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金属故障诊断中红外热像技术的应用

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摘要:针对5×104/h天然气制氢装置转化炉余热回收系统的金属膨胀节表面突然温升,采用红外热像技术进行故障诊断,确定膨胀节表面超温区域的形状、温升大小,判定保温衬里损伤程度,分析造成膨胀节突然温升的原因并提出改进措施。经测试分析,判断衬里出现开裂、鼓包等损伤,检修后并跟踪红外热像检测,至2018年,膨胀节运行温度持续正常。

关键词:红外热像;无损检测;故障诊断

天然气制氢装置5×104/h于2011年投产,其中转化炉及余热回收系统是制氢装置的核心设备。余热回收系统采用金属膨胀节补偿热变形,补偿器示意图见图1,技术参数见表1。余热回收系统烟道内保温厚衬里度为300mm,用保温钉将保温衬里固定于膨胀节外部壳与内部钢板间。膨胀节与高温烟气接触的内部钢板材质为Cr25Ni20。制氢装置开车之初,余热回收系统膨胀节部位温度在设计范围内(设计温度为70℃)。2012年3月在巡检中发现膨胀节表面温度突然上升,出现多个超温区域,分布在沿膨胀节环向的多个部位,最高温度接近270℃。因装置处于运行状态、设备表面温度高、内有保温衬里及介质流通等诸多原因,所以尝试采用红外热像技术对膨胀节外壁位置的超温部位进行无损检测,以及通过对表面温度场状态的分析完成故障诊断,查明膨胀节外壁温升原因,合理制定整改方案。

1红外热像测试及故障诊断

红外热成像是运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号,将该信号转换成能够直观立体分辨的图像和图形,并用不同颜色表示不同的温度的技术,通过二维红外热图像直观的表现被测物体表面的温度分布状况。当设备保温衬里材质出现裂缝、夹层、空洞、局部减薄、脱落等缺点时,设备内部介质在流通时就会在缺陷位置把高温传递到外壁,从而使设备表面局部温度分布不均。红外热像仪能够检测出设备外表面过热区域最高温度、区域平均温度、过热区域大小、形态及位置等,根据检测结果判断分析衬里缺陷部位,缺陷程度及缺陷面积大小等[1]。

1.1红外热像图谱

对5×104/h天然气制氢装置余热回收系统金属膨胀节外壁,选用FIRAT330红外热像仪,从北部、南部、上部三个方位完成表面温度检测,测试结果见红外热像图谱(图2、3、4)。其中,图2中Ar1最高温度为249℃,Ar1平均温度为67℃,Sp1温度为223.3℃,Sp2温度为207.7℃,Sp3温度为174.8℃;图3中Ar1最高温度为250.3℃,Ar1平均温度为70.9℃,Sp1温度为239.3℃,Sp2温度为237.2℃,Sp3温度为143.7℃;图4中Ar1最高温度为240℃,Ar1平均温度为69.3℃,Sp1温度为234.5℃,Sp2温度为232.5℃,Sp3温度为140.8℃。

1.2诊断判据确定

通常在使用红外热像仪获取热设备外表面温度数据后,可根据数据情况按损伤经验等级法对设备衬里的损伤程度进行评估[2]。目前,国内一些热设备衬里损伤判断依据大多是以原中石化红外技术应用协作组推荐的“催化设备衬里损伤程度温度限判据”为基础[3],其温度下限是指设备衬里无损伤时允许的外表面温度,温度上限是指带衬里设备外壁所容许的最高温度[4]。根据5×104/h天然气制氢装置余热回收系统金属膨胀节的材料性能、介质温度、保温要求等,参照“催化设备衬里损伤程度温度限判据”,根据表2判断该装置设备衬里损伤程度。

1.3保温衬里损伤分析结论

保温衬里缺陷类型的确定与其在热像图中的温度变化、区域形状和大小等因素有关[5]。膨胀节南部红外热像图2存在较大的细长形热区,且最高温度(250℃左右),为中上程度损伤,超温区域为狭长型,初步诊断为该处保温衬里存在1.2诊断判据确定通常在使用红外热像仪获取热设备外表面温度数据后,可根据数据情况按损伤经验等级法对设备衬里的损伤程度进行评估[2]。目前,国内一些热设备衬里损伤判断依据大多是以原中石化红外技术应用协作组推荐的“催化设备衬里损伤程度温度限判据”为基础[3],其温度下限是指设备衬里无损伤时允许的外表面温度,温度上限是指带衬里设备外壁所容许的最高温度[4]。根据5×104/h天然气制氢装置余热回收系统金属膨胀节的材料性能、介质温度、保温要求等,参照“催化设备衬里损伤程度温度限判据”,根据表2判断该装置设备衬里损伤程度。

