肖學(xué)文 王亞淑 劉康林

（1.荊門宏圖特種飛行器制造有限公司；2.福州大學(xué)石油化工學(xué)院）

過(guò)程設(shè)備是能源、化工、制藥及輕工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。 由于過(guò)程設(shè)備加工處理的氣體、 液體和粉體往往具有易燃、易爆，或有毒、凍害的危害，一旦發(fā)生破壞事故，可導(dǎo)致環(huán)境的污染、資源的浪費(fèi)，甚至釀成火災(zāi)、爆炸或中毒事故。 因此，如何通過(guò)無(wú)損檢測(cè)的方法及早發(fā)現(xiàn)缺陷或泄漏的存在，對(duì)避免事故或減少事故損失有著極其重要的作用。

過(guò)程設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)有超聲、射線、聲發(fā)射、磁粉及紅外熱像檢測(cè)等眾多方法［1］，其中，紅外熱像法可有效、簡(jiǎn)便地測(cè)取物體表面溫度場(chǎng)，并以紅外圖像的方式將表面溫度信息“固化、儲(chǔ)存”起來(lái)，具有直觀性、全場(chǎng)性及在線性等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到工程界的青睞和重視。 然而，該方法的檢測(cè)靈敏度和對(duì)缺陷的檢出率與設(shè)備表面狀態(tài)、拍攝角度及熱激勵(lì)方法等諸多因素有關(guān)，如何提高紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的精度和可靠性，擴(kuò)大其檢測(cè)功能和范圍，是該領(lǐng)域長(zhǎng)期的熱門課題［2］。 為此，筆者根據(jù)紅外熱波的形成和傳播原理，探討提高紅外熱像無(wú)損檢測(cè)精度的方法。

1 紅外熱像無(wú)損檢測(cè)及影響因素分析

由熱力學(xué)原理可知，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不斷地以電磁波的形式向外輻射能量［3］，其中，波長(zhǎng)在0.76～1000μm 之間的紅外光波具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)， 其輻射強(qiáng)度遵循斯蒂芬-波爾茲曼定律。 利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡等器件接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布場(chǎng)，并反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，再由探測(cè)器將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，即可在電視屏或監(jiān)測(cè)器上顯示被測(cè)目標(biāo)的溫度場(chǎng)［4］。也即，利用紅外熱像儀可使人眼看不到的物體外表面溫度分布變成人眼可識(shí)別的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱譜圖。 由于設(shè)備缺陷或泄漏處的紅外光輻射能量與其他地方的不同，因此，使用紅外熱像儀拍攝被檢設(shè)備時(shí)，通過(guò)拍攝到的圖像就可以找出溫度異常分布的熱點(diǎn)或冷點(diǎn)，由此確定缺陷或泄漏的存在。 顯然，紅外熱像檢測(cè)涉及到紅外熱波的形成、傳播和成像3 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，熱像儀所接收的紅外輻射包括目標(biāo)自身的紅外輻射、目標(biāo)對(duì)周圍環(huán)境的反射輻射和大氣的紅外輻射3 部分，要得到高質(zhì)量熱像圖以獲得好的檢測(cè)效果， 應(yīng)考慮熱激勵(lì)源、試件表面狀況、紅外熱波傳播途徑及環(huán)境等因素的影響，優(yōu)化缺陷檢測(cè)和熱像圖拍攝的方法［5］。

