红外热成像技术在化工装置中的应用

李鑫

摘 要：文章简述了红外热成像原理和红外热像仪的基本使用方法，介绍了在化工装置中外保温效果检测、设备衬里检测、旋转机械故障辅助检测、电气设备检测等方面的应用实例，总结分析了应用该技术需注意的关键点，如发射率及环境参数的正确确定、避免热源干扰、图像的分析等。

关键词：红外热成像；红外热像仪；无损检测；化工装置

化工装置通常在高温、高压及连续性操作条件下生产运行，加之易燃、易爆、有毒、有害的危险性，保障装置安全平稳可靠运行显得尤为重要。作为无损检测手段之一的红外热成像技术，因其安全的非接触式操作方法、效率高、范围广、图像直观等优势，被高度应用于化工生产过程中的在线监测、日常巡检、定期检查等。

1 红外热成像原理

研究证明，温度在绝对零度（-273.15℃）以上的任何物体，都会对外界放出红外辐射能[1]。红外热像仪就是通过接收物体发射的红外辐射能，并将辐射能转换成温度分布场形式的热像图体现出来。由斯蒂芬-玻尔兹曼定律演变出非黑体总辐射功率W为：

W=εбT4 （1）

式中，W为非黑体的总辐射功率（W/m2）；ε为物体的发射率，由物体材质及表面状态决定，通常经实验测得；б为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，等于5.67×10-8W/（m2·K4）；T为非黑体的热力学温度（K）。

理论上，通过红外热像仪测得的辐射能、材料固有的发射率参数，就能计算出物体的各点的温度，形成热像图。然而，红外热像仪接收到的有效辐射不仅仅只有物体自身辐射，还包括周围环境的反射辐射、大气辐射[2]。因此，红外热像仪遵循以下公式自动对所测数据进行修正补偿：

Wtot=ετWobj+（1-ε）τWrefl+（1-τ）Watm （2）

Wtot为热像仪接收到的全部辐射功率；ετWobj为来自物体的辐射，其中ε是物体的固有发射率，τ是大气传输率，物体温度为Tobj；（1-ε）τWrefl为周围环境的反射辐射，其中（1-ε）是物体的反射比，周围环境的反射温度为Trefl；（1-τ）Watm为大气辐射，其中（1-τ）是大气的辐射率，大气的温度为Tatm。

因此，操作人员在实际使用红外热像仪过程中，还需设置待测物体发射率ε、相对湿度、大气温度Tatm、待测物体距离、周围环境的反射温度Trefl等一系列参数值，来帮助热像仪根据测量值更准确地计算出物体实际温度值，建立真实有效的温度分布热像图。

2 红外热像仪的使用方法

本文以FLIR T40红外热像仪为例，开机后根据待测物体现场情况，在热像仪中设置当前大气温度、周围环境的反射温度；在确定好检测站位后，设置与物体之间距离参数；根据待测物表面材质在热像仪的内置数据库中选取相应发射率。通过调整镜头角度，观察热像仪屏幕内图像温度色谱分布，调整对焦，拍摄记录。检测结束，通过连接电脑，在配套软件中查看热像图及对应的可见光图，并可通过软件中的测量工具，获取图像中任意点的温度数值以及任意区域的极值。通过观察与分析，选择有代表性的热像图生成检测报告。

3 应用实例

3.1 设备的外保温效果检测

在化工装置中，良好的设备外保温效果能减少设备内部热损失，确保设备内部的反应顺利进行。对于氯碱装置中的氧氯化反应器，如果每个插入反应器内部的热电偶外保温效果不好，都有可能造成内部物料HCl低于露点温度而产生氯离子，腐蚀设备本体。使用FLIR T40红外热像仪对某厂氧氯化反应器上分布的20个热电偶保温效果进行定期检测，可以清楚直观地看出保温质量。以2014年10月21日的检测为例，大气温度26℃，待测对象表面发射率为0.92，检测距离为2m。从图1的热像图中可以看出，在编号为2213的热电偶插入口及保温层与筒体相贯线处温度值偏高，出现了明显的漏热现象，保温不够严密。需对检测出的保温层有缝隙、薄弱处密封加固，必要时更换保温。

3.2 设备衬里检测

热设备内部的非金属材料衬里一般起着防腐、隔热、耐磨损的作用。而衬里也会因高温、物料冲蚀、设备长期运行而造成局部裂纹、脱落，进而损伤设备本体。使用热像仪对某厂急冷塔衬里情况进行每月1次定期状态检测。急冷塔内部砌筑双层防腐衬砖，厚度145mm，检测时大气温度26℃，设备表面发射率0.95，检测距离为10m。从图2急冷塔西北方向中部热像图中看到，此位置的表面温度分布均匀，无明显温度过热区域，衬里完好。如若热像图中发现局部出现高温区块，说明内部衬里可能已存在裂纹或脱落，应及时修补或更换衬里。

