ЭОТб-11-2 / 3.2. Тепловые методы / 3.2.Артеева,Бранд 2, Фоминых

Тепловые методы диагностирования.

Один из методов неразрушающего контроля, а именно тепловой контроль, является самым современным, высокоэффективным и перспективным направлением в диагностике состояний и свойств разнообразных объектов.

Методы теплового контроля позволяют осуществлять своевременное, высокоточное, оперативное, информативное и непрерывное наблюдение за исправностью исследуемых объектов. Тепловой метод контроля основан на таких физических явлениях, как тепловые поля, инфракрасные источники тепла, по которым можно диагностировать наличие внешних или внутренних дефектов. Характер избыточного температурного поля может точно показать специфику нарушения состояния исследуемого объекта и позволит вовремя принять необходимые меры по предотвращению неисправностей.

Метод основан на том, что в местах дефектов металла подогретого объекта или в зонах утонения стенок трубопровода с подогретой средой тепло передается от внутренней к внешней поверхности стенки несколько в большей степени, чем в окружающих бездефектных зонах. Тепловизор преобразует картину теплового распределения на поверхности объекта в видеоизображение. Чувствительность современных тепловизоров исчисляется десятыми долями градуса.

Тепловой контроль принято подразделят на следующие группы неразрушающего контроля:

• Тепловизионный контроль

• Контроль теплопроводности

• Контроль температуры

• Контроль плотности тепловых потоков

Тепловизионный контроль широко используется в технической диагностике, энергоаудите, в различных областях строительства, энергетики, промышленности. Приборы теплового контроля достаточно разнообразны и вариативны, представлены разнообразными моделями, отличающимися друг от друга по своим техническим характеристикам и комплектацией. Для теплового контроля и энергоаудита используются тепловизоры, термометры контактные и бесконтактные, измерители теплопроводности, измерители плотности тепловых потоков и температуры, логгеры температуры, термогигрометры, термокарандаши, термоэтикетки.

Наиболее распространёнными и популярными среди линейки приборов теплового контроля являются тепловизоры, пирометры, инфракрасные термометры, измерители теплопроводности, измерители плотности тепловых потоков  и др. Приборы теплового контроля могут производить диагностику разных поверхностей, объектов и автоматизированных систем: здание, сооружение, воздух, вода, трубопровод,  вентиляция, разнообразные двигатели, масла, смеси, металл, раствор, температура тела, техническая жидкость, процесс плавления и затвердевания, среды, грунта земли и т.д.

Измерение температуры (контроль температуры) является одним из самых важных параметров при энергетических обследованиях, энергоаудите, контроле окружающей среды, а также позволяет определить какая температура у того или иного объекта и др.

Измерение плотности тепловых потоков. Применяется для выполнения измерений плотности тепловых потоков, проходящих через стены, оконные и дверные блоки, ограждающие конструкции зданий, через облицовку и теплоизоляцию энергетических объектов при проведении экспериментального исследования, а также эксплуатации.

Активный метод теплового контроля используется, если в процессе эксплуатации контролируемый объект не подвергается достаточному тепловому воздействию (например детали из композиционных материалов, объекты искусства, настенные фрески), либо измерение температуры объекта в процессе эксплуатации технически невозможно (лопасти вертолета). Активный метод теплового контроля предполагает нагрев объекта специальными внешними источниками энергии для создания тепловых потоков в во время контроля. Активный метод применяется преимущественно для неразрушающего контроля материалов и изделий.

Пассивный метод теплового контроля не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия, тепловое поле в объекте контроля возникает при его эксплуатации или изготовлении. При пассивном контроле может использоваться как постоянно действующее естественное тепловое нагружение объекта (стена здания или холодильника, разделяющая теплое и холодное помещения, работающий электродвигатель, контактные электрические соединения под нагрузкой и т.д.) так и переходные тепловые процессы (диагностика кровли здания, контроль авиационных сотовых панелей, поиск зон отслоения штукатурки от стен и т.д.)

Приборы тепловизионного контроля.

Среди приборов, осуществляющих тепловой контроль, пожалуй, одним из самых популярных являются тепловизоры. Широкую известность они получили благодаря возможности использования их в самых разнообразных отраслях, это и строительство, и электрооборудование, и энергетика, и нефтегазовая сфера, металлургия, химическая, автомобильная, пищевая промышленность, электронная техника, судостроение, авиакосмическая и военная техника, железнодорожный транспорт, метрополитен, ветеринария, медицина, обеспечение охраны и безопасности, и даже используется в сфере искусства, с целью контроля за состоянием мировых шедевров живописи и кинематографии. Тепловизоры удобны в применении, компактны и малогабаритны. Они представляют собой тепловизионную матрицу, объектив и блок обработки информации. Тепловизоры отслеживают даже самые незначительные изменения и перепады в температурном поле объекта, информация об изменениях сохраняется в виде статичного изображений или видео. При этом определённый цвет сигнализирует об определённом уровне температуры. Последние модели тепловизоров Testo оснащены функцией отображения распределения поверхностной влажности и встроенной фотокамерой для сохранения фотографии исследуемого участка в видимом диапазоне.