1.1 熱激勵(lì)源的選擇

根據(jù)熱源的不同，紅外熱像檢測(cè)有主動(dòng)式和被動(dòng)式之分。 其中，主動(dòng)紅外熱像檢測(cè)法是以外加熱源為勵(lì)源，向被檢測(cè)物體注入熱量，再通過(guò)紅外熱像儀記錄不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)信息，根據(jù)紅外熱像圖所反映的溫度信息來(lái)分析判斷是否存在質(zhì)量缺陷［6］。 被動(dòng)紅外熱像檢測(cè)法是在無(wú)任何外加熱源的情況下，利用被檢測(cè)物體本身的熱輻射來(lái)檢測(cè)缺陷的方法。 也即，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度有明顯差異時(shí)，設(shè)備表面與環(huán)境之間的熱交換會(huì)因缺陷的存在而擾動(dòng)，且這種擾動(dòng)是比較穩(wěn)定的，采用紅外熱像儀可直接測(cè)得缺陷處與非缺陷處的溫度差異和缺陷，而無(wú)需外加熱源［7］。 在用低溫/高溫容器或管道存在熱工缺陷和泄漏時(shí)，設(shè)備內(nèi)外溫差引起的熱流途徑缺陷有明顯的熱流擾動(dòng)，可通過(guò)被動(dòng)式紅外熱像法進(jìn)行檢測(cè)；無(wú)內(nèi)熱源的新設(shè)備或停用設(shè)備，可采用主動(dòng)式紅外熱像法進(jìn)行檢測(cè)，如脈沖閃光燈、超聲波及電磁感應(yīng)等激勵(lì)下的紅外熱像檢測(cè)。 應(yīng)用時(shí)須注意各種方法的特點(diǎn)和適用范圍，如：高能脈沖閃光燈進(jìn)行照射的脈沖熱波激勵(lì)法比較成熟，但不能檢測(cè)距離表面較深的缺陷；超聲熱激勵(lì)源可有效檢測(cè)閉合裂紋類缺陷，但不適于盲孔那樣的開放式缺陷的檢測(cè)； 電磁感應(yīng)熱激勵(lì)加熱速度快，適用范圍廣，但容易導(dǎo)致缺陷處溫度場(chǎng)的均化，檢測(cè)要求高。

1.2 試件表面的激冷作用

當(dāng)被測(cè)對(duì)象處于高溫且溫度穩(wěn)定的情況下時(shí)，可采用表面冷卻法進(jìn)行檢測(cè)，如表面噴灑水、酒精及低溫氮?dú)獾?，在噴灑這些介質(zhì)后，會(huì)對(duì)工件表面造成冷沖擊， 破壞原有的溫度平衡狀態(tài)，加劇缺陷處熱流與其周邊熱流的不一致，使缺陷對(duì)熱流的影響在工件表面溫度場(chǎng)中更清晰地顯現(xiàn)出來(lái)，提高對(duì)缺陷的檢出率。 如圖1 所示，在鋼管試件（內(nèi)壁有盲孔）受到內(nèi)部穩(wěn)定熱源加熱的狀態(tài)下，對(duì)試件表面噴灑水、酒精和低溫氮?dú)膺M(jìn)行瞬間冷卻，低溫氮?dú)饫錄_擊作用時(shí)熱像圖中的盲孔最清晰， 噴灑酒精時(shí)的盲孔圖樣清晰度次之，噴灑水時(shí)盲孔圖樣很模糊。 不過(guò)，由于低溫氮?dú)夂芤罪h散，而水蒸發(fā)得最慢，因此，噴灑低溫氮?dú)鈺r(shí)盲孔的圖樣持續(xù)時(shí)間最短，噴灑酒精時(shí)的次之，噴灑水時(shí)的最長(zhǎng)［8］。

圖1 不同冷卻介質(zhì)的熱像圖對(duì)比

1.3 被測(cè)構(gòu)件表面狀況的影響與規(guī)避方法

試件表面的紅外熱像圖與試件表面的熱發(fā)射率密切相關(guān)。 同一試件， 表面被不同發(fā)射率材料覆蓋時(shí)， 所得到的熱像圖會(huì)有所不同。 如光亮的金屬表面發(fā)射率低， 顏色較深的油漆與金屬氧化物的發(fā)射率較高， 如試件金屬表面存在雜質(zhì)或氧化程度不均勻的氧化層， 即使試件表面溫度分布均勻， 但其熱像圖仍會(huì)表現(xiàn)出不均勻狀態(tài)。 這樣，進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致誤判。 為此， 測(cè)試時(shí)可在試件表面刷上一層黑色涂層， 使試件表面熱像圖能更好地反映試件內(nèi)部缺陷對(duì)熱流的擾動(dòng)情況。 如圖2 所示，管道上半部刷上黑色油漆后， 其熱像圖明顯比下半部的均勻。 此外， 涂層還有增大熱像圖中缺陷處與無(wú)缺陷處溫度差的作用， 使缺陷顯得更為清晰。

