紅外熱成像技術在化工裝置中的應用

李鑫

摘 要：文章簡述了紅外熱成像原理和紅外熱像儀的基本使用方法，介紹了在化工裝置中外保溫效果檢測、設備襯里檢測、旋轉機械故障輔助檢測、電氣設備檢測等方面的應用實例，總結分析了應用該技術需注意的關鍵點，如發射率及環境參數的正確確定、避免熱源干擾、圖像的分析等。

關鍵詞：紅外熱成像；紅外熱像儀；無損檢測；化工裝置

化工裝置通常在高溫、高壓及連續性操作條件下生產運行，加之易燃、易爆、有毒、有害的危險性，保障裝置安全平穩可靠運行顯得尤為重要。作為無損檢測手段之一的紅外熱成像技術，因其安全的非接觸式操作方法、效率高、范圍廣、圖像直觀等優勢，被高度應用于化工生產過程中的在線監測、日常巡檢、定期檢查等。

1 紅外熱成像原理

研究證明，溫度在絕對零度（-273.15℃）以上的任何物體，都會對外界放出紅外輻射能[1]。紅外熱像儀就是通過接收物體發射的紅外輻射能，并將輻射能轉換成溫度分布場形式的熱像圖體現出來。由斯蒂芬-玻爾茲曼定律演變出非黑體總輻射功率W為：

W=εбT4 （1）

式中，W為非黑體的總輻射功率（W/m2）；ε為物體的發射率，由物體材質及表面狀態決定，通常經實驗測得；б為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，等于5.67×10-8W/（m2·K4）；T為非黑體的熱力學溫度（K）。

理論上，通過紅外熱像儀測得的輻射能、材料固有的發射率參數，就能計算出物體的各點的溫度，形成熱像圖。然而，紅外熱像儀接收到的有效輻射不僅僅只有物體自身輻射，還包括周圍環境的反射輻射、大氣輻射[2]。因此，紅外熱像儀遵循以下公式自動對所測數據進行修正補償：

Wtot=ετWobj+（1-ε）τWrefl+（1-τ）Watm （2）

Wtot為熱像儀接收到的全部輻射功率；ετWobj為來自物體的輻射，其中ε是物體的固有發射率，τ是大氣傳輸率，物體溫度為Tobj；（1-ε）τWrefl為周圍環境的反射輻射，其中（1-ε）是物體的反射比，周圍環境的反射溫度為Trefl；（1-τ）Watm為大氣輻射，其中（1-τ）是大氣的輻射率，大氣的溫度為Tatm。

因此，操作人員在實際使用紅外熱像儀過程中，還需設置待測物體發射率ε、相對濕度、大氣溫度Tatm、待測物體距離、周圍環境的反射溫度Trefl等一系列參數值，來幫助熱像儀根據測量值更準確地計算出物體實際溫度值，建立真實有效的溫度分布熱像圖。

2 紅外熱像儀的使用方法

本文以FLIR T40紅外熱像儀為例，開機后根據待測物體現場情況，在熱像儀中設置當前大氣溫度、周圍環境的反射溫度；在確定好檢測站位后，設置與物體之間距離參數；根據待測物表面材質在熱像儀的內置數據庫中選取相應發射率。通過調整鏡頭角度，觀察熱像儀屏幕內圖像溫度色譜分布，調整對焦，拍攝記錄。檢測結束，通過連接電腦，在配套軟件中查看熱像圖及對應的可見光圖，并可通過軟件中的測量工具，獲取圖像中任意點的溫度數值以及任意區域的極值。通過觀察與分析，選擇有代表性的熱像圖生成檢測報告。

3 應用實例

3.1 設備的外保溫效果檢測

在化工裝置中，良好的設備外保溫效果能減少設備內部熱損失，確保設備內部的反應順利進行。對于氯堿裝置中的氧氯化反應器，如果每個插入反應器內部的熱電偶外保溫效果不好，都有可能造成內部物料HCl低于露點溫度而產生氯離子，腐蝕設備本體。使用FLIR T40紅外熱像儀對某廠氧氯化反應器上分布的20個熱電偶保溫效果進行定期檢測，可以清楚直觀地看出保溫質量。以2014年10月21日的檢測為例，大氣溫度26℃，待測對象表面發射率為0.92，檢測距離為2m。從圖1的熱像圖中可以看出，在編號為2213的熱電偶插入口及保溫層與筒體相貫線處溫度值偏高，出現了明顯的漏熱現象，保溫不夠嚴密。需對檢測出的保溫層有縫隙、薄弱處密封加固，必要時更換保溫。

3.2 設備襯里檢測

熱設備內部的非金屬材料襯里一般起著防腐、隔熱、耐磨損的作用。而襯里也會因高溫、物料沖蝕、設備長期運行而造成局部裂紋、脫落，進而損傷設備本體。使用熱像儀對某廠急冷塔襯里情況進行每月1次定期狀態檢測。急冷塔內部砌筑雙層防腐襯磚，厚度145mm，檢測時大氣溫度26℃，設備表面發射率0.95，檢測距離為10m。從圖2急冷塔西北方向中部熱像圖中看到，此位置的表面溫度分布均勻，無明顯溫度過熱區域，襯里完好。如若熱像圖中發現局部出現高溫區塊，說明內部襯里可能已存在裂紋或脫落，應及時修補或更換襯里。

