基于红外热像技术的过程设备无损检测

肖学文 王亚淑 刘康林

（1.荆门宏图特种飞行器制造有限公司；2.福州大学石油化工学院）

过程设备是能源、化工、制药及轻工等国民经济支柱领域不可或缺的关键设备。 由于过程设备加工处理的气体、 液体和粉体往往具有易燃、易爆，或有毒、冻害的危害，一旦发生破坏事故，可导致环境的污染、资源的浪费，甚至酿成火灾、爆炸或中毒事故。 因此，如何通过无损检测的方法及早发现缺陷或泄漏的存在，对避免事故或减少事故损失有着极其重要的作用。

过程设备的无损检测有超声、射线、声发射、磁粉及红外热像检测等众多方法［1］，其中，红外热像法可有效、简便地测取物体表面温度场，并以红外图像的方式将表面温度信息“固化、储存”起来，具有直观性、全场性及在线性等优点，越来越受到工程界的青睐和重视。 然而，该方法的检测灵敏度和对缺陷的检出率与设备表面状态、拍摄角度及热激励方法等诸多因素有关，如何提高红外热像无损检测技术的精度和可靠性，扩大其检测功能和范围，是该领域长期的热门课题［2］。 为此，笔者根据红外热波的形成和传播原理，探讨提高红外热像无损检测精度的方法。

1 红外热像无损检测及影响因素分析

由热力学原理可知，一切温度高于绝对零度的物体都在不断地以电磁波的形式向外辐射能量［3］，其中，波长在0.76～1000μm 之间的红外光波具有很强的温度效应， 其辐射强度遵循斯蒂芬-波尔兹曼定律。 利用红外探测器、光学成像物镜等器件接收被测目标的红外辐射能量分布场，并反映到红外探测器的光敏元件上，再由探测器将红外辐射能量转换成电信号，经放大处理并转换为标准视频信号，即可在电视屏或监测器上显示被测目标的温度场［4］。也即，利用红外热像仪可使人眼看不到的物体外表面温度分布变成人眼可识别的代表目标表面温度分布的热谱图。 由于设备缺陷或泄漏处的红外光辐射能量与其他地方的不同，因此，使用红外热像仪拍摄被检设备时，通过拍摄到的图像就可以找出温度异常分布的热点或冷点，由此确定缺陷或泄漏的存在。 显然，红外热像检测涉及到红外热波的形成、传播和成像3 个关键环节，热像仪所接收的红外辐射包括目标自身的红外辐射、目标对周围环境的反射辐射和大气的红外辐射3 部分，要得到高质量热像图以获得好的检测效果， 应考虑热激励源、试件表面状况、红外热波传播途径及环境等因素的影响，优化缺陷检测和热像图拍摄的方法［5］。

1.1 热激励源的选择

根据热源的不同，红外热像检测有主动式和被动式之分。 其中，主动红外热像检测法是以外加热源为励源，向被检测物体注入热量，再通过红外热像仪记录不同时刻的温度场信息，根据红外热像图所反映的温度信息来分析判断是否存在质量缺陷［6］。 被动红外热像检测法是在无任何外加热源的情况下，利用被检测物体本身的热辐射来检测缺陷的方法。 也即，当设备内部介质温度与环境温度有明显差异时，设备表面与环境之间的热交换会因缺陷的存在而扰动，且这种扰动是比较稳定的，采用红外热像仪可直接测得缺陷处与非缺陷处的温度差异和缺陷，而无需外加热源［7］。 在用低温/高温容器或管道存在热工缺陷和泄漏时，设备内外温差引起的热流途径缺陷有明显的热流扰动，可通过被动式红外热像法进行检测；无内热源的新设备或停用设备，可采用主动式红外热像法进行检测，如脉冲闪光灯、超声波及电磁感应等激励下的红外热像检测。 应用时须注意各种方法的特点和适用范围，如：高能脉冲闪光灯进行照射的脉冲热波激励法比较成熟，但不能检测距离表面较深的缺陷；超声热激励源可有效检测闭合裂纹类缺陷，但不适于盲孔那样的开放式缺陷的检测； 电磁感应热激励加热速度快，适用范围广，但容易导致缺陷处温度场的均化，检测要求高。