圖2 表面噴漆處理后的熱像圖

1.4 熱像圖的拍攝

為提高檢測(cè)的效率和可靠性，檢測(cè)時(shí)最好將熱像圖所拍位置的白光圖像拍攝下來(lái)（性能較好的熱像儀都具有同步拍攝紅外圖像與白光圖像的功能）。圖3 為同時(shí)拍攝到的一臺(tái)低溫液態(tài)CO2儲(chǔ)罐端部法蘭的實(shí)景圖和熱像圖， 從圖中可快速、直觀地判定儲(chǔ)罐封頭法蘭右下部存在保溫層脫落的現(xiàn)象。

圖3 CO2 儲(chǔ)罐封頭處法蘭熱像圖

對(duì)于高大的設(shè)備，由于測(cè)試范圍大、距離長(zhǎng)，在傳輸過(guò)程中，紅外輻射會(huì)因大氣的吸收和散射作用而產(chǎn)生部分衰減，設(shè)備表面細(xì)節(jié)也難以觀察到，測(cè)試時(shí)除了應(yīng)選擇正確的測(cè)試角度外，可考慮將同類型的相鄰儲(chǔ)罐的熱像圖同時(shí)拍攝下來(lái)，以便進(jìn)行比較判斷［9］。 圖4 所示為同時(shí)拍攝到的兩臺(tái)立式LNG 儲(chǔ)罐的熱像圖（儲(chǔ)罐高27m，外直徑3m），從圖中右邊儲(chǔ)罐頂部筒體出現(xiàn)的溫度異常區(qū)域可很快確定此區(qū)域保溫不好，存在保溫層脫落的現(xiàn)象。

圖4 LNG 儲(chǔ)罐熱像圖

1.5 熱波路徑及測(cè)試環(huán)境的影響

另外需注意的是，由于鋼制設(shè)備的傳熱性能比較好，熱量傳遞很快，當(dāng)缺陷也很小時(shí)，在穩(wěn)定熱源加熱下缺陷處的溫度場(chǎng)很易均化，因而難以拍攝到反映缺陷存在的熱像圖。 而加大熱激勵(lì)的動(dòng)態(tài)性或突變性（可選擇在加熱初始的瞬間拍攝熱像圖） 雖可加劇試件缺陷處的熱不平衡性，但因反映缺陷的熱像圖稍縱即逝，要求熱像儀具有高速拍攝與錄像功能。 這樣，當(dāng)在限定時(shí)段內(nèi)拍攝熱像圖后， 可以正常放映速度回放熱像圖，找到能較好地反映缺陷存在的某瞬間熱像圖。

2 電脈沖熱激勵(lì)下的紅外熱像無(wú)損檢測(cè)

紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)雖具有全場(chǎng)、 快速、直觀、適合大面積掃測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在難以檢測(cè)埋藏缺陷的問(wèn)題。 解決這一問(wèn)題，對(duì)紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的拓展無(wú)疑具有重要的實(shí)際意義。

脈沖電流通入金屬構(gòu)件中，電流在金屬構(gòu)件的缺陷處會(huì)產(chǎn)生集中和繞流，形成電磁熱效應(yīng)和歐姆效應(yīng)，在非導(dǎo)電的缺陷附近，電能轉(zhuǎn)化成熱能，從而使缺陷處溫度升高（對(duì)裂紋尖端可形成數(shù)百上千攝氏度的高溫）， 與金屬構(gòu)件的其他區(qū)域形成明顯溫度差，如在放電的同時(shí)，利用紅外熱像儀拍攝設(shè)備構(gòu)件表面溫度場(chǎng)，則可得到能清晰反映缺陷信息的熱像圖。 基于這一想法，籌建了圖5 所示的基于電脈沖熱激勵(lì)的紅外熱像無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)裝置，主要由充電單元、控制單元、電容器組、高壓開關(guān)、試件夾具及紅外熱像儀拍攝單元等組成。 高壓電源的輸出電壓為1～100kV。

