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采用红外热像仪对石油化工设备进行状态检修

摘要:随着中国工业化进程的加快，机动车数量的快速增长，石油化工工业对整个国民经济的支撑作用日愈凸现，对石油化工设备的安全性能和节源降耗提出了越来越高的要求，同时也为对其提供检测与维护设备的制造商带来了机遇和挑战。红外热像仪作为一种先进的检测工具正在石油化工工业的安全运行方面发挥着日愈巨大的作用。本文将着重对石化设备状态检测技术所涉及到的一些相关概念、理论、经济性方面的问题作一些初步的探讨。

关键词: 石油化工 状态检修 红外热像仪 温度

一．引言
在石油化工行业打破垄断、鼓励竞争的形势下，从石化集团到各生产企业都对设备的安全运行和节源降耗提出了更高的要求。要使企业具有较强的竞争力，就必须用最低的成本生产出高质量的产品。为什么发达国家生产同样的产品能耗往往比我们国家低?这是因为他们更加重视用科学手段来管理设备的运行与维护。使设备的运行始终处于最佳状态，并且尽可能延长其使用寿命。
红外无损检测技术就是一种国外常用的被称为预知性维护(或状态检修)的有效手段。在电力行业(火电站的部分设备除外)设备发热造成表面温度升高往往是故障的先兆。研究表明电力设备的故障95%的表现形式是发热。因此，红外热像仪就很自然的成为了检查电力设备工作状态的“火眼金睛’，。在石油化工行业，除一些动力设备外，大部分设备都需要加热使其达到某个特定温度才能正常工作。这个温度远远高于电力设备发热的温度，并且石化设备还要经常经受各种化学物质的腐蚀，有的设备还需要在高压状态下工作，因此更需要采用热像仪做检测，尽早发现隐患， 排除故障，创造一个安全高效的工作环境。另外，对于需要在高温下工作的设备往往需要做保温和隔热处理，它的好坏直接影响到能源的消耗和产品的质量。能够对温度场分布进行分析的红外热像仪无疑是一种理想的工具。
状态检修技术最重要的一点就是要知道被测设备的“状态”，要了解是否有热腐蚀、氧化、弯曲、鼓胀、渗碳、热疲劳开裂、蠕变开裂等现象的出现;而这些现象的出现往往会使设备的表面温度过高，温度分布不正常，采用红外热像仪做现场检测和热图像的分析比较相结合，确定设备是否已到寿命，是否必须更换或维修。而不是按照传统的定期更换或维护的方式做设备维护。这种方式对延长设备的使用寿命，增加安全运行时间，最终降低生产成本均有非常重大的意义。
上世纪8 0年代中期，石油化工总公司从国外引进了数台红外热像仪分别用于茂名石化公司、长岭炼油厂、乌鲁木齐石化总厂、齐鲁石化公司、扬子石化公司等，在生产实际中取得了巨大的经济效益，也在石化行业中起到了示范作用。

二．红外热成像测温的基本原理
1. 物体的红外辐射特性
红外线是指波长比红色可见光更长的那些电磁辐射，在整个电磁辐射的范围内处于可见光和微波之间。任何物体在任何情况下，只要它的温度高于绝对零度(约零下273℃)都在不断的发射出电磁波。只不过人的眼睛对这些波长热辐射不敏感而无法看到它，依靠热像仪就能看到这些热辐射，并进一步实现成像测温。
物体的温度越高，它所发射出的电磁波的能量就越大，而且能量最高的峰值波长就越短。太阳的表面温度是6000K，它的峰值波就处在可见光的范围内，这就是为什么我们白天可以看到物体和物体的颜色的原因，因为我们看到了这些物体反射的太阳光。一般物体在没有加热时辐射的峰值波长大约在十微米，是不可见的远红外。
红外热像仪所看到的图像不是彩色的，因为热像仪所探测到的辐射己经不在有彩色的可见光范围之内，它只是将物体所发射出的强度不同的红外辐射转换成明暗不同的电视信号显示在屏幕上，看上去很像是黑白电视的图像。在工业用热像仪中，为了在温度测量时更加直观，一般都采用了伪彩色的处理方法，使原来黑白色的热图像变成为彩色。这不是物体本来的彩色，它所代表的只是物体各部分的温度不同，所发射出来的红外辐射的强度不同而已，经过测温标定后便可以显示出物体的温度。

2. 红外热像仪的组成
红外热像仪的核心是红外探测器，它的作用是将来自目标和背景的红外辐射能量转变成为电信号。这个能量的转化过程是红外热成像技术的关键所在，也是它区别于其他成像技术，特别是可见光成像技术的基础。从早期的美国军用通用组件热像仪正式装备部队至今已有二十多年了，随着热像仪技术的不断发展，己经从以32元，60元或120元磅福汞(MCT)光导型探测器为代表的第一代热像仪，发展到了以288X4磅福汞光伏型焦平面(FPA)探测器为代表的第二代军用热像仪，近年来由于中波凝视型探测器的逐步成熟，为MCT或ZnSb为主流的第三代制冷型热像仪也开始在发达国家的军队中得到应用。同时近期随着非制冷热
探测器技术的出现，以氧化钒(VOx)或多晶硅(A-Si)材料为主的第三代非制冷凝视型焦平面(UFPA)微测热辐射计(Microbolometer)探测器也在美、日、英、法等国以“双用”型技术在军用和民用方面得到了广泛的应用。

