畢新忠 張建國(guó) 呂書(shū)棟

【摘 要】紅外熱像儀能夠檢測(cè)設(shè)備表面不同溫度紅外波長(zhǎng)而形成熱圖像，可以直觀有效地顯示油水罐、分離器的物位以及各種電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況。其具有非接觸式、利用率高、安全性強(qiáng)、檢測(cè)準(zhǔn)確、操作便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，使用紅外熱像儀進(jìn)行站庫(kù)裝置設(shè)備檢測(cè)是一種可行的手段。

【關(guān)鍵詞】油田；站庫(kù)；紅外成像；檢測(cè)技術(shù)；研究與應(yīng)用

國(guó)內(nèi)對(duì)油水罐運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)主要通過(guò)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。對(duì)罐底集泥、內(nèi)部零部件運(yùn)行狀況等沒(méi)有直接有效的檢測(cè)手段，給日常生產(chǎn)帶來(lái)了很大的影響。目前聯(lián)合站現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法檢測(cè)油水罐、分離器等底部集泥情況，加劇了內(nèi)部構(gòu)件、填料等腐蝕，影響設(shè)備使用壽命和運(yùn)行效果；無(wú)法檢測(cè)油水罐罐壁、管線等結(jié)垢腐蝕情況，發(fā)生穿孔泄漏等問(wèn)題；無(wú)法檢測(cè)電器設(shè)備運(yùn)行情況，造成設(shè)備發(fā)熱燒毀，缺乏有效檢測(cè)手段與工具。因此，研究使用紅外熱像儀進(jìn)行站庫(kù)裝置設(shè)備檢測(cè)是當(dāng)務(wù)之急。

1.紅外成像檢測(cè)原理

自然界中的一切物體由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)，所有物體都會(huì)發(fā)射電磁波，兩物質(zhì)系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)能的傳遞稱為傳熱。傳熱有三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。根據(jù)能量守恒定律，景物與環(huán)境之間所發(fā)生的熱傳遞應(yīng)遵從熱平衡方程如下式所示：

g+jcnv=qcnd+qcnv+M

式中：g—物體自身發(fā)熱；jcnv—物質(zhì)從環(huán)境吸收的熱量；qcnd—物質(zhì)通過(guò)傳導(dǎo)釋放的熱量；qcnv—物質(zhì)通過(guò)對(duì)流釋放的熱量；M—物質(zhì)通過(guò)輻射釋放的熱量。

只要物體的溫度高于絕對(duì)零度，那么該物體總是在不斷地發(fā)射紅外輻射，就有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?。?duì)常溫物體，輻射是主要形式。任何物體，不論其溫度高低都發(fā)射或吸收電磁熱輻射，其大小除與物體材料種類(lèi)、形貌特征、化學(xué)與物理學(xué)結(jié)構(gòu)（如表面氧化度、粗糙度等）特征有關(guān)外，還與波長(zhǎng)、溫度有關(guān)。紅外熱像儀就是利用物體的這種輻射性能來(lái)測(cè)量物體表面溫度場(chǎng)的。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律[1]。

W=εσT4

式中：σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；ε—待測(cè)物體表面發(fā)射率系數(shù)；T—待測(cè)物體表面的溫度；W—物體表面總輻射強(qiáng)度。

因此，不同物體具有不同的溫度和發(fā)射系數(shù)，熱像儀接收來(lái)自物體的輻射，便可測(cè)定物體表面的溫度場(chǎng)分布。

2.紅外熱像儀結(jié)構(gòu)與型號(hào)選擇

紅外熱像儀是能夠?qū)崿F(xiàn)熱成像測(cè)溫的精密儀器，它是紅外熱成像測(cè)溫的核心設(shè)備，因此將能生成紅外圖像的紅外成像系統(tǒng)，稱為紅外熱像儀。紅外熱像儀是一種二維平面成像系統(tǒng)，熱像儀中具體實(shí)現(xiàn)由紅外光變成電信號(hào)、又由電信號(hào)變換可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換功能，這是由熱像儀的內(nèi)部組成部件完成的。紅外熱像儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、掃描器紅外探測(cè)器、信號(hào)處理電路和顯示記錄裝置等幾部分組成。

（1）光學(xué)系統(tǒng)。紅外光學(xué)系統(tǒng)的作用是會(huì)聚被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，經(jīng)過(guò)光學(xué)和空間濾波，將景物的輻射熱圖聚焦到探測(cè)元件的焦平面。

（2）信號(hào)處理。在熱像儀中，紅外探測(cè)器輸出的信號(hào)非常微弱，只有通過(guò)充分放大和處理后才能加以顯示，因此信號(hào)放大和處理電路是熱成像裝置中的重要組成部分。

（3）顯示方法。①光源顯示法：視頻信號(hào)經(jīng)放大與處理后，其輸出信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、等離子顯示板或輝光放電管等光源，使之顯示出目標(biāo)表面紅外輻射能量分布情況。