圖5 基于電脈沖熱激勵(lì)的紅外熱像無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用試件分為板狀和半圓管狀 （圖6），材料為304 不銹鋼。 其中，板狀試件的長(zhǎng)×寬×厚為100mm×26mm×2mm； 半 圓 管 狀 試 件 外 徑320mm、長(zhǎng)120mm、厚2mm。兩種試件兩端均加工有圓孔，供固定試件和施加電載荷用。 為模擬埋藏裂紋的檢測(cè)，在兩種試件一側(cè)正中間用電火花分別加工出深1mm、 寬0.2mm 的線槽和環(huán)向槽，試驗(yàn)時(shí)，在電容放電瞬間，拍攝試件未開設(shè)線槽板面的熱像圖，通過(guò)回放視頻，查找反映缺陷的熱像圖。 板狀試件和半圓管狀試件在激勵(lì)電壓為3、5kV 時(shí)的熱像圖如圖7、8 所示。 顯然，通過(guò)電脈沖熱激勵(lì)作用下的紅外熱像圖可直觀而清晰地觀察到裂紋類缺陷。 而且，放電脈沖電壓越高，熱像圖中的缺陷圖樣越清晰、亮堂。 由此可見，增大電容的放電電壓， 可提高對(duì)缺陷的檢測(cè)效果。不過(guò)，從圖7、8 也可看出，半圓管狀試件的熱像圖不如板狀試件的熱像圖清晰。 實(shí)際上，針對(duì)半圓管狀試件進(jìn)行了多次檢測(cè)試驗(yàn)，所得熱像圖效果基本都不如板狀試件的檢測(cè)效果。 其原因和針對(duì)半圓管狀試件的檢測(cè)工藝尚需進(jìn)一步研究。

圖6 試件實(shí)物照片

圖7 板狀試件的熱像圖

圖8 半圓管狀試件的熱像圖

圖9 試件噴漆與未噴漆時(shí)的熱像圖

為提高電脈沖熱激勵(lì)下紅外熱像法的檢測(cè)效果，進(jìn)行了試件表面發(fā)射率對(duì)檢測(cè)效果的影響試驗(yàn)。 試驗(yàn)中通過(guò)在未加工線槽的試件表面噴涂黑色啞光漆，獲得了較好的檢測(cè)效果。 圖9a、b 為施加電壓為5kV、裂紋深度為0.8mm 的試件在噴漆前后的熱像圖，其中噴漆前線槽處的最高溫度為26.3℃，噴漆后線槽處的最高溫度達(dá)39.2℃。從圖9 也可直觀地觀察到，試件噴漆后所獲得的熱像圖中，線槽缺陷處的亮度明顯高于未噴漆時(shí)線槽缺陷處的亮度。

3 結(jié)論

3.1 為得到高質(zhì)量熱像圖以獲得好的檢測(cè)效果，應(yīng)充分考慮熱激勵(lì)源、試件表面狀況、紅外熱波傳播途徑及環(huán)境等因素的影響，優(yōu)化缺陷檢測(cè)和熱像圖拍攝的方法。

3.2 為提高對(duì)缺陷的檢出率，尤其是對(duì)埋藏缺陷的檢出率， 應(yīng)增加熱激勵(lì)源的脈動(dòng)性或沖擊性，以加劇缺陷處熱流與其周邊熱流的不一致，避免溫度場(chǎng)的均化，使缺陷對(duì)熱流的影響能在試件表面溫度場(chǎng)中清晰地顯現(xiàn)出來(lái)。

3.3 在試件表面涂以高熱發(fā)射率的涂層（如黑色油漆），可減小試件表面狀態(tài)對(duì)熱像圖的影響，有效提高熱像圖中缺陷的清晰度。

3.4 在脈沖電流熱激勵(lì)作用下進(jìn)行的紅外熱像無(wú)損檢測(cè)可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼制試件埋藏缺陷的檢測(cè)，而且，電容脈沖放電電壓越大，缺陷邊沿的溫度相對(duì)附近材料的溫度差越大，對(duì)缺陷的檢測(cè)能力越高。