高温压力管道红外热成像检测技术.pdf

1、试 验 研 究高 温 压 力 管 道 红 外 热 成 像 检 测 技 术沈 功 田 ,李 涛 1) ,姚 泽 华 2) ,邱 虹 程 1)(河 北 大 学 质 量 技 术 监 督 学 院 ,保 定 071051)摘 要 :建 立 了 大 型 管 道 试 验 装 置 ,并 对 带 有 不 同 几 何 尺 寸 内 部 开 孔 缺 陷 的 四 种 不 锈 钢 和 20钢 管 进 行 了 红 外 热 成 像 检 测 试 验 。 结 果 表 明 ,红 外 热 成 像 技 术 十 分 适 用 于 检 测 高 温 压 力 管 道 内 部腐 蚀 缺 陷 ,检 测 灵 敏 度 能 够 满 足 压 力 管 道 安

2、 全 运 行 的 要 求 。关 键 词 :红 外 线 检 验 ;高 温 ;压 力 管 道 ;腐 蚀中 图 分 类 号 :TG115. 28 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :100026656 (2002) 1120473204INFRARED THERMOGRAPHY FOR HIGH TEMPERATURE PRESSURE PIPESSHEN Gong2tian , LI Tao1) , YAO Zhe2hua2) , QIU Hong2cheng1)(College of Quality and Technology Supervision of Hebei Universi

3、ty , Baoding 071051 , China)Abstract : A large testing installation was constructed and infrared thermographic testing experiments were performed for fourkinds of stainless steel and carbon steel pipes with the inner2surface holes of different sizes. Testing results showed that infraredthermography

4、was a very suitable method for nondestructive detection of the corrosion pits and wall loss defects in high temperaturepressure pipes. The sensitivity satisfied the requirements of safe operation of pipes.Keywords : Infrared testing ; High temperature ; Pressure pipe ;Corrosion高 温 压 力 管 道 在 石 油 化 工

5、厂 和 电 站 得 到 广 泛 应用 ,时 有 泄 漏 和 爆 炸 事 故 的 发 生 。 引 起 压 力 管 道 泄漏 和 爆 炸 事 故 的 主 要 因 素 包 括 腐 蚀 、 介 质 冲 蚀 、 焊 缝中 的 焊 接 缺 陷 开 裂 、 应 力 腐 蚀 开 裂 、 材 料 劣 化 和 阀 门破 裂 等 。 大 量 事 故 统 计 显 示 ,腐 蚀 和 介 质 冲 蚀 是 引起 压 力 管 道 泄 漏 和 爆 炸 事 故 的 主 要 原 因 ,约 占 总 事故 的 50 %。 因 此 ,采 用 有 效 的 无 损 检 测 方 法 及 时 发现 压 力 管 道 母 材 上 由 腐 蚀 和 冲

6、 蚀 引 起 的 局 部 壁 厚 减薄 缺 陷 ,并 将 这 些 管 道 进 行 更 换 ,是 确 保 压 力 管 道 安全 运 行 的 重 要 手 段 。 X(或 )射 线 、 超 声 和 红 外 热 成像 检 测 技 术 均 适 合 于 压 力 管 道 壁 厚 减 薄 的 检 测 ,而红 外 热 成 像 检 测 由 于 具 有 非 接 触 、 快 速 区 域 扫 描 和对 人 无 伤 害 的 优 点 ,在 高 温 压 力 管 道 内 部 蚀 坑 和 壁厚 减 薄 缺 陷 的 在 线 检 测 方 面 具 有 潜 力 。收 稿 日 期 :2001209214基 金 项 目 :国 家 “ 九 五

