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压力容器无损检测——红外热成像检测技术

2014-04-14 11:32:45

[导读] 红外热成像检测技术是20世纪60年代开始,目前正逐步成熟的一种无损检测方法,已被广泛应用于高温压力容器的在线检测,并在常温压力容器疲劳损伤检测方面得到初步应用。文章介绍了国内外压力容器红外热成像检测技术的现状,给出了检测高温压力容器内衬和常温压力容器高应力部位的案例。


1 概述

红外辐射是所有物体存在的自然现象,1800年英国科学家WILLION HERCHELL首先发现了红外线的存在。国际上工业发达国家于20世纪50年代初发展了测量物质温度的红外检测技术。20世纪60年代初美国首先开发出红外热成像技术和设备,并率先应用于军事领域。随后,红外检测技术在航天、航空、医学、建筑、电力、冶金、石化、材料和医疗诊断等领域得到了广泛的应用和发展[1,2]。目前红外技术的应用领域主要包括红外测温、红外热成像、红外遥感、红外报警和红外加热五大方面,另外,红外技术在红外气体分析、红外光谱分析、红外测湿等方面也得到广泛应用。

红外热成像是由点到面实时显示被测物体表面的温度分布,是红外测温技术的重大发展。目前世界上有多种红外热像仪出售。美国无损检测学会已将其列为正式的特种无损检测方法之一,并已开展IV

 

 

无损检测人员的培训和考核工作。在工业设备的无损检测方面,人们主要是利用红外热成像技术监测电气设备、动力机械设备和高温设备的运转状况,以及早发现故障的隐患。

目前,红外热成像技术主要应用于高温压力容器热传导的在线检测和对常温压力容器的高应中部位检测。对高温压力容器的检测可以及时发现压力容器内衬的损伤和内部的结焦、堵塞等异常情况,对常温压力容器的高应力集中部位的检测,可以及早发现早期疲劳损伤情况,这样既可以直接诊断压力容器运行的状态,也可以给出停产后压力容器的重点检修部位。

本文综述了国内外红外热成像检测技术现状和现场压力容器检测的特点。

2 红外热成像检测在无损检测中的应用

红外热成像技术应用于广泛的工业领域、大的温度范围、各种材料类型及各种试验模式。较成熟的应用领域如下:

(1)复合材料和结构

使用纤维增强型复合材料制造的元件和结构特别适合进行红外热成像无损检测。这些材料损伤的特点是缺陷平行于材料的表面,而且热传导率较低。目前已有许多对复合材料和结构内部损伤(特别是撞击损伤)进行红外热成像检测应用的报道[3,4]。另外,由于复合材料的各向异性,因此人们用红外热成像技术测量复合材料的热传导特性来评价复合材料的特性[5,6]。

(2)热传导分析

主要用于对热量交换设备进行热交换效率的分析[7~9],也可对材料特性进行评价。

(3)建筑物检测

用于评价新建建筑物的加热、通风和制冷系统是否满足设计规范的要求,探测建筑物结构墙体或屋顶的潮湿状况,也用于测试屋门、窗的密封和墙内的线路管路布局及开孔等。

(4)电力传输系统

电力传输系统的检测是红外热成像应用最普遍的领域之一,其主要目的是测量电路接头部位的高温区,以发现接触不良的部位。

(5)路面、桥面和地下通道的探测

用于探测路面和桥面表面铺设材料与基体的分层缺陷,美国ASTM已有这方面的红外检测标准。

(6)汽车发动机及转动系统

用于评价汽车发动机及整流罩运行过程等。

(7)粘接材料和结构

用于检测粘接材料和构件粘接界面的质量。

(8)焊接和焊接结构

检测焊接过程焊件的冷却率,来指导焊接工艺的制订。

(9)应力分析

热成像应力分析是基于材料的热弹效应原理,即材料由应力引起的动力学变化可以引起温度的改变。这一方法可以非接触测量材料的应力,也可以检测材料或结构内的损伤和缺陷[10,11],也有人尝试检测压力容器上的缺陷[12]。

