紅外熱成像技術(shù)在煉油行業(yè)的應(yīng)用

史 強(qiáng)，朱文勝，胡 洋，葛涌濤

(中國(guó)石油化工股份有限公司齊魯分公司，山東 淄博 255434)

1 簡(jiǎn)介

凡是表面溫度大于絕對(duì)零度的物體，其表面都會(huì)輻射出紅外線，根據(jù)物體的溫度、物理性質(zhì)、表面輻射率的不同，其輻射出的紅外線強(qiáng)度、波長(zhǎng)都有很大差異，通常情況下物體表面溫度越高，紅外線輻射強(qiáng)度越大。

隨著紅外檢測(cè)技術(shù)，特別是非制冷焦平面紅外檢測(cè)器的發(fā)展，可同時(shí)檢測(cè)一定范圍內(nèi)物體表面和周圍空間環(huán)境中紅外線的強(qiáng)度，得到該物體表面和周圍空間的紅外特征圖片，再輔以人工色階渲染，即可得到肉眼可見的“紅外熱圖”[1]。

通過紅外熱像圖可以直觀的看到被測(cè)區(qū)域的溫度分布情況，從而分析出該區(qū)域存在的問題。在煉油行業(yè)，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于設(shè)備的腐蝕狀態(tài)評(píng)估、節(jié)能降耗、電氣設(shè)備檢查等領(lǐng)域。

紅外熱像儀可分為手持式紅外熱像儀和在線式紅外熱像儀。手持式熱像儀一般外形小巧，方便攜帶，且配有電池，能夠滿足不同工作場(chǎng)所的需求。優(yōu)秀的在線式熱像儀可以安裝在任何地方，監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備和重要資產(chǎn)。

2 在煉油行業(yè)的應(yīng)用

2.1 設(shè)備腐蝕狀態(tài)評(píng)估

紅外熱成像技術(shù)在輔助定位腐蝕缺陷、評(píng)估設(shè)備腐蝕狀態(tài)、指導(dǎo)腐蝕檢測(cè)和監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用廣泛，是煉油化工企業(yè)腐蝕監(jiān)控的重要手段之一。

2.1.1 帶耐火襯里設(shè)備的監(jiān)控

煉油廠存在大量帶耐火襯里的設(shè)備，如加熱爐、硫黃轉(zhuǎn)化爐、催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)等。以催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)為例，容器外殼材質(zhì)為碳鋼，長(zhǎng)期使用溫度不能超過425℃，而設(shè)備操作溫度在650～750℃，其襯里存在嚴(yán)重的抗沖刷腐蝕。襯里腐蝕嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致容器壁溫過高，不僅造成大量的熱量損失，還會(huì)降低鋼材的機(jī)械性能，導(dǎo)致設(shè)備的失效。

采用紅外熱像儀對(duì)帶耐火襯里的設(shè)備進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)[2]，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備表面的溫度分布狀況，從而判斷襯里是否有缺陷，還可以指導(dǎo)該類設(shè)備的襯里檢修。圖1為某催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)的紅外熱成像圖，從圖中可以看出，該催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)無溫度超標(biāo)區(qū)域，說明內(nèi)襯基本完好。圖2為某硫磺轉(zhuǎn)化爐爐壁的紅外熱成像圖，從圖中可以看出，爐壁有兩處明顯的超溫區(qū)域，表明內(nèi)襯存在破損現(xiàn)象。

2.1.2 加熱爐爐管表面溫度檢測(cè)

加熱爐爐管因操作環(huán)境惡劣，存在高溫氧化、硫化、蠕變、熱沖擊等腐蝕問題，對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行造成影響。由于爐內(nèi)環(huán)境溫度高，對(duì)爐管沒有有效的直接腐蝕測(cè)量手段。采用紅外熱成像技術(shù)，通過加熱爐看火孔對(duì)爐管進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)爐管溫度是否異常，據(jù)此判斷爐管是否存在結(jié)焦或表面溫度過高等問題，并預(yù)估爐管的剩余壽命，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整操作，消除設(shè)備隱患。圖3為某連續(xù)重整加熱爐爐管的紅外熱成像圖，可以看出，爐管溫度分布均勻，爐管上的高溫點(diǎn)可能是氧化物層所致。

圖1 某催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)紅外熱成像Fig.1 Thermograph of Reactor and Regeneration system in FCCU

