紅外熱像技術(shù)在壓力容器腐蝕與故障監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、第41卷第5期2012年9月石油化工設(shè)備PETRO—CHEMICALEQUIPMENTVoL41No5Sept2012文章編號(hào)：1000—7466(2012)05—0071—04紅外熱像技術(shù)在壓力容器腐蝕與故障監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用范偉林(上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司，上海200137)摘要：介紹了紅外熱像技術(shù)的工作原理和使用特點(diǎn)，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例闡述了該技術(shù)在壓力容器腐蝕、故障監(jiān)測(cè)及檢測(cè)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：紅外熱像技術(shù)；壓力容器；腐蝕；監(jiān)測(cè)；應(yīng)

2、用中圖分類號(hào)：TQ0507；TQ0513文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Bdoi：103969／jissn1000—7466201205017ApplicationofInfraredThermalImagingTechnologyforPressureVesselCorrosionDamageandBreakdownMonitoringFANWeilin(ShanghaiGaoqiaoSGPECPetrochemicalEngineering&Const

3、ructionCoLtd，Shanghai200137，China)Abstract：Theworkingprincipleandcharacteristicsofinfraredthermalimagingtechnologywereintroduced，basedonthecombinedapplicationinstanceonthebreakdownmonitoringanddiscoverofcorrosioninpressu

4、revesselsKeywords：infraredthermalimagingtechnology；pressurevessel；corrosion；monitoring；appli—cation1紅外熱像技術(shù)簡(jiǎn)介紅外熱像技術(shù)是通過非接觸探測(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)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的紅外熱像設(shè)備稱為紅外熱像系統(tǒng)。研究表明[13，紅外熱像技術(shù)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

5、紅外熱像技術(shù)能夠進(jìn)行非接觸式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)人類肉眼的不足。因此，已經(jīng)較為普遍地應(yīng)用在石化設(shè)備的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)之中。典型的紅外熱像系統(tǒng)的工作框圖見圖1。紅外熱像技術(shù)是以接收被監(jiān)測(cè)物自身各部分輻射的紅外線來進(jìn)行探測(cè)，利用其各部分輻射的差異獲得圖像的細(xì)節(jié)，其實(shí)質(zhì)是一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，即把紅外輻射圖像轉(zhuǎn)換為可視圖像的技術(shù)。I目標(biāo)紅外輻射H紅外物鏡H紅外探測(cè)器H信號(hào)預(yù)處理llA／D模數(shù)轉(zhuǎn)換H信號(hào)圖像處理HD／A數(shù)模轉(zhuǎn)

6、換H歧視器I圖1典型的紅外熱成像系統(tǒng)框圖目前，紅外熱像技術(shù)主要應(yīng)用于高溫壓力容器熱傳導(dǎo)的在線監(jiān)測(cè)和對(duì)常溫壓力容器的高應(yīng)力集中部位監(jiān)測(cè)。對(duì)高溫壓力容器的監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)壓力容器內(nèi)部腐蝕、內(nèi)襯的損傷、內(nèi)部結(jié)焦、堵塞等異常情況[2]，對(duì)常溫壓力容器因腐蝕產(chǎn)生的缺陷、高應(yīng)力集中部位的監(jiān)測(cè)，可以及早發(fā)現(xiàn)早期腐蝕破壞或疲勞損傷情況，既可以直接診斷壓力容器運(yùn)行的狀態(tài)，也可以對(duì)停產(chǎn)后壓力容器的重點(diǎn)檢修部位或更換部收稿日期：2012—04—29作者簡(jiǎn)介：范偉

7、林(1963一)，男，上海人，工程師，學(xué)士，長(zhǎng)期從事壓力容器監(jiān)控、維修以及市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)工作。學(xué)兔兔www.xuetutu.com第5期范偉林：紅外熱像技術(shù)在壓力容器腐蝕與故障監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用式中，t為再生器的內(nèi)壁溫度，￡為再生器的外壁溫度，t為環(huán)境溫度，℃；為風(fēng)速，m／s。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過紅外熱像儀測(cè)量器壁的溫度，可計(jì)算出值，然后根據(jù)試驗(yàn)過程中得到的判據(jù)來評(píng)價(jià)再生器襯里的完好狀態(tài)。某煉油廠通過多年對(duì)再生器襯里(一50mm)進(jìn)行紅外熱成像監(jiān)測(cè)，總

8、結(jié)出再生器襯里破損的評(píng)價(jià)判據(jù)如下。(1)當(dāng)小于襯里原厚度的30時(shí)，再生器表面溫升速率較小，設(shè)備可以正常運(yùn)行。(2)當(dāng)大于等于襯里原厚度的30時(shí)，再生器表面溫升速率急劇增大，這時(shí)要對(duì)設(shè)備進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，密切注意襯里損壞區(qū)域的發(fā)展趨勢(shì)。(3)當(dāng)大于等于襯里原厚度的7O時(shí)，設(shè)備處于緊急狀態(tài)，必須盡快采取相應(yīng)的措施。實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，由于計(jì)算比較復(fù)雜，一般先分析溫度分布圖像，發(fā)現(xiàn)溫度存在異常變化才進(jìn)行必要計(jì)算。232廢氣焚燒爐爐膛隔熱層紅外熱成像監(jiān)測(cè)石