1.3保温衬里损伤分析结论

保温衬里缺陷类型的确定与其在热像图中的温度变化、区域形状和大小等因素有关[5]。膨胀节南部红外热像图2存在较大的细长形热区,且最高温度(250℃左右),为中上程度损伤,超温区域为狭长型,初步诊断为该处保温衬里存在膨胀节南部红外热像图3,超温热区近似椭圆形,最高温度239.3℃,为中上程度损伤。膨胀节上部红外热像图4,超温热区近似圆形,最高温度234.5℃,为中上程度损伤。从超温区域的温度及形状可诊断为夹层型和空洞型衬里损伤(夹层型:表现为衬里表面疏松膨胀,伴有裂纹,保温层间有空隙,并与容器空间相连通,造成串气,导致保温失效,可由裂纹演变而成;空洞型:表现为衬里局部一定程度的气体掏空[5])。造成膨胀节表面温度升高的原因可认定是膨胀节衬里出现裂纹、夹层、空洞等型式的损伤,在保温层材料内部形成空隙,烟气介质在流通时与金属膨胀节表面空间连通,形成串气,导致膨胀节保温失效表面温度升高。参考膨胀节的设计结构图、设计技术参数,怀疑保温层失效应该与衬里结构设计有关。该膨胀节为波型膨胀节,因用于高温烟气管道,为了固定保温衬里,采用了内外夹套式结构。从结构本身看,外部为波型结构,挠性好;内壁材料受固定的保温钉影响,变形受到限制,这种结构会使得高温下膨胀节内外金属轴向变形不一致,温差应力加大,导致内部钢板、保温钉、保温衬里变形、破坏。

1.4现场分析验证

图5为拆卸检修设备时膨胀节现场记录的内部状况。图5(a)为图2红外测试位置,发生衬里内部开裂、钢板鼓包变形;图5(b、c)为图3、图4红外测试位置,在保温钉与钢板的固定联接处产生撕裂裂纹,衬里内部产生空洞和夹层,与红外测试诊断分析结果基本吻合,现场检修检查充分验证了诊断。

2检修验证及整改措施

2.1整改措施

为防止温差应力引起保温衬里变形、撕裂,取消了原保温钉、金属内衬等结构,改造后的膨胀节结构如图6。

2.2改造后效果检验

膨胀节检修改造后,采用红外热像检测方法多次对改造效果进行监测、跟踪。2012年设备检修改造后的测试结果显示,膨胀节外壁最高温度为64.1℃;2018年6月再进完成红外热像跟踪测试,设备运转正常,表面温度低于70℃,保温衬里良好无损伤。红外热像图谱见图7,其中2012年采用FIRAT300红外热像仪测试,2018年采用FUKETIX580红外热像仪测试。

3结语

作为典型的非接触温度测量手段,红外热成像技术全面直观、简单快捷,与传统的检测评估手段相比十分高效。本次余热回收系统金属膨胀节保温衬里损伤程度的诊断分析也是红外热像技术在石化设备检测方面的一次成功尝试,在未停车、未打开设备的情况下,通过红外热像温度场分析设备状态,及时发现保温衬里的损伤部位,正确评估其损伤程度,为设备改造提供了科学依据。

参考文献:

[1]刘衍民,胡彬彬.红外热成像技术在特检化工领域的应用[C].2008远东无损检测新技术论坛,2008:314-316.

[2]潘凤红,陈大为.加热炉衬里损伤的红外热像评定方法研究[J].化工机械,2014,41(6):739-762

[3]刘晖,陈国华.红外热像检测技术在石化工业中的应用[J].石油化工设备,2010,39(1):47-53.

[4]李晓刚,付冬梅.红外热像检测技术在石化工业中的应用[J].激光与红外,2000,30(5):265-267.

[5]付冬梅,周星宇,童何俊,等.石化加热炉衬里状态的红外评定方法[J].化工设备与管道,2017,54(1):34-38.

作者:王晓宇 单位:中国石油锦州石化公司研究院

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