红外热成像检测技术在电站锅炉检验领域的应用

胡越峰 郭志强

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450004）

红外热成像检测技术在电站锅炉检验领域的应用

胡越峰 郭志强

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450004）

本文主要论述红外热成像技术在锅炉外部检验时的主要影响因素，提出了红外热成像技术的检验方法和判断依据，探讨了该项技术在电站锅炉检验领域的应用，为保障锅炉安全运行提供新技术。

电站锅炉外部检验；红外热成像技术

电站锅炉受热面管由于长期在受火或高温高压参数下运行，受到煤粉的冲刷，高压及超高压介质的作用、高温烟气的灼烧、水（水蒸气）的腐蚀、连续运行等因素的影响，各部位受热面管安全状况差。当电站锅炉运行一定时间以后，由于受热面的积灰、积垢和部件的磨损、腐蚀、老化等影响，必然会出现不同程度的损坏。因此，及时检验，发现和排除设备存在的缺陷，消除潜在事故因素是十分必要的。电站锅炉因故障停用的损失和影响是可观的，一旦发生事故后果不堪设想，所以必须贯彻以预防为主的计划检验方针，来确保锅炉机组的安全经济进行。在传统的电站锅炉内部检验和外部检验中，常用的建议方法是宏观检查和无损检测，近年来，在部分内部检验和外部检验中，逐渐开展了红外热成像技术对锅炉受热面堵管、锅炉运行状态、炉墙保温、阀门内漏等方面的检验。

1 电站锅炉定期检验的法规要求

电站锅炉定期检验的法规要求电站锅炉是一种直接受火焰加热的高温高压的特种设备，电站锅炉由于服役温度高、工况恶劣，易发生由于蠕变、疲劳、腐蚀、磨损等多种损伤因素的联合作用而过早进入寿命晚期。因此，我国将电站锅炉纳入了特种设备的统一管理，建立了以《特种设备安全法》、《特种设备安全监察条例》、《锅炉安全技术监察规程》、《电站锅炉压力容器检验规程（2004）》以及国家质量技术监督局锅炉压力容器监察局颁发的1999年版《锅炉定期检验规则》等[1-3]一系列的法律、法规、技术规范组成的法规、标准体系。为了确保电站锅炉的安全运行，《锅炉安全技术监察规程》在9.4.2定期检验周期中，明确规定如下：一是外部检验，每年进行一次。二是内部检验，电站锅炉结合锅炉检修同期进行，一般每3年～6年进行一次，外部检验每年进行一次。

2 电站锅炉定期检验的技术要求

2.1 电站锅炉内部检验的技术内容。电站锅炉的内部检验是电站锅炉停止运行状态下的检验，在内部检验中，常用的检测方法主要是在宏观检查的基础上，进行电站锅炉各主要部件的无损检测、超声波测厚、金相检验、光谱检测、割管检验等专项检测。《锅炉安全技术监察规程》明确了内部检验的主要内容包括抽查受压元件及内部装置，抽查燃烧室、燃烧设备、吹灰器、烟道等附属设备，抽查主要承载、支吊、固定件，抽查膨胀、密封、绝热等情况。由于处于停炉状态，内部检验只能对停止运行的锅炉进行当前状态的检验，对于运行过程中才出现的问题，则无法检出。

2.2 电站锅炉外部检验的技术内容。电站锅炉的外部检验是电站锅炉运行状态下的检验，是对电站锅炉运行管理、本体及附属设备运转情况、安全附件及联锁与保护投运情况、水质处理情况、锅炉操作空间安全状况、事故应急专项预案的检验。外部检验要求每年进行一次，与内部检验同一年度时，安排在内部检验结束、锅炉投运之后进行。由于两次内部检验的时间间隔一般为3～6年，电站锅炉在两次内部检验期间，设备是处于动态使用过程当中，前次内检所发现的缺陷或未消除的事故隐患有可能进一步生长或发展，同时，长时间的运行期间，也可能产生新的缺陷，这一系列问题如果累积发展到危及设备的安全运行的阶段，电站锅炉设备就随时有发生严重事故的可能。在两次内检中进行每年一次的外部检验能够及时将上述问题发现并通过技术手段将事故避免则。此外，涉及安全附件运转情况、安全联锁的投运情况、各种接口、阀门、管道是否泄漏、是否存在异常振动、保温炉墙的保温状况等等问题也都必须在锅炉稳定运行期间才能够确认问题是否存在。因此，一年一次的外部检验非常重要，做好内部检验，使用单位能够及时发现缺陷隐患、规避运行风险、进行设备状态监控。对电站锅炉的安全运行来讲，外部检验是一种不可缺少的必要手段。外部检验过程中，对于不能保证锅炉设备安全运行的严重问题，一般需要立即停炉检修，待消除缺陷后锅炉才能正常投运，对于不影响锅炉设备安全运行的一般问题，一般是在计划内的下一次检修中进行处理。

