（动力工程及工程热物理专业论文）基于红外测温技术的工业热设备内部缺陷诊断方法.pdf

diagnosis of defects in the inner wall of heat equipment based on infrared temperature measurement a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by jian-tao zhang supervisor: xiao-long gou major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university chongqing, china april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 在生产实践中，许多工业热设备由于长期运行在高温、高压及化学腐蚀的恶 劣工作环境下，导致设备内壁损伤或脱落，形成设备内部缺陷或故障，给安全生 产带来了隐患。我国每年大量的锅炉爆炸事故，以及化工、电力等系统的重大恶 性事故中很大一部分都是因为缺乏对工业热设备内部缺陷的定量分析，这充分说 明了工业热设备内壁缺陷检测的重要性。 红外热像检测技术是近年发展起来的一种新的无损检测方法，用红外热像仪 可以无损、快速、非接触地探测出物体表面温度场分布，从而判断设备内部的工 作状况。它是一种全新的、灵敏的检测方法和重要的在线监测手段，在电力、冶 金、石油化工、建筑、交通等众多领域取得了广泛的应用。目前，从定性检测到 定量诊断是红外检测技术发展的一个新趋势。根据热传导规律，物体表面的温度 完全取决于物体内部的的结构、材料的热物性、内部的热扩散率以及表面与外界 环境的热交换。设备内部的缺陷都会以相关部位的温度场异常为征兆表现出来， 利用红外热像仪获取表面的温度场数据，也就是获取了设备内部的缺陷信息，借 助相应的数学模型，用适当的物理和数学方法求解导热反问题，就可以对工业热 设备内部的缺陷的性质、位置、几何尺寸与严重程度作出定量诊断。 本文的主要工作为： 1) 建立了带有不规则内边界空心圆柱形热设备二维稳态导热数学模型； 2) 利用有限元方法求解导热正问题，模拟红外热像仪的测量数据作为反问题 模型的输入参数； 3) 将反问题分解成正问题和最优化问题，利用共轭梯度法，通过极小化外壁 面测点的真实温度值和计算值之差的目标函数求解导热反问题，实现了对设备内 壁缺陷形态的识别； 4) 通过数值试验研究了热设备内壁存在缺陷时设备外壁面的温度分布规律， 验证了算法的有效性。同时，分析了测量误差、初值选取、边界条件等对反演结 果的影响，结果表明该算法能在一定程度上遏制反问题对测量误差的放大作用， 对初值选取不敏感，能适用于不同的换热边界条件。另外本文中采用的算法收敛 速度快并易于实现，为基于红外测温技术诊断工业热设备的内部缺陷或故障提供 了理论依据。 关键词关键词: 缺陷诊断，导热反问题，有限元，共轭梯度法，红外热成像 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract during the production process, many industrial equipment need to work continuously at bad conditions of high temperatures, high pressure and chemical corrosion for a long time, resulting in damage or loss in the inner wall of equipments, which make defects or malfunctions for the equipments and bring great dangers to the safety of production. in our country, there are a great number of accidents in the chemical industry, electricity and other vicious systems every year. a large part of them are because of the lack of quantitative analysis of the defects in the industrial equipment. it fully shows the importance of the detection of the defects in the industrial equipments inner wall. infrared thermography is a relatively new technique in the field of nondestructive detection. infrared scanner can measure