红外热成像技术在烟囱腐蚀检测中的应用

陈镜伊 张锋剑

1平顶山姚孟第二发电有限公司（467000）2河南城建学院土木工程学院（467036）

红外热成像技术在烟囱腐蚀检测中的应用

陈镜伊1张锋剑2

1平顶山姚孟第二发电有限公司（467000）2河南城建学院土木工程学院（467036）

结合传热学中热传导和热辐射理论，给出腐蚀后烟囱外壁利用红外热成像技术检测烟囱壁腐蚀程度的方法。根据红外热成像仪采集的数据，结合热工计算原理定量计算出烟囱腐蚀厚度。这里结合平顶山姚孟第二发电有限公司#1、2机组单筒式钢筋混凝土烟囱红外检测，通过数据分析表明，红外热成像技术能够检测出缺陷的位置，能够初步判断缺陷大小及腐蚀深度。

钢筋混凝土烟囱；红外无损检测；腐蚀

0 前言

自2004年1月1日国家环境保护总局颁布实施《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223－2003）以来，我国燃煤火力发电厂大部分采用湿法烟气脱硫工艺，脱硫湿烟气中的腐蚀物质包括硫酸、亚硫酸、氯化物、氟化物等，其腐蚀等级为强腐蚀，脱硫烟气形成的冷凝物就具有了很强的腐蚀性。烟气脱硫后，混凝土（或钢）烟囱在酸性环境下工作，受烟气压力和湿度的双重作用发生腐蚀，严重影响烟囱安全使用和结构耐久性，致使许多电厂的烟囱在机组脱硫改造前尚可正常使用，机组脱硫改造完成后却遭到严重的侵蚀[1-3]。烟囱作为燃煤火力发电厂的重要构筑物，直接影响机组发电运行和电厂的安全生产，因此需要对烟囱腐蚀进行经常性的检测和监控,以了解烟囱内衬的完整性和烟囱结构的安全性。传统的烟囱受腐蚀程度检测是在机组停机的情况下,采用破损性或半破损性的检测方法进行检测，不但损伤烟囱内衬防腐层，而且检测工作现场取样存在较多高空作业环节，危险性高，检测周期长，整个过程耗时、费力。红外无损检测技术具有方便、快捷、高效、节省人力和物力等优点，可对烟囱内壁腐蚀程度进行定期监控，以判断内衬的完整性，评估烟囱内衬有无必要进行更换。

1 红外热成像检测原理

红外热成像技术运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并可以计算出温度值。红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，可以检测到物体表面的温度分布状况[4，5]。

火力发电厂钢筋混凝土烟囱中，为了防止烟气温度和烟气成分对其内衬及结构本身的腐蚀，通常采用内衬+隔热层的做法。腐蚀从内衬开始逐渐移向筒壁，先腐蚀结构薄弱部位后逐渐扩大。内衬的灰缝、筒壁裂缝和混凝土不密实处，都是先腐蚀的部位。

烟囱内壁的内衬及隔热层如被腐蚀，将发生剥落或变形，影响烟囱的隔热效果，隔热薄弱区会产生大量的热泄漏，并在烟囱外壁形成过热区。在这个阶段烟囱外壁会出现温度差异，红外热成像技术能感知这种温度差异，并通过图像显示。

使用红外热像仪检测烟囱，当烟囱因腐蚀存在缺陷时，被检测部位产生非连续性缺陷进而对热传导性能产生影响，体现在红外热像仪上则有明暗差异，从而反映出物体表面温度的差异。也就是说，烟囱因腐蚀产生的缺陷区域会产生温度梯度，导致在物体表面原本连续的红外辐射能力发生改变。当红外热像仪在测试出这种差异后，可以推断出物体内部是否存在缺陷以及缺陷范围大小。利用热工原理,可以在机组不停运的情况下，定量地估计烟囱内壁腐蚀程度。

在建筑物或构筑物中，当室内外空气存在温差时，在围护结构中就会发生热量传递，热量总是从温度较高的一侧传向温度较低的一侧。根据一维稳态导热理论，如图1所示，吸收的热量qin将等于释放出的热量qout，即其热流密度相等。

式中，ti——构筑物内或室内空气温度，单位℃；t0——构筑物外或室外空气温度，单位℃；two——维护结构外表面温度,单位℃；R0——维护结构总热阻,单位（m2·℃）/W；Rw——维护结构外表面换热阻，单位（m2·℃）/W。