3.3 旋轉機械故障輔助檢測

在化工裝置中，通過振動狀態監測對旋轉設備進行故障診斷得到了廣泛的應用。在這類設備中，高速轉動的軸承等旋轉部件由于潤滑不良發生摩擦，會造成局部溫度過高。通過紅外熱成像技術對機械的運動狀態進行輔助檢測，無需接觸旋轉件，就可安全、直觀地檢測出部件表面溫度，及時發現過熱問題，并對旋轉件進行保養維護。對某廠氯氣壓縮機的電機軸承部位進行紅外熱像檢測，檢測時大氣溫度4℃，發射率0.92，檢測距離3m。由圖3可以看到，測點部位溫度分布均勻，傳熱情況良好，溫度最高值在正常范圍內，電機運轉正常，應對設備繼續追蹤檢測。

3.4 電氣設備的檢測

導致電氣設備發熱的故障主要有接頭和線夾接觸不良、導線老化、銅板局部破損減薄等。在對某廠電氣設備進行紅外熱像檢測時，大氣溫度25℃，發射率0.95，檢測距離2m，在圖4中，熱點SP2為正常溫度36℃左右，而熱點SP1部位溫度93.4℃，溫差達56℃。根據《DL/T664-2008帶電設備紅外診斷應用規范》標準，熱點溫度>80℃，屬于嚴重缺陷。通過分析，熱點SP1位于觸點處，有逐漸溫度傳導過程，應為螺栓接觸不良或過緊導致的局部過熱問題，調整螺栓的緊固程度可以解決問題。

3.5 其他應用

使用紅外熱成像技術對儲罐類設備的液位進行檢測，可以幫助設備員及時發現有故障的液位計；通過對閥門、管路等掃描，可以對無色無味氣體泄漏進行監控，根據圖像中溫度變化判斷泄漏情況；對物料流動狀態的檢測，可以根據溫度場分布觀察管路是否通暢。

4 應用中需注意的關鍵點

紅外熱像儀是對物體發射的紅外輻射進行測量和成像的，并通過輻射量與溫度之間的函數關系來計算出每點的溫度值[3]。因此函數關系中，發射率、環境產生的輻射、反射等參數都影響著計算結果。為了精確地完成溫度測量，檢測對象地運行狀態，還需注意以下問題。

4.1 發射率的確定

發射率是在相同溫度條件下，實際物體與黑體輻射出射度的比值，它與物體本身的材質和表面性質有關，是熱像儀設定中的一個重要參數[1]。通過熱像儀內部的數據庫，可以查到常用材質的發射率。需要驗證所選發射率是否準確時，可在待測物體表面貼一片發射率已知的絕緣膠帶（通常為0.97），靜置一段時間；待物體溫度基本傳導至絕緣膠帶后，對膠帶位置進行紅外拍攝，讀取溫度值；取下膠帶，測量拍攝物體本體，通過更改發射率，直至讀出與前面溫度相同的值，此時的發射率即為物體表面真實的發射率。

4.2 環境參數的設置

環境參數包括大氣溫度、反射溫度、距離、相對濕度等。

大氣溫度，為熱像儀與目標物體之間的空氣溫度；反射溫度，用于補償對象上反射的輻射，當發射率低且待測對象的溫度與其反射的溫度相差很多時，準確的設置就顯得尤為重要；距離，熱像儀與待測對象之間的距離，用于補償來自于待測對象的輻射中被大氣吸收的部分以及大氣自身的輻射；相對濕度，補償空氣相對濕度對輻射傳輸造成的影響。在距離短和正常濕度的情況下，可設置為50%的默認值，并避免在雨天、霧天等濕度較大的天氣進行紅外檢測作業。

4.3 避免熱源干擾

太陽光直射、周圍存在熱源都會對紅外熱成像檢測的準確度造成較大影響。應盡量選擇陰天作業或者設置遮板來避免陽光的干擾。操作人員應注意選取適當的角度來避開周圍熱源的影響。

4.4 圖像的分析

對于熱像圖的處理分析，需要結合檢測人員的經驗、設備現場情況及相關檢測規范的要求，通過配套軟件進行綜合分析，并與歷次存檔記錄進行比對，得出診斷結論及設備運行的狀態。

5 結束語

在化工裝置中應用紅外熱像檢測技術，可以方便定期對設備進行檢測維護，迅速直觀地發現故障位置，防止事故的進一步發展；為及時了解裝置運行狀態、制定檢維修計劃提供了可靠的技術依據，避免過剩維修。

作為操作者，除了學會正確使用紅外熱像儀、設置相關參數、熟悉操作規范，還應在日常檢測中多加觀察，積累對不同設備的分析診斷經驗，撰寫出有參考價值的總結報告，才能為生產裝置管理人員提供準確科學的技術信息，為裝置安全運行提供保障。

參考文獻

[1]田裕鵬.紅外檢測與診斷技術[M].北京：化學工業出版社，2006：1～43.

[2]楊立，楊楨.紅外熱成像測溫原理與技術[M].北京：科學出版社，2012：47～59

[3]FLIR公司.FLIR熱像儀使用手冊[Z].2012.

[4]中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 664-2008帶電設備紅外診斷應用規范[S].北京：中國電力出版社，2008.

[5]李丹嵩.紅外熱成像技術在化工設備檢測中的應用及發展[J].上海化工，2010，35（6）：26-30.

[6]劉暉，陳國華.紅外熱像檢測技術在石化工業中的應用[J].石油化工設備，2010，39（1）：47-53.