7、 ” 科 技 攻 关 项 目 (96291820202)1) 天 津 石 化 公 司 机 械 研 究 所 ,天 津 3002712) 国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 锅 炉 压 力 容 器 检 测 研 究 中 心 ,北 京 100013在 工 业 设 备 的 无 损 检 测 方 面 ,人 们 利 用 红 外 技术 主 要 是 监 测 电 气 设 备 、 动 力 机 械 设 备 和 高 温 设 备的 运 转 状 况 ,及 早 发 现 故 障 的 隐 患 1 3 。 然 而 ,通 过文 献 检 索 ,从 INSPEC(英 国 科 学 文 摘 ) 、 EI(美 国 工 程索 引 )

8、、 ISMEC (机 械 文 摘 ) 和 METADEX (金 属 文 摘 )四 个 数 据 库 中 仅 发 现 10 多 篇 涉 及 压 力 管 道 红 外 检测 的 文 献 ,但 其 中 绝 大 部 分 为 研 究 高 温 管 道 的 保 温状 态 及 热 损 失 4 、 换 热 器 管 的 热 传 导 效 率 5 7 、 复 合材 料 管 道 的 缺 陷 检 测 4 和 埋 地 水 泥 管 道 的 泄 漏 检测 8 等 。 鉴 于 金 属 导 热 非 常 迅 速 ,很 少 有 人 对 压 力管 道 母 材 上 存 在 的 缺 陷 进 行 检 测 试 验 研 究 ,仅 发 现加 拿 大 M

9、aldague 报 道 了 对 一 小 口 径 管 道 加 40 热水 时 ,采 用 红 外 热 成 像 可 以 测 到 弯 头 内 部 两 个 大 腐蚀 坑 缺 陷 的 文 章 1 ,9 ,没 发 现 对 压 力 管 道 内 部 腐 蚀 引起 的 壁 厚 减 薄 缺 陷 的 系 统 研 究 和 应 用 的 报 道 。通 过 建 立 一 个 大 型 管 道 试 验 装 置 ,对 不 同 壁 厚的 不 锈 钢 和 碳 钢 管 道 的 内 部 不 同 深 度 的 壁 厚 减 薄 缺陷 进 行 了 加 温 或 降 温 过 程 的 红 外 热 成 像 检 测 试 验 。374第 24卷 第 11期20

10、 0 2年 1 1月无 损 检 测NDTVol . 24 No . 11Nov . 2 0 0 2 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/1 试 验 装 置1. 1 TVS22100 系 统采 用 TVS22100 红 外 热 成 像 系 统 ,该 系 统 属 于 光机 扫 描 型 ,采 用 InSb 探 测 器 (10 元 阵 列 ) ,光 谱 响 应带 宽 是 3 5. 4 m 的 短 红 外 波 段 ,热 像 仪 测 温 范 围为 - 40 950

11、,最 小 可 探 测 温 差 (MDTD) 在 30 时达 到 0. 1 ,灵 敏 度 0. 01 ,空 间 视 场 为 10 (垂 直 ) 15 (水 平 ) ,空 间 分 辨 力 为 2. 2mrad ,测 试 距 离 20cm ,扫 描 速 度 为 30 帧 Ps ,存 盘 速 度 为 10sP帧 。 红 外热 像 仪 输 出 标 准 电 视 信 号 ,全 部 试 验 过 程 可 以 记 录在 录 像 带 上 ,同 时 可 将 选 定 的 热 像 图 以 10sP帧 的 速度 记 录 到 软 盘 上 。对 于 2. 2mrad 的 空 间 分 辨 力 ,其 最 小 测 试 距 离(0.

