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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的特種承壓設(shè)備，它擔(dān)負著高溫、高壓、易燃、易爆、劇毒以及強腐蝕介質(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民經(jīng)濟的各部門。但對于壓力容器在工作狀態(tài)下的實際應(yīng)力分布情況以及早期預(yù)測潛在的缺陷，各種常規(guī)方法都無能為力。因此壓力容器的安全監(jiān)測、預(yù)防技術(shù)一直是國際上研究的熱門。英美兩國曾對熱彈性效應(yīng)進行過嘗試性研究，但至今還局限于實驗研究。
無論是特檢行業(yè)還是石化領(lǐng)域，溫度控制與監(jiān)測比比皆是：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、熔融、絕緣老化、油質(zhì)劣化、粘合污染、異常振動等等，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)的接觸測溫方法監(jiān)測的，而采用紅外熱成像檢測技術(shù)，則可使問題迎刃而解。
預(yù)埋缺陷試塊熱紅外圖像
紅外熱成像是通過非接觸探測紅外熱量，將其轉(zhuǎn)換生成熱圖像和溫度值的一項技術(shù)。研究表明，紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y到的熱量精確量化，能夠?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域進行準(zhǔn)確識別和嚴格分析。由于紅外熱成像技術(shù)能夠進行非接觸式的、高分辨率的溫度成像，可提供測量目標(biāo)的眾多信息，彌補了人類肉眼的不足，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
紅外熱成像是由點到面實時顯示被測物體表面的溫度分布,是紅外測溫技術(shù)的重大發(fā)展。美國無損檢測學(xué)會已將其列為正式的特種無損檢測方法之一,并已開展Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ級無損檢測人員的培訓(xùn)和考核工作。在工業(yè)設(shè)備的無損檢測方面,人們主要是利用紅外熱成像技術(shù)監(jiān)測電氣設(shè)備、動力機械設(shè)備和高溫設(shè)備的運轉(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)的在線檢測和對常溫壓力容器的高應(yīng)力集中部位檢測。對高溫壓力容器的檢測可以及時發(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,對常溫壓力容器的高應(yīng)力集中部位的檢測,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行的狀態(tài),也可以給出停產(chǎn)后壓力容器的重點檢修部.
我國對紅外檢測技術(shù)的研究始于20 世紀70年代初,通過30年來的努力研究與開發(fā),這一技術(shù)在國內(nèi)已得到越來越廣泛的應(yīng)用。中國特種設(shè)備檢測研究中心、中科院沈陽金屬所、天津石化公司等單位開展了金屬試樣、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,并對液化石油氣儲罐、反應(yīng)器、加熱爐和高溫壓力管道等設(shè)備開展了成功的紅外熱成像檢測應(yīng)用工作。在檢測標(biāo)準(zhǔn)的制訂方面,我國與國外相比還有一定差距,目前只有基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12604. 9 —1996《無損檢測術(shù)語 紅外檢測》和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GB8174 —1987《設(shè)備及管道保溫效果的測試與評價》,在壓力容器的檢測方面還是空白。在檢測人員資格認可方面,2003 年8月國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布的《特種設(shè)備檢驗檢測人員考核與監(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) 檢測的無損檢測方法之一。自此,壓力容器的紅外熱成像檢測工作已正式納入我國的特種設(shè)備安全監(jiān)察法規(guī)體系,得到政府的正式認可。
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
1、典型高溫壓力容器襯里缺陷的紅外熱成像檢測
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)過程中長期受高溫高壓高速流動介質(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,會使器壁鋼材強度下降,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)在壓力容器的運行時對壓力容器進行在線檢測,可以及早發(fā)現(xiàn)襯里的損傷,及時采取補救措施,排除生產(chǎn)過程中的安全隱患。
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裂、應(yīng)力腐蝕開裂、材料劣化和閥門破裂等。大量事故統(tǒng)計顯示,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,采用有效的無損檢測方法及時發(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,并將這些管道進行更換,是確保壓力管道安全運行的重要手段。X(或γ)射線、超聲和紅外熱成像檢測技術(shù)均適合于壓力管道壁厚減薄的檢測,而紅外熱成像檢測由于具有非接觸、快速區(qū)域掃描和對人無傷害的優(yōu)點,在高溫壓力管道內(nèi)部蝕坑和壁厚減薄缺陷的在線檢測方面具有潛力。
2、再生器襯里缺陷的紅外熱成像檢測
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,其運行狀態(tài)的優(yōu)劣直接關(guān)系著企業(yè)的經(jīng)濟效益。再生器的工作條件極其惡劣,它的襯里要承受700℃的高溫和高速流動介質(zhì)的沖刷,因此,在催化劑再生過程中,再生器首先遭到破壞的是襯里,襯里的損壞對裝置的長期運行將帶來直接威脅。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)是再生器運行狀態(tài)的重要標(biāo)志。
壓力容器熱彈性紅外圖像檢測
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),后來被Biot 用公式進行了描述,即在絕熱條件下:
Δ Te=-KTΔσe
式中Δ Te ———在溫度T 時的熱彈性溫度變化；
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行過程中影響安全的薄弱部位,這是因為一方面高應(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)生氫腐蝕開裂和應(yīng)力腐蝕開裂,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裂與擴展。而在壓力容器在線檢測時,一般無法采用超聲、射線、磁粉和表面滲透等常規(guī)無損檢測方法對壓力容器上的焊縫進行100 %或大比例的抽查探傷,因此尋找一種快速、高效和非接觸的無損檢測方法來發(fā)現(xiàn)壓力容器的高應(yīng)力集中部位,然后對這些部位進行重點探傷是解決壓力容器在線檢測的有效途徑。近年來由中科院金屬所和中國特種設(shè)備檢測研究中心聯(lián)合研究,提出了壓力容器熱彈性紅外成像檢測技術(shù)方法,用于快速在線檢測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疲勞損傷區(qū)的熱斑跡的正確性。
4、液化石油氣儲罐的熱彈性紅外成像檢測
由于紅外成像檢測必須在加載過程中進行,因此檢測時須對液化石油氣儲罐進行加載試驗,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,加載過程中對這些部位進行跟蹤觀察,記錄應(yīng)力集中部位的溫度變化情況，檢測結(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疲勞損傷區(qū)的熱斑跡的正確性。
4、液化石油氣儲罐的熱彈性紅外成像檢測
由于紅外成像檢測必須在加載過程中進行,因此檢測時須對液化石油氣儲罐進行加載試驗,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,加載過程中對這些部位進行跟蹤觀察,記錄應(yīng)力集中部位的溫度變化情況，檢測結(jié)果及分析。
在加載前對空罐進行紅外熱成像掃查,發(fā)現(xiàn)是否有溫度不均勻部位,加載期間,逐漸在儲罐的一個封頭上發(fā)現(xiàn)兩處焊縫部位的溫度高于母材溫度, 由此對此部位進行跟蹤監(jiān)測。
紅外熱像儀在特檢領(lǐng)域的應(yīng)用總結(jié)
為了進一步服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展，更好的保障特種設(shè)備安全，近年來，各省特檢院科研人員通過驗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)備檢驗領(lǐng)域的新用途方面邁進了一大步。中國特種設(shè)備檢測研究中心、河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院試驗結(jié)果證明,紅外熱成像檢測技術(shù)是高溫壓力管道內(nèi)部腐蝕和沖蝕缺陷的可靠方法,該方法檢測出的最小缺陷尺寸遠小于管道安全運行所允許缺陷的尺寸,滿足管道的檢測要求
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