李鑫

摘 要：文章簡述了紅外熱成像原理和紅外熱像儀的基本使用方法，介紹了在化工裝置中外保溫效果檢測、設(shè)備襯里檢測、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障輔助檢測、電氣設(shè)備檢測等方面的應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)分析了應(yīng)用該技術(shù)需注意的關(guān)鍵點(diǎn)，如發(fā)射率及環(huán)境參數(shù)的正確確定、避免熱源干擾、圖像的分析等。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；紅外熱像儀；無損檢測；化工裝置

化工裝置通常在高溫、高壓及連續(xù)性操作條件下生產(chǎn)運(yùn)行，加之易燃、易爆、有毒、有害的危險(xiǎn)性，保障裝置安全平穩(wěn)可靠運(yùn)行顯得尤為重要。作為無損檢測手段之一的紅外熱成像技術(shù)，因其安全的非接觸式操作方法、效率高、范圍廣、圖像直觀等優(yōu)勢，被高度應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程中的在線監(jiān)測、日常巡檢、定期檢查等。

1 紅外熱成像原理

研究證明，溫度在絕對零度（-273.15℃）以上的任何物體，都會(huì)對外界放出紅外輻射能[1]。紅外熱像儀就是通過接收物體發(fā)射的紅外輻射能，并將輻射能轉(zhuǎn)換成溫度分布場形式的熱像圖體現(xiàn)出來。由斯蒂芬-玻爾茲曼定律演變出非黑體總輻射功率W為：

W=εбT4 （1）

式中，W為非黑體的總輻射功率（W/m2）；ε為物體的發(fā)射率，由物體材質(zhì)及表面狀態(tài)決定，通常經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得；б為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，等于5.67×10-8W/（m2·K4）；T為非黑體的熱力學(xué)溫度（K）。

理論上，通過紅外熱像儀測得的輻射能、材料固有的發(fā)射率參數(shù)，就能計(jì)算出物體的各點(diǎn)的溫度，形成熱像圖。然而，紅外熱像儀接收到的有效輻射不僅僅只有物體自身輻射，還包括周圍環(huán)境的反射輻射、大氣輻射[2]。因此，紅外熱像儀遵循以下公式自動(dòng)對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正補(bǔ)償：

Wtot=ετWobj+（1-ε）τWrefl+（1-τ）Watm （2）

Wtot為熱像儀接收到的全部輻射功率；ετWobj為來自物體的輻射，其中ε是物體的固有發(fā)射率，τ是大氣傳輸率，物體溫度為Tobj；（1-ε）τWrefl為周圍環(huán)境的反射輻射，其中（1-ε）是物體的反射比，周圍環(huán)境的反射溫度為Trefl；（1-τ）Watm為大氣輻射，其中（1-τ）是大氣的輻射率，大氣的溫度為Tatm。

因此，操作人員在實(shí)際使用紅外熱像儀過程中，還需設(shè)置待測物體發(fā)射率ε、相對濕度、大氣溫度Tatm、待測物體距離、周圍環(huán)境的反射溫度Trefl等一系列參數(shù)值，來幫助熱像儀根據(jù)測量值更準(zhǔn)確地計(jì)算出物體實(shí)際溫度值，建立真實(shí)有效的溫度分布熱像圖。

2 紅外熱像儀的使用方法

本文以FLIR T40紅外熱像儀為例，開機(jī)后根據(jù)待測物體現(xiàn)場情況，在熱像儀中設(shè)置當(dāng)前大氣溫度、周圍環(huán)境的反射溫度；在確定好檢測站位后，設(shè)置與物體之間距離參數(shù)；根據(jù)待測物表面材質(zhì)在熱像儀的內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中選取相應(yīng)發(fā)射率。通過調(diào)整鏡頭角度，觀察熱像儀屏幕內(nèi)圖像溫度色譜分布，調(diào)整對焦，拍攝記錄。檢測結(jié)束，通過連接電腦，在配套軟件中查看熱像圖及對應(yīng)的可見光圖，并可通過軟件中的測量工具，獲取圖像中任意點(diǎn)的溫度數(shù)值以及任意區(qū)域的極值。通過觀察與分析，選擇有代表性的熱像圖生成檢測報(bào)告。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 設(shè)備的外保溫效果檢測

