Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
NON-CONTACT THERMOGRAPHY IN EQUIPMENT STATUS DIAGNOSTICS NEKONTAKTNÍ TERMOGRAFIE V DIAGNOSTICE STAVU ZAěÍZENÍ Milan KOSTELECKÝ, Miloslav PROCHÁZKA TEDIKO, s.r.o. Contact e-mail:
[email protected] Abstract Non-contact thermography - infrared (IR) thermography is one of thermodiagnostic branches. We know it under the name „thermovision“in our region. People often join non-contact thermography with searching of persons by means of police or military helicopters, or with building industry and thermal state of buildings and as an auxiliary instrument for searching for electro-equipment failures. Much less known is the utilization of non-contact thermography principles in military – technique, armor and people masking (tracing of moving objects such as airplanes, rockets and missiles guidance against the target included), in agriculture – research and stock affection, in health service – general condition of human body (e.g. airports), location of inflammation in body etc., in environment sphere – dumping grounds, car industry – tyres, engines, aircraft applications, fires, heat distribution, power lines. The industry is another extensive sphere of measuring by means of non-contact thermography. We will concentrate on pipes, valves, furnaces and boilers diagnostics by means of the most common IR equipments in this article. This diagnostics is used for detection of failures, equipment condition investigation and monitoring, prediction and generally contributes to service life assessment. Key words: non-contact thermography, infrared (IR) thermography, equipment diagnostics, diagnostics in chemical industry and refineries, furnaces, tubes, equipment service life Abstrakt Nekontaktní termografie - infraþervená (Iý) termografie patĜí mezi obory termodiagnostiky. U nás je známČjší pojem „termovize“. Nekontaktní termografii mají lidé þasto spojenou s vyhledávání osob pomocí policejních nebo vojenských vrtulníkĤ, popĜ. ve spojení se stavebním prĤmyslem a s tepelným chováním budov a jako pomocník pĜi hledání závad na elektro zaĜízeních . MénČ je veĜejnosti známé uplatnČní principĤ nekontaktní termografie ve vojenství – v oblasti maskování techniky, lidí, apod. (vþetnČ využití ve sledování pohybujících se objektĤ jako letadel, raket a navádČní stĜel na cíl), v zemČdČlství – výzkum a onemocnČní dobytka, ve zdravotnictví – diagnostice celkového zdravotnického stavu þlovČka (na letištích), lokalizace zánČtĤ v tČle apod., v oblasti životní prostĜedí – skládky, automobilový prĤmysl – pneumatiky, motory, letecké aplikace, požáry, rozvody tepla, elektrická vedení. Další rozšíĜenou oblastí mČĜení pomocí nekontaktní termografie je výrobní prĤmysl. V tomto pĜíspČvku se zamČĜíme na diagnostiku potrubí, armatur, pecí a kotlĤ pomocí nejmodernČjších IR zaĜízení. Tato diagnostika slouží k odhalování poruch, zjišĢování a sledování stavu zaĜízení, predikci a celkovČ pĜispívá i k urþení životnosti zaĜízení. Klíþová slova: nekontaktní termografie - infraþervené (Iý) termografie, diagnostika zaĜízení, diagnostika v chemickém prĤmysl a rafinériích, pece, trubky, životnost zaĜízení
DEFEKTOSKOPIE 2010
141
1. Úvod Iý termografie zobrazuje tepelné pole na povrchu snímaného tČlesa pomocí energie a hustoty fotonĤ emitovaných z povrchu snímaného tČlesa a zabývá se jeho kvantifikací – vyhodnocením. ZaĜízení urþená pro infraþervená termografická mČĜení pracují jako transformaþní zaĜízení, která umí zobrazit pro þlovČka neviditelné infraþervené (dále Iý) záĜení vyzaĜované z povrchu tČles a to v závislosti na jejich tepelném stavu. Zobrazovací termografická zaĜízení, která umí tuto transformaci, jsou nazývána infrakamery nebo také termokamery. Výsledným produktem získaným z infrakamery je termogram – tedy zobrazení teplotního pole na povrchu mČĜeného objektu. V povČdomí veĜejnosti je Iý termografie spojená pĜedevším se zpravodajstvím, ve zprávách obþas zazní informace, že policie pátrá po pohĜešované osobČ pomocí Iý kamer na vrtulníku. Zájemci o letectví zase znají pojem FLIR nikoliv jako jméno špiþkového výrobce termovizní techniky ale jako zkratku pro Forward Looking Infra Red v navigaþních a stĜeleckých systémech vojenských letadel, což je infraþervený pohled s vysokým rozlišením, který je pĜevádČn na obrazovku pĜed pilotem. KoneckoncĤ vojenská výroba je u FLIRu nejspíše dominantní. Aplikace u rozvodĤ elektrické energie jsou také známnČjší aplikací. Pomocí relativnČ jednodušších a levnČjších systémĤ lze zjistit, kde se jaká þást, napĜ. kontakt, relé, pojistka, motor atd. pĜehĜívají a lze tedy napĜ. zjistit místo s velkým pĜechodovým odporem, zkratované místo atd. StejnČ tak aplikace ve stavebnictví jsou asi pomČrnČ jasné. HovoĜívalo se o tepelných auditech v programech zateplování budov. Jsou-li realizovány þi ne a jakým zpĤsobem – to nechme radČji stranou, zatepluje každý a všechno a nejspíše bez znalosti stavu. Faktem ale je, že Iý termografie odhaluje pozoruhodné vČci. ObzvláštČ pozoruhodné a þasto až neuvČĜitelné u panelových domĤ. Nechme ale aplikace ve stavebnictví tam, kde jsou, v tomto þlánku se budeme vČnovat aplikacím zcela jiným. 