類似情況檢測(cè)

熱成像技術(shù)也廣泛應(yīng)用于具有保溫層的容器及管道，對(duì)于化工單位，通常都具有熱管線縱橫交錯(cuò)、分布繁多的特點(diǎn)，許多管線由于外壁保溫層年久失修，造成保溫材料的破損及脫落，管線外壁溫度也隨之增高，造成較大的熱損失。采用紅外熱像儀可及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞情況以及具體損壞溫度失常的位置。

2.1.3 容器液位及管道異常檢測(cè)

對(duì)于某些容器需要測(cè)定其液位及沉積物情況，使用紅外熱成像技術(shù)可直觀的顯示。儲(chǔ)罐可見光參考圖與紅外熱像圖分別見圖4和圖5。

由儲(chǔ)罐可見光參考圖和紅外熱像圖可見，該圖像測(cè)量的環(huán)境溫度為22℃，熱象儀型號(hào)Ti 25，在環(huán)境條件無陽光直射，風(fēng)速小的情況下，發(fā)射率為0.95，P0部位為15℃，P1部位為25.4℃。儲(chǔ)罐內(nèi)存儲(chǔ)的液體本身與上部氣體有溫度差，或由于液體的揮發(fā)使上部氣液混相結(jié)合罐內(nèi)壓力導(dǎo)致溫差，這些溫差傳遞到儲(chǔ)罐外殼，就可以使用紅外熱像儀在儲(chǔ)罐外部拍攝到液位線。雖然儲(chǔ)罐有液位計(jì)對(duì)液位進(jìn)行控制，但液位計(jì)的失靈會(huì)導(dǎo)致空罐和滿罐，使生產(chǎn)突然中斷或造成儲(chǔ)罐溢出事故，造成巨大損失；而使用紅外熱像儀可以直接在外表面拍攝出液位線，幫助設(shè)備維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)有故障的液位計(jì)。圖6為某管道連接處的熱像分析圖。測(cè)量的環(huán)境溫度為22℃，熱象儀型號(hào)Ti 25，在環(huán)境條件無陽光直射，風(fēng)速小的情況下，發(fā)射率為0.95，P0部位為正常溫度部位，溫度值27.8℃，P1部位為異常處，溫度超過正常范圍，達(dá)95.6℃。產(chǎn)生異常溫度的管道處于與法蘭焊接處及彎管處，管道外表面最大溫差近68℃。造成如此大溫度差異的可能情況是由于管壁磨損變薄或焊接質(zhì)量不好導(dǎo)致熱量異常外泄，若不及時(shí)維護(hù)，可能會(huì)造成管道泄漏。為避免在生產(chǎn)中造成事故，可在停檢時(shí)對(duì)該部位進(jìn)行超聲波測(cè)厚或進(jìn)行更換。

2.1.4 其他應(yīng)用

除了對(duì)壓力容器、管道、設(shè)備內(nèi)部檢測(cè)及其設(shè)備異常情況的檢測(cè)外，通過紅外熱像儀還能進(jìn)行其他的熱像分析。

下面介紹一電氣開關(guān)柜的檢測(cè)分析實(shí)例，圖7為電氣開關(guān)柜熱像分析圖。

電氣開關(guān)柜的測(cè)量的環(huán)境溫度為22℃，熱象儀型號(hào)Ti 25，在環(huán)境條件無陽光直射，風(fēng)速小的情況下，發(fā)射率為0.95，P0部位為正常溫度部位，溫度值21.7℃，P1部位為異常處，溫度超過正常范圍，達(dá)45.3℃。造成溫度超常的部位為中間相觸點(diǎn)，與其他兩相相比，最高溫差近23℃。經(jīng)過分析，造成溫度差異的原因可能是中間相觸點(diǎn)接觸不良或是螺栓過緊，如果是三相不平衡或過載，中間相會(huì)整體發(fā)熱異常。而現(xiàn)在是從觸點(diǎn)處有逐步溫度傳導(dǎo)過程，應(yīng)該是觸點(diǎn)接觸問題?？蓪?duì)該部位上緊螺栓或松動(dòng)螺栓，如仍無法解決問題，可停機(jī)進(jìn)行維護(hù)。

通過以上各實(shí)例分析，可以看出利用紅外熱成像技術(shù)通過物體表面輻射和物體內(nèi)部熱耗散，可以較精確地測(cè)取三維物體的表面溫度分布，進(jìn)而結(jié)合數(shù)值分析獲得內(nèi)部溫度的三位分布。針對(duì)不同的情況和設(shè)備具體分析，可較直觀地得出故障的發(fā)生點(diǎn)和產(chǎn)生故障可能存在的原因。這對(duì)于熱應(yīng)力、熱疲勞、材料熱特性、摩擦熱、壓鑄加工瞬態(tài)熱變化等研究具有重要的意義。對(duì)于設(shè)備維護(hù)檢修具有重要作用。因此，紅外熱成像技術(shù)在化工設(shè)備的維護(hù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 通過紅外熱掃描對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)

紅外無損檢測(cè)分為被動(dòng)式（如熱成像方法）和主動(dòng)式（如熱掃描方法）。其中被動(dòng)式無論在國外還是國內(nèi)均已廣泛應(yīng)用，但是作為熱掃描的主動(dòng)方式，國外雖已廣泛應(yīng)用，國內(nèi)的應(yīng)用卻還不普及。被動(dòng)式是利用被測(cè)物體或者材料自身的熱輻射來進(jìn)行熱成像，如以上的各個(gè)實(shí)例，均是設(shè)備本身發(fā)熱，均屬于被動(dòng)式。而主動(dòng)式則是人為地對(duì)被測(cè)物體或材料注入恒定熱量利用熱像儀進(jìn)行熱掃描檢測(cè)。