the surface temperature of the object rapidly, leaving the object untouched and undamaged. through the surface temperature distribution, the working status of the equipment can be evaluated. infrared technique is a new, sensitive detection method and an important online monitor method, and has been widely used in many fields, such as electricity, metallurgy, petrochemistry, construction, transportation and so on. at present, from quantitative analysis to qualitative detection is a new trend of infrared detection technology. according to the laws of heat transfer, the temperature of object surface entirely depends on the structure of the object, thermal properties of the material, the thermal diffusion rate and the heat exchange between surface and environment. the defects in the inner wall of industrial heat equipment would be represented by abnormal temperature distribution of related part of the equipment. the information of defects can be obtained by using infrared scanner to get the temperature data at surface. then the inverse heat conduction problem can be solved by appropriate physical and mathematical method with corresponding model to estimate the geometry boundary of the industrial equipment inner wall including character, location, size and geometry shape of the defects. the main tasks of this paper are as follow. 1) a two-dimensional steady heat transfer model of hollow cylindrical equipment with unknown irregular geometry boundary of the inner wall is built. 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii 2) the finite element method (fem) is used to solve the direct heat conduction problem, and the temperature result replaces measurement data of infrared scanner for the input parameter to the direct heat conduction problem. 3) the inverse heat conduction problem is transformed into a direct problem and a optimization problem and solved by minimizing the differences between actual temperature from direct problem and computed temperature value on the outer surface based on the conjugate gradient method (cgm) to estimate the defect configuration of the equipment inner wall. 4) the rule of temperature