3 国内红外热成像技术研究现状

我国对红外检测技术的研究始于20世纪70年代初,通过30年来的努力研究与开发,这一技术在国内已得到越来越广泛的应用[13,14]。我国电力系统是研究开发与应用红外热成像无损检测技术较早的行业,1975年西安热工所与昆明物理所等单位联合研制了我国第一台HRD-1型红外热像仪,1996年苏州热工所研制成功了HSY-01型红外扫描测温仪。近20年来电力系统引进了约50台红外热像仪,广泛应用于电力设备裸露载流体及接头热状态的检测。

中国特种设备检测研究中心、中科院沈阳金属所、天津石化公司等单位开展了金属试样、压力容器和压力管道缺陷的热传导分析、断裂力学和应力分析等方面的研究工作[15,16],并对液化石油气储罐、反应器、加热炉和高温压力管道等设备开展了成功的红外热成像检测应用工作。

房屋热诊断技术在我国也已开始应用,采用红外检测技术可以诊断出建筑物外墙面的剥离、沙浆空洞、结露、水渗漏、墙板渗漏的走水路线以及大型建筑物输热系统的热损失等。另外,红外热成像技术在印刷电路板的故障检测、陶瓷工业、机械加工工业等方面也有应用。

在检测标准的制订方面,我国与国外相比还有一定差距,目前只有基础标准GB/T 12604.9—1996《无损检测术语 红外检测》和应用标准GB 8174—1987《设备及管道保温效果的测试与评价》,在压力容器的检测方面还是空白。

在检测人员资格认可方面,2003年8月国家质量监督检验检疫总局颁布的《特种设备检验检测人员考核与监督管理规则》正式将红外热成像技术作为特种设备(包括压力容器)检测的无损检测方法之一。自此,压力容器的红外热成像检测工作已正式纳入我国的特种设备安全监察法规体系,得到政府的正式认可。

4 典型高温压力容器衬里缺陷的红外热成像检测

在石油化工企业中,许多反应釜压力容器处在高温高压条件下工作。为了保护压力容器外壳在高温状态下免遭内部工作介质的腐蚀,往往在高温压力容器内部加上防腐和隔热内衬材料。然而这些衬里在生产过程中长期受高温高压高速流动介质的冲刷,极易损坏。若衬里发生鼓包、裂纹、掏空、脱落等情况,一方面介质可直接腐蚀压力容器器壁,另一方面衬里热阻减小,壁温升高,会使器壁钢材强度下降,从而导致装置变形、倾斜甚至倒塌。采用红外热成像技术在压力容器的运行时对压力容器进行在线检测,可以及早发现衬里的损伤,及时采取补救措施,排除生产过程中的安全隐患。

4.1 再生器衬里缺陷的红外热成像检测

再生器是炼油厂催化裂化装置中的核心设备,而催化裂化装置在炼油工艺过程中又占有十分重要的地位。在催化裂化装置中,再生器用于催化剂烧焦再生,是保证连续生产的关键设备,其运行状态的优劣直接关系着企业的经济效益。再生器的工作条件极其恶劣,它的衬里要承受700℃的高温和高速流动介质的冲刷,因此,在催化剂再生过程中,再生器首先遭到破坏的是衬里,衬里的损坏对装置的长期运行将带来直接威胁。调查表明,它是造成设备停工停产的最主要原因之一,所以,衬里状态是再生器运行状态的重要标志。

再生器壁一般由耐磨层、隔热层与金属器壁组成,根据传热学理论,需建立不同衬里材料的传热模型,如图1所示。

 

 

再生器的传热可近似为多层平壁的传热。热量以传导方式由再生器内部向外传递,正常情况下,再生器的实际热阻R′等于衬里完好时再生器的总热阻R,如果设备衬里受到损坏或管道发生堵塞,则R′≠R,反应在热图像上则出现高温区或低温区。