利用紅外熱掃描方式對(duì)玻璃鋼板材的內(nèi)部缺陷（因內(nèi)部脫膠造成的空氣夾層）、對(duì)碳基復(fù)合材料內(nèi)部缺陷及軸承滾子表面裂紋和軸表面缺陷內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。

對(duì)表面裂紋的檢測(cè)，是通過兩個(gè)方面在熱像圖中區(qū)別出缺陷。一是有缺陷處的紅外輻射發(fā)射率與無缺陷處不同；二是有缺陷和無缺陷處的表面散熱不同，導(dǎo)致溫度不一致。這兩個(gè)因素使紅外熱輻射的分布不連續(xù)，從而在熱像圖中分析出缺陷。

對(duì)于工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)是通過給被測(cè)工件注入恒定熱量時(shí)，由于有缺陷處傳熱受阻，導(dǎo)熱在某一時(shí)刻有缺陷的部位溫度會(huì)低于無缺陷處，從而在熱掃描過程中隨著注入熱像圖的逐漸變化，在某一最佳時(shí)刻發(fā)現(xiàn)缺陷所在部位。

因此，利用主動(dòng)式熱掃描方式的試驗(yàn)方法和檢出缺陷的原理對(duì)設(shè)備部件的缺陷檢測(cè)有著深刻的意義和應(yīng)用前景。

2.3 紅外輻射應(yīng)力分析技術(shù)（SPATE）在化工設(shè)備中的應(yīng)用

1853年Lord Kelvin發(fā)現(xiàn)物體在受力過程中應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，將伴隨物體表面溫度的變化，即伴隨紅外發(fā)射行徑的存在和變化。而這種紅外發(fā)射信息的存在及變化是與該材料內(nèi)部的缺陷、裂紋和擴(kuò)展發(fā)生的應(yīng)力分布密切相關(guān)的。即使材料的受力程度處于其屈服極限以下，材料表面溫度也與其所受應(yīng)力大小有關(guān)系。

一般來說材料在屈服前，裂紋周圍處于應(yīng)力集中危險(xiǎn)部位，在屈服后由于塑性變形的發(fā)展，裂紋附近的應(yīng)力得以釋放。因此在屈服前，紅外冷發(fā)射信息明顯地集中在缺陷周圍；屈服后，由于塑性變形的發(fā)展，會(huì)使紅外熱發(fā)射劇增。根據(jù)紅外冷發(fā)射和紅外熱發(fā)射信息的突變可測(cè)量裂紋的擴(kuò)展規(guī)律和位置。而且即便在材料屈服前，也可以根據(jù)紅外冷發(fā)射信息實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的應(yīng)力分析和缺陷檢測(cè)。這種遠(yuǎn)低于彈性極限下利用紅外熱像技術(shù)來測(cè)量應(yīng)力集中而判定缺陷和危險(xiǎn)位置的方法較聲發(fā)射技術(shù)更能超前預(yù)示缺陷的存在，而且更加直觀。

但SPATE技術(shù)要求熱成像系統(tǒng)有很高的溫度分辨率和空間分辨率。隨著光電技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，能滿足這一要求的熱像儀也隨之誕生。如英國的SPATE-8000熱像儀的溫度分辨率大于0.01℃，空間分辨率達(dá)1 mm，可以測(cè)出鋼中1 N/(mm)2的應(yīng)力變化[8]。

SPATE技術(shù)被國際公認(rèn)為一種很有價(jià)值的檢測(cè)和研究工具。很多文獻(xiàn)都對(duì)SPATE技術(shù)進(jìn)行過介紹。例如高溫?cái)嗔蚜W(xué)，用紅外熱成像技術(shù)可有效地檢測(cè)帶裂紋試件上的高溫應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而對(duì)裂紋擴(kuò)展估計(jì)、選擇構(gòu)件安全溫度場(chǎng)、計(jì)算最大允許疲勞壽命等具有十分重要的意義。

3 熱成像無損檢測(cè)技術(shù)的研究方向

綜上所述，紅外熱成像技術(shù)有很多其他無損檢測(cè)方法不具備的優(yōu)點(diǎn)，但是在檢測(cè)過程中如何解決自然環(huán)境、大氣傳輸和目標(biāo)輻射率對(duì)紅外熱成像儀測(cè)溫精度的干擾，提高系統(tǒng)的溫度分辨率和空間分辨率等方面仍要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

當(dāng)利用紅外熱像儀進(jìn)行輻射應(yīng)力分析和缺陷檢測(cè)時(shí)，由于在材料屈服前，熱彈性紅外冷發(fā)射信息明顯集中在缺陷周圍，能夠直觀地顯現(xiàn)出危險(xiǎn)部位。但目前這方面的工作還基于實(shí)驗(yàn)室階段，如何克服現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的干擾，也是SPATE技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)的日益發(fā)展，其在紅外無損檢測(cè)中的應(yīng)用也將成為今后國際上新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的主要領(lǐng)域。

（略）

TG115.25

李丹嵩 女 1983年生 工程師 上海交通大學(xué)工程碩士在讀

2010年2月