張立國,趙中艷,王國超
(1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院,河南 鄭州 450016;2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院開封分院;3.開封空分集團(tuán)有限公司,河南 開封 475001)
紅外成像技術(shù)是目前化工設(shè)備檢測(cè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),一般紅外成像技術(shù)是對(duì)高精度設(shè)備進(jìn)行無損檢測(cè),這種技術(shù)應(yīng)用在化工設(shè)備檢測(cè)中,能夠提高損傷檢測(cè)效率,并且減少因?yàn)闄z測(cè)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的損傷。
紅外熱成像技術(shù)是目前為止最優(yōu)的檢測(cè)技術(shù)手段之一,在設(shè)備儀器檢測(cè)中廣泛使用,例如電氣設(shè)備、化工設(shè)備以及精密儀器等,并且在檢測(cè)過程中由于損傷較少、精密度較高,受到了各設(shè)備檢測(cè)單位的青睞。
紅外熱成像技術(shù)通常使用紅外探測(cè)儀器以及顯示屏呈現(xiàn),對(duì)需要檢測(cè)的化工設(shè)備進(jìn)行紅外熱檢測(cè),通過顯示紅外輻射能量分布情況來確定化工設(shè)備的工作情況,可以詳細(xì)將檢測(cè)的化工設(shè)備紅外熱輻射能量圖在顯示器中呈現(xiàn)出來,檢測(cè)維護(hù)人員可以通過顯示屏檢測(cè)其化工設(shè)備的運(yùn)行情況,一旦出現(xiàn)故障,紅外熱成像異常,可以及時(shí)定位故障部位,有效減少故障帶來的損失,并且提升檢測(cè)效率,準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)情況,及時(shí)進(jìn)行維修,加強(qiáng)工作及時(shí)性。
紅外熱成像技術(shù)其實(shí)就是利用目前的成像技術(shù),對(duì)化工設(shè)備進(jìn)行使用過程中的檢測(cè),實(shí)際上在使用紅外熱成像技術(shù)時(shí)候,主要應(yīng)用在幾個(gè)方面:第一個(gè)方面,紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)化工設(shè)備外表面輻射以及內(nèi)部消耗散熱;第二個(gè)方面,可以直接對(duì)化工設(shè)備裝置進(jìn)行紅外熱掃描;第三個(gè)方面,可以利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)輻射應(yīng)力進(jìn)行分析。通過以上的正確使用,可以提高檢測(cè)的效率。在研究理論上來講,所有溫度高于絕對(duì)零度的物體外表面都會(huì)發(fā)出紅外熱輻射能,其中一般紅外熱輻射的波長為0.76 ~1000μm,根據(jù)司特攀博爾茲曼定律,其中關(guān)鍵一條可以得出:物體放射的輻射能量能夠與其溫度的四次方成正比。所以目前為止利用相應(yīng)的公式:
公式中W 表示物體外表面單位面積中的輻射能,ξ 表示的是物體外表面的發(fā)射率,δ 表示司特攀博爾茲曼常數(shù),T 表示其中的絕對(duì)溫度。由上述,可以得到利用紅外熱成像技術(shù)探測(cè)出物體外表面的輻射能量,就能夠計(jì)算出物體外表面的溫度。紅外熱成像技術(shù)就是利用上述的原理、定律以及相應(yīng)公式,使用紅外熱探測(cè)裝置收集化工設(shè)備外表面的輻射能,通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的熱像儀器裝置的分析處理軟件進(jìn)行整理、儲(chǔ)存、分析數(shù)據(jù),最后在屏幕生成具體的檢測(cè)報(bào)告,同時(shí)內(nèi)部處理軟件可以儲(chǔ)存熱像儀器裝置的具體數(shù)據(jù),可以還原出相應(yīng)的物體外表面溫度分布圖,就是熱像圖,并且提供物體外表面的相應(yīng)數(shù)據(jù)可以幫助分析以及使用操作。由于石油化工設(shè)備在使用過程中,一旦停產(chǎn)進(jìn)行檢測(cè)維護(hù),將對(duì)整個(gè)企業(yè)產(chǎn)生巨大的損失,所以進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候,溫度是最能夠直接反應(yīng)其運(yùn)行穩(wěn)定性以及設(shè)備整個(gè)狀態(tài)的重要依據(jù)。其中包括所有可以使用溫度高于絕對(duì)零度的物體外表面,紅外熱成像技術(shù)可以使用在整體化工設(shè)備檢測(cè)中,并且能夠得到動(dòng)態(tài)變化的過程,能夠幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)備的維護(hù)管理。