2.3 应用红外热成像技术进行检验的主要影响因素。在电站锅炉外部检验中应用红外热成像技术是否可行，关键在于现场红外热成像检测的数据是否真实、可靠。电站锅炉的检验现场条件比较复杂，发热源、发生物体材质不同，影响因素较多，如果在应用热成像仪之前没有对现场条件进行认真辨识，未充分考虑相关影响因素，那么检测数据结果就不能如实反映设备缺陷情况，影响最后的检验结论[4，5]。对红外热成像检测存在影响的因素较多，诸如太阳光辐射、气象条件、临近设备热辐射、大气衰减等，但是，在电站锅炉外部检验中，除了红外热成像仪本身的仪器精度外，真正对检测数据结果造成影响的因素主要是还是锅炉受检部位本身发射率、临近设备热辐射这两种。

首先，需要重点考虑锅炉受检部位本身发射率的影响。发射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，发射率的大小和该物体的几何外形、外表面粗糙度、平整度以及进行红外热像测试的方向有关。对于外表面平整、光洁度高的物体，测试方向的影响更大。材质不同的物体拥有不同的发射率，进行测试时，对于发射率高的物体，红外热成像仪能够接收到更多的辐射能量，反之，对于发射率低的物体，红外热成像仪接受到较少的辐射能量。其一，发射率的设定。根据基尔霍夫定理：物体表面的半球单色发射率ε等于它的半球单色吸收率α，ε=α。在热平衡条件下，物体发射功率等于它的吸收功率，即吸收率α、反射率ρ、透射率γ总和为1，对于不透明的（或具有一定厚度）的物体，电站锅炉本体保温、阀门的阀体都属于此类物体，它们的透射率可视γ=0，只有发射和反射（α+ρ=1）。当物体的发射率越高，反射率就越小，背景和反射的影响就会越小，测试的准确性也就越高；反之，背景温度越高或反射率越高，对测试的影响就越大。由此可以看出，在实际的检测过程中必须注意不同物体和热成像仪相对应的发射率，对发射率的设定要尽量准确，以减小所测温度的误差。在电站锅炉炉墙保温上普遍采用的保温铁皮以及阀门阀体材料的发射率，在检验中，一般参照钢材的发射率进行选取。由于保温铁皮和阀体材料表面状态均是氧化或严重氧化状态，故正常检验时，我们选取发射率为0.95左右。其二，检测时的角度控制。进行辐射率测试时，红外热成像仪拍摄方向与受检部位的夹角越大，所带来的检测误差就越大，在现场检验，这一点很容易被忽视。从现场的工作实际出发，夹角应尽量控制在30度之内，最多不超过45度，如果无法在45度以下进行检测，检验人员可以通过调低辐射率进行检测校正。在进行热像图分析时，只有在检测夹角接近或相同时，分析结果才有意义。

图1 发射率原理

其次，需要充分考虑临近设备热辐射的影响。受检部位面积和红外热像仪的摄像范围大小直接影响热像仪检测时的精度。现场进行红外热像测试时，主要针对受检设备外表面被选定范围。测试时红外热成像仪摄像范围同受检部位会出现下列情况：一是当受检部位面积大于红外热成像仪摄像视场时，测试时不受其他设备热辐射的影响，生成的热像图只反映受检部位的热辐射分布，这时的检测效果最好。二是当受检部位面积等于红外成像仪摄像视场时，测试时会受到其他设备热辐射的影响，生成的热像图反映了受检部位和少量外加热辐射的叠加分布情况，这时检测效果一般。三是当受检部位小于红外热成像仪摄图像视场时，测试时会受到其他设备热辐射的影响，其他临近设备热辐射能够较大影响温度测量，直接造成读数误差。此时热像图上显示温度与受检部位的实际温度产生偏差。因此，建议在现场进行电站锅炉外部检验时，尽量使红外热成像仪的摄像视场同受检部位面积接近，同时尽量把受检部位和部件的外围设备排除在摄像视场之外。

3 红外热成像技术的检验方法和判断依据

3.1 表面温度判断法[6]。表面温度判断法对于保温不良缺陷、阀门内漏缺陷的检验均适用。对于锅炉本体和管道部位的保温不良缺陷《火力发电厂热力设备耐火及保温检修导则》明确了保温外表面的允许温度值：当环境温度低于27℃时，设备与管道保温结构外表面温度不应超过50℃；当环境温度高于27℃时，保温结构外表面温度允许比环境温度高25℃。

3.2 图像特征判断法。图像特征判断法仅适用于阀门内漏缺陷的检验，当阀门本体两侧的引入和引出管从热像图上均有高热反映，且两侧温差不大，那么说明内漏缺陷较严重，如两侧温差较大，那么说明内漏缺陷较轻微，如出口侧基本没有高热反映，那么说明受检阀门无内漏缺陷。

3.3 相对温差判断法。相对温差判断法主要针对法兰接口微量泄漏、密封不严泄漏检查，当热像图上显示受检部位存在超温，说明受检部位存在泄漏。检验员在整个超温区域的热像图上寻找到超温区域中存在的最高温度点，那么相应部位即存在的泄漏点。

[1]国家质检总局，国家标准化管理委员会.DL/T936-2005火力发电厂热力设备耐火及保温检修导则[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2]国家质量技术监督局.锅炉定期检验规则[S]，1999.

TK226.1

A

1671-0037（2014）09-100-2

胡越峰（1974.3-），男，助理工程师，大专，研究方向：热能动力。