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摘要：針對(duì)5×104/h天然氣制氫裝置轉(zhuǎn)化爐余熱回收系統(tǒng)的金屬膨脹節(jié)表面突然溫升，采用紅外熱像技術(shù)進(jìn)行故障診斷，確定膨脹節(jié)表面超溫區(qū)域的形狀、溫升大小，判定保溫襯里損傷程度，分析造成膨脹節(jié)突然溫升的原因并提出改進(jìn)措施。經(jīng)測試分析，判斷襯里出現(xiàn)開裂、鼓包等損傷，檢修后并跟蹤紅外熱像檢測，至2018年，膨脹節(jié)運(yùn)行溫度持續(xù)正常。

關(guān)鍵詞：紅外熱像；無損檢測；故障診斷

天然氣制氫裝置5×104/h于2011年投產(chǎn)，其中轉(zhuǎn)化爐及余熱回收系統(tǒng)是制氫裝置的核心設(shè)備。余熱回收系統(tǒng)采用金屬膨脹節(jié)補(bǔ)償熱變形，補(bǔ)償器示意圖見圖1，技術(shù)參數(shù)見表1。余熱回收系統(tǒng)煙道內(nèi)保溫厚襯里度為300mm，用保溫釘將保溫襯里固定于膨脹節(jié)外部殼與內(nèi)部鋼板間。膨脹節(jié)與高溫?zé)煔饨佑|的內(nèi)部鋼板材質(zhì)為Cr25Ni20。制氫裝置開車之初，余熱回收系統(tǒng)膨脹節(jié)部位溫度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（設(shè)計(jì)溫度為70℃）。2012年3月在巡檢中發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)表面溫度突然上升，出現(xiàn)多個(gè)超溫區(qū)域，分布在沿膨脹節(jié)環(huán)向的多個(gè)部位，最高溫度接近270℃。因裝置處于運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備表面溫度高、內(nèi)有保溫襯里及介質(zhì)流通等諸多原因，所以嘗試采用紅外熱像技術(shù)對(duì)膨脹節(jié)外壁位置的超溫部位進(jìn)行無損檢測，以及通過對(duì)表面溫度場狀態(tài)的分析完成故障診斷，查明膨脹節(jié)外壁溫升原因，合理制定整改方案。

1紅外熱像測試及故障診斷

紅外熱成像是運(yùn)用光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠直觀立體分辨的圖像和圖形，并用不同顏色表示不同的溫度的技術(shù)，通過二維紅外熱圖像直觀的表現(xiàn)被測物體表面的溫度分布狀況。當(dāng)設(shè)備保溫襯里材質(zhì)出現(xiàn)裂縫、夾層、空洞、局部減薄、脫落等缺點(diǎn)時(shí)，設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)在流通時(shí)就會(huì)在缺陷位置把高溫傳遞到外壁，從而使設(shè)備表面局部溫度分布不均。紅外熱像儀能夠檢測出設(shè)備外表面過熱區(qū)域最高溫度、區(qū)域平均溫度、過熱區(qū)域大小、形態(tài)及位置等，根據(jù)檢測結(jié)果判斷分析襯里缺陷部位，缺陷程度及缺陷面積大小等[1]。

1.1紅外熱像圖譜

對(duì)5×104/h天然氣制氫裝置余熱回收系統(tǒng)金屬膨脹節(jié)外壁，選用FIRAT330紅外熱像儀，從北部、南部、上部三個(gè)方位完成表面溫度檢測，測試結(jié)果見紅外熱像圖譜（圖2、3、4）。其中，圖2中Ar1最高溫度為249℃，Ar1平均溫度為67℃，Sp1溫度為223.3℃，Sp2溫度為207.7℃，Sp3溫度為174.8℃；圖3中Ar1最高溫度為250.3℃，Ar1平均溫度為70.9℃，Sp1溫度為239.3℃，Sp2溫度為237.2℃，Sp3溫度為143.7℃；圖4中Ar1最高溫度為240℃，Ar1平均溫度為69.3℃，Sp1溫度為234.5℃，Sp2溫度為232.5℃，Sp3溫度為140.8℃。