圖2 某硫磺轉(zhuǎn)化爐爐壁紅外熱成像Fig.2 Thermograph of reformer wall in SRU

圖3 某連續(xù)重整加熱爐爐管紅外熱成像Fig.3 Thermograph of furnace tubes in CCR

2.1.3 空冷器組偏流的監(jiān)控

煉油廠常減壓裝置常減頂系統(tǒng)、加氫裝置反應(yīng)產(chǎn)物流出物系統(tǒng)的空冷器經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏，腐蝕原因與空冷器組的偏流關(guān)系很大。流速高的空冷器存在嚴(yán)重的沖刷腐蝕，流速低的空冷器則存在垢下腐蝕的危險(xiǎn)。使用紅外熱成像技術(shù)，可以直觀的反映出空冷器組中流體的分布狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)流體過度偏流的現(xiàn)象，據(jù)此判斷腐蝕發(fā)生的部位，指導(dǎo)采取相應(yīng)措施避免腐蝕事故的發(fā)生。圖4為某常減壓裝置常頂空冷器組紅外熱成像圖，可以看出空冷器之間存在著較嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象。圖5為某空冷器管束紅外熱成像圖，可以看出部分管束存在著堵塞的跡象。

2.1.4 保溫層下物料輕微泄漏的判斷

無論是保冷還是保溫，在管線和容器的外面都有較厚的保溫層，因此管壁或器壁出現(xiàn)細(xì)小缺陷或裂隙引起的輕微泄漏往往難以察覺。泄漏的物料蓄積于保溫層中，久而久之保溫層中的易燃物料可能誘發(fā)著火事故，而泄漏到保溫層中的蒸汽、水等可形成所謂的“濕保溫”進(jìn)而誘發(fā)嚴(yán)重的管壁或器壁外腐蝕。

泄漏的物料與保溫層接觸后，能夠引起局部溫差，揮發(fā)性物料往往引起局部溫度下降，紅外熱成像儀可以準(zhǔn)確的檢測(cè)到這種溫差，及早作出預(yù)警，指導(dǎo)保溫層拆卸以及對(duì)設(shè)備的進(jìn)一步的檢查。圖6為某塔塔壁保溫的紅外熱成像圖，可以看出，局部區(qū)域存在明顯的溫度低點(diǎn)，應(yīng)盡快拆卸保溫層，對(duì)該區(qū)域設(shè)備進(jìn)行檢查。

圖4 某常減壓裝置常頂空冷器組紅外熱成像Fig.4 Thermograph of air-cooler group of overhead system of atmospheric tower in CDU

圖5 某空冷器管束紅外熱成像Fig.5 Thermograph of tubes of air-cooler

圖6 某塔塔壁保溫紅外熱成像Fig.5 Thermograph of insulation of tower

2.2 節(jié)能降耗

熱力管線特別是長(zhǎng)輸蒸汽管線因保溫破損導(dǎo)致的熱量損失，是企業(yè)蒸汽損耗升高的主要因素之一。以往檢查管線保溫情況往往靠肉眼觀察或點(diǎn)溫計(jì)人工巡查，工作量大且容易出現(xiàn)漏檢情況。紅外熱成像技術(shù)能夠快速有效地進(jìn)行大面積的管線保溫檢查工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)保溫材料的破損部位，指導(dǎo)保溫修復(fù)，降低熱量損失[3]。該方法同樣可以應(yīng)用于需蒸汽伴熱的大型儲(chǔ)罐保溫層的快速檢查。圖7顯示了1.0 MPa蒸汽管線保溫層的紅外熱成像圖，可以看出，在直管段有兩處保溫存在缺陷。圖8顯示了某儲(chǔ)罐保溫的紅外熱成像圖。可以看出此儲(chǔ)罐無明顯缺陷。

圖7 某1.0 MPa蒸汽管線保溫層紅外熱成像Fig.7 Thermograph of insulation of 1.0 MPa steam line

圖8 某儲(chǔ)罐保溫的紅外熱成像Fig.8 Thermograph of insulation of a tank

2.3 電氣設(shè)備的非接觸檢查

在煉油行業(yè)中，變壓器母線排接點(diǎn)溫度是電氣設(shè)備檢查中重要項(xiàng)目，通常操作人員使用紅外點(diǎn)溫儀進(jìn)行近距離檢測(cè)。但該方法容易發(fā)生漏測(cè)，且存在安全隱患。而采用紅外熱成像技術(shù)，僅需拍攝一組圖片即可檢測(cè)所有接點(diǎn)的接觸情況，且無需近距離測(cè)量，確保了檢測(cè)人員的安全[4]。圖9顯示了采用紅外熱成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)的變壓器接觸不良隱患。此外，利用紅外熱圖還可以迅速判定負(fù)荷較高的回路，為進(jìn)一步檢查提供指導(dǎo)，圖10為三相電源的紅外熱成像圖，可以看出此三相電源負(fù)荷不平衡。

圖9 變壓器紅外熱成像Fig.9 Thermograph of transformer

2.4 在其他領(lǐng)域

紅外熱成像技術(shù)在一些非常規(guī)領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了較好的效果，如埋地管線走向判斷、機(jī)械軸承及潤(rùn)滑系統(tǒng)失效分析、儲(chǔ)罐液位確定等。