在化工裝置中，良好的設(shè)備外保溫效果能減少設(shè)備內(nèi)部熱損失，確保設(shè)備內(nèi)部的反應(yīng)順利進(jìn)行。對于氯堿裝置中的氧氯化反應(yīng)器，如果每個(gè)插入反應(yīng)器內(nèi)部的熱電偶外保溫效果不好，都有可能造成內(nèi)部物料HCl低于露點(diǎn)溫度而產(chǎn)生氯離子，腐蝕設(shè)備本體。使用FLIR T40紅外熱像儀對某廠氧氯化反應(yīng)器上分布的20個(gè)熱電偶保溫效果進(jìn)行定期檢測，可以清楚直觀地看出保溫質(zhì)量。以2014年10月21日的檢測為例，大氣溫度26℃，待測對象表面發(fā)射率為0.92，檢測距離為2m。從圖1的熱像圖中可以看出，在編號(hào)為2213的熱電偶插入口及保溫層與筒體相貫線處溫度值偏高，出現(xiàn)了明顯的漏熱現(xiàn)象，保溫不夠嚴(yán)密。需對檢測出的保溫層有縫隙、薄弱處密封加固，必要時(shí)更換保溫。

3.2 設(shè)備襯里檢測

熱設(shè)備內(nèi)部的非金屬材料襯里一般起著防腐、隔熱、耐磨損的作用。而襯里也會(huì)因高溫、物料沖蝕、設(shè)備長期運(yùn)行而造成局部裂紋、脫落，進(jìn)而損傷設(shè)備本體。使用熱像儀對某廠急冷塔襯里情況進(jìn)行每月1次定期狀態(tài)檢測。急冷塔內(nèi)部砌筑雙層防腐襯磚，厚度145mm，檢測時(shí)大氣溫度26℃，設(shè)備表面發(fā)射率0.95，檢測距離為10m。從圖2急冷塔西北方向中部熱像圖中看到，此位置的表面溫度分布均勻，無明顯溫度過熱區(qū)域，襯里完好。如若熱像圖中發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)高溫區(qū)塊，說明內(nèi)部襯里可能已存在裂紋或脫落，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)或更換襯里。

3.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障輔助檢測

在化工裝置中，通過振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測對旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行故障診斷得到了廣泛的應(yīng)用。在這類設(shè)備中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承等旋轉(zhuǎn)部件由于潤滑不良發(fā)生摩擦，會(huì)造成局部溫度過高。通過紅外熱成像技術(shù)對機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行輔助檢測，無需接觸旋轉(zhuǎn)件，就可安全、直觀地檢測出部件表面溫度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過熱問題，并對旋轉(zhuǎn)件進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。對某廠氯氣壓縮機(jī)的電機(jī)軸承部位進(jìn)行紅外熱像檢測，檢測時(shí)大氣溫度4℃，發(fā)射率0.92，檢測距離3m。由圖3可以看到，測點(diǎn)部位溫度分布均勻，傳熱情況良好，溫度最高值在正常范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，應(yīng)對設(shè)備繼續(xù)追蹤檢測。

3.4 電氣設(shè)備的檢測

導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)熱的故障主要有接頭和線夾接觸不良、導(dǎo)線老化、銅板局部破損減薄等。在對某廠電氣設(shè)備進(jìn)行紅外熱像檢測時(shí)，大氣溫度25℃，發(fā)射率0.95，檢測距離2m，在圖4中，熱點(diǎn)SP2為正常溫度36℃左右，而熱點(diǎn)SP1部位溫度93.4℃，溫差達(dá)56℃。根據(jù)《DL/T664-2008帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，熱點(diǎn)溫度>80℃，屬于嚴(yán)重缺陷。通過分析，熱點(diǎn)SP1位于觸點(diǎn)處，有逐漸溫度傳導(dǎo)過程，應(yīng)為螺栓接觸不良或過緊導(dǎo)致的局部過熱問題，調(diào)整螺栓的緊固程度可以解決問題。

3.5 其他應(yīng)用

使用紅外熱成像技術(shù)對儲(chǔ)罐類設(shè)備的液位進(jìn)行檢測，可以幫助設(shè)備員及時(shí)發(fā)現(xiàn)有故障的液位計(jì)；通過對閥門、管路等掃描，可以對無色無味氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)圖像中溫度變化判斷泄漏情況；對物料流動(dòng)狀態(tài)的檢測，可以根據(jù)溫度場分布觀察管路是否通暢。