Пирометрия – дистанционное измерение температуры объекта – применяется в литейном производстве для оценки температуры расплавов и в теплоэнергетике. Выполняется более простыми приборами – пирометрами

Пирометр – прибор, предназначенный для дистанционного определения температуры объектов, он обеспечивает безопасность для определения температуры сильно раскалённых объектов, в случаях отсутствия возможности непосредственного физического взаимодействия с наблюдаемым объектом. Выделяют два вида пирометров – пирометр стационарный и пирометр переносной. Стационарные пирометры предназначены в основном для крупных предприятий для беспрерывного контроля над технологическим процессом.

Логгеры данных используются для измерения температуры и влажности. Логгеры данных подходят для долгосрочного измерения и представляют собой компактное малогабаритное устройство, оснащённое дисплеем для работы с полученными данными, картой памяти, высокопрочным и водонепроницаемым корпусом, возможностью программирования момента начала и конца измерений, конфиденциальность информации обеспечивается навесным замком.

Преимущества:

• отсутствие необходимости вывода объекта контроля из эксплуатации

• бесконтактность

• удобная возможность контроля опасных объектов без риска для специалиста проводящего диагностику

• высокая наглядность информативность полученных данных

• возможность тепловизионного контроля электрооборудования и зданий любых форм и размеров

• высокая чувствительность, производительность и скорость контроля

Недостатки:

• наличия аддитивных помех (шумов) тяжело работать со стеклом

• Теплоизоляционные конструкции 

• учет свойств рабочих жидкостей

(Пояснение: Термограмма - Тепловое изображение)

Применение в нефтегазовой области:

Тепловой метод применяется для диагностики почти всех видов агрегатов и механизмов и их составляющих в нефтегазовой области, такие как : РВС, емкости для технической воды, насосы, подшипники, ППН и др. В январе - феврале 2009 на НПЗ «Азернефтьяг» была проведена проверка насоса марки SULZER ZE – 80 – 3400 используя тепловые методы контроля …. В частности при проведении термографического обследования насосного парка установки первичной перегонки нефти на корпусе насоса в частях опоры подшипников был обнаружен не нормативный перегрев поверхности (рис 2) не типичный для данной части насоса превосходящий нормативный предел Температура охлождающей жидкости на входе в систему охлаждения насоса согластно регламента должна быть не более 25 – 30 С0 На основании термографического исследования было сделано предположение о том что с большой вероятностью у данного насоса вышли из строя подшипники качения. Наши предположения косвенно подтверждались «металлическим» шумом производимым насосом. Для устранения причин было принято решение об остановки данного оборудования и его детальной проверки. В результате детальной проверки наши предположения полностью подтвердились, дефектными а правильней сказать в аварийном состоянии оказались внутренние кольца подшипников нагрев подшипников которые в свою очередь оказывали температурное воздействие на корпус насоса в результате чего возникала реальная угроза возгорания насосного агрегата. Следующим этапом исследования стала технологическая печь атмосферного блока (рис 8)по подогреву нефти на установке первичной перегонки нефти ЭЛОУ – АВТ 2 . Производительность печи: 2 миллиона тонн нефти в год При проведении термографической (рис - 9)съемки (съемка проводилась в сентябре 2008 – го года при эксплуатации печи при температуре воздуха +30 0 С,относительной влажности 70 %, расстоянии до объекта 20 м, угол измерения 300 ) были выявлены значительные зоны повышенной температуры (рис – 10, 10а, 11, 11а) в различных частях печи.По состоянию аномальных зон с учетом длительного срока эксплуатации без капитального ремонта (установка в ведена в эксплуатацию с 1994 года) и превышению по всем четырем сторонам изоляционного слоя . На основании термограмм и их анализа были разработаны рекомендации по устранению данных дефектов. В январе - феврале 2009 года на данной установке был проведен

капитальный ремонт в том числе и технологической печи все выводы .

сделанные при обследовании печи в сентябре месяце были подтверждены

визуально(рис – 12, 12а) при состовлении отбраковочных актов.

Теория

Для количественного описания энергетического состояния объекта контроля (ОК) используют температуру. В качестве опорных точек приняты температуры замерзания (0 ºС) и кипения (100 ºС) воды.

К контактным относят: метод измерения с помощью термопар; метод температурно-чувствительных красок; метод с использованием жидко­кристаллической индикации (основан на свойстве жидкокристаллических соединений приобретать окраску в зависимости от температуры среды, с их помощью можно измерить разность температур в 0,1°С, при помощи ряда жидкокристаллических соединений проводится измерение температуры от+10 до +150 °С); методы, основанные на способности фотографических эмульсий изменять скорость проявления в зависимости от температуры.

Неконтактные методы измерения характеристик теплового поля основаны на свойствах тел излучать электромагнитную энергию, пропорциональную их температуре. Они различаются на методы с одновременной и последовательной регистрацией теплового излучения. Метод с  последовательной регистрацией заключается в фиксации теплового излучения и преобразовании его в электрический сигнал с последующим усилением его и регистрацией. Развертка луча приемника преобразователя осуществляется механической, оптико-механической или фотоэлектронной системой.

К основным техническим параметрам применяемых устройств относятся: пары чувствительности – минимальные значения обнаруженного теплового потока; значение выходного сигнала на единицу потока подающего излучения; инерционность приемника, определяемая его постоянной времени.

Пары чувствительности

где E – плотность падающего на приемник излучения, Вт/см²; S_n – площадь приемника; см²;  – отношение теплового шума к выходному сигналу;  – частота излучения, Гц.

Применяется при диагностировании узлов с трением деталей на вагонах, электрических контактов, полупроводниковых приборов (диодов и терристоров), электронных устройств.