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紅外熱像儀在特檢領(lǐng)域的應(yīng)用
2015-03-19
紅外熱像儀在特檢領(lǐng)域的應(yīng)用
紅外熱像儀在特檢領(lǐng)域的應(yīng)用的背景
壓力容器屬于具有爆炸危險(xiǎn)的特種承壓設(shè)備，它擔(dān)負(fù)著高溫、高壓、易燃、易爆、劇毒以及強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等諸多環(huán)境因素的作用。熱彈壓力容器普遍用于航天和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門。但對(duì)于壓力容器在工作狀態(tài)下的實(shí)際應(yīng)力分布情況以及早期預(yù)測(cè)潛在的缺陷，各種常規(guī)方法都無(wú)能為力。因此壓力容器的安全監(jiān)測(cè)、預(yù)防技術(shù)一直是國(guó)際上研究的熱門。英美兩國(guó)曾對(duì)熱彈性效應(yīng)進(jìn)行過(guò)嘗試性研究，但至今還局限于實(shí)驗(yàn)研究。
無(wú)論是特檢行業(yè)還是石化領(lǐng)域，溫度控制與監(jiān)測(cè)比比皆是：例如設(shè)備的磨損、疲勞、裂紋、破裂、變形、腐蝕、剝離、滲漏、堵塞、松動(dòng)、熔融、絕緣老化、油質(zhì)劣化、粘合污染、異常振動(dòng)等等，這些狀態(tài)絕大多數(shù)都直接或間接與溫度變化相關(guān)，這些溫度變化有不少是不能使用常規(guī)的接觸測(cè)溫方法監(jiān)測(cè)的，而采用紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，則可使問(wèn)題迎刃而解。
預(yù)埋缺陷試塊熱紅外圖像
紅外熱成像是通過(guò)非接觸探測(cè)紅外熱量，將其轉(zhuǎn)換生成熱圖像和溫度值的一項(xiàng)技術(shù)。研究表明，紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y(cè)到的熱量精確量化，能夠?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和嚴(yán)格分析。由于紅外熱成像技術(shù)能夠進(jìn)行非接觸式的、高分辨率的溫度成像，可提供測(cè)量目標(biāo)的眾多信息，彌補(bǔ)了人類肉眼的不足，因此已經(jīng)在諸多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。
應(yīng)用和研究現(xiàn)狀
紅外熱成像是由點(diǎn)到面實(shí)時(shí)顯示被測(cè)物體表面的溫度分布,是紅外測(cè)溫技術(shù)的重大發(fā)展。美國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)已將其列為正式的特種無(wú)損檢測(cè)方法之一,并已開(kāi)展Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ級(jí)無(wú)損檢測(cè)人員的培訓(xùn)和考核工作。在工業(yè)設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)方面,人們主要是利用紅外熱成像技術(shù)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備、動(dòng)力機(jī)械設(shè)備和高溫設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況,以及早發(fā)現(xiàn)故障的隱患。
目前,紅外熱成像技術(shù)主要應(yīng)用于高溫壓力容器熱傳導(dǎo)的在線檢測(cè)和對(duì)常溫壓力容器的高應(yīng)力集中部位檢測(cè)。對(duì)高溫壓力容器的檢測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力容器內(nèi)襯的損傷和內(nèi)部的結(jié)焦、堵塞等異常情況,對(duì)常溫壓力容器的高應(yīng)力集中部位的檢測(cè),可以及早發(fā)現(xiàn)早期疲勞損傷情況,這樣既可以直接診斷壓力容器運(yùn)行的狀態(tài),也可以給出停產(chǎn)后壓力容器的重點(diǎn)檢修部.
