红外热成像技术在承压类特种设备运行检验中的应用探讨

张辉

（江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院，江苏 泰州 225500）

1 前言

承压类特种设备主要有锅炉、压力容器、压力管道等，它们可能存在高温、高压、有毒有害、易燃易爆等特点，安全运行责任重大，定期进行检验检测排除安全隐患是十分重要和必要的。目前，对承压类特种设备的年度检验和因结构原因无法进行内部检验的承压类特种设备的检验，多以宏观检查、壁厚测量、功能测试及安全附件与仪表检查为主，对设备内部的工作状态缺乏有效的监控，不能及时准确地发现设备内部缺陷，并及时采取相应措施排除安全隐患来确保设备的安全运行，存在一定的风险。红外热成像技术具有非接触和无损的特点，不仅可以降低检验人员在检验过程中自身的安全风险，还可以对设备内部的工作状态实时监控，及时发现设备内部的安全隐患，不仅能够提升承压类特种设备运行检验的有效性与准确性，也大幅提升了承压类特种设备运行检验的效率与安全程度。这意味着红外热成像技术在承压类特种设备运行检验中有着较大的应用空间。

2 关于红外热成像技术

2.1 红外热成像技术的原理

从热力学的研究内容中可得知，理论上物体表面都会发射红外辐射能，红外热成像技术就是基于这一现象开发出的。红外热成像技术的原理在于探测物体的辐射能量与发射率，以此计算出物体的温度并生成直观图像。红外热成像技术多需要借助热像仪及红外探测器，红外探测器是为了接收物体表面的辐射能，热像仪则借助内部的分析软件对接受到的辐射能进行存储分析，将分析结果生成专业报告，也能够将图像上的热像图及其他相关参数下载到电脑中进行操作分析。当前的红外热成像技术结合了计算机、探测传感技术、数字图像处理技术等各类型技术，能够将红外辐射图像转换为具有较强直观性的可见图像，因此在功能上具备非接触、实时、全场及形象直观等特点，十分适用于应用到承压特种设备的运行检验检测、维护及前期管理工作中。

2.2 红外热成像技术的检测优势

现行红外热成像技术的应用需要借助包括红外探测器、热图像分析软件（热像仪）实现，在对物体表面的辐射热量进行充分分析后即可生成专业检测报告。对承压类特种设备而言，其使用管理工作的主要目的就是采取有效、合理的检验检测手段发现安全隐患，及时采取相应整改和监控措施来排除安全隐患，确保设备的安全运行。在红外热成像技术的帮助下，检验人员可以在设备不停机的情况下进行非接触式检测，降低自身检验安全风险，同时能够获得设备运行的高精度、高度专业化的检测数据，借助这些数据可以判断出缺陷的位置、类型及风险危害程度，并采取最合适、最有效的整改措施与监控使用方案来排除安全隐患，这对最大限度提升设备的使用性能、实现设备的最佳使用效率以及保障设备的安全生产很有帮助，进而有效控制设备在运行过程中出现事故的概率，并实现设备维护运行成本的有效控制。有些承压类特种设备由于各种特殊原因不能按时定期检验，使用单位在完成备案及批准手续后可以延期检验，但需采取相应的监控措施来保证设备的安全运行，设备的运行温度往往能够直接反映设备的运行状态，而红外热成像技术本身无接触检测的特点不会影响设备的正常运行，同时也会实时监测设备内部运行状态及时发现运行异常点，是有效的监控措施之一。由此可见，红外热成像技术能够在承压类特种设备运行检验工作中发挥独有的价值并有广阔的应用空间。

