（化学工程专业论文）石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本研究论文是在现有金属材料高温强度和剩余寿命估算理论研究基础上，应用先进 的红外热像测温技术和计算机技术；结合目前积累的大量的有关加热炉管在不同温度下 的性能资料( 主要来源于a s m e 、a p i 、a s t m 报告) 和剩余寿命评估方法及相关的工 程实际经验，开发出了石化设备加热炉管的在线寿命评估系统。其主要内容：1 ) 论述 了加热炉炉管的使用现状，列举了加热炉管的常见故障和损失实例，分析了加热炉管的 研究现状，阐明了应用的实际价值。2 ) 在总结分析七种常用炉管剩余寿命评估预测方 法的基础上，通过比较，择优选出l a r s o n - - i i l l e r 剩余寿命评估方法来进行加热炉管 寿命的评估，同时指出炉管表面的温度是炉管剩余寿命评估的关键性参数；3 ) 根据热 辐射理论和红外测温原理，导出了正确的髓考虑多种复杂因素的炉管表面温度的计算公 式，解决了高温条件下准确测定炉管表面发射率的难题；4 ) 结合炉管的壁厚尺寸和炉 管外壁温度、材料性能参数、工艺参数等资料开发了加热炉管实时在线监测和动态管理 的软件系统；5 ) 利用开发出的红外热像诊断系统对多种加热炉炉管的实际运行状态及 剩余寿命能进行了在线监测和评估。 关键词：加热炉瞥；剩余寿命；红外测温；评估 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 s y s t e m a t i c a li n v e s t i g a t i o n f o rs u r p l u sl i f ea s s e s s m e n ta th e a t i n gf u r n a c e t u b e so f p e t r i f y i n ge q u i p m e n t a b s t r a c t t h i st h e s i s ，b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hi n t ob o t hh i g h - t e m p e r a t u r ei n t e n s i t ya n d s u r p l u sl i f ee s t i m a t i o no fc u r r e n tm e t a lm a t e r i a l s 。a p p l i e db o t ht h e r m o m e t r i ca n dc o m p u t i n g t e c h n o l o g yo fa d v a n c e di n f r a r e dt h e r m o g r a p h yb yc o n n e c t i n gw i t hag r e a td e a lo f a c c u m u l a t e p e r f o r m a n c ed a t a ( o r i g i n a t e df r o mt h er e p o r t so fa s m e ，a p i ，a n da s t m ) o f r e l e v a n t f u r n a c et u b e su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dr e l e v a n te n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e si np r a c t i c e a n ds u r p l u sl i f ea s s e s s m e n tm e t h o d s ，t h r o u g hw h i c hl i f e a s s e s s m e n ts y s t e mf o rf u r n a c et u b e o fp e t r i f y i n ge q u i p m e n tw a sd e v e l o p e d ，t h em a i nc o n t e n t so fw h i c ha r e - 1 ) e x p o u n de x i s t i n g u s a g ec o n d i t i o no ff u m a c et u b e s ，d e m o n s t r a t eu s u a lf a u l t sa n dl o s s e so ff u l l l a c et u b e s ， a n a l y z ee x i s t i n gr e s e a r c hi n t of u r n a c et u b e s ，a n dc l a r i f yt h er e a lv a l u ef o ra p p l i c a t i o n 2 ) b y c o m p a r i n g7c o m m o i l i yu s e dm e a n so fs u r p l u sl i f ea s 辩s s m e ma n dp r e d i c t i o n , t h em e a n so f s u r p l u sl i f ea s s e s s m e n to f l a r s o nm i l l e rw a ss e l e c t e dt oc a r r yo u tt h ea s s e s s m e n ta tt h el i f eo f f u r n a c et u b e s a n dm e a n w h i l e 。