12、2m) 下 的 最 小 可 分 辨 的 目 标 为 0. 44mm ,热 像 仪与 探 测 目 标 的 距 离 为 0. 2 ,0. 4 ,0. 6 ,0. 8 ,1. 0 ,1. 2 ,1.4 ,1. 6 ,1. 8 ,2. 0 ,3. 0 ,4. 0 ,5. 0 ,10m 时 ,最 小 分 辨 目 标尺 寸 分 别 为 0. 44 ,0. 88 ,1. 32 ,1. 76 ,2. 20 ,2164 ,3. 08 ,3.52 ,3. 96 ,4. 4 ,6. 6 ,8. 8 ,11. 0 ,22. 0mm。1. 2 压 力 管 道 试 验 装 置选 用 不 同 规 格 的 五 段 1m 长

13、的 管 道 和 两 个 弯 头建 立 了 压 力 管 道 红 外 试 验 装 置 ,每 段 管 道 采 用 并 联的 方 式 与 上 下 两 端 的 总 管 道 相 连 接 ,为 试 验 方 便 每段 试 验 管 道 的 上 下 两 端 各 安 装 一 个 阀 门 ,整 个 试 验装 置 与 冷 水 和 150 的 蒸 汽 管 道 相 连 接 ,根 据 试 验要 求 可 以 通 水 或 热 蒸 汽 。1. 3 压 力 管 道 内 部 缺 陷 的 制 备将 1m 长 的 一 个 不 锈 钢 管 和 三 个 碳 钢 管 纵 向 刨开 成 三 部 分 ,在 内 部 制 作 尺 寸 不 同 的 开 孔

14、 缺 陷 ,然 后重 新 焊 接 成 管 道 。 2min ,而 20 钢 钢 管 缺 陷 从出 现 到 温 度 平 衡 的 可 观 测 时 间 仅 为 30s 左 右 ,其 原因 是 不 锈 钢 的 导 热 系 数 约 为 15WP(m ) ,碳 钢 约 为48WP(m ) 。 即 材 料 的 导 热 率 是 影 响 检 测 灵 敏 度的 关 键 因 素 之 一 ,导 热 率 越 低 ,检 测 灵 敏 度 越 高 ,缺陷 显 现 的 时 间 越 长 。对 于 同 一 钢 管 不 同 孔 径 的 缺 陷 ,可 观 测 到 的 缺陷 深 度 不 同 。 这 一 现 象 说 明 ,缺 陷 的 几

15、何 尺 寸 是 影响 红 外 热 成 像 检 测 灵 敏 度 的 另 一 关 键 因 素 ,缺 陷 面积 越 大 ,可 检 出 的 壁 厚 减 薄 量 的 灵 敏 度 越 高 ;面 积 越小 ,灵 敏 度 越 低 。将 三 种 不 同 厚 度 的 20 钢 钢 管 进 行 比 较 ,壁 厚 越薄 ,可 检 测 缺 陷 的 几 何 尺 寸 也 越 小 ,但 壁 厚 越 厚 ,缺陷 可 观 测 的 时 间 越 长 ,对 于 10mm 的 开 孔 , 140mm 5mm 钢 管 缺 陷 从 出 现 到 温 度 平 衡 的 可 观 测 时 间仅 为 30s 左 右 , 168mm 16mm 钢 管 缺

16、 陷 从 出 现 到温 度 平 衡 的 可 观 测 时 间 约 为 120s , 180mm 36mm钢 管 缺 陷 从 出 现 到 温 度 平 衡 的 可 观 测 时 间 约 为200s。 由 此 可 见 ,材 料 的 厚 度 也 是 影 响 灵 敏 度 的 关键 因 素 ,材 料 越 厚 ,检 测 缺 陷 的 灵 敏 度 越 低 ,但 缺 陷的 可 观 测 时 间 越 长 。将 内 部 加 热 和 外 部 冷 却 的 试 验 结 果 相 比 较 ,内部 加 热 法 的 缺 陷 检 测 灵 敏 度 高 于 外 部 冷 却 法 ,采 用制 冷 气 体 冷 却 的 灵 敏 度 高 于 采 用 冰