在化工設(shè)備中,由于需要各種壓力管道以及壓力泵進(jìn)行工作,其內(nèi)部為了防止腐蝕以及保溫隔熱的因素,所以在高溫設(shè)備中裝有內(nèi)襯。一旦壓力容器、壓力管道內(nèi)部隔熱襯里或保溫出現(xiàn)損壞問題,將會(huì)出現(xiàn)內(nèi)壁溫度升高,保溫材料的性能受損,設(shè)備很容易受到高溫的影響出現(xiàn)故障。通常對(duì)于這種運(yùn)行的高溫設(shè)備容器、管道、內(nèi)襯檢測(cè)的手段需要定期安排停止化工生產(chǎn)進(jìn)行維護(hù)檢修,并且需要打開高溫設(shè)備容器,進(jìn)入內(nèi)部檢查內(nèi)襯,進(jìn)行修補(bǔ)。所以這種檢測(cè)維修只是憑借維修工人的仔細(xì)檢查以及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,具有較大的盲目性。紅外熱成像技術(shù)可以根據(jù)設(shè)備外表面溫度確定輻射能,及時(shí)發(fā)現(xiàn)輻射異常部位,然后根據(jù)異常部位呈現(xiàn)的特征進(jìn)行分析,檢測(cè)維修人員可以隨時(shí)監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)故障后可以直接安排停車進(jìn)行維修,節(jié)省篩查以及檢測(cè)的時(shí)間,并且提高篩查的準(zhǔn)確性。其中以某化工企業(yè)的高溫設(shè)備容器管道以及內(nèi)襯為例,進(jìn)行損傷溫度研究。根據(jù)該公司實(shí)際情況,提出相應(yīng)的損傷判斷標(biāo)準(zhǔn),作為其他單位的參考依據(jù)。通過本單位大量的紅外熱像圖以及高溫設(shè)備容器、管道以及內(nèi)襯損傷檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析,可以看出不同種類的損傷都有其特色的紅外熱像圖。其中可以進(jìn)行以下幾項(xiàng)判斷:當(dāng)溫度不規(guī)律散熱區(qū)出現(xiàn)較為細(xì)且長的形狀,通常可以判斷此部位出現(xiàn)裂縫,并且當(dāng)外表面溫度為中等程度故障的時(shí)候,基本可以認(rèn)定為貫穿性裂縫,當(dāng)溫度為中下程度故障時(shí),可以認(rèn)定為初始開裂裂縫,進(jìn)行簡單處理即可;當(dāng)出現(xiàn)片狀區(qū)域有小面積異常,其平均溫度為中下程度,為空洞型故障,片狀區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重故障溫度時(shí),是內(nèi)部襯里出現(xiàn)脫落情況,片狀區(qū)域出現(xiàn)中下故障程度溫度,且溫度呈現(xiàn)有較小梯度改變,這種情況為減薄問題。整個(gè)檢測(cè)診斷過程中,不需要停止化工設(shè)備工作,也不需要人工去進(jìn)行檢測(cè),只需要隨時(shí)觀察顯示屏內(nèi)的溫度分布情況,及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)問題,并且比照本公司內(nèi)的損傷標(biāo)準(zhǔn),判斷其損傷情況,這種快速、高效的動(dòng)態(tài)檢測(cè)為化工設(shè)備維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。