我國(guó)對(duì)紅外檢測(cè)技術(shù)的研究始于20 世紀(jì)70年代初,通過(guò)30年來(lái)的努力研究與開(kāi)發(fā),這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究中心、中科院沈陽(yáng)金屬所、天津石化公司等單位開(kāi)展了金屬試樣、壓力容器和壓力管道缺陷的熱傳導(dǎo)分析、斷裂力學(xué)和應(yīng)力分析等方面的研究工作,并對(duì)液化石油氣儲(chǔ)罐、反應(yīng)器、加熱爐和高溫壓力管道等設(shè)備開(kāi)展了成功的紅外熱成像檢測(cè)應(yīng)用工作。在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂方面,我國(guó)與國(guó)外相比還有一定差距,目前只有基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12604. 9 —1996《無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ) 紅外檢測(cè)》和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GB8174 —1987《設(shè)備及管道保溫效果的測(cè)試與評(píng)價(jià)》,在壓力容器的檢測(cè)方面還是空白。在檢測(cè)人員資格認(rèn)可方面,2003 年8月國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布的《特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)人員考核與監(jiān)督管理規(guī)則》正式將紅外熱成像技術(shù)作為特種設(shè)備(包括壓力容器) 檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法之一。自此,壓力容器的紅外熱成像檢測(cè)工作已正式納入我國(guó)的特種設(shè)備安全監(jiān)察法規(guī)體系,得到政府的正式認(rèn)可。
紅外熱像儀在特檢領(lǐng)域的應(yīng)用-典型應(yīng)用
1、典型高溫壓力容器襯里缺陷的紅外熱成像檢測(cè)
1、典型高溫壓力容器襯里缺陷的紅外熱成像檢測(cè)
在石油化工企業(yè)中,許多反應(yīng)釜壓力容器處在高溫高壓條件下工作。為了保護(hù)壓力容器外殼在高溫狀態(tài)下免遭內(nèi)部工作介質(zhì)的腐蝕,往往在高溫壓力容器內(nèi)部加上防腐和隔熱內(nèi)襯材料。然而這些襯里在生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期受高溫高壓高速流動(dòng)介質(zhì)的沖刷,極易損壞。若襯里發(fā)生鼓包、裂紋、掏空、脫落等情況,一方面介質(zhì)可直接腐蝕壓力容器器壁,另一方面襯里熱阻減小,壁溫升高,會(huì)使器壁鋼材強(qiáng)度下降,從而導(dǎo)致裝置變形、傾斜甚至倒塌。采用紅外熱成像技術(shù)在壓力容器的運(yùn)行時(shí)對(duì)壓力容器進(jìn)行在線檢測(cè),可以及早發(fā)現(xiàn)襯里的損傷,及時(shí)采取補(bǔ)救措施,排除生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患。
高溫壓力管道在石油化工廠和電站得到廣泛應(yīng)用,時(shí)有泄漏和爆炸事故的發(fā)生。引起壓力管道泄漏和爆炸事故的主要因素包括腐蝕、介質(zhì)沖蝕、焊縫中的焊接缺陷開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、材料劣化和閥門破裂等。大量事故統(tǒng)計(jì)顯示,腐蝕和介質(zhì)沖蝕是引起壓力管道泄漏和爆炸事故的主要原因,約占總事故的50 %。因此,采用有效的無(wú)損檢測(cè)方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力管道母材上由腐蝕和沖蝕引起的局部壁厚減薄缺陷,并將這些管道進(jìn)行更換,是確保壓力管道安全運(yùn)行的重要手段。X(或γ)射線、超聲和紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)均適合于壓力管道壁厚減薄的檢測(cè),而紅外熱成像檢測(cè)由于具有非接觸、快速區(qū)域掃描和對(duì)人無(wú)傷害的優(yōu)點(diǎn),在高溫壓力管道內(nèi)部蝕坑和壁厚減薄缺陷的在線檢測(cè)方面具有潛力。