1.2診斷判據(jù)確定

通常在使用紅外熱像儀獲取熱設(shè)備外表面溫度數(shù)據(jù)后，可根據(jù)數(shù)據(jù)情況按損傷經(jīng)驗(yàn)等級(jí)法對(duì)設(shè)備襯里的損傷程度進(jìn)行評(píng)估[2]。目前，國內(nèi)一些熱設(shè)備襯里損傷判斷依據(jù)大多是以原中石化紅外技術(shù)應(yīng)用協(xié)作組推薦的“催化設(shè)備襯里損傷程度溫度限判據(jù)”為基礎(chǔ)[3]，其溫度下限是指設(shè)備襯里無損傷時(shí)允許的外表面溫度，溫度上限是指帶襯里設(shè)備外壁所容許的最高溫度[4]。根據(jù)5×104/h天然氣制氫裝置余熱回收系統(tǒng)金屬膨脹節(jié)的材料性能、介質(zhì)溫度、保溫要求等，參照“催化設(shè)備襯里損傷程度溫度限判據(jù)”，根據(jù)表2判斷該裝置設(shè)備襯里損傷程度。

1.3保溫襯里損傷分析結(jié)論

保溫襯里缺陷類型的確定與其在熱像圖中的溫度變化、區(qū)域形狀和大小等因素有關(guān)[5]。膨脹節(jié)南部紅外熱像圖2存在較大的細(xì)長形熱區(qū)，且最高溫度（250℃左右），為中上程度損傷，超溫區(qū)域?yàn)楠M長型，初步診斷為該處保溫襯里存在1.2診斷判據(jù)確定通常在使用紅外熱像儀獲取熱設(shè)備外表面溫度數(shù)據(jù)后，可根據(jù)數(shù)據(jù)情況按損傷經(jīng)驗(yàn)等級(jí)法對(duì)設(shè)備襯里的損傷程度進(jìn)行評(píng)估[2]。目前，國內(nèi)一些熱設(shè)備襯里損傷判斷依據(jù)大多是以原中石化紅外技術(shù)應(yīng)用協(xié)作組推薦的“催化設(shè)備襯里損傷程度溫度限判據(jù)”為基礎(chǔ)[3]，其溫度下限是指設(shè)備襯里無損傷時(shí)允許的外表面溫度，溫度上限是指帶襯里設(shè)備外壁所容許的最高溫度[4]。根據(jù)5×104/h天然氣制氫裝置余熱回收系統(tǒng)金屬膨脹節(jié)的材料性能、介質(zhì)溫度、保溫要求等，參照“催化設(shè)備襯里損傷程度溫度限判據(jù)”，根據(jù)表2判斷該裝置設(shè)備襯里損傷程度。

1.3保溫襯里損傷分析結(jié)論

保溫襯里缺陷類型的確定與其在熱像圖中的溫度變化、區(qū)域形狀和大小等因素有關(guān)[5]。膨脹節(jié)南部紅外熱像圖2存在較大的細(xì)長形熱區(qū)，且最高溫度（250℃左右），為中上程度損傷，超溫區(qū)域?yàn)楠M長型，初步診斷為該處保溫襯里存在膨脹節(jié)南部紅外熱像圖3，超溫?zé)釁^(qū)近似橢圓形，最高溫度239.3℃，為中上程度損傷。膨脹節(jié)上部紅外熱像圖4，超溫?zé)釁^(qū)近似圓形，最高溫度234.5℃，為中上程度損傷。從超溫區(qū)域的溫度及形狀可診斷為夾層型和空洞型襯里損傷（夾層型：表現(xiàn)為襯里表面疏松膨脹，伴有裂紋，保溫層間有空隙，并與容器空間相連通，造成串氣，導(dǎo)致保溫失效，可由裂紋演變而成；空洞型：表現(xiàn)為襯里局部一定程度的氣體掏空[5]）。造成膨脹節(jié)表面溫度升高的原因可認(rèn)定是膨脹節(jié)襯里出現(xiàn)裂紋、夾層、空洞等型式的損傷，在保溫層材料內(nèi)部形成空隙，煙氣介質(zhì)在流通時(shí)與金屬膨脹節(jié)表面空間連通，形成串氣，導(dǎo)致膨脹節(jié)保溫失效表面溫度升高。參考膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，懷疑保溫層失效應(yīng)該與襯里結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。該膨脹節(jié)為波型膨脹節(jié)，因用于高溫?zé)煔夤艿溃瑸榱斯潭ū匾r里，采用了內(nèi)外夾套式結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)本身看，外部為波型結(jié)構(gòu)，撓性好；內(nèi)壁材料受固定的保溫釘影響，變形受到限制，這種結(jié)構(gòu)會(huì)使得高溫下膨脹節(jié)內(nèi)外金屬軸向變形不一致，溫差應(yīng)力加大，導(dǎo)致內(nèi)部鋼板、保溫釘、保溫襯里變形、破壞。