3.3 旋转机械故障辅助检测

在化工装置中，通过振动状态监测对旋转设备进行故障诊断得到了广泛的应用。在这类设备中，高速转动的轴承等旋转部件由于润滑不良发生摩擦，会造成局部温度过高。通过红外热成像技术对机械的运动状态进行辅助检测，无需接触旋转件，就可安全、直观地检测出部件表面温度，及时发现过热问题，并对旋转件进行保养维护。对某厂氯气压缩机的电机轴承部位进行红外热像检测，检测时大气温度4℃，发射率0.92，检测距离3m。由图3可以看到，测点部位温度分布均匀，传热情况良好，温度最高值在正常范围内，电机运转正常，应对设备继续追踪检测。

3.4 电气设备的检测

導致电气设备发热的故障主要有接头和线夹接触不良、导线老化、铜板局部破损减薄等。在对某厂电气设备进行红外热像检测时，大气温度25℃，发射率0.95，检测距离2m，在图4中，热点SP2为正常温度36℃左右，而热点SP1部位温度93.4℃，温差达56℃。根据《DL/T664-2008带电设备红外诊断应用规范》标准，热点温度>80℃，属于严重缺陷。通过分析，热点SP1位于触点处，有逐渐温度传导过程，应为螺栓接触不良或过紧导致的局部过热问题，调整螺栓的紧固程度可以解决问题。

3.5 其他应用

使用红外热成像技术对储罐类设备的液位进行检测，可以帮助设备员及时发现有故障的液位计；通过对阀门、管路等扫描，可以对无色无味气体泄漏进行监控，根据图像中温度变化判断泄漏情况；对物料流动状态的检测，可以根据温度场分布观察管路是否通畅。

4 应用中需注意的关键点

红外热像仪是对物体发射的红外辐射进行测量和成像的，并通过辐射量与温度之间的函数关系来计算出每点的温度值[3]。因此函数关系中，发射率、环境产生的辐射、反射等参数都影响着计算结果。为了精确地完成温度测量，检测对象地运行状态，还需注意以下问题。

4.1 发射率的确定

发射率是在相同温度条件下，实际物体与黑体辐射出射度的比值，它与物体本身的材质和表面性质有关，是热像仪设定中的一个重要参数[1]。通过热像仪内部的数据库，可以查到常用材质的发射率。需要验证所选发射率是否准确时，可在待测物体表面贴一片发射率已知的绝缘胶带（通常为0.97），静置一段时间；待物体温度基本传导至绝缘胶带后，对胶带位置进行红外拍摄，读取温度值；取下胶带，测量拍摄物体本体，通过更改发射率，直至读出与前面温度相同的值，此时的发射率即为物体表面真实的发射率。

4.2 环境参数的设置

环境参数包括大气温度、反射温度、距离、相对湿度等。

大气温度，为热像仪与目标物体之间的空气温度；反射温度，用于补偿对象上反射的辐射，当发射率低且待测对象的温度与其反射的温度相差很多时，准确的设置就显得尤为重要；距离，热像仪与待测对象之间的距离，用于补偿来自于待测对象的辐射中被大气吸收的部分以及大气自身的辐射；相对湿度，补偿空气相对湿度对辐射传输造成的影响。在距离短和正常湿度的情况下，可设置为50%的默认值，并避免在雨天、雾天等湿度较大的天气进行红外检测作业。

4.3 避免热源干扰

太阳光直射、周围存在热源都会对红外热成像检测的准确度造成较大影响。应尽量选择阴天作业或者设置遮板来避免阳光的干扰。操作人员应注意选取适当的角度来避开周围热源的影响。

4.4 图像的分析

对于热像图的处理分析，需要结合检测人员的经验、设备现场情况及相关检测规范的要求，通过配套软件进行综合分析，并与历次存档记录进行比对，得出诊断结论及设备运行的状态。

5 結束语

在化工装置中应用红外热像检测技术，可以方便定期对设备进行检测维护，迅速直观地发现故障位置，防止事故的进一步发展；为及时了解装置运行状态、制定检维修计划提供了可靠的技术依据，避免过剩维修。

作为操作者，除了学会正确使用红外热像仪、设置相关参数、熟悉操作规范，还应在日常检测中多加观察，积累对不同设备的分析诊断经验，撰写出有参考价值的总结报告，才能为生产装置管理人员提供准确科学的技术信息，为装置安全运行提供保障。

参考文献

[1]田裕鹏.红外检测与诊断技术[M].北京：化学工业出版社，2006：1～43.

[2]杨立，杨桢.红外热成像测温原理与技术[M].北京：科学出版社，2012：47～59

[3]FLIR公司.FLIR热像仪使用手册[Z].2012.

[4]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 664-2008带电设备红外诊断应用规范[S].北京：中国电力出版社，2008.

[5]李丹嵩.红外热成像技术在化工设备检测中的应用及发展[J].上海化工，2010，35（6）：26-30.

[6]刘晖，陈国华.红外热像检测技术在石化工业中的应用[J].石油化工设备，2010，39（1）：47-53.