distribution on the surface of the equipment with defects in the inner wall is studied and the effectiveness of the algorithm is certified well by numerical experiments. furthermore, the effects of the measurement errors, choice of the initial value, boundary conditions and number of discrete temperature points are also discussed. the results show that this algorithm can hold back the magnifying ability for measurement error effect of the inverse problem and can be used in various heat transfer conditions, the initial value has little effect on the identification results. the method in this paper needs very short computer time and is easy to implement, providing a theoretical basis for infrared diagnosis of industrial equipment defect. keywords: defect diagnosis; inverse heat conduction problem; finite element method; conjugate gradient method; infrared thermography 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪论绪论 . 1 1.1 课题背景课题背景 . 1 1.2 红外无损检测概述红外无损检测概述 . 2 1.2.1 概述 . 2 1.2.2 国内发展情况 . 3 1.2.3 国外发展情况 . 4 1.2.4 发展趋势 . 5 1.3 反问题概述反问题概述. 5 1.3.1 反问题的特点 . 6 1.3.2 反问题研究方法概况 . 6 1.4 导热反问题发展概况导热反问题发展概况 . 7 1.4.1 导热反问题概况 . 7 1.4.2 导热反问题的研究方法及现状 . 8 1.5 本文研究的意义和研究内容本文研究的意义和研究内容 . 9 2 红外热成像技术与红外诊断理论基础红外热成像技术与红外诊断理论基础 . 11 2.1 红外热像仪的基本原理红外热像仪的基本原理 . 11 2.2 红外热成像技术的理论依据红外热成像技术的理论依据 . 12 2.2.1 黑体的红外辐射规律 . 12 2.2.2 实际物体的红外辐射特性 . 14 2.2.3 影响红外辐射的主要因素 . 15 2.2.4 被测物体表面辐射率 的作用与环境辐射的影响 . 16 2.3 工业设备内部缺陷的红外诊断工业设备内部缺陷的红外诊断 . 17 2.3.1 工业设备缺陷信息的红外探测原理 . 17 2.3.2 工业设备内部缺陷热传递的基本规律 . 18 2.3.3 设备内部缺陷红外诊断理论和方法 . 19 2.4 本章小结本章小结 . 20 3 导热导热正问题的有限元求解正问题的有限元求解. 21 3.1 模型的建立模型的建立. 21 3.2 有限元简介有限元简介. 22 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 3.2.1 有限元基本原理 . 23 3.2.2 有限元求解的基本步骤 . 23 3.2.3 微分方程的等效积分形式 . 24 3.2.4 加权余量法 . 25 3.3 热传导方程的有限元解法热传导方程的有限元解法 . 26 3.3.1 热传导方程的变分 . 26 3.3.2 单元剖分和温度场的离散 . 27 3.3.3 温度场单元变分计算 . 32 3.3.4 有限单元法的总体合成 . 34 3.4 本章小结本章小结 . 34 4 热设备内部缺陷诊断的反问题算法热设备内部缺陷诊断的反问题算法 . 36 4.1 最优化最优化方方法法. 36 4.1.1 概述 . 36 4.1.2 最速下降法 . 38 4.1.3 共轭梯度法 . 39 4.2 导热反问题的求解导热反问题的求解 . 41 4.3 本章小结本章小结 . 44 5 数值试验及结果分析数值试验及结果分析 . 45 5.1 数值试验步骤数值试验步骤. 45 5.2 内部缺陷的红外特征规律内部缺陷的红外特征规律 . 45 5.3 金属管道数值试验金属管道数值试验 . 48 5.3.1 三种典型缺陷的反演结果 . 49 5.3.2 不同测量误差对结果的影响 . 