红外成像技术在供热管道漏水检测中的应用

刘保生，刘宇翔，丁克峰

(1.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定 071051； 2.中国社会科学院大学政府管理学院，北京 102488)

1 前 言

近年来，许多城市地区的冬季供暖问题暴露凸显，供热资源浪费现象严重，这不仅大大降低了广大人民的生活质量和幸福感，也容易激发社会矛盾、引发群体对立。长期以来，城乡居民、物业管理者、供暖公司之间的对立冲突现象在各地也屡有发生，最后往往要依靠当地的社区自组织甚至是上级政府出面解决，这显然增加了自治组织的管理压力以及政府组织的行政效能。要想从源头上解决这一问题，就要从技术层面寻求多方保障，以更多的、更高效的、更节约的手段去处理。经笔者调研发现，管道漏水这一问题长期困扰着供热企业，供热管道漏水不仅造成水资源(特别是软化水)的浪费，水处理成本和耗电量增加，加速设备老化，企业供热成本上升，无法保障用户正常供热，还存在巨大的安全隐患，甚至可能造成路面塌陷、人员及财产的损失，危害巨大。笔者针对热力管道的特点，运用漏水声波探测技术，结合红外成像技术以及防腐保温层检测技术，在北京、天津、太原等多地进行实验调研，对于目标问题的结局取得了预期效果，得到了用户的认可与肯定。

供热管道漏水检测方法包括巡检法、流量法(流量比对与水量失衡判别)、压力法(压力异常)、声波法、内窥检测法(CCTV法)、气体示踪法、红外测温法和热力管道防腐保温层破损检测等。近年来随着城镇供热管网计算机控制系统的应用普及，监控系统也会提供一定的辅助作用。本文只对红外测温技术在供热管道检漏的运用加以叙述。

2 红外热成像技术供热管道漏水检测工作原理

我们知道，任何物体只要它的温度高于绝对零度(-273.15℃)，就有一部分热能转变为辐射能。而物体的温度在 1 000℃以下的，其热辐射中最强的电磁波是红外波。红外热像仪是一种成像测温装置，是利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为“热像”。由《城镇供热管网设计规范》CJJ34-2010适用范围我们知道，城镇供热系统一般为“供热热水介质设计压力小于或等于 2.5 MPa，设计温度小于或等于200℃；供热蒸汽介质设计压力小于或等于 1.6 MPa，设计温度小于或等于350℃。其中热水热力网，以热电厂或大型区域锅炉房为热源时，设计供水温度可取110℃～150℃，回水温度不应高于70℃。”当供热管道发生漏水时，会使漏水点上方地表与周围地表环境产生一定的温度差异，利用红外热成像仪对温度显示和图像显示双重效果来定位温度异常点，然后再利用其他辅助手段进行确认，判定是否由于漏水引起。通过大量收集温度异常数据和图像，排除假异常，我们就可以利用红外成像仪进行热力管道的漏水检测。

3 红外热成像仪仪器设备及其影响因素

目前国内市场品牌较多，其中进口的有：美国菲力尔(FLIR)、美国福禄克(Fluke)、德国德图(Testo)、法国C.A.、日本NEC等；国产的有：浙江大立、武汉高德(GUIDE)、广州飒特(SAT)等。热成像仪一般具有实时提供可见光图像与红外(伪)彩色图像，显示探测结果；成像精度高，高灵敏度，多点测温与高低温自动捕捉功能，分析功能强大，仪器直接显示点、线、面温度分析结果，PC卡贮存信息，容量大，图像不易丢失，非常方便工程使用。当然，仪器使用过程中需做好防尘、防潮、抗电磁干扰等维护工作。

对于红外热像仪来说，影响热像仪结果的参数主要有距离、辐射率、环境温度和湿度等。其中，距离的选择可参考物体的尺寸和测量距离的关系式：D/L≥3θ。其中，D为被测物尺寸，L为测量距离，θ为空间分辨率。

4 红外热成像仪供热管道漏水检测工作方法

首先，我们需要收集供热运行、管网资料等资料。其次，进行方法试验和环境调查。再有，开展红外热成像检测普查工作。

4.1 工作时间

宜选取晚间22：00～次日1：00；可根据具体情况，具体调整。

4.2 工作内容划分

(1)沿目标管道上方测量地表红外异常；

(2)设定屏幕视场为前方5 m～6 m；

(3)以四点测温为基本方式，即SP1、SP2、SP3和最大值方式。前三点测温成直线或对角线排列，使点1在视场中间，这样比较容易定位最高温点；

(4)设置选项中其他选项中的自动调节和连续调节设定为全部调节(在白天最好这样设置)，夜间最好还是把自动调节设为无，把连续调解设为窗口中值(因为冬季夜间地表温差不大)。启动激光定位模式；

(5)以阀栓听音为主要辅助手段；(一般情况下，压力在 3 kg/cm2以上。)