②電視屏幕顯示法：把經(jīng)放大和處理的信號(hào)輸入到電視顯像管中，在熒光屏上便顯示出目標(biāo)的紅外圖像。對(duì)于黑白顯像管，將顯示出明暗不同的黑白圖像，所呈現(xiàn)的不同灰度等級(jí)，代表著不同溫度。對(duì)于彩色顯像管，視頻信號(hào)經(jīng)分層和編碼處理后，輸入到管中，其熒光屏上便顯示出目標(biāo)的彩色圖像。

油田站庫(kù)設(shè)備體積較大，因此對(duì)熱像儀的精度要求不嚴(yán)格，所國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的紅外熱像儀同樣可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，結(jié)合油田需求，確定了手持式熱像儀和在線式熱像儀?？紤]到性能、需求等因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置情況，確定了紅外熱像儀的型號(hào)，選擇型號(hào)為C300手持式熱像儀，型號(hào)為R30在線檢測(cè)熱像儀，如圖2。

與動(dòng)態(tài)熱像儀主機(jī)連接的安裝有動(dòng)態(tài)溫度流軟件的計(jì)算機(jī)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行處理，例如實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱像顯示，任意區(qū)域的實(shí)時(shí)溫度趨勢(shì)分析、實(shí)時(shí)溫度流數(shù)據(jù)連續(xù)存儲(chǔ)。分析軟件涵蓋了所有常規(guī)功能，例如分析框設(shè)置、采樣幀頻、抓圖功能、報(bào)告導(dǎo)出功能、偽彩設(shè)置、框溫度分布、區(qū)域溫度分布、游標(biāo)調(diào)用、報(bào)警設(shè)置、等溫分析。

3.現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用

（1）油水罐與紅外成像關(guān)聯(lián)技術(shù)研究。開(kāi)展油水罐不同運(yùn)行狀況模擬和紅外成像技術(shù)研究。油水罐內(nèi)部不同構(gòu)造、罐底泥沙不同高度等狀態(tài)下，利用紅外成像技術(shù)，建立罐內(nèi)溫度分布數(shù)學(xué)模型。利用紅外成像技術(shù)和溫度數(shù)學(xué)模型，直觀地掌握油水罐運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效的站庫(kù)運(yùn)行管理。

（2）開(kāi)展電氣設(shè)備隱患和紅外成像技術(shù)研究。利用紅外成像技術(shù)，建立電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行中的隱患進(jìn)行事先預(yù)警，避免故障發(fā)生。

（3）開(kāi)展設(shè)備、管道腐蝕、泄漏等隱患排查和紅外成像技術(shù)研究。利用可視化成像技術(shù)對(duì)設(shè)備管道施工質(zhì)量、腐蝕或結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估預(yù)警，形成管道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)有效地預(yù)處理。

（4）開(kāi)展集輸站庫(kù)熱成像技術(shù)影響因素研究。對(duì)保溫油水罐以及油水溫差較小等印象因素進(jìn)行研究，對(duì)電氣設(shè)備導(dǎo)熱不同等印象熱成像技術(shù)研究。

（5）開(kāi)展油田集輸站庫(kù)專(zhuān)用成像技術(shù)軟件開(kāi)發(fā)研究。

依據(jù)數(shù)據(jù)模型、熱成像數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行油田集輸站庫(kù)專(zhuān)用熱成像技術(shù)軟件開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于油水罐、三相分離器、加熱爐、電氣設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)熱成像技術(shù)的錄入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控結(jié)論、處理方案功能。

（6）對(duì)油田集輸站庫(kù)專(zhuān)用熱成像技術(shù)軟件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用試驗(yàn)再改進(jìn)。

4.結(jié)論

本文論述了紅外熱成像原理，紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)、型號(hào)等特點(diǎn)以及項(xiàng)目?jī)?nèi)容。紅外熱成像運(yùn)用光電技術(shù)檢測(cè)物體熱輻射的紅外線特定波段信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供人類(lèi)視覺(jué)分辨的圖像和圖形，并可以進(jìn)一步計(jì)算出溫度值。通過(guò)研究選擇了適用于現(xiàn)場(chǎng)的熱像儀，選擇型號(hào)為C300手持式熱像儀，型號(hào)為R30在線檢測(cè)熱像儀。

結(jié)合紅外熱成像技術(shù)，對(duì)站庫(kù)有水罐裝置、電氣設(shè)備等進(jìn)行熱成像技術(shù)研究，利用紅外熱成像技術(shù)去檢測(cè)罐體設(shè)備內(nèi)物位變化、電氣設(shè)備發(fā)熱情況以及設(shè)備腐蝕情況等，及時(shí)掌握集輸站庫(kù)設(shè)備的運(yùn)行狀況，編制紅外熱圖分析軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，利用分析軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)站庫(kù)裝置設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行提前預(yù)警，形成集輸站庫(kù)紅外成像測(cè)試、分析和預(yù)警專(zhuān)有技術(shù)，有效提高油田集輸站庫(kù)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 劉暉，陳國(guó)華.紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在石化工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備， 2010，39（01）：47-53.