t h et e m p e r a t u r eo n 也es u r f a c eo f 胁a c et u b e sw a st h e e s s e n t i a lp a r a m e t e rf o rt h ea s s e s s m e n ta tf u r n a c et u b e ，w h i c hw a sp o i n t e do u t 3 1a c c o r d i n g t ob o t ht h et h e o r yo f h e a tr a d i a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo f i n f r a r e dt h e r m o m e t r i ct e c h n o l o g y ，t h e f o r m u l aw a sc a l c u l a t e d ，w h i c hn o to n l yc o u l dc o r r e c t l yc o n s i d e rt h es u r f a c et e m p e r a t u r eo n f u r n a c et u b e sa c c o m p a n i e dw i t hm a n yk i n d so fc o m p l i c a t e df a c t o r s ，b u ta l s oc o u l ds o l v et h e t o u c hp r o b l e mo fh o wt oa c c u r a t e l ye x a m i n ea n dd e t e r m i n et h es u r f a c ee m i s s i v i t y0 nf u r n a c e t u b e su n d e rt h ec o n d i t i o no f h i g i it e m p e r a t u r e 4 ) d e v e l o p e ds o f ts y s t e mo f o u l i n em o n i t o r i n g a n dd y n a m i cm a n a g i n gf o rf u r n a c et u b e sb yc o n n c e d n gw i t ht h es i z eo fw a l l - t h i c k n e s sa n d t h et e m p e r a t u r eo f o u t e r - w a l lo f f u r n a c et u b e s ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f t h em a t e r i a l ，a n d t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r , e t c 5 ) p r o c e e d e do n l i n em o n i t o r i n ga n da s s e s s m e u ta tt h ep r a c t i c a l r u n n i n gs t a t ea n ds u r p l u sl i f eo fm a n yk i n d so ft h ef u r n a c er o b e sb yu t i l i z i n gd i a g n o s i n g s y s t e mo f i n f r a r e dt h e r m o g r a p h yt h a th a db e e nd e v e l o p e d k e yw o r d s ：h e a t i n gf u r n a c et u b e s ；s u r p l u sf i f e ；t h e r m o m e t r i ct e c h n o l o g yo fi n f r a r e d t h e r m o g r a p h y ；a s s 铭s m e n t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名t o 0 0 6 1 0 ，多 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论交的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名麴! 塑塾 导师签名查墨基 a a n g 年，。