1.2 试件表面的激冷作用

当被测对象处于高温且温度稳定的情况下时，可采用表面冷却法进行检测，如表面喷洒水、酒精及低温氮气等，在喷洒这些介质后，会对工件表面造成冷冲击， 破坏原有的温度平衡状态，加剧缺陷处热流与其周边热流的不一致，使缺陷对热流的影响在工件表面温度场中更清晰地显现出来，提高对缺陷的检出率。 如图1 所示，在钢管试件（内壁有盲孔）受到内部稳定热源加热的状态下，对试件表面喷洒水、酒精和低温氮气进行瞬间冷却，低温氮气冷冲击作用时热像图中的盲孔最清晰， 喷洒酒精时的盲孔图样清晰度次之，喷洒水时盲孔图样很模糊。 不过，由于低温氮气很易飘散，而水蒸发得最慢，因此，喷洒低温氮气时盲孔的图样持续时间最短，喷洒酒精时的次之，喷洒水时的最长［8］。

图1 不同冷却介质的热像图对比

1.3 被测构件表面状况的影响与规避方法

试件表面的红外热像图与试件表面的热发射率密切相关。 同一试件， 表面被不同发射率材料覆盖时， 所得到的热像图会有所不同。 如光亮的金属表面发射率低， 颜色较深的油漆与金属氧化物的发射率较高， 如试件金属表面存在杂质或氧化程度不均匀的氧化层， 即使试件表面温度分布均匀， 但其热像图仍会表现出不均匀状态。 这样，进行缺陷检测时，可能会导致误判。 为此， 测试时可在试件表面刷上一层黑色涂层， 使试件表面热像图能更好地反映试件内部缺陷对热流的扰动情况。 如图2 所示，管道上半部刷上黑色油漆后， 其热像图明显比下半部的均匀。 此外， 涂层还有增大热像图中缺陷处与无缺陷处温度差的作用， 使缺陷显得更为清晰。

图2 表面喷漆处理后的热像图

1.4 热像图的拍摄

为提高检测的效率和可靠性，检测时最好将热像图所拍位置的白光图像拍摄下来（性能较好的热像仪都具有同步拍摄红外图像与白光图像的功能）。图3 为同时拍摄到的一台低温液态CO2储罐端部法兰的实景图和热像图， 从图中可快速、直观地判定储罐封头法兰右下部存在保温层脱落的现象。

图3 CO2 储罐封头处法兰热像图

对于高大的设备，由于测试范围大、距离长，在传输过程中，红外辐射会因大气的吸收和散射作用而产生部分衰减，设备表面细节也难以观察到，测试时除了应选择正确的测试角度外，可考虑将同类型的相邻储罐的热像图同时拍摄下来，以便进行比较判断［9］。 图4 所示为同时拍摄到的两台立式LNG 储罐的热像图（储罐高27m，外直径3m），从图中右边储罐顶部筒体出现的温度异常区域可很快确定此区域保温不好，存在保温层脱落的现象。

图4 LNG 储罐热像图

1.5 热波路径及测试环境的影响

另外需注意的是，由于钢制设备的传热性能比较好，热量传递很快，当缺陷也很小时，在稳定热源加热下缺陷处的温度场很易均化，因而难以拍摄到反映缺陷存在的热像图。 而加大热激励的动态性或突变性（可选择在加热初始的瞬间拍摄热像图） 虽可加剧试件缺陷处的热不平衡性，但因反映缺陷的热像图稍纵即逝，要求热像仪具有高速拍摄与录像功能。 这样，当在限定时段内拍摄热像图后， 可以正常放映速度回放热像图，找到能较好地反映缺陷存在的某瞬间热像图。

