化工设备检测中红外热成像技术的应用分析

张立国，赵中艳，王国超

（1.河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450016；2.河南省锅炉压力容器安全检测研究院开封分院；3.开封空分集团有限公司，河南 开封 475001）

红外成像技术是目前化工设备检测中的一项关键技术，一般红外成像技术是对高精度设备进行无损检测，这种技术应用在化工设备检测中，能够提高损伤检测效率，并且减少因为检测对设备产生的损伤。

1 红外热成像技术的相关概述

红外热成像技术是目前为止最优的检测技术手段之一，在设备仪器检测中广泛使用，例如电气设备、化工设备以及精密仪器等，并且在检测过程中由于损伤较少、精密度较高，受到了各设备检测单位的青睐。

1.1 红外热成像技术的涵义

红外热成像技术通常使用红外探测仪器以及显示屏呈现，对需要检测的化工设备进行红外热检测，通过显示红外辐射能量分布情况来确定化工设备的工作情况，可以详细将检测的化工设备红外热辐射能量图在显示器中呈现出来，检测维护人员可以通过显示屏检测其化工设备的运行情况，一旦出现故障，红外热成像异常，可以及时定位故障部位，有效减少故障带来的损失，并且提升检测效率，准确发现情况，及时进行维修，加强工作及时性。

1.2 红外热成像技术的原理

红外热成像技术其实就是利用目前的成像技术，对化工设备进行使用过程中的检测，实际上在使用红外热成像技术时候，主要应用在几个方面：第一个方面，红外热成像技术检测化工设备外表面辐射以及内部消耗散热；第二个方面，可以直接对化工设备装置进行红外热扫描；第三个方面，可以利用红外热成像技术对辐射应力进行分析。通过以上的正确使用，可以提高检测的效率。在研究理论上来讲，所有温度高于绝对零度的物体外表面都会发出红外热辐射能，其中一般红外热辐射的波长为0.76 ～1000μm，根据司特攀博尔兹曼定律，其中关键一条可以得出：物体放射的辐射能量能够与其温度的四次方成正比。所以目前为止利用相应的公式：

公式中W 表示物体外表面单位面积中的辐射能，ξ 表示的是物体外表面的发射率，δ 表示司特攀博尔兹曼常数，T 表示其中的绝对温度。由上述，可以得到利用红外热成像技术探测出物体外表面的辐射能量，就能够计算出物体外表面的温度。红外热成像技术就是利用上述的原理、定律以及相应公式，使用红外热探测装置收集化工设备外表面的辐射能，通过现场安装的热像仪器装置的分析处理软件进行整理、储存、分析数据，最后在屏幕生成具体的检测报告，同时内部处理软件可以储存热像仪器装置的具体数据，可以还原出相应的物体外表面温度分布图，就是热像图，并且提供物体外表面的相应数据可以帮助分析以及使用操作。由于石油化工设备在使用过程中，一旦停产进行检测维护，将对整个企业产生巨大的损失，所以进行检测的时候，温度是最能够直接反应其运行稳定性以及设备整个状态的重要依据。其中包括所有可以使用温度高于绝对零度的物体外表面，红外热成像技术可以使用在整体化工设备检测中，并且能够得到动态变化的过程，能够帮助企业实现动态设备的维护管理。