月吖日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 石化加热炉炉管的使用和研究现状 石化设备安全可靠性问题是影响设备长周期运行的瓶颈问题，我国石化行业中7 0 年代前建厂的企业占石化行业的大部分，因此在今后一段时间内，石化行业中的大部分 设备及主要部件将临近设计寿命期。这样，避免设备过早退役的寿命评估技术就成为我 国石化行业普遍关心的问题；同时也是刻不容缓必须进行研究的课题。这一问题在欧、 美、日等发达国家更受关注，研究目标就是对在用设备进行无损监测，正确估算设备的 剩余寿命，用高新技术挖掘设备潜力，尽可能延长设备的使用寿命。加热炉是石化行业 中比较重要的设备，无论是运行周期已接近设计寿命期或新上的加热炉，由于其关键部 件一加热炉管，是在设备内部运行，从外部无法进行检验，同时加热炉管内走的介质很 多具有易燃、易爆、腐蚀性强等特点。因此，加热炉管通常在高温、高压、管内烃类渗 碳环境、管壁氧化、硫化以及还要承受炉管自重、温差及开停车所引起的疲劳、热冲击 等复杂应力等工况下运行在这种恶劣操作环境下，普通碳钢及低合金钢一般难以满足 工艺条件要求，常选用昂贵的高温合金材料，增加了企业的生产成本。 炉管的设计寿命通常为l o 万小时，与加热炉内的耐火材料寿命基本相同。但是实 际使用寿命为设计寿命的4 0 晰0 9 6 者占绝大多数【l “。现在国内大部分加热炉尚无加热炉 管在线监测与管理系统。由于缺乏规范化管理，在运行中往往发生加热炉管失效，甚至 发生事故以后也无法进行准确判断。因而往往给企业造成经济损失，有时可能发生灾难 性事故，国内外石化系统每年都有这方面的报道。 对于加热炉管在线检测及寿命评估的研究，国内目前除中国科学院金属研究所在这 一领域有一定成果之外，大多数石化企业处于经验数据积累阶段或研制阶段，如镇海炼 化公司利用m i n o l t at r - 4 2 0 红外点温计和手工计算的方法曾对延迟焦化炉的加热炉 管进行了红外监测。但检测后不仅需要校正温度，而且还需手工计算寿命，效率低，不 宜大面积普遍测试。长岭炼油化工总厂设备研究所对长岭炼化装置焦化炉3 0 1 采用红外 热像仪进行热状态监测，并且导出了用热像仪读数准确反映炉管表面温度的修正公式， 结合具体炉管的特点，对运行中的加热炉炉管的管氧化、结焦、超温等热故障进行调整， 改善加热炉的运行，但过于复杂；北京科技大学的课题组与乌鲁木齐石化总厂也正在着 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 手研制加热炉管寿命评估软件。相比之下，本论文所进行的炉管在线寿命评估系统的开 发与研制是处于领先水平的。 1 。2 加热炉管的常见故障与损伤事例 上海石化总厂运行1 8 0 0 0 小时的一段h k 4 0 乙烯裂解炉管内壁严重腐蚀，该裂解炉 管组织及材料性能正常，无宏观冶金缺陷。经分析认为：裂解炉管内壁的损伤是高温硫 化和氧化腐蚀造成的，硫化腐蚀是引起损伤的主要原因。h p 乙烯裂解炉管的弯头运行 了6 3 0 0 0 小时后，入口侧部位出现穿透性破裂，弯头内壁发生明显的龟裂和减薄，腐蚀 严重部位已经穿透。分析认为运行数万小时的弯头内壁出现减薄、渗碳、氧化及热裂化 都能引起弯头失效，而渗碳、氧化及热疲劳应力对减薄又起着很大的促进作用。齐鲁石 化乙烯s r t - i i 型裂解炉炉管发生鼓包，其原因分析如下：( 1 ) 原料质量差造成结焦严 重。渗碳严重：( 2 ) 由于管材与焦碳线膨胀系数相差很大，结焦炉管在高温下产生很 大的温度应力，又有渗碳及热机械应力的影响，加尉了炉管高温孀变和弯曲变形；( 3 ) 运行周期短，开停车频繁，炉管热疲劳和热冲击损伤严重。对乙烯裂解炉而言损坏的主 要原因是渗碳和渗碳开裂，统计表明约占总损坏数量的一半。加氢裂化装置中的氢气加 热炉管损伤既有高温氢和硫腐蚀、也有高温蠕变和弯曲变形现象；延迟焦化加热炉管和 醋酸裂解炉管的损伤主要是管内结焦、高温蠕变裂纹扩展而经常引起爆管事故i z j 。 根据多年的石化加热炉管失效原因的综合系统分析后，认为其主要原因为：( 1 ) 材质质量低劣造成过早炉管失效；( 2 ) 安装和焊接工艺不当；( 3 ) 炉温工艺操作不够 优化；( 4 ) 对影响炉管剩余寿命的因素缺乏明确的认识；( 5 ) 在线检测与监测工作跟 不上，管理工作落后。 1 3 课题的研究背景及实际工程意义 由于石化设备加热炉管的工作环境恶劣，炉膛内烟气温度高，炉管管壁处在管内烃 类渗碳，管内外氧化、硫化、热腐蚀等高温环境下，同时还要承受内压、自重、温差及 开停车所引起的疲劳、热冲击等复杂的应力作用。在恶劣的环境下，加热炉管易产生渗 碳、渗碳开裂、弯曲、热膨胀、蠕变开裂、热疲劳开裂、热冲击开裂、热腐蚀开裂、氧 化等形式的失效现象。炉管失效轻者造成局部停车限产，重者造成全厂停车停产，从而 大连理工大学专业学位硕士学位论文 造成巨大的直接和间接经济损失，有时甚至会导致灾难性事故。因此为了保证安全生产， 应定期更换炉管；但炉管材料价格昂贵，加工困难并且用量较大，经济问题和安全生产 提出了对炉管剩余寿命进行预测的要求。寿命预测为在大修期间更换寿命耗尽的炉管、 保证安全生产、减少事故发生和经济损失创造了条件，对保证生产的正常运行有重大意 义。 