2 电脉冲热激励下的红外热像无损检测

红外热像无损检测技术虽具有全场、 快速、直观、适合大面积扫测的优点，但也存在难以检测埋藏缺陷的问题。 解决这一问题，对红外热像无损检测技术的拓展无疑具有重要的实际意义。

脉冲电流通入金属构件中，电流在金属构件的缺陷处会产生集中和绕流，形成电磁热效应和欧姆效应，在非导电的缺陷附近，电能转化成热能，从而使缺陷处温度升高（对裂纹尖端可形成数百上千摄氏度的高温）， 与金属构件的其他区域形成明显温度差，如在放电的同时，利用红外热像仪拍摄设备构件表面温度场，则可得到能清晰反映缺陷信息的热像图。 基于这一想法，筹建了图5 所示的基于电脉冲热激励的红外热像无损检测试验装置，主要由充电单元、控制单元、电容器组、高压开关、试件夹具及红外热像仪拍摄单元等组成。 高压电源的输出电压为1～100kV。

图5 基于电脉冲热激励的红外热像无损检测试验装置

试验所用试件分为板状和半圆管状 （图6），材料为304 不锈钢。 其中，板状试件的长×宽×厚为100mm×26mm×2mm； 半 圆 管 状 试 件 外 径320mm、长120mm、厚2mm。两种试件两端均加工有圆孔，供固定试件和施加电载荷用。 为模拟埋藏裂纹的检测，在两种试件一侧正中间用电火花分别加工出深1mm、 宽0.2mm 的线槽和环向槽，试验时，在电容放电瞬间，拍摄试件未开设线槽板面的热像图，通过回放视频，查找反映缺陷的热像图。 板状试件和半圆管状试件在激励电压为3、5kV 时的热像图如图7、8 所示。 显然，通过电脉冲热激励作用下的红外热像图可直观而清晰地观察到裂纹类缺陷。 而且，放电脉冲电压越高，热像图中的缺陷图样越清晰、亮堂。 由此可见，增大电容的放电电压， 可提高对缺陷的检测效果。不过，从图7、8 也可看出，半圆管状试件的热像图不如板状试件的热像图清晰。 实际上，针对半圆管状试件进行了多次检测试验，所得热像图效果基本都不如板状试件的检测效果。 其原因和针对半圆管状试件的检测工艺尚需进一步研究。

图6 试件实物照片

图7 板状试件的热像图

图8 半圆管状试件的热像图

图9 试件喷漆与未喷漆时的热像图

为提高电脉冲热激励下红外热像法的检测效果，进行了试件表面发射率对检测效果的影响试验。 试验中通过在未加工线槽的试件表面喷涂黑色哑光漆，获得了较好的检测效果。 图9a、b 为施加电压为5kV、裂纹深度为0.8mm 的试件在喷漆前后的热像图，其中喷漆前线槽处的最高温度为26.3℃，喷漆后线槽处的最高温度达39.2℃。从图9 也可直观地观察到，试件喷漆后所获得的热像图中，线槽缺陷处的亮度明显高于未喷漆时线槽缺陷处的亮度。

3 结论

3.1 为得到高质量热像图以获得好的检测效果，应充分考虑热激励源、试件表面状况、红外热波传播途径及环境等因素的影响，优化缺陷检测和热像图拍摄的方法。

3.2 为提高对缺陷的检出率，尤其是对埋藏缺陷的检出率， 应增加热激励源的脉动性或冲击性，以加剧缺陷处热流与其周边热流的不一致，避免温度场的均化，使缺陷对热流的影响能在试件表面温度场中清晰地显现出来。

3.3 在试件表面涂以高热发射率的涂层（如黑色油漆），可减小试件表面状态对热像图的影响，有效提高热像图中缺陷的清晰度。

3.4 在脉冲电流热激励作用下进行的红外热像无损检测可有效实现对钢制试件埋藏缺陷的检测，而且，电容脉冲放电电压越大，缺陷边沿的温度相对附近材料的温度差越大，对缺陷的检测能力越高。