紅外熱掃描與物體外表面輻射能和內(nèi)部耗散紅外檢測(cè)的不同之處在于一個(gè)屬于主動(dòng)式,一個(gè)屬于被動(dòng)式。其中物體外表面輻射能和內(nèi)部耗散紅外檢測(cè)這種被動(dòng)式紅外熱成像技術(shù),在國內(nèi)外已經(jīng)較為成熟并且被廣泛使用,但是紅外熱掃描盡管在國外已經(jīng)可以投入實(shí)際工作中,在國內(nèi)還處于研究中尚未投入使用。被動(dòng)式紅外熱成像與主動(dòng)式的區(qū)別在于:被動(dòng)式是依靠被檢測(cè)的化工設(shè)備自身輻射能進(jìn)行成像,這是因?yàn)槲矬w本身能夠發(fā)熱;而主動(dòng)式是可以通過人為主動(dòng)對(duì)被測(cè)的化工設(shè)備加入熱能然后通過紅外探測(cè)攝像頭進(jìn)行熱掃描檢測(cè)。這種熱掃描檢測(cè),可以對(duì)化工設(shè)備中的玻璃鋼制材料以及無機(jī)復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。這種熱掃描檢測(cè),可以通過兩種不同圖像特征在紅外熱像圖中呈現(xiàn)出缺陷,這兩種分別是:第一種是損傷處的紅外輻射能發(fā)射率與無缺陷部分不同;另一種是有損傷處外表面與無損傷處持續(xù)散熱不同。這兩種不同導(dǎo)致紅外熱輻射成像分布不具有規(guī)律性,從而在熱成像圖中分析出損傷情況。在對(duì)檢測(cè)部件注入能量時(shí),經(jīng)常由于損傷部位傳遞能量受阻的情況,導(dǎo)致缺陷部位溫度在一段時(shí)間內(nèi)低于無損傷部位,但是隨著注入能量的不斷增加,熱像圖也隨之產(chǎn)生變化,這需要能夠在最佳時(shí)刻發(fā)現(xiàn)問題。盡管利用熱掃描檢測(cè)的試驗(yàn)方法和檢出缺陷的原理對(duì)化工設(shè)備特定部件的缺陷檢測(cè)有著極為廣闊的前景,但是對(duì)于最佳時(shí)刻的捕捉成為當(dāng)前國內(nèi)的阻礙。
在19 世紀(jì)中,勞德·凱文在實(shí)驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)物體在受到應(yīng)力后會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,并且同時(shí)會(huì)伴隨著物體外表面溫度的改變,這就導(dǎo)致輻射能會(huì)有相應(yīng)變化。這時(shí)候由于紅外熱發(fā)射的輻射能信息與化工設(shè)備內(nèi)部的不可見缺陷、裂縫以及擴(kuò)展產(chǎn)生的應(yīng)力,即便化工設(shè)備受到應(yīng)力在屈服極限值以下,化工設(shè)備表面溫度仍然會(huì)與應(yīng)力有聯(lián)系。在平常情況下,裂縫薄弱四周處于所受應(yīng)力集中的部位,在屈服之后由于變形后的發(fā)展態(tài)勢(shì),裂縫薄弱部位四周的應(yīng)力會(huì)得以釋放。所以在屈服極限以前,紅外熱發(fā)射信息能夠明顯體現(xiàn)裂縫薄弱處;屈服以后,由于變形持續(xù)發(fā)展,會(huì)使得紅外熱輻射能急劇增加。根據(jù)相應(yīng)的紅外熱發(fā)射相關(guān)信息的突然改變,可以確定物體內(nèi)部的裂縫以及薄弱點(diǎn)的擴(kuò)展規(guī)律以及具體位置。并且在化工設(shè)備材料屈服極限以前,也可以通過紅外熱信息判斷應(yīng)力以及缺陷情況。這種遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服極限下利用紅外熱像技術(shù)來檢測(cè)應(yīng)力集中而判定裂縫和危險(xiǎn)位置的方式,較其他紅外熱成像技術(shù)更能超前預(yù)示問題。
對(duì)化工企業(yè)而言,化工設(shè)備是工廠生產(chǎn)的核心,是公司的重要財(cái)產(chǎn),也是企業(yè)運(yùn)營的保障。紅外熱成像技術(shù)在保證化工設(shè)備不停止運(yùn)行的狀態(tài)下對(duì)設(shè)備儀器進(jìn)行檢測(cè),所以化工企業(yè)應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),符合當(dāng)代企業(yè)快節(jié)奏的運(yùn)行基調(diào),幫助詳細(xì)了解化工設(shè)備的準(zhǔn)確情況,減少檢測(cè)過程中對(duì)設(shè)備的損壞,檢測(cè)成本較低,有效促使檢測(cè)人員盡快采取措施進(jìn)行維護(hù),以上促使紅外熱成像技術(shù)在化工設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用。