1 4 本论文的研究内容 本论文是在现有剩余寿命估算理论研究基础上，应用先进的检测设备，结合目前有 关加热炉管在不同温度下的性能资料和具体剩余寿命评估方法，总结了相关的工程实际 经验，开发出了石化设备加热炉管的在线寿命评估系统。其内容包括：1 ) 在研究分析 常用炉管剩余寿命评估预测方法的基础上，通过比较，优选出l a r s o n - - m i l l e r 剩余寿 命评估方法来进行加热炉管寿命的评估，该方法比较适合于炼油厂和化工厂的加热炉 管；2 ) 阐明了红外热像仪测温原理，提出了高温复杂环境下的炉管表面温度的理论计 算方法，从而可以快速测量高温炉管表面温度及其分布。开发设计了测定高温炉管表面 发射率的系统，并用该系统测得了乙烯裂解炉hp 炉管在不同温度下的表面发射率值。 根据热辐射理论和红外测温原理，导出了正确的能考虑多种复杂因素的炉管表面温度的 计算公式，解决了高温条件下准确测定炉管表面发射率的难题；3 ) 结合炉管的壁厚尺 寸和炉管外壁温度、材料性能参数、工艺参数等资料开发了加热炉管实时在线监测和动 态管理的软件系统i 4 ) 利用开发出的红外热像诊断系统对炼油厂重整加氢装置、加氢 裂化装置加热炉炉管和乙烯厂裂解炉炉管的实际运行状态及剩余寿命进行了在线监测 和评估。 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 2 常用炉管寿命评估预测方法 2 1 引言 最近十年发展起来的炉管寿命预测方法，归纳起来可以分为两类【3 - 4 ： ( 1 )根据运行一段时间后，炉管的性能和状态( 如材料的显微组织、持久强度、 蠕变、空洞、和裂纹等) ，通过实验建立这些参数和短时持久强度的关系，再利用外推 法确定使用温度、应力下的剩余寿命。 ( 2 )用无损检测法，如超声检测裂纹长度、涡流检测渗碳层厚度来评价加热炉 管的剩余寿命。 2 2l a r s o n _ _ m i | l e r 参数外推法 高温材料的使用寿命，在大多数情况下，由蠕变破坏强度所决定，长时间蠕变破坏 强度，是根据比较短时间的蠕变破坏试验结果，用外推法求得的。因为在长时间的高温 下，材料组织有明显改变，使以短时间试验结果外推的数值与实际差别很大。因此要尽 量收集大量的资料，进行正确的外推，同时要进行长时间的试验，力求将外推公式与实 际霉相接近。 高温材料的蠕变速率方程为： v = a * e x p ( 器)( 2 1 ) 式中：、r _ 一高温材料在一定温度范围内的蠕变速度： q 一高温材料在一定温度范围内的蠕变激活能； 卜高温材料的绝对温度； i 卜气体常数。 对于持久性而言，假定断裂时间( t r ) 反比于蠕变速度，则 t r = l a * e x p ( 罟) 两边同时取对数l g t ，= 一l 扩l g e x p ( 罟) 一4 一 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 l g t r = 一l g a + q ( r t l nl o )( 2 4 ) 由( 2 4 ) 式可知：在应力一定的条件下，持久断裂时间( t r ) 的对数l gt r 与绝对温度的 倒数l 厂r 有明显的线性关系。 l a r s o n - - - m i l l e r 理论认为：( 2 _ 4 ) 式中的常数a 是与材料有关的常数，令l g a = c ；蠕 变激活能q 是与应力有关的函数，( 2 4 ) 式化为： t ( c + l g t r ) = p ( 盯) ( 2 5 ) 基于( 2 5 ) 式的运算称为l a r s o n - - m i l l e r 参数外推法，又称为i m 法。在( 2 5 ) 式的 基础上做出1 , a r s o n - - m i l l e r 曲线( i ，i m 曲线) 来推测炉管在一定使用温度和应力下的剩 余寿命。由于i _ m 曲线是由不同温度、不同应力下试样的断裂实验所得资料整理而成， 因而，l a r s o n - - m i l l e r 参数外推法结果比较可靠，使用较广泛，美国石油学会a p l 5 3 0 标准就是基于以上的理论基础并在美国各炼油厂得到广泛应用的 2 3 空洞面积率法 笠原晃明建立了空洞面积与残余寿命之间的对应关系，把用空洞面积来研究炉管失 效发展成为定量估算残余寿命的方法。他认为：空洞的产生和成长是炉管蠕变第三阶段 最重要的特征，而空洞的面积率是最好的指标在此基础上根据空洞面积率和短时持久 强度之间的关系，导出了对于m 一0 钢来说误差约为一年的推算剩余寿命的经验公式： l 双o 9 8 ) 卸7 3 7 4 + 0 2 9 9 4 8 x p o - 0 0 11 p ： ( 2 6 ) 式中p o = p + 0 6 0 + o 6 0 v p = t o 0 0 1x ( 1 9 t + 1 5 ) 其中：v 一介质在一定条件下的空洞面积率( ) ； t 一工作温度( k ) ； 仃一工作应力( m p a ) ； t 一被评价对象的剩余寿命( h ) ； 对于空洞面积率法有些研究者认为：用空洞面积率来评述材料损伤是不严格的。因 为有裂纹的部位空洞率不一定高，而用空洞形态和分布特征更能反映材料的蠕变损伤速 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 度。