9、化裝置中，廢氣焚燒爐爐體全部采用鋼制，爐膛內(nèi)隔熱層為耐火水泥或耐火磚。為了使焚燒爐中的廢氣燃燒后排放尾氣不污染環(huán)境，廢氣焚燒爐的燃燒溫度必須達(dá)到或超過760。C。為方便比較，廢氣焚燒爐爐膛內(nèi)隔熱層紅外熱成像監(jiān)測(cè)必須定期進(jìn)行，積累分析數(shù)據(jù)資料。因此，監(jiān)測(cè)時(shí)刻必須控制在爐溫穩(wěn)定不少于1h后進(jìn)行。監(jiān)測(cè)方位和距離固定在焚燒爐對(duì)稱兩側(cè)定距離2m。以每月固定日為監(jiān)測(cè)日，初次監(jiān)測(cè)得到的溫度分布圖為以后比較的基準(zhǔn)圖。監(jiān)測(cè)重點(diǎn)要放在管口、支架等隔熱耐火層

10、容易受損處。每次監(jiān)測(cè)所得到的溫度分布圖都要和初始溫度分布圖進(jìn)行比較]。局部耐火隔熱層剝落、破損或者斷裂，都會(huì)引起鋼制爐體外壁溫度明顯上升，最終會(huì)在紅外圖像中清晰顯示為一個(gè)熱圓(圖像中的光亮圓)。某公司通過對(duì)廢氣焚燒爐實(shí)施紅外熱成像監(jiān)測(cè)，得到爐膛隔熱層破損面積S的評(píng)價(jià)判據(jù)如下。(1)S小于隔熱層原有效面積的10時(shí)，焚燒爐表面溫升速率較小，設(shè)備可以正常運(yùn)行。(2)當(dāng)s大于等于隔熱層原有效面積的1o時(shí)，焚燒爐表面溫升速率急劇增大，這時(shí)要對(duì)設(shè)備

11、進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，密切注意爐膛隔熱層損壞區(qū)域的發(fā)展趨勢(shì)。(3)當(dāng)S大于等于隔熱層原有效面積的20時(shí)，表明焚燒爐爐膛隔熱層有效隔熱面積在急劇減少，必須制定內(nèi)部隔熱層修補(bǔ)或局部更換計(jì)劃。233液化石油氣儲(chǔ)罐熱彈性紅外圖像監(jiān)測(cè)應(yīng)力集中部位是影響壓力容器運(yùn)行安全的薄弱部位，應(yīng)力集中大多是由于壁厚減簿、氫鼓包和各種焊接缺陷導(dǎo)致材料受力截面積減少而引起的j。在介質(zhì)腐蝕作用下，高應(yīng)力集中部位極易產(chǎn)生氫腐蝕開裂和應(yīng)力腐蝕開裂，處于高應(yīng)力部位的各種焊接缺陷在

12、周期疲勞載荷的作用下也更容易開裂和擴(kuò)展。壓力容器在線檢測(cè)時(shí)，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(cè)方法對(duì)壓力容器上的焊縫進(jìn)行檢測(cè)。采用快速、高效和非接觸的無損檢測(cè)方法發(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監(jiān)測(cè)的有效途徑。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，在絕熱條件下固體材料具有熱彈性效應(yīng)，其在彈性拉伸載荷作用下引起降溫，產(chǎn)生紅外冷發(fā)射(IRCE)，受彈性壓縮載荷作用時(shí)則引起升溫。此外，材料的塑性變形可引

13、起材料溫度的升高，由此產(chǎn)生紅外熱發(fā)射(IRHE)效應(yīng)。據(jù)此可采用紅外熱像技術(shù)對(duì)壓力容器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。某臥式罐的體積為12rn。，設(shè)計(jì)壓力為177MPa，實(shí)際操作壓力為03～06MPa，設(shè)計(jì)溫度為50^C，材質(zhì)20G，整體式封頭壁厚16mm，筒體壁厚為14mm。紅外熱像監(jiān)測(cè)必須在加載過程中進(jìn)行，因此需對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行加載試驗(yàn)_】，加載前儲(chǔ)罐的狀態(tài)為空罐，內(nèi)部殘液的壓力為013MPa。加載采用液化氣泵從2號(hào)罐向3號(hào)罐充氣，最終使3號(hào)罐壓力達(dá)到07

14、MPa。在加載前用紅外熱像儀掃查，確認(rèn)易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域是否有溫度不一致情況，加載過程中要對(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。結(jié)果顯示，加載前對(duì)空罐進(jìn)行紅外線熱像掃查沒有發(fā)現(xiàn)溫度不均勻部位，壓力從03～05MPa的加載中，可以發(fā)現(xiàn)在儲(chǔ)罐封頭焊縫處溫度明顯高于儲(chǔ)罐平均溫度，當(dāng)罐內(nèi)達(dá)到最大加載能力073MPa時(shí)，焊縫處溫度隨之上升。對(duì)罐體進(jìn)行觀察，可見封頭焊縫和封頭接管補(bǔ)強(qiáng)板角焊縫處有些不滿。根據(jù)分析，這兩個(gè)部位易產(chǎn)生