张瀚文，司永宏，李 喆

(天津市特种设备监督检验技术研究院 天津300192)

0 引 言

压力管道是利用一定的压力，输送气体或者液体的管状设备，广泛应用于民用和工业领域，尤其在流体输送方面，管道运输具有不可取代的突出优势。然而工业管道在服役期间存在制管和施工缺陷，可能会因为腐蚀、机械损伤等因素引起管线的泄漏和开裂，导致火灾、爆炸、中毒等事故发生[1]。利用红外探测技术检测管道缺陷的实践表明，该技术长于发现在带保温层管道的缺陷[2]。 本文针对该技术的检测工艺进行了试验与研究。

1 管道保温层对探测的影响

利用机械加工方法制造的样管几何形貌如图 1所示，其壁厚为 4mm，直径为 60mm，长为 1m，材质为20G，并带有机械加工缺陷。

图1 样管本体透视图Fig.1 Perspective view of sample pipe

对样管进行了 500s的有限元模拟[3]，其试验条件为样管内壁施加 80℃热载荷，样管外部用岩棉材质[4]、厚度为 35mm 的保温层包覆，并施加自然对流换热，如图 2所示。图中深色区域表示温度较高区域，浅色区域表示温度较低区域，保温层外表面的温度随时间变化十分微小。图 3为利用红外线热成像仪对上述条件下带有保温层的样管进行检测判断样管本体的热分布状况。

图2 有限元模拟样管热分布Fig.2 Heat distribution of pipe in finite element simulation

图3 加热后样管热像图Fig.3 Thermal image of sample pipe after heating

2 环境光照对探测的影响

为了研究光照对探测的影响，将样管放置到暗室中进行红外线探测，正常光照试验室和暗室条件下对第1节下的样管热成像图对比情况如图4、图5。

图 4、图 5表明光照对热成像图影响不大，热成像图较亮部分为铁锈。

图4 暗室中样管热成像图与光学图Fig.4 Thermal and optical images of sample pipe in dark room

图5 正常光照中样管热成像图与光学图Fig.5 Thermal and optical images of sample pipe under normal lighting

3 对管道内表面缺陷的探测

依据第1节所列条件对样管进行有限元模拟，样管在内壁设置有缺陷，在加热 0.33s后，如图 6所示，不同位置的温度不同，尤其是内部缺陷也可以通过温度差判别出来；同时减薄区域、表面缺陷区域也可以通过温度的差异进行辨别，这主要是因为热的传导需要一定的时间，在内壁保持一定温度时，较薄的管壁层最先被加热，较厚的区域加热要慢一些。而缺陷的一个重要特征就是薄厚不均匀，进而导致在特定的时间内，其表面温度分布也不均匀。红外探测利用该规律检测出缺陷。

图6 0.33 s时有限元模拟温度云图Fig.6 Finite element simulated temperature cloud diagram at 0.33 seconds

有限元模拟进行到2s时，其热力云图如图 7所示。样管整体的温度趋于一致，其原因在于内壁的温度一定且时间足够时，热量可以充分传导，最终温度与内壁一致。这说明在检测该规格的钢管时，检测的理论时间应该在介质刚开始加载的2s内。

图7 2 s时有限元模拟温度云图Fig.7 Finite element simulated temperature cloud diagram at 2 seconds

4 对管道保温层缺陷的探测

图8 带保温层缺陷的温度云图Fig.8 Temperature cloud diagram with defects of insulation layer

本次模拟条件如上文所述，检测到距保温层左端100mm处有一半径约 45mm、长 200mm的圆柱形缺陷，温度云图如图 8所示。可以看到保温层缺陷所在区域的温度明显异于保温层完好区域，说明通过红外探测技术对保温层的缺陷的检测具有一定效果。

5 结 论

①红外线检测需要具备一定的现场条件，建议在管道刚刚加载时进行检测以提高检出率。

②现有民用领域内红外线检测设备难以达到隔保温层检测管道上缺陷的要求，而对于保温层本体缺陷，其检测效果明显。

③光照对红外线检测结果影响并不大。

④对不带保温层管道进行红外线检测时，要保证管道表面没有锈蚀、污迹等其他物质影响辐射率。

本文研究了不同工况下的红外线探测工艺，证实了在特定工艺下民用红外线探测的局限性，同时也探究了红外线探测的有效应用场景，对该技术的应用有一定参考价值。