浅析红外热成像检测技术在压力容器和压力管道检测中应用

黄启人，杨达，李家兴，冯雪松，孔龙，白学刚

（中国特种设备检测研究院，北京 100029）

1 原理

红外线是不可见的光线，属于电磁波。物体表面温度如果超过绝对零度（-273℃）即会辐射出电磁波，其中就有载有物体特征信息的红外线。红外热成像技术是一种被动红外夜视技术。通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置模拟出物体表面温度的空间分布，再经系统处理，形成热图像视频信号，传至显示屏幕上，得到与物体表面热分布相对应的热像图（即红外热图像）。通过热像图可人为判断被检物体本身的结构特征。此外，由于红外线对极大部分的固体及液体物质的穿透能力极差，因此，红外热成像检测是以测量物体表面的红外线辐射能量为主。

2 技术特点

红外热成像技术有其独到之处，并具有以下等特性：

（1）非接触性。红外热成像技术的实施不需要接触被检测目标，被检测物体可动可静，可以是数千摄氏度的热体，也可以是温度很低的冷体。技术应用范围广，且便于现场实施。

（2）安全性。红外热成像技术应用过程对人员和设备无危害。

（3）准确性。红外热成像技术的温度分辨率和空间分辨率都可以达到较高的水平，检测结果准确。

（4）操作便捷。红外热成像设备操作简单，检测速度快，检测结果可保存。

生产单位由于生产要求和其他因素限制需要在非停工状态下在线检查非常温压力容器或压力管道使用安全状况，因此，特种设备检测手段引入了红外热成像检测技术。运行状态下的非常温压力容器和压力管道常规检测具有一定的局限性，例如，生产工艺要求较严格，不允许压力容器或压力管道中的介质物料有较大的温度波动，不能大面积拆除压力容器或压力管道外部隔热层，为检测增加困难；工作温度较高（大于100℃）或较低（小于0℃）时，常规检测手段难以实施。而红外热成像检测技术应用于非常温状态下的压力容器和压力管道检测，可以非常直观地发现非常温压力容器和压力管道在使用过程中的表面温度分布情况，可快速检查出非常温压力容器和压力管道运行状态下的壁厚情况、外部隔热层或耐火衬里质量及状态。红外热成像检测技术应用于压力容器和压力管道检测具有一定的针对性，弥补了常规检测手段客观存在的一些不足。但红外热成像检测技术应用于压力容器和压力管道检测也存在局限性。红外热成像检测技术应用于压力容器或压力管道检测，只能是在压力容器或压力管道温度不同于所处周围的环境温度时进行（不适合检测常温压力容器和压力管道）。检测环境因素对外热成像检测技术影响也十分明显。H2O、CO2、CH4、N2O、O3等气体和固体微粒的吸收、散射，使红外线传播过程中强度明显下降。尤其是在石油化工等企业，现场H2O、CO2、CH4和N2O 等气体局部含量偏高，会影响红外线在空气中的传播。这也使红外热成像设备检测产生误差。

3 技术应用

图1

图1 是用菲力尔红外热成像设备T620 拍摄的某石化企业换热器局部彩色照片和红外热成像照片。该图组中红外热成像中颜色越亮的部位表明表面温度越高，温度变化在8 ～89℃。从该图组中彩色照片上看，该换热器外部宏观无明显异常；从红外热成像图像上可以看出，该台换热器外部隔热层状态及隔热层绝热效果良好。由于换热器壳程筒体温度传递到换热器的鞍座，鞍座金属部位外部无隔热层，导致鞍座金属部位温度高，红外线辐射强度大，形成的图像颜色与周围环境形成的颜色产生鲜明的对比。

图2

图2 是用菲力尔红外热成像设备T620 拍摄的某石化企业反应器局部彩色照片和红外热成像照片。该图组中红外热成像中颜色越亮的部位表明表面温度越高，温度变化在26.9～231℃。从该图组中彩色照片上看该反应器外部隔热层金属皮局部异常锈蚀；而从红外热成像照片上看，可以发现，该反应器局部图像颜色与周围颜色产生了鲜明的对比。红外热成像照片中光标处显示温度为223℃，说明反应器该处外部隔热层绝热效果很差。对红外热成像照片中温度异常位置进行验证，发现反应器该位置隔热层质量很差，局部存在隔热层下沉、脱落、缺失。这导致该反应器局部热量流失，增加了生产能耗，可能会影响工艺生产。

图3

图3 是用福禄克红外热成像设备Tix640 拍摄的某石化企业中压汽水分离器局部彩色照片和红外热成像照片。该图组中红外热成像中颜色越亮的部位表明表面温度越高，温度变化在51.7 ～143.0℃。从该图组中彩色照片上看，该中压汽水分离器外部宏观无明显异常；从红外热成像照片上看，该中压汽水分离器筒体与接管连接处温度偏高。这是由于容器筒体与接管连接处隔热层存在缝隙所导致的热损失，该情况是可接受的。

图4

图4 是用菲力尔红外热成像设备T620 拍摄的某石化企业压力管道彩色照片和红外热成像照片。该图组中红外热成像中颜色越亮的部位表明表面温度越高，温度变化在15.4～92.1℃。从该图组中彩色照片上看，该压力管道外部宏观无明显异常；从红外热成像照片上看，该压力管道照片所示弯头背弯处局部温度有异常变化。经验证，背弯局部温度有异常变化处隔热层破损。

图5

图5 是用福禄克红外热成像设备Tix640 拍摄的某石化企业压力管道彩色照片和红外热成像照片。该图组中红外热成像中颜色越亮的部位表明表面温度越高，温度变化在43.4 ～143.9℃。从该图组中彩色照片上看，左侧3 条压力管道照片所示弯头处外部隔热层疑似破损；从红外热成像照片上看，左侧3 条压力管道照片所示弯头处隔热层绝热效果良好。

图6

图6 是用福禄克红外热成像设备Tix640 拍摄的某石化企业压力管道彩色照片和红外热成像照片。该图组中红外热成像中颜色越亮的部位表明表面温度越高，温度变化在37.1～221.3℃。从该图组中彩色照片上看，该压力管道外部宏观无明显异常；从红外热成像照片上看，照片所示弯头处温度有变化，是由于该处外表面有两种涂层且覆盖不均匀。经验证该压力管道无衬里，壁厚未出现异常局部减薄或其他缺陷。

4 注意事项

由于红外线在地表传送时，会受到大气组成物质(特别是H2O、CO2、CH4、N2O、O3等)影响和固体微粒的吸收、散射，所以在使用红外热成像设备检测前，应输入相关参数（如环境风速、环境温度、环境湿度、检测距离、被检测物体表红外线发射率等），还要考虑太阳光的照射、尘埃的散射和附近辐射体的干扰的，从而提高检测准确性。红外热成像设备检测时，应避免其他辐射干扰。由于红外热成像设备属于光学电子设备，避免在爆炸性气体、蒸汽周围或潮湿环境中使用。

5 结语

红外热成像检测技术应用于压力容器和压力管道检测，为非常温压力容器和压力管道在线检测增加检测手段，可直观发现非常温压力容器和压力管道在使用过程中的表面温度分布情况，可快速检查出非常温压力容器和压力管道是否存在异常局部减薄、外部隔热层或耐火衬里质量及状态；可对受热设备散热损失评估；可对保温效果及损坏程度和耐火，隔热层质量评定；可对设备衬里损伤部位、程度、形状、面积进行诊断；可对设备内料位和液位进行测定；可对工业炉管进行温度测定等。可减少企业能耗，为企业安全生产提供保障。