红外热成像技术在特种承压设备检验中的应用

惠志全 罗健刚 杨俊强

（广州特种承压设备检测研究院 广州 510663）

特种设备是指对人身和财产安全有较大危险性的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施等[1]。按照特种设备的工作模式又可以分为承压类及机电类两大类。特种承压设备往往伴随着高温或者低温，高压的工作环境，设备外表也通常覆盖保温层。传统的检验技术对温度的使用范围较小，通常要求设备停机并拆除局部保温层进行抽查检测，无法对设备进行整体的运行状况的判断，停机检测也大大增加了企业的检测成本。而利用红外热成像技术可以对在役设备外表的整体温度分布数据进行采集，具有测温准确、非接触、测温距离远等优点[2]，并通过测得的热图像特征对设备是否正常运转进行判断。本文对特种承压设备中常见的锅炉、压力容器、压力管道如何运用红外热成像检测技术检验进行分析。

1 红外热成像技术的基本原理

红外热成像检测的基本原理是捕捉待检测设备发出的红外辐射，并形成可见的图像，物体温度越高，红外辐射量越大。不同的温度、不同的物体辐射的红外线的强度不同。红外热成像技术就是将红外图像转换成辐射图像并从中反映出物体不同部位温度值的技术。其成像的基本原理如图1所示，待测物体（A)辐射的红外能量，经光学镜片（B)聚焦于探测器（C)上，并引起光电反应，电子装置（D)读取该反应，从而将热信号转换成电子图像（E)，并显示在屏幕上[3]。

设备的红外辐射承载着设备的信息，通过将获取的红外热成像图与标准规定的设备允许的运行温度范围或者设备正常的运行温度范围进行比较可以分析出设备运行的状态，从而判断设备是否出现故障及出现故障的部位。

图1 红外热成像技术原理

2 红外热成像技术在特种承压设备检测中的应用

2.1 红外热成像技术在锅炉检测中的应用

锅炉是可以将化学能转变成热能，在工业中得到广泛应用，同时锅炉在使用过程中承受压力和温度，是一种能源消耗大具有较高危险的特种设备。按照加热的载体通常可分为蒸汽锅炉及有机热载体锅炉。锅炉能源消耗巨大，运用红外热成像技术可以对锅炉整体的温度分布进行直观的观察，如图2（a）可以看出锅炉局部保温不良，大量的热能被浪费掉，可以有针对性地对保温不良的地方进行修补。图2（b）为有机热载体锅炉高位槽热成像图，高位槽表面最高温度已经达到150.2℃，远远超过规范中建议的不超过70℃，高位槽中有机热载体温度过高将加速有机热载体与空气接触时老化的速度，使有机热载体性能变差，降低有机热载体锅炉热效率并带来安全隐患。图2（c）为锅炉循环泵红外热成像图，锅炉循环泵温度偏高，可能存在事故隐患。

图2 红外热成像技术在锅炉检测中的应用

2.2 红外热成像技术在压力容器检测中的应用

压力容器作为储存、反应及热交换的设备，按使用温度可分为低温容器、常温容器及高温容器。可以利用红外热成像技术检测设备温度的分布情况进而确认设备的运行情况。图3（a）用红外热成像技术检测分汽缸的疏水阀是否正常工作，正常工作的蒸汽疏水阀，其蒸汽一侧的温度应该高于冷凝一侧的温度，该图中的情况正是如此；图3（b）为某大型立式液化天然气贮罐，顶部局部温度偏低，说明容器可能存在保冷不良，珠光砂下沉现象[4]，这将影响容器内介质的贮存；图3（c）为通过温度来判断大型储罐的液位水平[5]。

图3 红外热成像技术在压力容器检测中的应用

2.3 红外热成像技术在压力管道检测中的应用

压力管道作为输送工艺介质及热量的重要媒介，通过判断管道温度分布状况，可以检测出管道的运行状况。图4（a）看出管道膨胀节温度偏高，会浪费大量的能源；图4（b）为拆除保温情况下管道表面的温度分布，文献[6]研究了管道温度表面分布与内部缺陷的关系，认为管道表面温度偏高的区域内部可能存在管壁减薄性缺陷，在壁厚抽查及无损检测环节应重点关注；图4（c）为通过温度的差异来检测复杂系统管线的工艺流程，判别不同管线的运行参数，对管线进行划分。

图4 红外热成像技术在压力管道检测中的应用

3 红外热成像技术使用的注意事项

作为一种先进的检测技术，红外热成像技术的应用给特种承压设备的检测带来了极大的便利。但检测分析的基础是确保检测数据的准确，影响测温准确与否主要取决于四个因素[7]包括物体表面发射率、大气衰减、环境及测温距离。在实际的检测中，尽量选择空气清新的少尘或无尘的环境下进行，让环境温度与目标物体的温度差别尽量大，检测的距离尽量短，而影响最大的则是物体表面发射率的影响。以不锈钢水杯内装75℃热水为检测对象进行试验，不锈钢水杯外侧分别贴有红色和黑色的电工胶带，日光图见图5（a），红外热成像图见图5（b），采用接触法直接测得不锈钢水杯表面温度为74.7℃。可见，贴有电工胶带的部位可以准确地测出物体表面的温度，而在采用同一发射率进行测试的情况下，直接测试不锈钢表面的温度与实际温度值偏差较大。因此，在实际的检测过程中，对外表面为不锈钢、包有铝箔等表面反射及辐射率差别较大的材料检测前应进行辐射率的标定。辐射率标定的具体方法为：1）将胶带贴在被测物体表面，充分预热；2）调整热像仪辐射率，直至无胶带表面温度与有胶带的表面温度相同；3）此时的辐射率即为目标物体的辐射率。通过对检测环境的选择、距离的控制及待测物体辐射率的修正可以将测量的结果控制在较高的精度范围内，并以此检测结果作为分析判断的基准，对设备及其运行状况进行进一步的分析。

图5 红外热成像检测温度试验

4 结论

红外热成像技术具有很多其他无损检测技术不具备的优点，利用红外热成像技术的优势可以提高特种承压设备的检测效率，通过图像处理诊断出设备的故障隐患，及时采取相应的措施排除故障，避免事故的发生，对确保特种承压设备的安全和经济运行具有重要的意义，但在检测过程中应熟悉设备的使用原理及方法，按照正确的操作步骤进行，确保检测数据的准确性。

[1]中华人民共和国特种设备安全法[S].

[2]林群武. 红外热成像技术在电力系统设备故障检测中的应用研究[D]. 合肥：安徽理工大学，2016.

[3]丁德武，申屠灵女，邹兵，等. 红外热成像技术在石化装置泄漏隐患检测中的应用[J]. 安全、健康和环境，2015，15（12）：17-20.

[4]劳英杰. 红外热成像技术在低温绝热压力容器定期检验中的应用[J]. 化学工程与装备，2012， 20（08）：176-178.

[5]史强，朱文胜，胡洋. 红外热成像技术在炼油行业的应用[J]. 石油化工腐蚀与防护，2012，30（01）：55-60.

[6]赵烨,方正中,李霞. 在用压力管道检测中红外热成像技术的应用[J]. 管道技术与设备，2008， 23（05）：25-27.

[7]张杰. 红外热成像测温技术及其应用研究[D]. 成都：电子科技大学，2011.