1.4現(xiàn)場分析驗(yàn)證

圖5為拆卸檢修設(shè)備時(shí)膨脹節(jié)現(xiàn)場記錄的內(nèi)部狀況。圖5(a)為圖2紅外測試位置，發(fā)生襯里內(nèi)部開裂、鋼板鼓包變形；圖5(b、c)為圖3、圖4紅外測試位置，在保溫釘與鋼板的固定聯(lián)接處產(chǎn)生撕裂裂紋，襯里內(nèi)部產(chǎn)生空洞和夾層，與紅外測試診斷分析結(jié)果基本吻合，現(xiàn)場檢修檢查充分驗(yàn)證了診斷。

2檢修驗(yàn)證及整改措施

2.1整改措施

為防止溫差應(yīng)力引起保溫襯里變形、撕裂，取消了原保溫釘、金屬內(nèi)襯等結(jié)構(gòu)，改造后的膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)如圖6。

2.2改造后效果檢驗(yàn)

膨脹節(jié)檢修改造后，采用紅外熱像檢測方法多次對(duì)改造效果進(jìn)行監(jiān)測、跟蹤。2012年設(shè)備檢修改造后的測試結(jié)果顯示，膨脹節(jié)外壁最高溫度為64.1℃；2018年6月再進(jìn)完成紅外熱像跟蹤測試，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，表面溫度低于70℃，保溫襯里良好無損傷。紅外熱像圖譜見圖7，其中2012年采用FIRAT300紅外熱像儀測試，2018年采用FUKETIX580紅外熱像儀測試。

3結(jié)語

作為典型的非接觸溫度測量手段，紅外熱成像技術(shù)全面直觀、簡單快捷，與傳統(tǒng)的檢測評(píng)估手段相比十分高效。本次余熱回收系統(tǒng)金屬膨脹節(jié)保溫襯里損傷程度的診斷分析也是紅外熱像技術(shù)在石化設(shè)備檢測方面的一次成功嘗試，在未停車、未打開設(shè)備的情況下，通過紅外熱像溫度場分析設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)保溫襯里的損傷部位，正確評(píng)估其損傷程度，為設(shè)備改造提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉衍民,胡彬彬.紅外熱成像技術(shù)在特檢化工領(lǐng)域的應(yīng)用[C].2008遠(yuǎn)東無損檢測新技術(shù)論壇,2008:314-316.

[2]潘鳳紅,陳大為.加熱爐襯里損傷的紅外熱像評(píng)定方法研究[J].化工機(jī)械,2014,41(6):739-762

[3]劉暉,陳國華.紅外熱像檢測技術(shù)在石化工業(yè)中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備,2010,39(1):47-53.

[4]李曉剛,付冬梅.紅外熱像檢測技術(shù)在石化工業(yè)中的應(yīng)用[J].激光與紅外,2000,30(5):265-267.

[5]付冬梅,周星宇,童何俊,等.石化加熱爐襯里狀態(tài)的紅外評(píng)定方法[J].化工設(shè)備與管道,2017,54(1):34-38．

作者：王曉宇 單位：中國石油錦州石化公司研究院