2、再生器襯里缺陷的紅外熱成像檢測(cè)
再生器是煉油廠催化裂化裝置中的核心設(shè)備,而催化裂化裝置在煉油工藝過(guò)程中又占有十分重要的地位在催化裂化裝置中,再生器用于催化劑燒焦再生,是保證連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,其運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣直接關(guān)系著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。再生器的工作條件極其惡劣,它的襯里要承受700℃的高溫和高速流動(dòng)介質(zhì)的沖刷,因此,在催化劑再生過(guò)程中,再生器首先遭到破壞的是襯里,襯里的損壞對(duì)裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行將帶來(lái)直接威脅。調(diào)查表明,它是造成設(shè)備停工停產(chǎn)的最主要原因之一,所以,襯里狀態(tài)是再生器運(yùn)行狀態(tài)的重要標(biāo)志。
壓力容器熱彈性紅外圖像檢測(cè)
基本原理：
熱彈性效應(yīng)
1853 年,LordKelvin 首次提出固體材料的熱彈性效應(yīng),后來(lái)被Biot 用公式進(jìn)行了描述,即在絕熱條件下:
Δ Te=-KTΔσe
式中Δ Te ———在溫度T 時(shí)的熱彈性溫度變化；
K ———與固體材料膨脹系數(shù)、密度和熱容量有關(guān)的常數(shù)
Δσe———彈性應(yīng)力增加值；
按照此表達(dá)式,可以得出固體材料在彈性拉伸載荷作用下引起降溫,產(chǎn)生紅外冷發(fā)射(IRCE) ,而彈性壓縮載荷則引起升溫。然而對(duì)于材料的塑性變形,則可引起材料溫度的升高,由此產(chǎn)生紅外熱發(fā)射(IRHE) 效應(yīng)。
壓力容器上的高應(yīng)力集中部位是壓力容器運(yùn)行過(guò)程中影響安全的薄弱部位,這是因?yàn)橐环矫娓邞?yīng)力集中的產(chǎn)生往往是由于壁厚減薄、氫鼓包和各種焊接缺陷導(dǎo)致材料受力截面積的減少而引起的;另一方面,壓力容器上的高應(yīng)力集中部位,在介質(zhì)腐蝕環(huán)境的作用下極易產(chǎn)生氫腐蝕開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,而且處于高應(yīng)力部位的各種焊接缺陷在周期疲勞載荷的作用下更易開(kāi)裂與擴(kuò)展。而在壓力容器在線檢測(cè)時(shí),一般無(wú)法采用超聲、射線、磁粉和表面滲透等常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)壓力容器上的焊縫進(jìn)行100 %或大比例的抽查探傷,因此尋找一種快速、高效和非接觸的無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)發(fā)現(xiàn)壓力容器的高應(yīng)力集中部位,然后對(duì)這些部位進(jìn)行重點(diǎn)探傷是解決壓力容器在線檢測(cè)的有效途徑。近年來(lái)由中科院金屬所和中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究中心聯(lián)合研究,提出了壓力容器熱彈性紅外成像檢測(cè)技術(shù)方法,用于快速在線檢測(cè)常溫壓力容器的高應(yīng)力集中和疲勞損傷部位。
3、金屬疲勞損傷的熱斑跡
金屬壓力容器在工況應(yīng)力的疲勞打壓過(guò)程中,由于紅外冷發(fā)射(IRCE) 和紅外熱發(fā)射(IRHE) 的效應(yīng),在其應(yīng)力集中區(qū)有明顯的紅外發(fā)射能量變化。經(jīng)過(guò)一定周期后,其疲勞損傷區(qū)將產(chǎn)生不可逆的溫度增升。