2 红外热成像技术在化工设备中的应用

2.1 通过物体外表面辐射能和物体内部耗散红外检测

在化工设备中，由于需要各种压力管道以及压力泵进行工作，其内部为了防止腐蚀以及保温隔热的因素，所以在高温设备中装有内衬。一旦压力容器、压力管道内部隔热衬里或保温出现损坏问题，将会出现内壁温度升高，保温材料的性能受损，设备很容易受到高温的影响出现故障。通常对于这种运行的高温设备容器、管道、内衬检测的手段需要定期安排停止化工生产进行维护检修，并且需要打开高温设备容器，进入内部检查内衬，进行修补。所以这种检测维修只是凭借维修工人的仔细检查以及经验进行，具有较大的盲目性。红外热成像技术可以根据设备外表面温度确定辐射能，及时发现辐射异常部位，然后根据异常部位呈现的特征进行分析，检测维修人员可以随时监控，发现故障后可以直接安排停车进行维修，节省筛查以及检测的时间，并且提高筛查的准确性。其中以某化工企业的高温设备容器管道以及内衬为例，进行损伤温度研究。根据该公司实际情况，提出相应的损伤判断标准，作为其他单位的参考依据。通过本单位大量的红外热像图以及高温设备容器、管道以及内衬损伤检测进行对比分析，可以看出不同种类的损伤都有其特色的红外热像图。其中可以进行以下几项判断：当温度不规律散热区出现较为细且长的形状，通常可以判断此部位出现裂缝，并且当外表面温度为中等程度故障的时候，基本可以认定为贯穿性裂缝，当温度为中下程度故障时，可以认定为初始开裂裂缝，进行简单处理即可；当出现片状区域有小面积异常，其平均温度为中下程度，为空洞型故障，片状区域出现严重故障温度时，是内部衬里出现脱落情况，片状区域出现中下故障程度温度，且温度呈现有较小梯度改变，这种情况为减薄问题。整个检测诊断过程中，不需要停止化工设备工作，也不需要人工去进行检测，只需要随时观察显示屏内的温度分布情况，及时有效发现问题，并且比照本公司内的损伤标准，判断其损伤情况，这种快速、高效的动态检测为化工设备维护提供了科学依据。

2.2 通过红外热扫描对被测物体进行检测

红外热扫描与物体外表面辐射能和内部耗散红外检测的不同之处在于一个属于主动式，一个属于被动式。其中物体外表面辐射能和内部耗散红外检测这种被动式红外热成像技术，在国内外已经较为成熟并且被广泛使用，但是红外热扫描尽管在国外已经可以投入实际工作中，在国内还处于研究中尚未投入使用。被动式红外热成像与主动式的区别在于：被动式是依靠被检测的化工设备自身辐射能进行成像，这是因为物体本身能够发热；而主动式是可以通过人为主动对被测的化工设备加入热能然后通过红外探测摄像头进行热扫描检测。这种热扫描检测，可以对化工设备中的玻璃钢制材料以及无机复合材料的内部缺陷进行检测。这种热扫描检测，可以通过两种不同图像特征在红外热像图中呈现出缺陷，这两种分别是：第一种是损伤处的红外辐射能发射率与无缺陷部分不同；另一种是有损伤处外表面与无损伤处持续散热不同。这两种不同导致红外热辐射成像分布不具有规律性，从而在热成像图中分析出损伤情况。在对检测部件注入能量时，经常由于损伤部位传递能量受阻的情况，导致缺陷部位温度在一段时间内低于无损伤部位，但是随着注入能量的不断增加，热像图也随之产生变化，这需要能够在最佳时刻发现问题。尽管利用热扫描检测的试验方法和检出缺陷的原理对化工设备特定部件的缺陷检测有着极为广阔的前景，但是对于最佳时刻的捕捉成为当前国内的阻碍。

2.3 红外辐射应力分析技术在化工设备中的应用

在19 世纪中，劳德·凯文在实验中研究发现物体在受到应力后会发生相应的变化，并且同时会伴随着物体外表面温度的改变，这就导致辐射能会有相应变化。这时候由于红外热发射的辐射能信息与化工设备内部的不可见缺陷、裂缝以及扩展产生的应力，即便化工设备受到应力在屈服极限值以下，化工设备表面温度仍然会与应力有联系。在平常情况下，裂缝薄弱四周处于所受应力集中的部位，在屈服之后由于变形后的发展态势，裂缝薄弱部位四周的应力会得以释放。所以在屈服极限以前，红外热发射信息能够明显体现裂缝薄弱处；屈服以后，由于变形持续发展，会使得红外热辐射能急剧增加。根据相应的红外热发射相关信息的突然改变，可以确定物体内部的裂缝以及薄弱点的扩展规律以及具体位置。并且在化工设备材料屈服极限以前，也可以通过红外热信息判断应力以及缺陷情况。这种远远低于屈服极限下利用红外热像技术来检测应力集中而判定裂缝和危险位置的方式，较其他红外热成像技术更能超前预示问题。

3 结语

对化工企业而言，化工设备是工厂生产的核心，是公司的重要财产，也是企业运营的保障。红外热成像技术在保证化工设备不停止运行的状态下对设备仪器进行检测，所以化工企业应用红外热成像技术具有很强的优势，符合当代企业快节奏的运行基调，帮助详细了解化工设备的准确情况，减少检测过程中对设备的损坏，检测成本较低，有效促使检测人员尽快采取措施进行维护，以上促使红外热成像技术在化工设备检测中的应用。