52 5.3.3 不同初始值对结果的影响 . 54 5.3.4 边界条件对结果的影响 . 55 5.3.5 外壁面节点数目对结果的影响 . 56 5.4 炉膛衬里数值试验炉膛衬里数值试验 . 57 5.4.1 三种典型缺陷的反演结果 . 58 5.4.2 不同测量误差对结果的影响 . 61 5.4.3 计算时间的分析 . 63 5.5 本章小结本章小结 . 63 6 结论与展望结论与展望 . 65 6.1 结论结论 . 65 6.2 展望展望 . 65 重庆大学硕士学位论文 目 录 vi 致致 谢谢 . 67 参考文献参考文献 . 68 附附 录录 . 72 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 课题背景 在生产实践中，很多工业设备的正常运行都是在各自特有的条件下进行的， 当这些条件发生改变或遭到破坏时，生产过程的安全性也就同时遭到破坏，严重 时将导致设备的毁坏，生产无法进行。特定的运行条件，是生产安全正常进行的 必要前提。但是，一些工业设备，如石油化工系统中的化学反应塔，热电厂中的 输热管道，联合循环电厂中的热交换器等，由于长期在高温、高压、介质冲刷等 恶劣的工作条件下连续运行，设备内壁表面因各种原因常会出现裂缝、脱落、腐 蚀等，因而形成内部缺陷，使生产运行条件发生改变进而引起设备内部故障，给 安全带来隐患。例如，2004 年杭州钢铁集团公司的转炉作业区发生的重大炉壁穿 透事故，大量高温钢水泄漏，造成重大的经济损失1；另外我国每年大量的锅炉爆 炸事故，以及化工、电力等系统的重大恶性事故，很大一部分原因是由于缺乏对 工业设备内部缺陷的定量分析，这充分说明了工业热设备内壁检测的重要性。如 何准确确定出内壁缺陷的位置及其严重程度，确保生产的安全运行，已受到人们 极大的关注也成为人们所必须解决的实际问题。 目前的定期维修制度，例如我们通常实行的年度大修，虽然从一定程度上减 少了事故的发生率，提高了运行的安全系数，也延长了设备的使用寿命，但随着 对设备故障机理的研究和设备管理水平的提高，人们又逐步认识到，定期检修实 际上既不经济又不合理，最大的问题是无法解决“维修不足”和“维修过剩”二 者之间的矛盾。预防性定期检修的间隔是根据统计结果确定的，在这个周期内仅 有 2的设备可能出现故障，而 98的设备还有剩余的运行寿命，这种谨慎的定 期大修反而增加了停机率，属于“维修过剩” ，造成浪费2；其次，一些缺陷通常 通过离线检测时查不出来的，因为这种检测方法，使设备运行环境条件遭到破坏， 离线检测不可能模拟与运行状态完全一样的工作环境。所以一些离线检测属于正 常的设备，一旦投入运行，有可能很快发生故障，使检测失去意义；另外，离线 检测中，设备的拆卸及安装过程，也很容易人为引入事故隐患。因此，将预防性 定期离线检测过渡到“状态检测”已经成为提高生产率的一条重要途径，也是现 代设备管理的需要2。 近年来，红外热像检测技术以其非接触、快速、灵敏度高、大面积扫描和操 作安全等独特优势，在电力、冶金、石油化工、建筑、交通等众多领域取得了广 泛的应用。如金属焊接质量评价、铸件内部残存缺陷检测以及多层复合材料内部 缺陷检测3；大型发电机或电动机铁芯定子、绕组及冷却系统故障的诊断，以及输 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 变电系统中各高压电气设备热故障的诊断2,4；各种高温炉窑和高温反应设备因烧 蚀或脱落引起的内壁缺陷的诊断5；大型建筑物和输热系统的漏热诊断6；管道漏 泻及保温层缺陷的检测7等，都取得了良好的社会效益和经济效益。红外热像检测 技术在无损检测领域发挥着越来越重要的作用。 1.2 红外无损检测概述 1.2.1 概述 1800 年英国的天文学家赫谢耳，在研究太阳七色光的热效应时发现了在红光 外侧存在着人眼看不见的“红外线” 。红外线存在于自然界的任何角落，一切温度 高于绝对零度的有生命和无生命的物体时时刻刻都在不停地辐射红外线。红外线 是电磁波谱中波长为 0.75m1mm 范围内的电磁波。根据波长不同，通常分为近 红外 （0.763m） 、 中红外 （36m） 、 远红外 （615m） 、 极远红外 （151000m） 四个波段。近年来，随着光电子技术、电子技术的发展，红外无损检测的技术和 途径在不断探索中。 红外无损检测技术（irndt） ，也称热图无损检测（tndt） 。它是上世纪 60 年代发展起来的一种先进的测温和无损检测手段，通过探测设备红外辐射能量， 获取表面温度场分布，进而得到设备的缺陷信息。由于它具有非接触、远距离、 精度高、动态响应快、图像直观、检测范围广等优点，是国内外最新发展起来的 材料缺陷和应力检查的重要手段，受到广泛的关注。红外检测技术最初是出于军 事目的研究和发展起来的，后来被广泛应用于电力和铁道行业中对设备热状态的 检查和故障诊断中，以及航空航天领域内对复合材料内部缺陷的检测以及对涂层 的定量测量阶段，另外红外热像技术的其它应用也十分广泛，如建筑节能评测、 森林防火、地震预报研究、固体力学、遥感地质勘探、医学热像诊断等等8。 