2. Proþ používat v ve výrobním prĤmyslu bezkontaktní termografii Nabízí se hned nČkolik odpovČdí. NejvČtší výhodou pro Iý mČĜení je to, že mČĜení mĤže probíhat za plného provozu. Závady lze zamČĜovat rychle a bez pĜerušování výrobních procesĤ nebo omezování pĜíkonu elektrické energie. Zadavatel si dokonce mĤže nasimulovat rĤznou provozní zátČž a my mĤžeme v reálném þase sledovat, jak se dané zaĜízení chová. Tento postup se uplatĖuje u nových zaĜízení, která jsou novČ dána do provozu a mají záruþní dobu. MĤžeme s pĜedstihem stanovit neplánované výpadky nebo odstávky mČĜených technologií. Další výhodou je, že ze zmČĜení existuje záznam – termogram. Tento záznam je i pro laika þitelný (tedy i laik odliší od sebe místa rĤznČ teplá, samozĜejmČ ale tČžko bude provádČt vyhodnocování, které v sobČ zahrnuje množství dalších aspektĤ). Protože se jedná o bezkontaktní metodu mČĜení, mĤže mČĜení probíhat z bezpeþné vzdálenosti, která chrání zdraví obsluhy, napĜ. proti popálení. Iý termografie sama je pro zdraví þlovČka zcela bezpeþná, stejnČ tak pro životní prostĜedí – nevytváĜí ani záĜení, ani odpadní produkty.
142
DEFEKTOSKOPIE 2010
KromČ výše uvedeného mohou informace z mČĜení, pokud je správnČ pĜipraveno a zrealizováno, sloužit také k ohodnocení stavu zaĜízení a to dokonce až jako pomocné a dĤležité informace pro výpoþet životnosti zaĜízení. MČĜení ve výrobních závodech jako napĜ. chemickém prĤmyslu, rafinériích, ve výrobČ elektĜiny a tepla apod. je realizováno za následujícím úþelem : - zjištČní kritických míst z hlediska probíhajících procesĤ – napĜ. pĜílišný ohĜev nČjaké þásti zaĜízení a jeho vysoká teplota, která bude degradovat jeho mechanické vlastnosti a vyþerpávat jeho životnost podstatnČ rychleji než bylo pĜedpokládáno, tedy vlastnČ i získání informace o místech, kde je vysoká pravdČpodobnost poruchy a možnost jí pĜedejít pĜijetím nápravných opatĜení - za provozu vytipování míst, která je vhodné v odstávce zaĜízení zkontrolovat nČkterou z metod nedestruktivního zkoušení, resp. kde je tĜeba odebrat vzorky materiálu pro provedení materiálových rozborĤ - zjištČní míst, která se nechovají podle pĜedpokladĤ – napĜ. výmČník nechladí þi naopak neohĜívá jak mČl, armatury se nedají úplnČ zavĜít a podtékají atd. - pĜímo zjištČní poruch – prasklé vyzdívky, chybČjící izolace, mokré izolace, úniky média (nČkdy pro lidské oko neviditelného) SamozĜejmČ asi bychom nalezli podstatnČ více úþelĤ a aplikací ale pro základní pĜedstavu je to dostateþné. PĜi mČĜeních je dobré poĜizovat nejenom termogram ale i fotografii v normálním spektru a to ze stejného þi témČĜ stejného místa. Je nutné mít na pamČti, že termogram pĜeci jenom vypadá trochu jinak než „náš“ a tedy i fotografický pohled na mČĜené zaĜízení a to, co na místČ pĜi mČĜení bylo jasné a samozĜejmé, nemusí být pĜi vyhodnocování v klidu kanceláĜe jasné vĤbec. Na následujících dvou obrázcích je jeden z pĜíkladĤ mČĜení tlakového zaĜízení : 301.9 °C 300
Sp1:temp 279.6 250
200
150
100 95.5
Obr. 1 Termogram kritického místa Fig. 1 Critical area thermogram
Obr. 2 Totéž místo na fotografii Fig. 2 Photo of the same area
3. MČĜení armatur pomocí Iý termografie Dále se budeme zabývat konkrétními pĜíklady. ýastým Iý mČĜením v elektrárnách je mČĜení podcházení armatur. Tato zaĜízení se vČtšinou nacházejí ve velmi teplém prostĜedí a navíc médium, které proudí uvnitĜ armatury pĜesahuje 100°C. Dochází k þastému porušení tČsnČní nebo dosedacích ploch uvnitĜ armatur a tím
DEFEKTOSKOPIE 2010
143
ke zbyteþným ztrátám. Pomocí termovizní techniky jsme schopni rozpoznat tento problém a vþas nahlásit závadu provozovateli, který mĤže provést rychlou nápravu. U armatury na obrázku þ. 3 je zcela zĜetelnČ viditelné rozložení teploty po celém jejím povrchu, což je dĤkazem, že tato armatura potĜebuje opravu, protože netČsní. Opaþným pĜíkladem je armatura na následujícím obrázku, kde teplota nejvČtší teplota se nachází ve spodní þásti (svČtle þervená oblast) a tím je zaruþena její tČsnost.