所以，用空洞面积率来研究高温失效仅适用于蠕变的第三阶段，而且还需要很好地 解决定量计算中的精确度问题。 2 4 直线外推法 对于某种材料试样，在它的高温持久强度曲线图上，根据较高应力和较短时间的一 些实验资料进行外推，可求出低应力持久强度时的寿命。这种方法是建立在蠕变实验的 基础上，有超温法和超载法。 2 5l _ _ d 法持久强度外推模型 根据蠕变理论，温度应力和断裂时间三者之间的关系： t r = - a * e x p ( q r t ) ( 2 7 ) 其中gt r 一构件在一定条件下断裂时间； t - - 构件在开始断裂时的绝对温度； a 、q 一与材料及应力有关的项； 眦体常数。 k t r = i g a + q ( 2 3 r t ) ( 2 8 ) 葛庭燧_ d o h l 认为：蠕变激活能q 是与材料有关的常数，将( 2 8 ) 式转换为： l g 铲q ( 2 3 r t ) = p ( 盯) ( 2 9 ) 基于( 2 9 ) 式的运算简称为t 广_ - d 法。i ，- d 法用实验材料的持久数据整理出i ，- d 法综合曲线，可通过曲线图求出材料常数q 及所需的p 值，进而可以估算出剩余寿命， 其计算过程类似于【广一m 法。 2 6 断裂力学方法 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 裂纹是最终决定炉管寿命的重要因素，而且蠕变裂纹扩展寿命占据炉管总寿命的一 半以上。研究表明：处于平面应变状态下的炉管，裂纹扩展速率d a d t ( m m h ) 与儒变 裂纹扩展控制参数c ( j m 2 h ) 之间关系为： 正d t = a c 。 ( 2 i o ) 其中：a 常数，对于i - i k 4 0 合金a = 0 0 0 9 9 0 4 7 ： c j 积分速率。 对( 2 1 0 ) 式迸行积分可得到裂纹长度a 与寿命t 的关系。由于蠕变是与时间相关 的过程，照c 是服役时间t 及裂纹长度a 的函数，因此对( 2 1 0 ) 式不能进行普通积分， 而只能采用数值解法。 这种方法从断裂力学的角度出发，综合考虑了炉管的当前性能及裂纹的扩展，比较 客观地反映了炉管达到破坏的过程。c 法有大量蠕变断裂扩展工作的基础，寿命预测比 较准确。 2 7 多元回归方法 多元回归方法以持久强度外推模型为基础，考虑了材料组织的作用，利用回归数学 模型及回归方程建立起来的一种寿命预测方法。在持久强度外推模型l 广d 法的基础上， 利用多元回归方法对材料的有关组织因素进行考虑的情况下，对l d 曲线平移，剩余 寿命的数学模型可写成： i g t = p ( 盯) + 手+ f ( w c ，h v ) ( 2 1 1 ) 将其改写成多项式： i g t ；c 0 4 羔c ，( i ga r ) 2 + w c c m + i4 - + 2 h v + g + 3 + 等 ( 2 1 2 ) ，- l 式( 2 1 2 ) 为高次多项式，在工程计算中，可只取低次项。 令：x 2 l g ( 玎) ，x 2 = l g ( 仃) 2 ，x j = l g ( 仃) 3 ，x ，= h v 二， y - l g t r ，占- 亭 ( 2 1 3 ) 由此可得到多元线性回归模型： y 。= p q 七p x “+ p 。l + 9p x q 七s q 1 4 ) 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 其中口为实验次数，口= l ，2 ，3 ，n 。 由各试样含碳量、硬度、及在不同温度和应力下持久实验所得数据，用上式进行回 归分析可得到回归方程。然后，再由回归方程计算出炉管的剩余寿命。这种方法，依据 运行历程和组织的硬度及化学成分直接计算寿命，比简单的i m 法i d 法外推法进 了一步，节省了大量的持久性实验，但这种方法对异常条件的炉管不适用。 2 8 无损检测方法 无损检测的方法目前基本是对停用的设备以及管线进行测量和检测，对于在用的管 线有相当大的局限性，在测量加热炉炉管直径变化，渗碳厚度等方面，精确度不够。此 外这种方法只能对露置在外的运行设备进行检测，受具体工艺设备的温度等影响较大， 因此不能用于加热炉炉管的在线检测： 2 9 讨论 以上讨论了加热炉管剩余寿命估算的几种算法，我们认为i m 估算方法相对较 好，它不仅适用于新炉管的寿命评估，还可以计算炼油厂或化工厂加热炉管的损伤程度 和剩余寿命，从而确定检修周期和判唛时间。在i - m 估算法中温度是关键性参数，因 此，下一章法将讨论加热炉管的测温方法。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3高温加热炉管温度的理论计算公式及表面发射率测定方法 3 1 红外热像仪发展概述 最早的红外探测器就是赫胥尔用于发现红外线的水银温度计。在以后的1 0 0 年中， 所有的红外探测器都是热感应的，入射到吸收层的辐射使该层变热，转而使与吸收器相 接触的热敏材料变热，就可通过热敏材料特性的交化测得入射辐射功率。由这种热电效 应发明了多种热电探测器，如热电偶和热电堆、金属和半导体的热敏电阻测辐射热计。 