红外热成像无损检测在压力容器检验中的应用

红外热成像无损检测在压力容器检验中的应用

付强

浙江赛福特特种设备检测有限公司浙江杭州310000

摘要：红外热像技术利用红外辐射原理，通过测取目标物体表面的红外辐射，将被测物体表面的温度分布转换为形象直观的热图像，现在很多工厂都是采用生产线流程进行生产没在进行生产过程中，必须要进行生产线事前检查。尤其是在盛庄密封液体或者其体这种类型的容器中更加需要注意，本篇文章主要讲解红外热成像技术在压力容器进行检验过程中发挥的作用以及这种检验技术的优点。

关键词：无损检测;红外热成像;压力容器检验

在进行生产之前以及在生产过程之中都需要对生产线进行提前检查，到目前，我们国家很多企业进行生产流程线检查的都是无损设备，但是传统检查技术存在很多不足的方面。并且耗用企业成本比较高，为了进一步提高检验的准确性，保证生产出来产品质量，有必要对进行生产压力容器的企业应用无损检测技术。红外热成像无损检测(以下简称红外热检测)是红外热像技术在无损检测中的应用，是通过接收材料内部或表面因为缺陷或材料结构不均匀而产生的红外发射形成红外图像表征材料内部缺陷或结构变化的技术。

1红外线热成像无损检验技术的基本工作概念以及工作原理

1.1红外热检测理论

红外热检测根据信号来源机理有被动热成像和主动热成像。固体材料中存在热弹性效应，材料或构件在承受拉伸载荷时引起温降，而承受弹性压缩载荷时引起温升。多年来，却没有人用实验证实此效应的存在。1981年，中国科学院金属研究所利用红外热图技术发现材料内部承受弹性拉伸载荷时温度下降、承受弹性压缩载荷时温度上升，直观地证实了金属中存在此种效应。主动热成像技术中，采用一种红外光源，如红外灯或激光束等光源，照射被测物体表面。当外来光源照到物体表面时，在物体内部必然产生热流。当热流通过物体时，材料出现异常部位其热力特性(比热容、密度和热传导率)不同，就可能出现热“阻塞”，或者在材料中存在“空洞”，引发与正常部位不同的红外发射，产生局部有变化的红外热图，此红外热图则可用来表征材料内部缺陷或应力异常区。主动红外热检测与热传导理论密切相关。

1.2红外热检测软件系统发展

随着红外热检测成像系统等硬件的发展，数字信号处理在红外热检测中得到大量应用，如人工神经网络、傅立叶分析、小波分析、图像处理与分析等现代数字信号处理手段已经开始应用于这一领域。西安交通大学的梅林博士在红外热检测与评价中缺陷定量化方面做了深入而细致的工作，将红外热检测和现代智能化信息处理方法相结合。

2在生产过程中应用这种技术的优点以及缺点

相比较传统检测技术，红外热成像技术在我国是一门刚引入比较新的技术。但是，虽然引进历史比较短，但是这种技术相比较传统技术有很多比较好的地方。有优点就一定会有缺点，下面来探讨这种技术的优点和缺点以及主要表现：

2.1红外热成像无损检测优点

因为引入时间问题和技术方面的限制，在一些规模比较小企业中这门技术还没有得到广泛应用。但是在一些规模比较大的生产企业，应用这种设备进行检测的优点也逐渐显现。首先，这门技术最突出的特点就是安全。因为它基本工作原理就是物体散发出热量不同，在进行工作过程中，只要启动设备正常工作之后，工作人员就不再需要对设备进行过多操作。传统检测方式都要求工作人员具有一定工作经验，因为在设备检测过程中，需要对设备进行手动检查。一般生产企业情况还好一些，但是对于压力容器这种生产企业，一般都是大型机器，比较危险，如果在进行检测过程中稍微出现一点失误，不仅会造成生产流程失败，对操作人员自身的安全也会有比较大威胁。使用红外热成像对机器设备进行检测，操作人员根本没有必要去碰触需要进行检测的机器，只需要由一名人员打开检测设备就好。很大程度提升了检测过程中的安全性能。