Obr.3 Podcházející armatura Fig. 3 Leaky valve
Obr.4 Nepodcházející armatura Fig. 4 Tight valve
144
DEFEKTOSKOPIE 2010
4. MČĜení izolací a vyzdívek kouĜovodĤ DĤležitou souþástí výrobních technologií v chemickém a petrochemickém prĤmyslu jsou vyzdívky pĜedevším pecí a kouĜovodĤ. Zde dochází bČhem provozu k praskání a následnČ až vypadávání þástí vyzdívek, což má za následek poškozování materiálu pláštČ tČchto zaĜízení. PĜi provozu takto zatíženého zaĜízení mĤže dojít k odstavení celé technologie nebo v horším pĜípadČ i k újmČ na zdraví osob pohybujících se v bezprostĜední blízkosti tohoto zaĜízení. Jeden z pĜíkladĤ je na obrázcích 1 a 2. Na následujícím obrázku þ. 5 je další pĜíklad þást kouĜovodu, kde došlo k poþáteþnímu narušení vyzdívky. Teplota zatím nepĜekroþila 109,6°C, avšak teplota na kouĜovodu, kde není porušená vyzdívka, nepĜekroþila 37°C. 112.6 °C 100 80 60
Ar1:max 109.6
40 20 0 -1.6
Obr. 5 Termogram kouĜovodu Fig. 5 Flue gas ducting thermogram
Obr. 6 Totéž místo na fotografii Fig. 6 Photo of the same area
5. MČĜení skrz plameny nebo kouĜové plyny Tento zpĤsob mČĜení patĜí k nejnároþnČjším technikám Iý mČĜení. MČĜení se provádí za provozu, kamera je vystavena relativnČ vysokým teplotám a proto je chránČna speciálním štítem. Navíc kamera musí být schopná provádČt mČĜení „skrz“ plameny, což bude popsáno dále. Toto mČĜení nelze v žádném pĜípadČ realizovat bČžnými termovizními kamerami používanými napĜ. v oblasti stavebnictví, elektrických rozvodĤ atd. Takováto specializovaná mČĜící zaĜízení jsou velmi drahá a cenovČ až o Ĝád vyšší než „obyþejné“ kamery. V ýeské republice se zabývá tímto druhem mČĜením spoleþnost naše spoleþnost. Pro mČĜení „skrz“ plameny musí být použita infrakamera s vysoký teplotním rozsahem a filtrem, který umí odfiltrovat plamen, který se pohybuje ve vlnové délce 3,7 µm až 3,9 µm. Díky této speciální technice mĤžeme mČĜit teplotu na povrchu trubek – vlásenek uvnitĜ pece nebo kotle s pĜesností 2% na 100°C . Citlivost pĜístroje se pohybuje <25mK. Samotné mČĜení probíhá z prĤzorĤ, které se nacházejí vnČ technologie. UvnitĜ technologie se pohybuje teplota od cca. 450°C do 900°C. MČĜení v tomto uzavĜeném prostĜedí vyžaduje velkou zkušenost operátora infrakamery. Nastavení parametrĤ do softwaru Iý kamery musí být pĜesné. Jedná se pĜedevším o emisivitu, odraženou teplotu, propustnost optiky, teplotu a vlhkost okolí. PĜi špatném nebo neúplném zadání parametrĤ dojde ke zkreslení mČĜené hodnoty, tudíž k velké chybČ mČĜení. Dalším dĤležitým faktorem jsou vyhodnocovací software napĜ.