17、 冷 却 的 灵 敏 度 。将 表 1 所 列 四 种 钢 管 按 内 部 工 作 压 力 为 3MPa为 工 作 条 件 ,采 用 断 裂 力 学 进 行 计 算 ,得 到 所 有 这 些管 道 上 直 径 为 10mm 减 薄 为 80 %壁 厚 的 蚀 坑 或 开孔 的 强 度 是 安 全 的 ,因 此 红 外 热 成 像 的 检 测 灵 敏 度大 大 超 过 了 管 道 安 全 运 行 所 允 许 缺 陷 的 要 求 。5 结 论(1) 试 验 结 果 证 明 ,红 外 热 成 像 检 测 技 术 是 高温 压 力 管 道 内 部 腐 蚀 和 冲 蚀 缺 陷 的 可 靠 方 法 ,该

18、方法 检 测 出 的 最 小 缺 陷 尺 寸 远 小 于 管 道 安 全 运 行 所 允许 缺 陷 的 尺 寸 ,满 足 管 道 的 检 测 要 求 。(2) 材 料 导 热 率 是 影 响 检 测 灵 敏 度 的 关 键 因 素 ,导 热 率 越 低 ,检 测 灵 敏 度 越 高 ,缺 陷 显 现 时 间 越 长 。(3) 缺 陷 的 几 何 尺 寸 是 影 响 红 外 热 成 像 检 测 灵敏 度 的 关 键 因 素 ,缺 陷 面 积 越 大 ,可 检 出 的 壁 厚 减 薄量 的 灵 敏 度 越 高 ;面 积 越 小 ,灵 敏 度 越 低 。( 4) 材 料 的 厚 度 也 是 影 响

19、灵 敏 度 的 关 键 因 素 ,674沈 功 田 等 : 高 温 压 力 管 道 红 外 热 成 像 检 测 技 术 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第 八 届 全 国 无 损 检 测 新 技 术 学 术 会 议 在 大 连 召 开第 八 届 全 国 无 损 检 测 新 技 术 学 术 交 流 会 于2002 年 9 月 9 12 日 在 大 连 召 开 ,会 议 由 无 损 检 测学 会 新 技 术 专 业 委 员 会 主 办 、 北 京 航 空

20、 材 料 研 究 院承 办 。 来 自 全 国 各 地 、 各 行 业 的 50 多 名 代 表 参 加 了会 议 ,学 会 领 导 耿 荣 生 理 事 长 和 徐 永 昌 总 干 事 到 会介 绍 了 学 会 工 作 动 态 ,并 对 新 技 术 委 员 会 的 工 作 提出 了 指 导 意 见 。会 议 论 文 集 共 收 录 学 术 论 文 42 篇 。 其 中 来 自研 究 院 所 的 22 篇 ,高 校 6 篇 ,制 造 部 门 8 篇 ,开 发 公司 4 篇 ,检 验 站 、 所 2 篇 。 论 文 内 容 覆 盖 光 学 、 红 外 、电 磁 、 射 线 和 声 学 等 专 业

21、,涉 及 航 空 航 天 、 压 力 容 器 、机 械 、 核 能 及 管 道 等 领 域 ,显 示 出 无 损 检 测 新 技 术 蓬勃 发 展 的 态 势 。 其 中 激 光 (散 斑 )技 术 和 红 外 技 术 方面 的 文 章 6 篇 ,侧 重 于 复 合 材 料 及 结 构 无 损 检 测 的应 用 ,表 明 这 些 技 术 已 开 始 走 向 工 程 化 、 实 用 化 。 金属 磁 记 忆 技 术 是 本 次 会 议 论 文 的 一 个 热 点 ,尽 管 学术 观 点 不 尽 相 同 ,但 研 究 内 容 已 较 为 深 入 ,并 有 基 于该 原 理 的 检 测 仪 器 出