3. 测温型红外热成像的实现
只有通过测出物体的温度差，同某个己知温度的黑体基准相比较的方法，才能实现红外热像仪的测温。热像仪要能测量温差，必须将己经知道温差的数据记录在机器内，那么在热像仪出厂前，就必须进行测温“标定”。这个工序的作用是，通过若干已知准确温度的温度源，得到若干温度差对应的红外信号差值，并记录在热像仪内，作为以后测量实际目标的依据。当然，这个工序本身并不复杂，但是对所使用的设备要求非常高，特别是测量用的黑体温度源，如果可控温的温度源本身有较大的偏差，那么实际测量中无法得到完全准确的温度值;而且，温度源本身也要求不能反射别的热源的红外辐射，否则也无法得到准确数值。
黑体 (BlackBody)是唯一可作为标定所使用的温度源。只有经过严格测温标定的热像仪才可用于温度测量。

三．用红外热像仪对石化设备做状态检修
状态检修技术可在确保安全的前提下最大限度地延长石油化工工业设备的使用寿命、降低能耗、提高效率。石油化工业是高度自动化的生产系统，大量使用了压力容器和管道，且经常工作在高压和易腐蚀的环境下，同时由于工作流程长、不间断的特点，使得一些关键设备和重点设备长期工作在一种较危险的状态下，特别是当设备的工作状态不佳或工作温度超过正常工作温度时极易发生事故。为此将国外已经广泛采用的状态检修技术用于国内石油化工行业，必将促进整个行业在设备维护、安全生产、节能降耗方面的技术进步。
状态检修 ，即基于设备状态的预知性维护。设备是否该维修或是更换主要取决于设备的状态，而不是取决于设备的运行时间，也就是说区别于基于时间的预防性维护。这种传统的基于时间的维护方式最大的问题就是有可能过早维修和更换造成不必要的浪费，或者是设备状态已经很差了却没有及时维修和更换造成故障，或是产生出不合格产品。当然状态维修并非是一件容易的事。
首先，必须搞清楚哪种状态是设备的正常状态。当非正常状态出现时，如何确定维护的等级和部位，如何预估其工作寿命并确定维护的时间，这些都取决于设备运行的管理部门进行长期的、科学的、准确的数据采集和整理，建立有效的设备状态档案，才可能得出正确的诊断结果。
其次，必须有一套可靠的、科学的检测、诊断仪器才能得到设备状态的准确信息。对石化设备而言，红外热像仪便是一种理想的无损检测仪器。简单地的说，热像仪可以准确地检测到设备表面部分的任何一点的温度并且用颜色表示其温度分布，还可以在计算机上作详细的数据分析和储存。从而对设备的状态建立行之有效的“健康档案”，因为很多石化设备的状态可以从温度值或温度分布中表现出来。例如，一些重要设备的工作温度:
焦化装置的焦炭塔 60℃- 90℃,
原油加热炉管 100℃- 450℃,
长距离蒸汽管线 约350℃,
热壁加氢反应器 375℃-425℃，
加氢装置 550℃-800℃ ,
催化装置 约700℃,
延迟焦化装置 550℃一800℃，
乙烯裂解炉管 约1100℃o

这就像医生给人看病一样，最简单的一项检查是用水银温度计测量病人体温，因为体温是人体状态表征。如果医生怀疑病人在某个部位有肿瘤，医生会建议病人去做一个CT检查，并依照片子做出相应的判断，确定治疗方案。医生能够从CT片上得出结论是和他们所受的教育和长期的临床经验分不开的，红外热像仪的操作者就好比是石化设备的医生，他们也必须经过良好的技术培训和长期的实际操作才能对设备的“健康状况”做出准确的判断，才能做到“对症下药”。这里所指的“技术培训”不仅仅是对红外热像仪的使用培训，其实这是非常容易的，更重要的是从热像仪的热图像中如何去发现“肿瘤”。在这方面电力行业已经先行一步，操作者可以依照1997年由原国家电力工业部颁布的《带电设备红外诊断技术应用导则》来做判断，也可使领导做决策时有章可循、有法可依。正因为如此，电力行业每年的热像仪采购量都有数百台，为电力部门的安全生产提供了有效的技术保障。

四．经济性分析
用红外热像仪进行状态检测经济效益非常显著。在美国对一般性的制造工业采用红外的投入和节约比平均为1比6，即花费一美元在进行状态检修能为工厂节省6美元的事后维护或是定期维护所需要的支出。在石油化工行业，如果设备热图像档案完整，有完备的红外诊断操作规范，投入和节约比甚至可以达到1比10。
石化工业中有许多关键设备是需要加热的，设备的温度分布与其保温效果有着必然的联系。若保温层损坏将会加大散热损失，增加能源消耗。重者可能导致事故而使整个工厂停产，造成巨大的经济损失。采用红外热像仪检测不但可以提早发现事故隐患，还可以用于保温效果的分析和评估。例如，某焦炭塔经过红外热像检测后，对保温层进行了改造，使平均壁温由原来的75.2摄氏度降到了65.2摄氏度，仅每年的散热损失就减少了65KW，相当于每年节约了标准油41.5吨，效果非常明显。
对用户来说红外热像仪的售价也在逐年下调，为热像仪的普及创造了条件。