DEFEKTOSKOPIE 2010
145
Report 8.3. Tento software umí s velkou pĜesností vyhodnotit pĜenesená data z infrakamery do PC pomocí USB karty. Pomocí nČho mĤžeme urþit teplotu bodu, oblasti nebo si urþit graficky teploty oblasti pomocí kĜivky atd. Velmi zajímavým prvkem je „obraz v obraze“ tj. kombinace fotky a termogramu v jednom obrazu. Jak jsme si nastínili, mČĜení vlásenek uvnitĜ pecí nebo kotlĤ probíhá z prĤzorĤ z vnČjší strany zaĜízení na protilehlý prĤzor, kde je umístČn etalon pro upĜesnČní parametrĤ, které se zadávají do softwaru Iý kamery. Etalony jsou vlastnČ výĜezy o stejné materiálové kvalitČ jako jsou mČĜené vlásenky. Na zadní þásti jsou pĜipevnČny termoþlánky, které jsou propojeny se þtecí jednotkou. Tyto etalony jsou kalibrovány v odpovídající laboratoĜi a jsou opatĜeny kalibraþními listy. 700,0°C 700
680 660
640 AR02: 614°C AR03: 513°C AR04: 598°C
620 600
580 AR01: *469°C
AR05: 539°C
Snížený prĤtok
560
540
520
500
480
460 440
420
400
380
360
340 320 310,0°C
Obr.7 Snížený prĤtok vlásenkou Fig. 7 Tight valve
146
DEFEKTOSKOPIE 2010
Podstatou Iý mČĜení vlásenek pecí a kotlĤ je ta, že kontrolujeme stav uvnitĜ technologie (vyzdívky, úchyty vlásenek, hoĜení hoĜákĤ apod.). NejvČtší dĤraz se klade na prĤtok média uvnitĜ vlásenek. PĜi špatném prĤtoku (snížení svČtlosti vlásenky zpĤsobené usazeninami) dochází k oteplení místa zúžení (viz obr.7), kde teplota dosáhla 614°C oproti vlásenkám s bČžným prĤtokem s teplotou cca.469°C až 539°C. Na dalším obrázku je ukázána situace, kdy dochází k velkému místnímu oteplení povrchu vlásenek díky špatnému nastavení hoĜáku. Teplota oblasti v dobČ mČĜení dosáhla 608,4°C. Vlásenky mimo mČĜenou oblast však dosahovaly teploty kolem 500°C. To zanmená, že rozdíl byl až 100 stupĖĤ Celsia.
890,3°C SP01: 559,8°C
AR01: 608,4°C
LI01: 455,3°C LI07: 500,4°C LI06: 513,5°C
LI02: 475,4°C LI03: 484,0°C LI04: 495,5°C LI05: 514,6°C
278,8°C
Obr.8 ŠpatnČ nastavený hoĜák Fig. 8 Badly adjusted burner
6. ZávČr Musíme si uvČdomit, že termografie je vČda postavená na šíĜení infraþerveného záĜení, principĤ pĜenosu tepla, atmosférických vlivĤ, principĤ radiometrie, znalostí pĜíslušných zaĜízení atd. Není to tedy v žádném pĜípadČ jednoduchá záležitost. Používaná zaĜízení jsou cenovČ dokonce v rozsahu 1-2 ĜádĤ ! Od desítek tisíc po miliony korun. Liší se samozĜejmČ výraznČ technicky, svým vybavením, softwarem atd. Z výše uvedeného je zĜejmé, že pĜestože se všechna zaĜízení nazývají stejnČ termovizními kamerami, je to z tohoto úhlu pohledu stejnČ obecný pojem jako to, co si vše mĤžeme pĜedstavit pod pojmem automobil. Tím, že se termografická zaĜízení stávají dostupnČjší pro širokou veĜejnost vzrĤstá zároveĖ riziko, že se tyto pĜístroje dostávají do rukou osob, které aþ jsou neznalé problému, nazývají se odborníkem termografie. Teplotu tČla si mĤže zmČĜit témČĜ
DEFEKTOSKOPIE 2010
147
každý, ale pĜípadnou léþbu musí urþit odborný lékaĜ. StejnČ tak ultrazvukáĜe ultrazvukáĜem neudČlá zakoupení pĜístroje a rentgenáĜe rentgenáĜem vlastnictví izotopu. Tím naznaþuji, že bez potĜebných znalostí termovizní kamera ze svého majitele odborníka na termografii neudČlá, stejnČ jako stetoskop neuþiní ze svého vlastníka doktora. Praxe i teoretické znalosti jsou dĤležité. Proto musí mít operátor termografického zaĜízení nejménČ 3 roky praxe v oboru, musí být certifikován dle ýSN ISO/ICE 17024 – Technik diagnostik termografie a dále musí znát provoz mČĜeného zaĜízení.
148
DEFEKTOSKOPIE 2010