有多個(gè)金屬壓力容器疲勞破壞的結(jié)果證明,壓力容器疲勞損傷區(qū)在工作壓力條件下,始終有熱斑跡存在,這種熱斑跡隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展,其形貌和軌跡雖有所變化,但由它標(biāo)志疲勞損傷區(qū)的確切位置不改變,特別到疲勞損傷后期的熱斑跡圖案,已經(jīng)可明顯地看到裂紋的走向和尺寸大小。對(duì)疲勞泄漏區(qū)的斷口分析證明,熱彈性應(yīng)力紅外圖像早期檢測(cè)疲勞損傷區(qū)的熱斑跡的正確性。
4、液化石油氣儲(chǔ)罐的熱彈性紅外成像檢測(cè)
由于紅外成像檢測(cè)必須在加載過(guò)程中進(jìn)行,因此檢測(cè)時(shí)須對(duì)液化石油氣儲(chǔ)罐進(jìn)行加載試驗(yàn),在加載前的狀態(tài)為空罐,在加載前用紅外熱像儀掃查,查找易產(chǎn)生應(yīng)力集中部位的區(qū)域是否有溫度不一致的情況,加載過(guò)程中對(duì)這些部位進(jìn)行跟蹤觀察,記錄應(yīng)力集中部位的溫度變化情況，檢測(cè)結(jié)果及分析。
3、金屬疲勞損傷的熱斑跡
金屬壓力容器在工況應(yīng)力的疲勞打壓過(guò)程中,由于紅外冷發(fā)射(IRCE) 和紅外熱發(fā)射(IRHE) 的效應(yīng),在其應(yīng)力集中區(qū)有明顯的紅外發(fā)射能量變化。經(jīng)過(guò)一定周期后,其疲勞損傷區(qū)將產(chǎn)生不可逆的溫度增升。
有多個(gè)金屬壓力容器疲勞破壞的結(jié)果證明,壓力容器疲勞損傷區(qū)在工作壓力條件下,始終有熱斑跡存在,這種熱斑跡隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展,其形貌和軌跡雖有所變化,但由它標(biāo)志疲勞損傷區(qū)的確切位置不改變,特別到疲勞損傷后期的熱斑跡圖案,已經(jīng)可明顯地看到裂紋的走向和尺寸大小。對(duì)疲勞泄漏區(qū)的斷口分析證明,熱彈性應(yīng)力紅外圖像早期檢測(cè)疲勞損傷區(qū)的熱斑跡的正確性。
4、液化石油氣儲(chǔ)罐的熱彈性紅外成像檢測(cè)
由于紅外成像檢測(cè)必須在加載過(guò)程中進(jìn)行,因此檢測(cè)時(shí)須對(duì)液化石油氣儲(chǔ)罐進(jìn)行加載試驗(yàn),在加載前的狀態(tài)為空罐,在加載前用紅外熱像儀掃查,查找易產(chǎn)生應(yīng)力集中部位的區(qū)域是否有溫度不一致的情況,加載過(guò)程中對(duì)這些部位進(jìn)行跟蹤觀察,記錄應(yīng)力集中部位的溫度變化情況，檢測(cè)結(jié)果及分析。
在加載前對(duì)空罐進(jìn)行紅外熱成像掃查,發(fā)現(xiàn)是否有溫度不均勻部位,加載期間,逐漸在儲(chǔ)罐的一個(gè)封頭上發(fā)現(xiàn)兩處焊縫部位的溫度高于母材溫度, 由此對(duì)此部位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。
紅外熱像儀在特檢領(lǐng)域的應(yīng)用總結(jié)
為了進(jìn)一步服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，更好的保障特種設(shè)備安全，近年來(lái)，各省特檢院科研人員通過(guò)驗(yàn)證紅外線熱像儀技術(shù)的應(yīng)用精度和可靠性，取得了大量可靠的數(shù)據(jù)和前沿資料，在探索該技術(shù)在特種設(shè)備檢驗(yàn)領(lǐng)域的新用途方面邁進(jìn)了一大步。中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究中心、河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院試驗(yàn)結(jié)果證明,紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)是高溫壓力管道內(nèi)部腐蝕和沖蝕缺陷的可靠方法,該方法檢測(cè)出的最小缺陷尺寸遠(yuǎn)小于管道安全運(yùn)行所允許缺陷的尺寸,滿足管道的檢測(cè)要求
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