4 應(yīng)用中需注意的關(guān)鍵點(diǎn)

紅外熱像儀是對物體發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行測量和成像的，并通過輻射量與溫度之間的函數(shù)關(guān)系來計(jì)算出每點(diǎn)的溫度值[3]。因此函數(shù)關(guān)系中，發(fā)射率、環(huán)境產(chǎn)生的輻射、反射等參數(shù)都影響著計(jì)算結(jié)果。為了精確地完成溫度測量，檢測對象地運(yùn)行狀態(tài)，還需注意以下問題。

4.1 發(fā)射率的確定

發(fā)射率是在相同溫度條件下，實(shí)際物體與黑體輻射出射度的比值，它與物體本身的材質(zhì)和表面性質(zhì)有關(guān)，是熱像儀設(shè)定中的一個(gè)重要參數(shù)[1]。通過熱像儀內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫，可以查到常用材質(zhì)的發(fā)射率。需要驗(yàn)證所選發(fā)射率是否準(zhǔn)確時(shí)，可在待測物體表面貼一片發(fā)射率已知的絕緣膠帶（通常為0.97），靜置一段時(shí)間；待物體溫度基本傳導(dǎo)至絕緣膠帶后，對膠帶位置進(jìn)行紅外拍攝，讀取溫度值；取下膠帶，測量拍攝物體本體，通過更改發(fā)射率，直至讀出與前面溫度相同的值，此時(shí)的發(fā)射率即為物體表面真實(shí)的發(fā)射率。

4.2 環(huán)境參數(shù)的設(shè)置

環(huán)境參數(shù)包括大氣溫度、反射溫度、距離、相對濕度等。

大氣溫度，為熱像儀與目標(biāo)物體之間的空氣溫度；反射溫度，用于補(bǔ)償對象上反射的輻射，當(dāng)發(fā)射率低且待測對象的溫度與其反射的溫度相差很多時(shí)，準(zhǔn)確的設(shè)置就顯得尤為重要；距離，熱像儀與待測對象之間的距離，用于補(bǔ)償來自于待測對象的輻射中被大氣吸收的部分以及大氣自身的輻射；相對濕度，補(bǔ)償空氣相對濕度對輻射傳輸造成的影響。在距離短和正常濕度的情況下，可設(shè)置為50%的默認(rèn)值，并避免在雨天、霧天等濕度較大的天氣進(jìn)行紅外檢測作業(yè)。

4.3 避免熱源干擾

太陽光直射、周圍存在熱源都會(huì)對紅外熱成像檢測的準(zhǔn)確度造成較大影響。應(yīng)盡量選擇陰天作業(yè)或者設(shè)置遮板來避免陽光的干擾。操作人員應(yīng)注意選取適當(dāng)?shù)慕嵌葋肀荛_周圍熱源的影響。

4.4 圖像的分析

對于熱像圖的處理分析，需要結(jié)合檢測人員的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備現(xiàn)場情況及相關(guān)檢測規(guī)范的要求，通過配套軟件進(jìn)行綜合分析，并與歷次存檔記錄進(jìn)行比對，得出診斷結(jié)論及設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。

5 結(jié)束語

在化工裝置中應(yīng)用紅外熱像檢測技術(shù)，可以方便定期對設(shè)備進(jìn)行檢測維護(hù)，迅速直觀地發(fā)現(xiàn)故障位置，防止事故的進(jìn)一步發(fā)展；為及時(shí)了解裝置運(yùn)行狀態(tài)、制定檢維修計(jì)劃提供了可靠的技術(shù)依據(jù)，避免過剩維修。

作為操作者，除了學(xué)會(huì)正確使用紅外熱像儀、設(shè)置相關(guān)參數(shù)、熟悉操作規(guī)范，還應(yīng)在日常檢測中多加觀察，積累對不同設(shè)備的分析診斷經(jīng)驗(yàn)，撰寫出有參考價(jià)值的總結(jié)報(bào)告，才能為生產(chǎn)裝置管理人員提供準(zhǔn)確科學(xué)的技術(shù)信息，為裝置安全運(yùn)行提供保障。

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