油田站庫紅外成像檢測技術研究與應用

畢新忠 張建國 呂書棟

【摘 要】紅外熱像儀能夠檢測設備表面不同溫度紅外波長而形成熱圖像，可以直觀有效地顯示油水罐、分離器的物位以及各種電氣設備的運行狀況。其具有非接觸式、利用率高、安全性強、檢測準確、操作便捷等諸多優點。因此，使用紅外熱像儀進行站庫裝置設備檢測是一種可行的手段。

【關鍵詞】油田；站庫；紅外成像；檢測技術；研究與應用

國內對油水罐運行狀態評價主要通過對生產運行參數的檢測，憑經驗進行分析評價。對罐底集泥、內部零部件運行狀況等沒有直接有效的檢測手段，給日常生產帶來了很大的影響。目前聯合站現有技術無法檢測油水罐、分離器等底部集泥情況，加劇了內部構件、填料等腐蝕，影響設備使用壽命和運行效果；無法檢測油水罐罐壁、管線等結垢腐蝕情況，發生穿孔泄漏等問題；無法檢測電器設備運行情況，造成設備發熱燒毀，缺乏有效檢測手段與工具。因此，研究使用紅外熱像儀進行站庫裝置設備檢測是當務之急。

1.紅外成像檢測原理

自然界中的一切物體由于物質分子熱運動，所有物體都會發射電磁波，兩物質系統之間或系統內部內能的傳遞稱為傳熱。傳熱有三種方式：傳導、對流和輻射。根據能量守恒定律，景物與環境之間所發生的熱傳遞應遵從熱平衡方程如下式所示：

g+jcnv=qcnd+qcnv+M

式中：g—物體自身發熱；jcnv—物質從環境吸收的熱量；qcnd—物質通過傳導釋放的熱量；qcnv—物質通過對流釋放的熱量；M—物質通過輻射釋放的熱量。

只要物體的溫度高于絕對零度，那么該物體總是在不斷地發射紅外輻射，就有一部分熱能轉變為輻射能。對常溫物體，輻射是主要形式。任何物體，不論其溫度高低都發射或吸收電磁熱輻射，其大小除與物體材料種類、形貌特征、化學與物理學結構（如表面氧化度、粗糙度等）特征有關外，還與波長、溫度有關。紅外熱像儀就是利用物體的這種輻射性能來測量物體表面溫度場的。根據斯蒂芬-波爾茲曼定律[1]。

W=εσT4

式中：σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數；ε—待測物體表面發射率系數；T—待測物體表面的溫度；W—物體表面總輻射強度。

因此，不同物體具有不同的溫度和發射系數，熱像儀接收來自物體的輻射，便可測定物體表面的溫度場分布。

2.紅外熱像儀結構與型號選擇

紅外熱像儀是能夠實現熱成像測溫的精密儀器，它是紅外熱成像測溫的核心設備，因此將能生成紅外圖像的紅外成像系統，稱為紅外熱像儀。紅外熱像儀是一種二維平面成像系統，熱像儀中具體實現由紅外光變成電信號、又由電信號變換可見光的轉換功能，這是由熱像儀的內部組成部件完成的。紅外熱像儀主要由光學系統、掃描器紅外探測器、信號處理電路和顯示記錄裝置等幾部分組成。

（1）光學系統。紅外光學系統的作用是會聚被測目標的紅外輻射，經過光學和空間濾波，將景物的輻射熱圖聚焦到探測元件的焦平面。

（2）信號處理。在熱像儀中，紅外探測器輸出的信號非常微弱，只有通過充分放大和處理后才能加以顯示，因此信號放大和處理電路是熱成像裝置中的重要組成部分。

（3）顯示方法。①光源顯示法：視頻信號經放大與處理后，其輸出信號直接驅動發光二極管、等離子顯示板或輝光放電管等光源，使之顯示出目標表面紅外輻射能量分布情況。

②電視屏幕顯示法：把經放大和處理的信號輸入到電視顯像管中，在熒光屏上便顯示出目標的紅外圖像。對于黑白顯像管，將顯示出明暗不同的黑白圖像，所呈現的不同灰度等級，代表著不同溫度。對于彩色顯像管，視頻信號經分層和編碼處理后，輸入到管中，其熒光屏上便顯示出目標的彩色圖像。

油田站庫設備體積較大，因此對熱像儀的精度要求不嚴格，所國內生產的紅外熱像儀同樣可以滿足現場要求，結合油田需求，確定了手持式熱像儀和在線式熱像儀。考慮到性能、需求等因素，結合現場設備布置情況，確定了紅外熱像儀的型號，選擇型號為C300手持式熱像儀，型號為R30在線檢測熱像儀，如圖2。

與動態熱像儀主機連接的安裝有動態溫度流軟件的計算機，可同時實現多任務的并行處理，例如實現動態熱像顯示，任意區域的實時溫度趨勢分析、實時溫度流數據連續存儲。分析軟件涵蓋了所有常規功能，例如分析框設置、采樣幀頻、抓圖功能、報告導出功能、偽彩設置、框溫度分布、區域溫度分布、游標調用、報警設置、等溫分析。

3.現場技術研究與應用

（1）油水罐與紅外成像關聯技術研究。開展油水罐不同運行狀況模擬和紅外成像技術研究。油水罐內部不同構造、罐底泥沙不同高度等狀態下，利用紅外成像技術，建立罐內溫度分布數學模型。利用紅外成像技術和溫度數學模型，直觀地掌握油水罐運行狀況，實現科學高效的站庫運行管理。

（2）開展電氣設備隱患和紅外成像技術研究。利用紅外成像技術，建立電氣設備運行狀態檢測數據庫。利用數據庫對電氣設備運行中的隱患進行事先預警，避免故障發生。

（3）開展設備、管道腐蝕、泄漏等隱患排查和紅外成像技術研究。利用可視化成像技術對設備管道施工質量、腐蝕或結構完整性評估預警，形成管道監控數據庫，實現有效地預處理。

（4）開展集輸站庫熱成像技術影響因素研究。對保溫油水罐以及油水溫差較小等印象因素進行研究，對電氣設備導熱不同等印象熱成像技術研究。

（5）開展油田集輸站庫專用成像技術軟件開發研究。

依據數據模型、熱成像數據庫，進行油田集輸站庫專用熱成像技術軟件開發，應用于油水罐、三相分離器、加熱爐、電氣設備等，實現熱成像技術的錄入、數據轉換、數據生成、數據分析、監控結論、處理方案功能。

（6）對油田集輸站庫專用熱成像技術軟件開發的應用試驗再改進。

4.結論

本文論述了紅外熱成像原理，紅外熱像儀的結構、型號等特點以及項目內容。紅外熱成像運用光電技術檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將該信號轉換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，并可以進一步計算出溫度值。通過研究選擇了適用于現場的熱像儀，選擇型號為C300手持式熱像儀，型號為R30在線檢測熱像儀。

結合紅外熱成像技術，對站庫有水罐裝置、電氣設備等進行熱成像技術研究，利用紅外熱成像技術去檢測罐體設備內物位變化、電氣設備發熱情況以及設備腐蝕情況等，及時掌握集輸站庫設備的運行狀況，編制紅外熱圖分析軟件和數據庫，利用分析軟件和數據庫對站庫裝置設備運行狀況進行提前預警，形成集輸站庫紅外成像測試、分析和預警專有技術，有效提高油田集輸站庫安全經濟運行水平。

【參考文獻】

[1] 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（01）：47-53.