(6)发现周围介质红外异常后，首先拍摄异常区的图片，同时拍摄周围环境无地表异常区域的图片，其次现场观察是否是由于地表自身原因引起的红外异常；

(7)在进行普查过程和拍摄图片时一定要根据当时环境温度设定红外热成像仪的环境温度值；

(8)在拍摄完图片后及时做记录，使图片和现场情况一一对应；

(9)在红外异常区找到最高温点做一标记，换个时间段进行复测。

4.3 注意事项

(1)不要用成像仪直接对太阳、焊枪或其他超高温目标进行检测；

(2)不要测量超过设定温度范围的高温目标物；

(3)当打开热成像仪，储存第一幅温谱图前，请等待一定时间，确认红外成像仪温度稳定；

(4)设备在某种特殊条件下，对静电敏感。

4.4 红外异常分类

红外成像异常可分为地表异常、管道异常、管道附属物异常、各种井盖异常、其他异常等几类。下面是这几类红外异常图。

图1 供热管道红外异常图

4.5 异常确认工作

工作内容包括：

(1)对红外异常点在不同的时间段进行复测，看是否与上次红外异常位置一致。温度变化情况，无论再有无异常都需拍摄图片；

(2)当有温度异常时需使用管线仪进行管道探测，把管道埋深作为重点记录，如果能看到主管道也要对管道做好记录；

(3)对红外异常(特别是地表异常)进行确认工作。确认方法包括阀栓听音、地面听音、相关检测等方法手段；

(4)打孔确认，当红外异常在管道正上方时只需在管道正上方打孔，最好两条管道都能打到；当异常位置不在管道正上方时，还需对红外异常最高温点进行打孔确认是否有水。

需要注意的是红外热像异常无法确定供水或回水异常，确认时需分别确认。另外，红外热像异常不一定在管道上方，需在异常及管道上同时做确认工作。最后，完成漏点修复、复测及报告提交等工作。

5 案例分析

我们以廊坊供热红外普查项目为例进行案例分析。本次工程共检测热力管线 57 km，发现红外异常共15处，经确认，其中5处漏水(其中之一为自来水管道漏水)，5处为保温层破坏，2处为热力管道弯头变浅引起(弯头处保温做得不好)，1处为地下有井盖但地表看不出来，1处为地下有管沟。由此，不难看出，红外成像技术在供热管道漏水检测中较为适用，效果良好。

5.1 红外热像资料分析

图2异常为集宁里小区35号楼附近漏水，管道埋深为 60 cm。经确认漏水点位置和红外异常无误差，为P01位置，地表温度为-3.84℃，与其他背景存在明显温度差。

图2 漏水引起的红外热像异常

图3异常为迎春小区6号楼对面，异常呈长条状分布，且与管道走向一致。经确认，热力井盖和管线仪检测管道显示管道埋深为 10 cm，且路面和阀门并无漏水声音，断定管道保温层破损引起。

图3 保温层破损引起的异常

另外，还有其他几种异常：

图4廊坊政协院内红外异常，异常呈规则等宽条状分布。经确认和环境调查，为埋深较浅的供热管沟，且管道没有漏水，保温层破损。

图4 管沟引起的异常

图5异常在花园楼供热站对面小区内。经过打孔确认，发现温水，而供热管道保温层破损，但没有漏水；又进一步工作后，确认为自来水管道漏水。因为供水管道正好位于供热管道正上方 15 cm处，管道漏水使水温升高，温度达到了21℃，从而造成红外异常。

图5 供水管道漏水引起的异常

5.2 热力管道漏水点开挖验证

(1)供水温度60℃，回水温度47℃，水压 0.4 MPa，DN150钢管，埋深 0.3 m，漏水量0.2 m3/h。

图6 开挖验证点1

(2)供水温度80℃，回水温度50℃，水压 0.5 MPa，DN300钢管，埋深 0.5 m，漏水量 0.3 m3/h。

图7 开挖验证点2

6 总 结

热成像测温技术具有操作简单、测温速度快、测温面积大、测温分辨率高和非接触的特点，检测效率高，日探测长度是地面听音的3倍～4倍，红外异常直观，且一次检测可发现多个异常，是供热管道漏水检测技术重要手段。但是，假异常较多(主要为管道保温层破损以及伸缩节引起)，红外温度异常与真正漏水点位置可能存在一定的偏差。此外，因为大埋深、管沟敷设等因素没有引起地表温度变化的漏水目前还无法发现；同时受物体表面发射率、反射率(或吸收率)、环境温度、大气温度、测量距离和大气衰减等因素的干扰影响较大。

随着工程实践的增多，经验的积累，并结合声波法、防腐保温层检测等多种技术，红外热成像供热管道检测技术的现实意义是巨大而深远的，在预防阶段我们可以通过该技术日常对相关的管道进行检查和观测，对于哪些细小甚微的问题可以及时发现并处理，极大地提高了效率节省了后续的维修和冲突成本；另一方面当明显的漏水漏热问题发生后，维修人员也可有的放矢，对已发生的问题进行点对点式解决，这对提高城乡居民满意度有着重要意义。