2.4.1 埋地管線走向判斷

當(dāng)?shù)乇頊囟容^低時(shí)，紅外熱成像圖能夠清晰地展現(xiàn)出埋地管線的走向。實(shí)際應(yīng)用中，冬季氣溫較低時(shí)，紅外熱成像技術(shù)可以檢測(cè)到埋深小于1.5 m的熱力管線和埋深小于0.6 m的新鮮水管線。由于地面建筑變化較大，有些管線走向已不可考。曾采用紅外熱成像技術(shù)判斷一處DN 50 mm非凈化風(fēng)管線的泄漏。耗費(fèi)3 kg高溫蒸汽對(duì)管線進(jìn)行吹掃加熱，6 h后，紅外熱成像圖不僅清晰的顯示出管線走向，還準(zhǔn)確判斷出泄漏發(fā)生的位置。

圖10 三相電源紅外熱成像Fig.10 The thermagraph of a three-phase power unit

2.4.2 機(jī)械軸承及潤(rùn)滑系統(tǒng)失效的檢查

機(jī)械軸承及潤(rùn)滑系統(tǒng)失效早期，失效部件往往出現(xiàn)較大溫升，紅外熱成像技術(shù)與振動(dòng)檢測(cè)相配合，可以直觀的發(fā)現(xiàn)失效部位，并對(duì)維修提供依據(jù)。圖11為某電機(jī)紅外熱成像圖，可以看出電機(jī)前軸承溫升較大，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是缺少潤(rùn)滑脂所致。

2.4.3 儲(chǔ)罐液位檢查

對(duì)于沒有外保溫層的儲(chǔ)罐，當(dāng)儲(chǔ)存熱物流時(shí)，可以采用紅外熱成像技術(shù)判斷儲(chǔ)罐液位高度，或用于判斷液位計(jì)是否失效。圖12為某儲(chǔ)罐紅外熱成像圖，從圖中可以明顯判斷出液位的高度。

圖11 某電機(jī)紅外熱成像Fig.11 The thermograph of a electrical motor

圖12 某儲(chǔ)罐紅外熱成像Fig.12 The thermograph of a tank

3 要注意的幾點(diǎn)問題

(1)采用紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域的表面溫度受很多因素的影響，如被測(cè)物體表面灰塵、日光反射、涂料、表面氧化物等，這些都會(huì)影響紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。

(2)由于各種材料表面的輻射率設(shè)置不同，紅外熱成像測(cè)得的溫度可能與實(shí)際溫度有較大差別，必要時(shí)需配合接觸式點(diǎn)溫儀對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行輻射率校正。

(3)氣候條件如風(fēng)速、煙霧等都會(huì)干擾紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果，尤其是遠(yuǎn)距離檢測(cè)時(shí)得到的紅外圖譜偏差較大。

(4)對(duì)同一部位連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)，機(jī)位與被測(cè)目標(biāo)的輻射角度應(yīng)盡量保持一致，輻射角度差別大于30°時(shí)，可能引起較大誤差。

(5)紅外熱成像檢測(cè)人員需要經(jīng)過培訓(xùn)，并在工作實(shí)踐中積累大量的經(jīng)驗(yàn)，才能正確設(shè)置紅外熱成像儀的參數(shù)，準(zhǔn)確分析紅外熱成像圖譜，以獲得真實(shí)有效的檢測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)束語

紅外熱成像技術(shù)作為一項(xiàng)無損檢測(cè)技術(shù)，在煉油行業(yè)的應(yīng)用不斷得到拓展，不僅被廣泛用于帶襯里設(shè)備的襯里損傷監(jiān)測(cè)、蒸汽管線保溫的熱損失檢測(cè)，還逐漸應(yīng)用到腐蝕監(jiān)控、設(shè)備剩余壽命評(píng)估和預(yù)知性維修等方面。今后應(yīng)進(jìn)一步深入研究影響紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)結(jié)果的因素，不斷提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并研究各種設(shè)備失效與溫度狀態(tài)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，使紅外熱成像技術(shù)成為名符其實(shí)的設(shè)備安全運(yùn)行的保護(hù)神。

[1]李曉剛，付冬梅.紅外熱像檢測(cè)與診斷技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2006:1-6

[2]孫卉.紅外熱像技術(shù)在催化襯里損傷診斷中的應(yīng)用[J].工業(yè)爐 .2011，33(6):28-29.

[3]付冬梅，李曉剛.長(zhǎng)距離管線的紅外熱像檢測(cè)與在線保溫評(píng)估[J]. 激光與紅外，2001，31(2):110-112.

[4]張贏.電力設(shè)備故障的紅外熱成像診斷[J].東北電力技術(shù)，2011，12:33-35.

[5]樂逢寧，蔡靜，馬蘭，等.使用紅外熱像儀應(yīng)注意的問題[J]. 計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30(增刊):100-101.