起初多数热探测器是在环境温度下工作，但其电性能在低温下变化更快，因此导致了冷 却的热探测器的出现。 1 9 世纪末，科学家在硒中第一次观察到光电导现象，但是由于半导体科学理论研究 的滞后，一直到2 0 世纪4 0 年代以前，红外光子探测器的制造并未得到很快的发展。在 普朗克提出黑体辐射理论后，由量子力学基础上发展了统计物理学和半导体的能带理 论。直接推动了红外技术的发展。科学家发现：入射光子能量可与半导体内电子的能态 起作用，会释放载流子增加电子，或是获得光生电动势，且有一个明确的截止波长，它 决定于在某一种材料中释放载流子所需的能量，所以光子探测器的特性与材料密切相 关，这就是光子探测器的物理基础。最初的光子探测器是用蒸发或化学淀积的薄膜制成， 主要材料为p b s ，p b t e ，p b s e 等，多是中短波探测器。5 0 年代，应用半导体掺杂技术， 在g e 和s i 半导体中，有选择的掺入具有各种激活能的杂质，制作出响应超过l o o m u 的 光子探测器。另一个重要进展是，利用冶金工艺来合成新的化合物半导体，例如i n s b 和g a a s 等，可以制作各种波长的单晶光子探测器。1 9 5 8 年，英国皇家信号与雷达研究 所的劳森等人发明了h g c d t e 三元化合物，由其制成的红外探测器灵敏度高，重复性好， 其响应波长可以在合成材料过程中人工调控。这一发明大大促进了红外热成像技术的发 展。直到今天，h g c d t e 仍然是最理想的热成像探测器材料。 红外成像技术始于2 0 世纪3 0 年代，它利用处于高真空的碱金属或半导体光阴极， 将红外辐射转换为电子辐射，再通过荧光屏使电子图像转换为人眼能看到的光学图像。 但由于其灵敏度低，早期在使用红外变像管观察时，必须有红外辐射装置“主动”照射 目标。在第二次世界大战末期。德国和美国在战场上开始使用这种主动红外夜视仪。由 于它存在隐蔽性差，装置笨重等缺点，又相继发展了微光像增强技术和被动红外热成像 技术。被动红外热成像技术是将目标背景的红外辐射由红外探测器进行光电信号转换， 经过信号处理，在显示器上显示可见图象的技术。它反映了当今红外技术和光电成像技 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 术的最新成就。二次世界大战后，1 9 6 4 年，美国德克萨斯仪器公司为美军提供了第一台 军用红外热成像系统，之后，出现了多种军用热成像系统，并在近几十年的地区局部冲 突中，从越南战争，马岛之战、海湾战争，到前南冲突都显示出了其巨大的优越性。 不可否认，军事应用是红外技术发展的主要动力，但目前国际上市场越来越转向国民经 济的各个领域从工业检测、医学诊断到卫星遥感都在应用红外热成像技术。六十年 代中期，瑞典a g e m a 公司研制出第一套工业用的实时成像系统，该系统由液氮制冷，1 1 0 v 电源电压供电，重约3 5 公斤，1 9 8 8 年推出的全功能测温热像仪，将温度的测量，修改、 分析、图像采集，存储合于一体。重量小于7 公斤，仪器的功能，精度和可行性都得到 了显著的提高。九十年代中期，美国一些公司首先将非制冷焦平面技术成功应用于民用 热像仪开发，研制成功新一代的红外测温热像仪，技术性能更加先进，现场测温时只需 对准目标摄取图像。并将上述信息存储到机内的p c 卡上，即完成全部操作，各种参数 的设定可回到室内用软件进行修改和分析数据，最后直接得出检测报告，由于技术的进 步，仪器重量已小于2 公斤，使用中如同手持摄像机一样，可方便地进行操作。 由于红外测温技术对保证石化企业关键设备安全生产和提高设备运行可靠性方面 取得了显著的效果。同时，其经济效益十分可观，据美国有关应用部门统计，利用红外 技术检测石化企业设备的投入产出比达到l ：9 以上，所以目前国外的一些石化企业应 用已很广泛。在工业发达的国家更是普遍推广使用，应用范围也从最初的设备和工艺管 线开始扩大到大型反应器、加热炉等方面。1 9 9 0 年，国际红外技术推广大会上，对红外 诊断技术给予了足够的重视和充分的肯定。1 9 9 3 年，美国动力会议上。底特律爱迪生公 司和伊利诺依州石化公司都分别介绍了在本行业中应用红外热像技术检测关键设备的 最新经验，红外诊断技术已成为石化设备上监测，普查、及时发现隐患，及时抢修杜绝 恶性突发性设备事故的一种手段。国内，1 9 7 5 年由上海引进了第一套a g e 、i k 公司的红外 热像仪，这在当时是国内最先进的红外测温热像仪，应用后，取得了很大的经济效益， 打开了a g e 姒公司的中国市场。八十年代初，平武工程在工业中首次引进三套瑞典a g e 姒 公司生产的红外热像仪。应用后，大大提高了设备探测、诊断的技术水平。 国内研究开发红外技术的应用，起始于五十年代后期，开始发展红外技术主要是为 国防事业服务，经过几十年的努力，在军事应用和高科技领域取得了令人瞩目的成就， 随着改革开放形势的深入发展，我国军用方面的红外技术开始向民用方面辐射，至目前。 民用国产红外热像仪的研制，开发和生产，已处于不断的完善和提高之中，特别是随着 电子技术的高速发展和国外先进技术的引进，国产红外热像仪在仪器的技术功能，测温 精度及实用性、可行性等方面，都取得了较大的改进和提高，部分指标已经达到世界先 进水平。