红外热成像技术在特种设备检验中的应用

曹亚旭

（安徽省特种设备检测院，安徽合肥 230000）

0 引言

通常状态下任何的物体，不论其温度高低都会向周围发射或吸收热辐射。其热辐射强弱与物体材质、形状、化学与物理特性有关，还与波长、温度有关。红外热成像技术就通过这一事实依据来实现的。借助仪器设备测量物体表面温度场呈现颜色不同的轮廓区域，从而使人们直观地看到物体表面的热量分布情况。红外热成像技术可作为设备材料缺陷，结构不合理导致应力集中等方面的检测方法。该技术相较于四大常规检测手段的优点，使其适用范围更广。但由于检测精度等问题，红外热成像技术并没有形成相应标准作为检验依据。当前仅有一部仪器标准GB/T 38238—2019《无损检测仪器 红外热成像 系统与设备性能 描述》、一部术语标准GB/T 12604.9—2008《无损检测 术语红外检测》、一部应用标准GB/T 8174—2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》中4.1.4 提及该技术。

1 红外热成像技术在承压类特种设备检验中的应用

1.1 大型储罐的液位检测

在工业生产中，使用大型储存式容器对工业产品或原料进行储存，这些存储的介质往往具有一定的挥发性，如液化石油气等。因此这类容器通常会加装安全防护装置——液位计以防止空罐或满罐的情况发生。这类容器多处于室外环境，液位计难免会出现故障可能导致空罐或者满罐是生产工作突然中断或造成储罐介质的溢出事故。根据储罐内液位线两侧液相空间与气相空间存在的温度差异，通过红外热成像仪可以从外部直接检测出液位线的位置。这样可以帮助工作人员及时发现液位计是否发生故障，从而确保设备的安全运行。

1.2 高温容器耐热村里破损及容器、管道内部腐蚀情况的检测

在煤化工企业中，许多容器处在高温高压条件下运行。例如，高温汽化炉作为煤制气装置的关键设备，为保证反应正常进行同时避免容器壳体在高温状态下与介质直接接触，容器内部会增加隔热内衬材料，但内衬材料长期受到高温、高压、高流速介质的冲刷容易发生磨损或破损：若内衬局部发生破损脱落的情况，则内部高温介质直接冲刷容器壳体，温度升高；若内衬因磨损热阻值R 减小，容器壳体相应位置温度升高。以内衬局部磨损情况建立相关传热模型（图1）及外壁表面温度分布图（图2），高温汽化炉反应室一般由耐热耐磨层、隔热层、金属外壁3个部分组成[1]。其中，H1为耐热耐磨层厚度，H2为隔热层厚度，H3为容器壳体厚度，q为热流密度，t内为容器内部温度t外为容器外壁温度，△t 为温度差值。

通过红外热成像急速可以快速找出故障位置。对于衬里磨损的情况一般可以采用热传导基本定律（傅里叶定律）[1]进行计算评估。找出了故障位置，再根据计算评估的结果采取相应的处理措施使设备可以安全运行至计划检修时间，从而避免临时停车检查造成的损失。红外热成像技术同样适用于容器、管道内部局部腐蚀、腐蚀凹坑的检测。

图1 传热模型

图2 金属外壁温度分布

1.3 低温容器局部“跑冷”情况的检测

按照绝热方式，低温容器分为高真空绝热、真空粉末绝热和多层缠绕绝热3 种：高真空绝热应用较少；真空粉末绝热一般采用膨胀珍珠岩作为绝热材料；多层缠绕绝热一般采用导热系数小，放气率低的纤维布、纤维纸作为绝热材料。低温容器运行过程的绝热性能一般由检验人员利用真空计等仪器连接容器外部的真空规管测出的真空度数值判断。由于结构原因，大型立式真空粉末低温容器上部夹层粉末绝热材料易沉降，导致容器上部发生局部“跑冷”现象。通过红外热成像技术检验，人员在地面就可以迅速检测出容器上部的“跑冷”位置和大体面积，从而避免登高作业。对于无外接真空规管的低温容器，如低温泵池等，在日蒸发率测量的同时，通过红外热成像技术检测是否存在严重“跑冷”现象。红外热成像技术在辅助检验低温容器方面有很大的作用。

1.4 管道保温层破损情况的检测

大型化工企业，厂内管线具有种类繁多、错横交错等特点。这些管线的外部保温因长期暴露在室外环境，易发生破损、脱落的情况。当管线某处保温发生破损或脱落时，管线外壁温度升高。巡检员在地面上利用红外热成像仪器就可以快速发现保温破损位置，从而避免管线的热量损失。

1.5 设备焊缝应力集中情况的检测

设备发生应力腐蚀开裂的3 个因素[2]——拉应力、相对应的腐蚀介质和材料应力腐蚀的敏感性，因此焊缝应力集中的区域应是检验的重点部位。焊缝本身存在的一些缺陷，如气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹、咬边等，都有可能造成应力集中的情况。设备在运行的过程中，常规的检测手段往往无法对100%或者大比例的焊缝进行检验。依据金属固体材料的热弹性效应[3]，即物体在弹性范围内发生形变时伴有温度改变的效应，通过对容器在允许工作压力下逐步升压的方式，利用红外热成像技术可以快速、非接触式的发现设备应力集中严重部位，为检验人员确定检验重点部位提供参考。

2 结束语

在承压类特种设备检验检测中，红外热成像技术有它独特的优势，但受其检测精确度和可靠性的影响，当前主要作为辅助检验的一种手段。红外热成像技术应具备对缺陷定性、定量能力的方向发展。对缺陷和故障反馈的红外信号更精准的数值化处理、标准操作规范的形成、相应评价标准的建立以及设备高度集成便携，将会对红外热成像技术的广泛应用产生影响。