22、现 。 小 直 径 薄 壁 管 、 中 厚 板 和复 合 材 料 构 件 的 超 声 检 测 技 术 类 文 章 有 多 篇 。 此外 ,许 多 文 章 的 研 究 内 容 或 研 究 手 段 新 颖 ,引 起 了 与会 代 表 的 浓 厚 兴 趣 ,如 天 然 放 射 性 核 素 的 无 损 检 测技 术 、 用 超 声 穿 透 法 检 测 复 合 材 料 空 隙 率 、 压 力 容 器弹 性 应 力 红 外 检 测 试 验 研 究 ,以 及 铝 合 金 铸 件 分 散疏 松 工 业 CT分 级 方 法 研 究 等 。会 议 特 邀 一 些 无 损 检 测 专 业 厂 商 ,介 绍 了 红

23、外热 像 、 激 光 散 斑 、 超 声 与 涡 流 相 控 阵 、 金 属 磁 记 忆 、 低频 电 磁 场 等 包 含 新 技 术 的 无 损 检 测 产 品 。 达 到 了 参会 代 表 了 解 新 技 术 ,厂 商 推 广 其 先 进 产 品 的 目 的 。(无 损 检 测 学 会 新 技 术 专 业 委 员 会 )材 料 越 厚 ,缺 陷 检 测 灵 敏 度 越 低 ,但 缺 陷 的 可 观 测 时间 越 长 。(5) 温 度 激 励 方 式 是 影 响 检 测 灵 敏 度 的 关 键 因素 ,内 部 加 热 法 的 缺 陷 检 测 灵 敏 度 高 于 外 部 冷 却 法 ,制 冷

24、气 体 冷 却 的 灵 敏 度 高 于 冰 冷 却 的 灵 敏 度 。参 考 文 献 :1 Xavier Maldague. Nondestructive Testing Monographs andTracts (Volume 7) Infrared Methodology and TechnologyM. Amsterdam : Gordon and Breach Science Publishers ,1992.2 Stanley Roderic K, Moore Patric O , Mclntire Paul. Nonde2structive Testing Handbook (Vo

25、lume 9) Special Nondestruc2tive Testing Methods M. Columbus : American Society forNondestructive Testing ,1995.3 Liou TM , Chen CC , Tsai TW. Heat transfer and fluid flow ina square duct with 12 different shaped vortex generatorsJ .Journal of Heat Transfer ,2000 ,122 (2) :327 - 335.4 Wurzbach Richar

26、d N , Seith David A. Infrared monitoring ofpower plant effluents and heat sinks to optimize plant efficien2cyA. Proceedings of SPIE C. Orlando : 2000. 24 - 27.5 Rozenblit R , Simkhis M , et al. Heat transfer in horizontalsolid2liquid pipe flowJ . International Journal of MultiphaseFlow ,2000 ,26 (8)

27、 :1235 - 1246.6 Yamawaki Shigemichi , Yoshida Toyoaki , et al. Fundamentalheat transfer experiments of heat pipes for turbine coolingA . Proceedings of the International Gas Turbine & Aero2engine Congress & Exposition C. Orlando :1997. 2 - 5.7 Qin Yuwen , Bao Naikeng. Thermographic nondestructivetes

28、ting technique for delaminated defects in composite struc2tureA. Proceedings of SPIE C. Orlando : 1995.8 Maser Kenneth R , Zarghamee Mehdi S. Proceedings of theSpeciality Conference on Infrastructure Condition Assessment C. Boston :1997. 25 - 27.9 Maldague Xavier. Pipe inspection by infrared thermog

29、raphyJ . Materials Evaluation ,1999 ,57 (9) :899 - 902.第 11 届 亚 太 地 区 无 损 检 测 会 议将 在 韩 国 召 开第 11 届 亚 太 地 区 无 损 检 测 会 议 将 于2003 年 11 月 3 7 日 在 韩 国 济 洲 岛 召 开 ,大 会 主 题 、 投 稿 须 知 及 组 团 事 宜 请 参 见 本刊 2002 年 第 10 期 第 451 页 或 浏 览 材 料 与测 试 网 ,网 址 :www. mat2test. com。774第 24卷 第 11期20 0 2年 1 1月无 损 检 测NDTVol . 24 No . 11Nov . 2 0 0 2 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/