将热阻变化量(R-R′)与衬里完好时的总热阻R的比值定义为衬里破损率,以δ表示:

 

 

再生器的实际热阻可通过测量器壁外的温度由下式算出:

 

 

式中 t1———再生器的内壁温度,℃

tW———再生器的外壁温度,℃

v———风速,m/s

t———环境温度,℃

具体检测过程为通过红外热像仪测量器壁的温度,可计算出δ值,然后根据试验过程中得到的判据来评价再生器衬里完好状况。

通过对某石化厂多年的红外热成像检测,总结出再生器衬里破损的评价判据如下:

(1)当δ<30%时,再生器表面温升速率较小,设备可以正常运行。

(2)当δ≥30%时,再生器表面温升速率急剧增大,这时要对设备进行跟踪检测,密切注意衬里损坏区域的发展趋势。

(3)当δ≥70%时,设备处于紧急状态,必须尽快采取相应的措施。

实际检测时,由于计算δ比较复杂,一般先分析热像图,发现温度存在异常变化才进行必要的计算。

图2为检测发现再生器上的两个异常高温区,通过计算得到最大破损率为85%,厂方及时采取了在高温部位外壁补焊1Cr18NI9Ti耐热钢板,最终避免了非计划停车,使装置安全运行到设备大修,为用户避免了巨大的经济损失。

 

 

4.2 塑料厂DC101反应器的红外热成像检测

DC101反应器是某石化公司塑料厂聚苯乙烯生产的核心设备,其工作介质为苯和乙烯的混合气及反应生成物,工作温度180℃,工作压力0.8MPa,几何尺寸为

 

 

2 490mm×10 360mm×25mm,内衬为173mm厚耐热耐酸材料(一方面保温,另一方面保护反应器壳体不受腐蚀)。内衬材料在工作过程中易产生裂纹或缺损,但由于内衬材料为黑色,而且有附着物,停车后开罐检修很难发现裂纹性质的缺陷。因此在停车前应采用红外热成像技术对内衬的破损情况进行检测评价,以供停车时进行内部维修。检测结果共发现四处超温部位。经热传导分析,图3所示的焊缝部位内衬可能存在裂纹,其它三处为部分破损。该设备在停车后,对内部进行检测时证明了红外检测的的结果是正确的。图4为内衬破损最严重的部位。

 

 

5 压力容器热弹性红外图像检测

压力容器上的高应力集中部位是压力容器运行过程中影响安全的薄弱部位,这是因为一方面高应力集中的产生往往是由于壁厚减薄、氢鼓包和各种焊接缺陷导致材料受力截面积的减少而引起的;另一方面,压力容器上的高应力集中部位,在介质腐蚀环境的作用下极易产生氢腐蚀开裂和应力腐蚀开裂,而且处于高应力部位的各种焊接缺陷在周期疲劳载荷的作用下更易开裂与扩展。而在压力容器在线检测时,一般无法采用超声、射线、磁粉和表面渗透等常规无损检测方法对压力容器上的焊缝进行100%或大比例的抽查探伤,因此寻找一种快速、高效和非接触的无损检测方法来发现压力容器的高应力集中部位,然后对这些部位进行重点探伤是解决压力容器在线检测的有效途径。

近年来由中科院金属所和中国特种设备检测研究中心联合研究,提出了压力容器热弹性红外成像检测技术方法,用于快速在线检测常温压力容器的高应力集中和疲劳损伤部位。

5.1 热弹性效应

1853年,Lord Kelvin首次提出固体材料的热弹性效应,后来被Biot用公式进行了描述,即在绝热条件下:

ΔTe=-KTΔσe

式中 ΔTe———在温度T时的热弹性温度变化

K———与固体材料膨胀系数、密度和热容量有关的常数

Δσe———弹性应力增加值

按照此表达式,可以得出固体材料在弹性拉伸载荷作用下引起降温,产生红外冷发射(IRCE),而弹性压缩载荷则引起升温。然而对于材料的塑性变形,则可引起材料温度的升高,由此产生红外热发射(IRHE)效应。