红外检测的方法，基本可分为两大类，即被动式和主动式。被动式是指当被 测目标的温度不同于周围环境的温度时，在被测目标与环境的热交换过程中进行 红外测温，被测目标的内部缺陷改变被测目标的热特性，而被测目标热特性的改 变会在其表面的温度变化中反映出来，从而实现被动检测。被动式红外检测不需 要附加热源，因而被大量应用于设备、元器件的在线检测。主动式是对被测目标 进行各种形式的热激励加载，加载方式可分稳态和非稳态两种，在热激励加载过 程中或加载后可有一定延时再进行红外测温，也可适时进行测温，视具体检测情 况而定。 其中主动式检测又可分为单面法和双面法，单面法是对被测目标的加热和红 外测温在被测物的同一侧面进行，用热像仪监测记录激励加载后的工件表面温度。 双面法是对被测目标的加热和红外测温在其正、反两个表面进行，即在一个面进 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 行加热，而在其背面进行观察和记录其温度的分布。 进行检测时，被测目标被加热的过程也可分成为稳态和非稳态两种。稳态加 热是将被测目标加热到内部温度均匀恒定状态，把它再放到一个低于（或高于） 该恒定温度的环境中进行红外测温。若被测物内部有裂纹、孔洞、脱粘、积水等 缺陷，则被测物内外部进行热交换的热流将受到阻碍，其表面就会产生温度的相 应变化，与无缺陷相应的表面相比则形成温度梯度。非稳态加热是指对被测物进 行加热，在其内部温度不均有热传导的过程中进行红外测温。如将一热量均匀地 注入被测表面时，其进入内部的速度要由其内部性质决定，如内部有缺陷，则会 成为阻挡热流的热阻，经一定时间就会产生热量堆积，在其相应表面就会产生过 热的异常，由缺陷产生的热流变化取决于缺陷的位置、走向、几何尺寸和材料的 性能。在实际应用时，应根据工件的具体形状、材料、结构、检测条件和要求综 合考虑，选择合适的方法。 红外检测技术的广泛应用是与它的许多优点分不开的9,10： 非接触测量，不会破坏温度场； 灵敏度高，在一定条件下能分辨 0.01的温差； 空间分辨率高，可检测小目标； 反应快，可在几毫秒内测出目标温度； 检测时操作简便、安全可靠，易于实现自动化和“实时”观察； 在很多情况下检测是被动式的，可以实现在线检测； 检测距离可远可近； 测量范围广； 显示记录方式多种多样、形象直观、判读比较容易。 红外检测技术的不足之处是： 温度值确定存在困难。红外检测技术可以检测到设备或结构热状态的微小 差异及变化，但被测对象上点的确切温度值较难确定。原因是物体红外辐射除了 与温度值有关外，还受到其他很多因素的影响，特别受环境和物体表面状况的影 响。因此，对设备温度状态作热力学温度测量时，要仔细对测量结果进行标定； 根据热像图难以直接判断物体内部状况； 不能非常精确的测定缺陷的形状、大小和位置； 由于热传导会使缺陷边缘的热图显示扩大和模糊，清晰度变差； 对厚、大、笨重的工件用主动式方法检测时，加热源有时难于解决。 1.2.2 国内发展情况 红外热像无损检测技术为现代无损检测技术注入了新的活力。在设备和材料 的缺陷检测与评价方面，国内外的许多科技工作者进行了卓有成效的研究工作。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 在我国，北方交通大学、东南大学、华南理工大学、西安交通大学、天津大学、 清华大学、哈尔滨工业大学等单位的研究人员，对此进行了较为系统而深入的研 究工作，取得了一些很有价值的研究成果,为设备和材料的状态检测与评价奠定了 理论和实验基础。 现阶段，我国红外无损检测技术已经得到了广泛的应用，主要应用于钢铁工 业、石油化工、电力工业及医学上，并且在其它方面也发挥了积极的作用。 在钢铁工业方面，红外检测技术可用于冶炼到轧钢的各个生产环节。例如： 热风炉的破损诊断、钢锭温度的测定、高炉残缺口位置的确定等。 在石油化工方面，在高温高压的状况下，潜伏着一些易燃易爆的危险，要对 生产过程进行严格的在线检测。例如：检测裂解炉炉管局部“热斑” 、对催化裂化 装置的检测等。 在电力方面，主要用来检测发电机组装置、输电线接头、绝缘部件等很多方 面的检测，而且还可以用装有热像仪的直升飞机巡检高压电线，这大大提高了发 供电的安全性、经济性和可靠性。目前，国家制定了电力行业红外诊断技术应用 的标准 dl/t664-1999带电设备红外诊断技术应用导则 ，以供参考。 在医学方面，由于人体是一个天然的红外辐射源，人体皮肤的红外辐射波段 为（350m） 。当人患病时，人体的热平衡受到破坏，测定人体体温的变化，从 而在热像图中便可发现是否有异常。主要用来检测乳腺癌，也可对皮肤病进行诊 断。 材料红外无损探伤是利用材料辐射能力的不同、各种物质的热容量不同，可 以把 x 射线、超声波等其它探伤方法不能胜任的工作担当起来。例如火箭发射机 壳体的检测。固体燃料的导弹或火箭发动机壳体是胶合的夹层结构，缺陷可能发 生在外壳和衬里的第一界面，或衬里与内壳间的第二界面，用超声等检测方法只 能发现第一界面的缺陷，探测不到第二界面，此时采用红外辐射计进行扫描探伤 就比较理想。 