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 2 红外热像仪测温原理 对于测温而言，传统测温技术有以下几个方面的弱点： c a ) 只能测一点，且要破坏原有炉管表面温度场的分布； ( b ) 有时在热电偶焊接点处因热应力等原因而使加热炉管首先在该点破裂，造成 加热炉的非正常停车，影响生产； ( c ) 不能进行实时的检测与监测，不能存储检测数据，不能准确定位； ( d ) 点式红外测温仪也有类似的致命缺点，如无法过滤水蒸气与烟气辐射的影响， 因而测温误差较大。 红外热像检测与诊断技术是一种实时、非接触测定物体表面温度的一种先进检测技 术，它与计算机技术的有机结合，不仅实现动态实时检测，而且利用相应的定位软件实 现精确空间定位。目前已广泛地应用在化- r e o l 、电力【m 1 5 1 、石化【1 6 - 2 0 1 、冶金、热力【2 、 电子阱】等领域故障检测上。目前我们所使用的红外热像仪的基本原理如图3 1 所示。 热像仪的图像信息是通过反射系统在红外单元探测器或列阵探测器上成像，探测器 前面是红外扫描系统，每个探测器带一个前置放大器和带通滤波器。放大器的输出信号 与入射到探测器表面的辐射功率成正比。这些并行的单个信号由门 电路变为串行的脉冲信号。门电路是用一个多路扫描器依次打开进行工作的，多路 扫描器还控制电子束在显像管中的垂直偏转。 热像仪的主要工作参数为：焦距、相对孔径比、图像的行数、图像变换频率、行频 率、探测器元件、几何分辨率、最小可分辨温差、图像视场角、方位角、仰角以及被测 温度场相关参数。 红外热像理论的研究是基于“黑体”这一理想概念【2 。黑体就是一个完全吸收入射 辐射的物体，基尔霍夫定律建立了假象黑体与实际物体之间的关系；实际物体的吸收率 d l ，其表达式为： m t ( t ) ，( d ( 入) ) = m xc “，( t ) ( 3 1 ) 式中m 。一( t ) 为黑体在绝对温度t 时的光谱辐射度：m l ( t ) 为光谱辐射度：a ( ) 为黑体在绝对温度t 时的光谱吸收率。因此该定律叙述为：对于给定的波长，光谱辐射 度m l 与光谱吸收率o ( ) 之比，仅仅是物体温度的函数，并且于同样温度的黑体的 光谱辐射出射度总是相等的同样也可用积分值来定义基尔霍夫定律：定义发射率为e ， 朗 ex = m 、( t ) m - ( g ) ( t ) ( 3 2 ) 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 图3 1 热像仪的基本原理方框图“” f i g 3 1b l o c kd i a g r a mf o rb a s i cp r i n c i p a lo f i n f r a r e dt h e r m o g r a p h i ci n s t r u m e n t 根据基尔霍夫定律：一个物体的发射率e 在数值上总是等于其吸收率a 的，即e = d 和e ( ) 2 a ( ) ，这样在该定律的基础上由黑体辐射来计算非黑体辐射。实际 物体的发射率e 1 0 。j k - 1 ，普朗克辐 射定律经过交换，且h c ( k t ) 1 时，可以得到维恩公式： m = 2 卜c 2 ( e w 。k n ) 1 5( w c 矿i t m - 2 )( 3 4 ) 它适合波长在o 。情况，奠定了热辐射摄像仪理论的基础。 红外热像仪成像系统一般由探测装置和显示处理部分组成，探测装置由光扫描器、 聚焦透镜、转换器、红外探测器、驱动电机和前置放大器组成。其中红外探铡器是核心 部分，显示处理部分由模拟电路、像记忆、单色滤波器组成，信息处理由a d 转换器和 c p u 完成。善前大量上市的焦平面热像仪就是改进的探测器和信息处理系统。因此光学、 材料科学、黾子技术和计算机科学是构成红外热像学的基础。现代石化工业是高度自动 化的生产系统，使用了大量的压力容器和管道。生产中的许多设备，不仅流程作业和长 周期作业，亓且大都是在高温、高压易腐蚀的环境下工作，存在易燃易爆的危险性。因 此对生产过程中设备的检测与监测是十分重要和必要的。目前常采用的做法是严格执行 定期大修制度，时常进行无故障大修；同样也有时存在故障而没能及时检修，导致事故 发生，造成严重后果。鉴于这种现状，各石化企业都在大力发展各种在线监测手段，以 期改变定期大修的状况并最终取消定期大修制度。红外热成像技术作为一种快速、无接 触检测设备爱面温度全场分布的手段，是一种重要的在线检测方法。 由于红外热成像技术是一种快速、非接触检测设备表面温度全场分布的手段，而物 体的表面温童通常反映了其状态，从而可以从其表面红外热像图推断出设备的运行情 况。自6 0 皇代至今，红外热成像技术作为一种新兴的无损检测技术手段在各个领域得 到了广泛的应用。特别是近年来，在各工业领域作为一种重要的在线监测手段，得到了 越来越广泛的应用，尤其在石化行业上，更显示了巨大的生命力。 目前石z t 行业所使用的红外热像仪，都是近几年国外开发的比较先进的类型，从温 度场的测量准确性以及图像的清晰度都有了很大的提高，这就为我们研究和监测一些设 备的运行状况和故障诊断提供了非常先进的手段。