5.2 金属疲劳损伤的热斑迹

金属压力容器在工况应力的疲劳打压过程中,由于红外冷发射(IRCE)和红外热发射(IRHE)的效应在其应力集中区有明显的红外发射能量变化。经过一定周期后,其疲劳损伤区将产生不可逆的温度增升(>1℃)。每一次的循环周期内表示压力容器的疲劳损伤区的热斑迹始终保持在该区域内,图5给出一支12L蓄能器的热斑迹实例。

该容器在21MPa工作压力下通过1.2万次疲劳循环后,在筒体距瓶底210mm处有明显的热斑迹,此后在疲劳循环上限压力为31.5MPa的条件下循环7 468次后在热斑迹的最大值区域产生泄漏。图5是临泄漏前第6 960次获取的疲劳损伤区热斑迹结果。图5可见,A,B,C三处存在裂纹扩展位置,且三处疲劳裂纹基本互联,最终在C处泄漏。

 

 

多个金属压力容器疲劳破坏的结果证明,压力容器疲劳损伤区在工作压力条件下,始终有热斑迹存在,这种热斑迹随着疲劳裂纹的扩展,其形貌和轨迹虽有所变化,但由它标志疲劳损伤区的确切位置不改变,特别到疲劳损伤后期的热斑迹图案,已经可明显地看到裂纹的走向和尺寸大小。对疲劳泄漏区的断口分析证明,热弹性应力红外图像早期检测疲劳损伤区的热斑迹的正确性。

5.3 液化石油气储罐的热弹性红外成像检测

5.3.1 石油液化气储罐

本次检验所用石油液化气储罐为20世纪70年代初制造的12m3卧罐,由于当时的制造水平较低,封头采用6片瓜瓣式结构,而且棱角角度和错边量均很大,其材质为20G,几何尺寸为

 

 

1 600mm×6 000mm,封头壁厚16mm,筒体壁厚为14mm,公称容积为12m3,设计温度为50℃,设计压力为1.77MPa,实际操作压力为0.3~0.6MPa。

5.3.2 检测步骤

由于红外成像检测必须在加载过程中进行,因此须对液化石油气储罐进行加载试验,在加载前的状态为空罐,内部石油液化气残液的压力为0·3MPa。加载采用液化气泵从2号罐向3号罐充气,最终使3号罐达到0.7MPa的压力。在加载前用红外热像仪扫查,查找易产生应力集中部位的区域是否有温度不一致的情况,加载过程中对这些部位进行跟踪观察,记录应力集中部位的温度变化情况。

5.3.3 检测结果及分析

在加载前对空罐进行红外热成像扫查,未发现温度不均匀部位,从0.3~0.5MPa的加载期间,逐渐在储罐的一个封头上发现两处焊缝部位的温度高于母材温度,由此对此部位进行跟踪监测,直到0·73MPa达到系统最大加载能力。图6为从0·5~0.73MPa加载的典型热像图。由图6可见,随着压力的升高,储罐壳体整体温度均升高,但P1和P2部位的温度升高得更快。设P1,P2和母材P3点的温度分别为t1,t2,t3加压时温差变化见表1。

 

 

 

 

 

 

图7为P1点和P2点扣除母材基体温度随压力升高而升高的曲线。由表1可得,加压过程中t1,t2和t3分别升高了6.9,8.1和4.7℃。在0.73MPa时,P1和P2点分别比基体温度高4.5和6.9℃。

对实物进行观察,可见P1部位为封头拼接的T型焊缝,P2为封头接管补强板角焊缝与拼缝的交叉部位,而且角焊缝的焊角不满。根据分析,这两个部位易产生应力集中,尤其P2部位肯定产生较大的应力集中。考虑到容器已经使用30多年,已承受了上万次的低周疲劳载荷,因此该部位已出现热斑迹,在以后的停产检验中应对该部位进行重点检查。

 

[整理编辑:CK365测控网]
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