1.2.3 国外发展情况 国外红外无损检测技术的发展历史也有 30 年。美国、英国、法国、日本、加 拿大、瑞典和丹麦等国发展较快。主要应用于航空航天、电力、电子、冶金、石 油化工、材料、建筑工业和医疗卫生等部门。美国于 60 年代开始应用红外技术方 面的应用研究，主要用于金属、陶瓷、玻璃、塑料、橡胶和发动机喷管胶接质量 的检验。在美国的航空航天领域,红外热波技术已经是排名超声和射线检测技术之 后的常规无损检测技术。其它领域如军工、汽车、船舶、压力容器、管道核工业 和新材料研究等方面也有许多成功应用。美国空间动力系统 gdss 从 1992 年起就 用 tndt 对 atlas 空间发射舱复合材料的粘脱进行检测， 目前红外无损检测已经正 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 式应用于生产检测。美国的 a3 火箭曾采用红外检测。美国无损检测学会还制定了 asnt 标准。此外，俄罗斯用 uk-10ii 型快速热像仪能查出塑料-金属-塑料胶接结 构中 10mm 10mm 的粘脱。美国、加拿大、英国、瑞典和丹麦等国已经将 tndt 技术成功的应用于高压输电线路的航检，并引入了自动跟踪系统。丹麦从 1980 年 起就普遍运用红外技术对电力系统进行检测。此技术适用于所有金属和非金属材 料，检测速度快、直观、使用安全、并可定量测量，特别适用于复合材料和现场 检测，已经开始在世界范围广泛应用8-11。 1.2.4 发展趋势 纵观国内外红外热像无损检测技术的研究领域和研究成果，目前红外热像技 术的发展趋势是： 研究工作已经从定性向定量方向发展； 信息处理方法的广泛应用，包括幅值和相位信息的提取，热像层析分析方 法，小波分析法以及神经网络等智能化方法的应用； 热加载方式的多样化和精确化； 系统的便携式集成，以适应现场检测的需要； 缺陷检测的自动化程度不断提高。 由上所述， 随着高温度分比率和高空间分辨率的红外热像仪的日臻完善和商业 化，以红外辐射测温为基础的材料或设备内部缺陷的红外诊断技术得到了迅速发 展和广泛应用。然而，大多数情况下，这种检测和诊断方法都只停留在获取设备 表面温度场，还不能准确得到设备内部的缺陷或故障信息，只能属于定性分析或 简易诊断。根据热传导规律，物体表面的温度完全取决于物体内部的的结构、材 料的热物性、内部的热扩散率以及表面与外界环境的热交换。设备内部的缺陷都 会以相关部位的温度场异常为征兆表现出来，利用红外热像仪获取表面的温度场 数据，也就是获取了设备内部“病变”的信息，用适当的物理和数学方法求解导 热反问题，就可以对设备内部的缺陷的性质、位置、几何尺寸与严重程度作出定 量诊断。 1.3 反问题概述 反问题（inverse problem）是相对于正问题（direct problem）而言的，按照 j.b.keller12的提法，若在两个问题中，一个问题的表述或处理涉及到或包含了有 关另一个问题的全部或部分信息，我们就称其中一个为正问题，另一个为反问题。 习惯上，人们把先前研究得相对充分或完备的问题称为正问题，而与之相对应的 另一个问题称为反问题。基于实际应用问题的推动，近二十多年来，数学物理反 问题已成为应用数学中发展和成长最快的学科之一，应用于众多工程技术领域， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 6 例如，医学诊断的 ct 成像、地质勘探部门中根据重力场异常探矿技术、雷达成像 中由反射波信号确定散射体几何形状、中长期数值天气预报问题等13,14。 虽然反问题在物理、化学、机械、航天和生物等各个工程领域的提法和己知信 息的获得差别很大，但是在未知参数的识别方法上有着共同的特点，目标都是极 小化基于未知参数正分析得到的测点位置信息和己知信息之间的差别。 1.3.1 反问题的特点 通常反问题的模型空间是无限维的，而数据空间是有限维的，因此反演是非唯 一的。再加上观测数据中必然存在着误差和干扰，故欲求得唯一的真解是不可能 的，一般只能求得在某种意义下的唯一最佳解。而欲求取这种解，需要根据某些 可接受的标准建立一个所谓的目标函数，求此目标函数的最小值所对应的一组模 型参数，即为在某种意义下的最佳解。与正问题相比，许多已经很成熟的算法在 反问题中不一定适用。因为反问题有其特有的特点。 反问题主要有以下三个方面的特点14： 非线性。根据待求参量在模型中的位置判断线性与非线性，非线性反问题 具有普遍性。大部分反问题是非线性的，许多线性正问题对应的反问题亦是非线 性的，这给求解反问题带来了一定的困难； 不适定性。解的不存在，或者不唯一，或者不稳定，都是不适定性的具体 特征。这是反问题研究和实际应用的困难所在，许多学者一直不断探索新的反演 方法克服不适定性； 计算量大。反问题中反演变量的每一次迭代都需要正问题的重新计算，这 使整个反演过程变的很繁琐，消耗大量的计算时间。 上述所谓的不适定性是hadamard为了描述数学物理问题与定解条件的合理匹 配时引入的，同时满足如下三个条