随着红外技术的飞速发展，红外热像 仪更新换代乜比较快本论文试验期间所采用的设备是美国f l i r 公司的t h e r m a c a m t m e 3 0 0 产品，该产品是一款坚固轻便、操作简单的焦平面红外热像仪，它能够生成全格 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 式红外图像，并能够精确测量目标物体的温度，该设备为我厂展开对关键设备的热故障 的红外热像监测以及为开发本红外热像诊断系统提供了保障。 其技术参数如下表： 图3 2t h e r m a c a m r ue 3 0 0 的图片 f i g 3 2 t h ep i c t u r eo ft h e r m a c a m a me 3 0 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表3 i 技术参数 t a b 3 it e c h n i c a lp a r a m e t e r s 3 3 高温复杂环境下的炉管表面温度的理论计算方法 用红外热像技术测定工业加热炉内高温炉管表面温度通常遇到如下的问题： ( 1 ) i 业加热炉( 反应炉) 炉壁温度高于炉管温度，即受强辐射源的影响； 杨国强；石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 ( 2 ) 受炉膛内火焰辐射的影响； ( 3 ) 工业炉内粉尘的影响； ( 4 ) - i - 业炉内气体、蒸汽和c 0 2 对红外线的吸收作用。 由于上述复杂因素的交互作用，用红外热像技术测取高湿炉管表面的温度及其分布 是个非常复杂的问题，所测温度并不是炉管的真实温度，而是交互作用后的结果， 因而 对结果的分析计算方法的研究显得非常重要。 用红外热像仪探测器接受的是观测方向上各种热辐射总和对应的温度值1 2 4 1 ，它包括 炉管本身的热辐射w ，炉管反射炉膛的热辐射、，炉管反射高温烟气的热辐射w 。 高温烟气与火焰的直接热辐射w 。，炉外大气的热辐射w 。，也就是说探测器接受的 总热辐射【2 4 】w ，为： w r 27 0 w f + 。o w q + f 0 w 。+ “w ，+ ( 1 f o ) w ( 3 5 ) 式中：r o 一大气修正系数；根据l o w t r a n 大气模型： f o = c x p ( 一口蟊一1 ) ( 3 。6 ) 式中：口一衰减系数，取0 0 4 6 ；d o 取0 4 m ，则r o - 1 0 1 7 对于有火焰滤片的红外热像仪，w 。可以忽略不计，w 。也可以忽略不计，故( 3 5 ) 式简化为： w r = f o wj + f o w q + f o w 4 ( 3 7 ) 利用热辐射定律【2 5 l ： w = o r 0 t “ ( 3 8 ) 对于不同型号热像仪的探测器，n 的取值不同【2 5 2 7 l ，例如对h g c d t e ( 8 1 3pm ) 探测器，n 取值为4 0 9 ：对h g c d t e ( 6 9 3 p m ) 探测器，n 取值为5 3 3 ；对i n s b ( 2 5 p m ) r l 取值为8 6 8 。 编制软件过程中，进行修正炉管表面温度t 时，尤其注意这一点。这样( 3 7 ) 式 改写为 r ，o - t ：= f o 龟胡? + t 0 6 q o t ? + 0 一屯b r ( 3 9 ) 即：t l = 【白群一f 0 已碍一f o ( 1 一气) 巧】( t o e l ) 以 “4 ( 3 1 0 ) 式中：占，一红外热像仪设置的总辐射系数； 气一炉管在温度为tl 时的辐射系数： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 占炉壁在温度为t ，时的辐射系数； t 。炉管在测量时具有的真实温度； t ，一探测器显示炉管某点温度； t 。炉壁在测量时的温度； t 。炉管测试点周围烟气温度。 利用( 3 1 0 ) 式，结合红外热像仪检测的结果，就可以快速测量高温炉管的表面温度及 其分布。 3 4 高温加热炉管表面发射率的实验测定方法 一般情况下测定表面温度比较高的物体时，工程实际中经常利用热电偶测出表面实 际温度后，再用红外热像仪测出物体的表面发射率值。这样做虽然便捷，但存在热电偶 温度漂移和热电偶与待测物体存在热阻的问题，给测定发射率带来误差，因而也给加热 炉管测温带来误差。 为了克服上述缺点我们应用了如图3 2 所示的测定高温炉管表面发射率的系统。 图3 3 测定高温炉管表面发射率系统 f i g 3 3t h es y s t e mo f s u r f a c ee m i s s i v i t yf o rm e a s u r i n gh i g h - t e m p e r a t u r ef u r n a c et u b e s 在这个系统中，有专门的自动温度控制系统，它不仅用来补偿热电偶的温度漂移和 智能化地严格控制标准炉的功率，而且也能同步控制待测炉管的温度。这样圆满地解决 杨国强：石化装置加热炉炉管的剩余寿命评估系统探讨 了准确测定高温炉管表面发射率时一直未能解决的工程难题，下表为我们用该系统溺得 的乙烯裂解炉hp 炉管在不同温度下的表面发射率值。 表3 2hp 炉管在不同温度下的表面发射率的实验测定值 t a b 3 2e x p e r