3 红外热成像技术在承压类特种设备运行检验中的具体应用

3.1 压力容器与压力管道内部状态的监测及性能评估

化工设备多以压力管道与压力容器的形式为主，为了防止化学品腐蚀压力容器与压力管道，通常会在压力容器与压力管道的内壁装置一层或是数层内衬进行保护，同时还能起到为压力容器与管道隔热的作用。如果设备在运行过程中因为长期冲刷及各种异常工况导致内衬损坏，不仅会出现损坏位置金属温度升高的局面，温度的提升也会影响内部材料的力学性能，还会出现腐蚀减薄、泄漏、裂纹等现象，最终对材料性能整个甚至整套化工设备的安全运行造成影响。早先化工厂多根据大修周期，采用定期停工进行全面检验，针对损坏状态再制定相应维修方案，但这种维护策略缺乏即时性，在出现短期内难以解决的安全隐患的情况下往往使得工作人员处于被动，对化工厂的正常生产产生影响，还有可能导致整个化工厂面临经济损失。随着科学技术的发展，红外热成像技术开始被应用到压力容器与压力管道内部工作状态的监测及设备性能评估工作中，利用红外热成像技术无接触、高精度、实时的技术优点，工作人员能够随时观测压力容器及管道的温度变化异常部位，进而定性、定量评估设备当前的运行状态与性能，及时采取相应的维护检修工作，排除安全隐患或者最大程度阻止安全隐患扩大发展，保障设备的安全运行，在最大程度上帮助化工厂避免潜在的经济损失。

如果是对化工设备中的反应容器进行检测，则可采取结合反应器热图像及容器结构特征的方法，对容器中产生的热故障的类型、成因进行分析，并以此为基础建立不同热图像之间的关系。某些承压类特种设备内部会配置冷壁与内衬，其热故障多以不锈钢内衬出现裂纹、隔热层出现微裂纹和冲孔、穿透裂纹为主。在这种情况下，对内衬损坏程度的计评估就成了了解衬里损坏程度、确定维修工作数据的关键。此时，就可应用红外热成像技术对内衬损坏的状态进行定性，在此基础上还能结合传热理论、相关技术条件及设备结构等内容，对热过程下内衬的残余厚度进行精准计算，为设备的维护提供可靠的数据支持。

3.2 外保温层及其他同类内容的检测

红外热成像技术同样可应用在具有绝热能力的压力管道与压力容器中。部分设备可能会因为外壁保温层老化受损或设备出现泄漏导致外壁温度升高的情况，这种情况会加剧热损失。为及时发现这种问题，就可应用红外热成像技术对损坏位置及损伤程度进行实时监测。另一方面，红外热成像技术还能用于显示工业锅炉和压力容器中的液位，由于工业锅炉和压力容器在使用过程中会在内部出现液、气混合的情况。在这种情况下，就可应用红外热成像技术扫描设备内部，确定设备内部液体水平，对液体水平的精准定位，以使生产过程的顺利进行得到可靠保障。

3.3 辐射应力分析

承压类特种设备在经历加工、使用过程时会产生应力变化，而应力变化也会导致温度变化的出现，此时如果应用红外热成像技术进行检测，会发现生成图像的内容同样会产生变化，这种变化就能够有效反映物体的应力变化状态。这意味着通过红外热成像技术反馈得来的信息，检验人员能够深入了解材料在应力变化过程中产生的缺陷，并对材料应力变化状态进行分析。一般情况下，如果材料处于危险状态，其应力会在材料最终屈服之前集中在裂纹周围，因此材料裂纹周围的温度会表现出明显的特征。当材料发生屈服后，裂纹附近原本集中的应力会跟随塑性变形的变化逐渐释放，表现出的温度图像也会发生变化，具体表现为与塑性变形相关的红外线辐射迅速增加，因此可通过图形红外辐射的变化规律查探到裂纹出现的位置、规律及状态，对承压类特种设备的检验检测提供一定的技术支撑，但这一技术当前还处于实验室阶段，在实际应用上还面临着众多因素的制约，因此这也是红外热成像技术急需解决的技术问题之一。

4 结语

相比其他无损检测技术，红外热成像技术在承压类特种设备运行检验中的应用具有非接触、实时监测及更高精度的优势。不仅为承压类特种设备检验检测增加了检验手段，还助推了承压类特种设备检验检测技术的发展。但就其实际应用状态来看，环境中存在的其他热源同样会对红外图像质量产生影响，同时包括大气传输、目标辐射率在内的其他干扰因素也会影响红外测温的精度。另一方面，红外热成像技术的温度分辨率及空间分辨率还需要进一步提高，以满足不断提升的检验检测作业需求。随着科技不断进步，这些问题将随着信息与数字技术、探测传感技术的发展得到有效解决。