2.2这种技术存在的问题分析

虽然这种设备在进行操作时有很多优点，但是相对的，因为这种技术比较先进，在我国目前还处于发展探索阶段，许多中小型企业没有足够的资金来购买检测设备，费用相对来说比较昂贵。其次，因为在进行具体运行过程中，很多大型机器两个不同角度散发热量有很大差异，检测设备仅仅只是检测运行设备表面散发出的热量并不可以说明整个设备内部的运行状况。受到工厂本身温度以及环境影响的可能性也比较大，所以，如果想要保证这项检测设备运行的准确性，对设备进行运行的环境就要做特殊处理。并且一些大型设备，两面都比较大温度差异的话，不适合使用这种技术进行检验。

3红外热检测在压力容器检验中的应用发展

金属材料在疲劳载荷的作用下，要经历裂纹萌生、长大直到发生断裂等阶段，在经受疲劳载荷的材料表面或近表面下潜在的缺陷或不均匀处首先形成应力集中区，成为红外冷发射和热发射源。通过对此类信号监测，可以获得疲劳损伤过程的红外热图像。压力容器的红外热检测正是基于运行过程中疲劳损伤的出现而产生红外发射实施检测。红外热检测经历了对金属材料疲劳研究、简单压力容器疲劳实验室研究、在用压力容器现场检测研究的过程。

3.1金属材料疲劳的红外热检测研究

美国的P.K.Liaw等对反应器用钢SA533B1I2进行了疲劳试验的红外热检测研究。将SA533B1I2制成圆柱形试棒，进行了1000Hz和20Hz循环加载，采用红外热像监测系统对试棒的整个疲劳过程的温度进行了热图记录，发现其经历了试样温度初始上升、温度平衡、温度突然上升及温度下降四个阶段，这与疲劳发展规律是十分吻合的。

3.2压力容器的疲劳红外热检测实验室研究

在压力容器金属材料红外热检测的基础上，研究工作者进而在实验室开展了压力容器红外检测工作。徐军等对3只航天生保用4.2L氧气瓶进行全寿命疲劳试验。在疲劳试验前进行31.5MPa水压试验，同时记录IRCE和IRHE结果，分析此三气瓶均存在筒体与瓶肩处A和筒体接近瓶底B处的应力集中区域。在疲劳试验过程中进行热图监测。当疲劳打压(压力为21MPa)循环次数N=378次时，应力集中区A、B处的红外发射图案明显存在。当疲劳打压次数N=5316次时，疲劳损伤区的红外发射图案更加明显，除了A、B两处有能量突变外，同时出现了另外的C、D处有能量突变的红外发射，说明有多处疲劳损伤区域存在。当疲劳循环次数N=5431时，气瓶B区发生泄漏，红外热像及时地捕捉到了这一确切位置。

3.3红外热检测在国内压力容器检验中的发展方向

目前红外热检测在国内压力容器检验中，大多只是定性检测，定量检测在实验研究阶段居多，能应用于在线运行的压力容器不多。定量检测与实际生产结合不紧密也与红外热检测是一门综合学科有关，红外热检测涉及到传热学、物理学、数学、计算机科学等，因此在传热学、物理学的基础上，设计数学模型，充分利用计算机的计算能力，建立专家系统，对在线运行的压力容器进行长期监控，是研究的一个方向。

结论

红外热检测具有基本理论基础和精确的红外监测设备，从理论上和实践上可行。材料疲劳损伤过程中的红外发射是红外热检测在压力容器检验中应用的基础。红外热检测应用于压力容器尤其是石化行业关键设备检验具有重大的经济意义和社会意义，具有很好的发展前景。

参考文献

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