加热炉衬里损伤的红外热像评定方法研究

潘凤红 陈大为

(1.吉林化工学院机电工程学院；2.华电电力科学研究院)

石化加热炉炉墙通常由耐火层和绝热层组成，其主要作用是保温隔热。在设备运行过程中，由于各种原因可能会出现衬里减薄及脱落等缺陷[1]，使其保温隔热作用降低，这不仅会增加炉子能耗、减少企业经济效益，而且还关系到设备能否安全、稳定地运行。过去石化企业通常采用定期停产检修的方法来保证加热炉安全、经济地运行。

近年来，随着红外热成像技术的发展，红外热像仪以其测量速度快、灵敏度高及范围广等优点，被广泛应用于热设备表面温度的在线测量，从而实现设备保温状态的快速评估[2]。通常在利用红外热像仪等设备获取热设备外表面的温度后，可按照损伤经验等级法对设备的衬里损伤程度进行评定[3～5]。但由于石化加热炉一般都是露天布置，加热炉外表面温度受环境因素影响，使损伤程度判定不准确。特别是东北等高寒地区四季温度变化较大，如果忽略环境因素的影响，对衬里损伤程度判定的误差更大。

笔者在依据现有衬里损伤程度判据的基础上，利用红外热像仪对加热炉表面温度测量后，对衬里损伤程度进行判定。同时，针对环境温度变化造成判定不准确的问题，提出了温度修正方案，将各种环境温度下的评定结果转换成基准环境温度下的判定值，在保证评定结果准确的同时，为比较评定结果提供通用性依据标准。

1 炉墙外壁温度数学模型

石化加热炉是以燃料在炉膛燃烧产生的高温烟气加热物料的，在加热物料的同时，燃料燃烧产生的高温烟气也会通过炉墙向周围环境传递热量，其热量传递过程如图1所示。

图1 通过炉墙的传热过程示意图

根据上述传热过程，可将平壁炉墙内的温度分布采用导热微分方程描述：

(1)

式中c——炉墙材料的比热容；

λ——炉墙材料的热导率；

ρ——炉墙材料密度；

当设备稳定运行时，可认为炉墙内的热传导为一维稳态无内热源的热传导，控制方程为：

(2)

同时，内、外表面的边界条件分别为：

(3)

(4)

式中hi——炉内烟气与内表面间的复合传热表面传热系数，包含了辐射传热因素在内的对流传热系数；

ho——外环境与炉墙外表面间的复合传热系数；

tfi、tfo——炉内烟气和炉外空气的温度；

twi、two——炉墙内、外表面温度。

由于圆筒形热设备的衬里厚度远小于设备直径，因此将圆筒炉墙当作平壁炉墙处理[6]，则炉墙外表面温度的计算式为：

(5)

2 损伤评定方法

为了说明外壁温度、环境温度和衬里厚度三者之间的关系，以某石化加热炉为例进行分析、计算，绘制几种典型环境温度下外壁温度与衬里厚度之间的关系曲线(图2)。

图2 外壁温度与衬里厚度的关系曲线

由图2可知：随着衬里厚度的减小，外壁温度逐渐升高；衬里厚度相同时，外壁温度随环境温度的增大而增大。因此，在建立设备外壁温度与衬里损伤程度之间关系时，必须考虑环境温度的影响。令：

(6)

式中k——环境温度的修正系数，表示环境温度对设备外表面温度的影响程度。

设环境基准温度为t0，则：

tw=two+k(t0-tfo)

(7)

可通过式(7)将在任意环境温度tfo下测得的外壁面温度two转化成基准温度t0下的外壁温度值。

通过上述分析，可在基准环境温度下分别计算各种典型损伤(无衬里损伤及部分损伤等)的设备外壁温度及其范围，并根据损伤情况和外壁温度范围将设备衬里损伤划分为不同的等级，形成基准环境温度下的损伤情况分类等级表。进行损伤情况评定时，通过红外热像仪获取设备表面温度后，根据当时的环境温度tfo通过式(7)修正后即可获得基准环境温度下的外壁温度。因此无需针对不同环境温度标定各自的损伤情况分类等级表，为检修评定人员提供损伤情况分类标准，只需温度修正就可以快速判定热设备的衬里损伤区域及其损伤程度。

3 方案应用

以某石化加热炉对流段侧墙为例进行等级计算。该设备炉墙衬里由厚度δ1=160mm的陶瓷纤维模块和厚度δ2=60mm的轻质耐火浇注料组成，外侧有厚度为δ3=6mm的钢板以维持加热炉墙的整体性。同时针对该设备特征，标定出20℃基准环境温度下衬里损伤程度分类等级(表1)。

表1 20℃环境温度下衬里损伤程度分类等级表

为了验证笔者提出的损伤判定方案，分别于2013年5月和11月对加热炉对流段侧墙异常点进行了两次跟踪监测，监测的红外热像图如图3所示，其中5月监测的实时环境温度为14.6℃，炉墙外表面平均温度为84.8℃；11月份监测的实时环境温度为-7.4℃，炉墙外表面平均温度为64.3℃。

a. 5月份

b. 11月份

若不考虑两次测量的环境温度，仅依据红外热像仪测量的炉墙外壁温度查表后判定衬里损伤程度，将得到两种不同的损伤判定结果，影响工作人员对炉墙保温情况的正确判断。

根据式(6)计算得到环境温度修正系数k=0.96，根据式(7)对两次测量的外壁温度进行修正，从而得到20℃基准环境温度下的炉墙外壁温度，即：t5=84.8+0.96×(20-14.6)=90.0℃；t11=64.3+0.96×(20+7.4)=90.6℃。

修正后，两次测量的加热炉外表面温度偏差小于1℃，完全满足精度要求。根据修正后的外壁温度，异常点的两次温度检测情况均判定为中下程度损伤，因此该方案判定结果准确，检修人员应在适当时机对其进行检修和维护。

4 结束语

笔者在分析热设备衬里损伤判定的工作原理后，建立了热设备外壁温度数学模型。针对设备结构进行了外壁温度和衬里厚度的关系曲线绘制，分析了环境温度对衬里损伤情况判定的影响，并提出了外壁温度测量值的修正方法。最后在某石化加热炉上进行了实验测试，结果表明：温度修正方法可将各种环境温度下的外壁温度和衬里厚度关系标定在基准环境温度下，温度修正误差小，可准确判定热设备衬里损伤程度，为企业快速、准确地判定衬里损伤位置和程度提供可靠依据。

[1] 李晓芹，周敏良.Shell煤气化炉反应段耐火衬里损伤脱落原因分析及处理措施[J].化肥工业，2011，38(3)：47～48.

[2] 孙卉.红外热像技术在催化衬里损伤诊断中的应用[J].工业炉，2011，33(6)：28～29，38.

[3] 杨体绍，欧阳琦，聂向晖，等.加热炉衬里损伤的红外热像检测[J].河南冶金，2004，12(2)：19～21，29.

[4] 周建龙，程学群，胡洋，等.加热炉炉墙衬里损伤的红外热像监测与评估[J].红外技术，2008，30 (10)：595～598.

[5] 李明，李晓刚，付冬梅，等.炼油厂加热炉热效率综合测定技术[J].石油化工腐蚀与防护，2003，20 (5)：6～11.

[6] 金光熙，徐丹，潘凤红，等.红外热像技术在石化热设备热损检测上的应用[J].红外技术，2009，31 (11)：668～670.