压力容器无损检测——红外热成像检测技术.pdf
压力容器无损检测压力容器无损检测红外热成像检测技术红外热成像检测技术 沈功田沈功田 张万岭张万岭 (中国特种设备检测研究中心,北京 100013) (河北大学质量技术监督学院,保定 071051) 摘 要摘 要: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。 关键词关键词: 红外线; 热成像; 压力容器; 检测; 综述 中图分类号中图分类号: TG115. 28 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:100026656 (2004) 1020523206 NONDESTRUCTIVE TESTINGOF PRESSURE VESSELS : THERMAL/ INFRARED TESTING SHEN Gong-tian (China Special Equipment Inspection and Research Center , Beijing 100013 , China) ZHANG Wan-ling ( The College of Quality and Technical Supervision of Hebei University , Baoding 071051 , China) Abstract : Thermal/ Infrared testing ( TIR) technique is a progressively mature nondestructive testing method whichwas begun in 1960s. TIR has been widely used in high temperature pressure vessel testing on2line. It also has been appliedto testing of fatigue damage for normal temperature pressure vessel in recent years. This paper introduces the progress ofTIR for pressure vessel at home and abroad. The TIR examples for inner insulation evaluation of high temperaturepressure and high stress concentration area testing of normal temperature pressure vessel are given. Keywords :Infrared ; Thermography ; Pressure vessel ; Test ; Review 1 概述 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 WILL ION 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, , 级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力集中 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的无损检测。 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 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 HRD21 型红外热像仪,1996 年苏州 热工所研制成功了 HSY201 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 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。 图 1 再生器衬里(双层龟甲网衬里)处的器壁传热模型示意图 b1 耐磨层厚度 b2 隔热层厚度 b3 器壁的厚度 q 热流密度 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 RR , 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 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 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 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。 图 5 金属蓄能器临近泄漏前疲劳损伤区的热斑迹图像 5. 3 液化石油气储罐的热弹性红外成像检测 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. 30. 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013MPa。 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。 图 6 储罐加载过程的热像图 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. 30. 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 0173MPa 达到系统最大加载能力。图 6 为从 0150. 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 。 表 1 P1 , P2 和 P3 点加载过程中的温度变化 图 7 P1 和 P2 点温度随压力的变化曲线 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。 参考文献参考文献: 1 Xavier Maldague. 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