图1 一维稳态温度场

在式（2）中，ti从烟囱温控监测室可以得到烟囱的内部温度；t0为烟囱的外部空气温度，可以在进行红外测量时实时记录;two烟囱的外表面温度,可以通过热像仪进行提取;R0围护结构的总热阻,即烟囱壁的总热阻，可以根据烟囱设计施工图纸得到其材料组成及厚度,通过热工设计规范查出导热系数，计算出热阻;Rw是外表面换热阻,其值可以通过反算方法算出。

在烟囱壁的某个区段的热像图中，将温度均匀的部分作为参考区，通过公式反算出Rw，然后对个别高温点计算其热阻R0，根据热阻的变化推算烟囱内壁的腐蚀程度。

2 工程应用实例

本项目检测的烟囱为平顶山姚孟第二发电有限公司#1、2机组共用的单筒烟囱。该烟囱高150 m，烟囱出口直径7.5 m。烟囱由原水利电力部华东电力设计院于1971年5月完成施工图设计。烟囱为钢筋混凝土结构，筒身内衬采用#100普通红砖、#25混合砂浆砌筑，筒壁及基础采用#200混凝土，筒壁最大厚度300 mm，最小厚度160 mm，隔热层采用50 mm厚封闭空气层。根据环保要求，对#1、2机组烟气进行湿法（石灰石-石膏法）烟气脱硫改造。由于湿法脱硫后低温高湿的腐蚀性烟气对烟囱腐蚀性较强,因此对原有烟囱进行内衬防腐改造，拆除原有内衬，增加新型防腐蚀内衬。

新增内衬及防腐做法:第一层，外筒内壁抹碳纤维耐酸钾水玻璃防腐砂浆层15 mm厚；第二层，内衬防腐层，玻化陶瓷砌筑砖用钾水耐酸胶泥砌筑120 mm厚；第三层，外贴防腐层，玻化陶瓷面砖50 mm厚。

烟囱防腐改造具体构造见图2。

图2 姚孟电厂烟囱结构图

使用红外热成像技术对#1、2机组烟囱进行测试。测试时使用FLUKE Ti32热像仪外加长焦镜头。红外检测从烟囱东南方向开始测试，向东逆时针测量烟囱四周，直到正南方向结束。图3为该烟囱某处的热像图，图4为热像图温度分布直方图。

图3 烟囱某部位热像图

图4 温度分布直方图

从热像图中可以判断大面积红色区域为烟囱主结构,在烟囱主结构中有两条明显的黄色低温带，为防腐层搭接区域，因该区域防腐层较厚，故该区域温度较低。除去该环形低温带，其余区域温度分布基本均匀，根据测试结果分析，该区域的最高温度小于防腐层完全损坏的临界温度，说明该烟囱内衬基本完好，50 mm厚的防腐层未出现明显破坏，防腐效果良好。

利用热工理论分析图3热像图，能定量计算出烟囱内衬腐蚀厚度，表明红外热成像技术在实际工程的运用中能够准确地检测出缺陷的位置，并能够分辨出搭接位置和缺陷位置，还可以定量地检测出内衬某一层是否出现破损。能够根据异常颜色面积的大小、最大温度和临界温度的关系，判断出缺陷面积的大小。

3 结论

通过理论分析及工程实例，研究了通过红外热像技术检测缺陷的情况,并对数据进行分析，得到如下主要结论:

1）红外热像技术通过调整拍摄参数及选取合适的拍摄时间,可以真实采集到烟囱外表面温度分布图，用于计算与分析烟囱腐蚀程度。

2）利用热工原理及计算公式，根据红外热像仪采集的烟囱外表面温度，能定量计算出温度异常点的内部腐蚀厚度，对烟囱腐蚀情况作出损坏评估。

3）通过实际应用，红外热成像技术在烟囱腐蚀检测中具有准确、快速不破损检测等优点。

[1]宋红兵.已建机组加装湿法烟气脱硫后的烟囱防腐[C].第十届全国燃煤二氧化硫、氮氧化物污染治理技术暨烟气脱硫脱氮工程建设和运行管理交流会论文集,苏州, 2006.

[2]中国环境保护产业协会脱硫脱硝委员会.我国脱硫脱硝行业2012年发展综述[J].中国环保产业,2013(7):8～20.

[3]于世秋,刘运诚.大型火电机组脱硫改造后低温烟气损毁烟囱事故分析[J].电力系统装备，2013(8):71～72.

[4]黄沛.红外热像技术在建筑工程中的应用研究[D].汕头:汕头大学,2006.

[5]李国华,吴立新,吴淼,等.红外热像技术及其应用的研究进展[J].红外与激光工程,2004(03):227～230.