Инженерные основы теплового контроля. Опыт практического применения

      З.Г. Салихов, О.Н. Будадин, Е.Н. Ишметьев, А.П. Щетинин,  
Т.Е. Троицкий-Марков, Е.В. Абрамова  
 
 
 
 
 
 
 
ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ 
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ. 
ОПЫТ ПРОМЫШЛЕННОГО 
ПРИМЕНЕНИЯ 
 
                    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва, 2008 г. 
 
 

УДК 62-52:519.122 
С16 
Рецензенты: 
член-корреспондент   РАН     Н.А. МАХУТОВ,  
                        член-корреспондент   РАН  Э.С. ГОРКУНОВ 
 
Инженерные основы теплового контроля. Опыт практического применения:       Монография    /   З.Г. Салихов,   О.Н. Будадин,     Е.Н. Ишметьев,  
А.П. Щетинин, Т.Е. Троицкий-Марков и Е.В. Абрамова, - М.: ИД 
МИСиС, 2008, - 476 с. 
 
В монографии обобщены и систематизированы современные достижения 
в области метода и средств теплового неразрушающего контроля с точки зрения его широкого практического применения в различных отраслях промышленности.  
Представлен комплексный инженерный подход к созданию технологий 
теплового контроля: от теоретических основ, включающих теорию инфракрасного излучения, инженерный расчет параметров теплового контроля и оптимальное построение систем, аппаратуры и методик, до нормативно-правового 
обеспечения и методической базы  с учетом последних нормативных документов. 
Приведены примеры разработки основ методик теплового контроля технического состояния и энергоэффективности и опыт практического применения 
в различных отраслях промышленности: металлургии, строительстве, ЖКХ, 
электроэнергетике, теплоэнергетике, контроля потенциально опасных специальных объектов и т.п.  
Монография предназначена для  специалистов, аспирантов и студентов, 
разрабатывающих методики, изучающих и применяющих на практике   метод и 
средства теплового неразрушающего контроля в различных отраслях промышленности для оценки технического состояния материалов, изделий и конструкций.  
 
Без объявления 
 
ISBN 978-5-87623-207-6             © З.Г. Салихов, О.Н.Будадин,  
                                                           Е.Н. Ишметьев, А.П.Щетинин, 
                                                           Т.Е. Троицкий-Марков, 
                                                           Е.В. Абрамова 
                                                     © Издательский Дом МИСиС, оформление, 2008 
 
 
2 

 
 
 
 
                    В.В.Клюев 
Вступительное слово  
 
В последние пятнадцать лет в России наметилась тенденция увеличения 
числа техногенных аварий и катастроф. 
Одна из основных причин этого явления - большая изношенность основных фондов (на некоторых предприятиях уровень износа составляет до 80%). 
По различным оценкам стоимость восстановления основных фондов в России в 
настоящее время составляет  сумму более 800 млрд. долларов США. 
Единственным способом снижения роста техногенных аварий и катастроф является 100% контроль и диагностика технического состояния с определением остаточного ресурса  изделий и конструкций  на всех стадиях их производства и эксплуатации. Своевременно обнаружить и распознать потенциально 
опасные зоны, узлы, детали – значит  принять превентивные меры по ремонту 
не всего объекта в целом, а его конкретной части. 
Инвестиционная привлекательность, а, следовательно, и высокий инновационный потенциал этой сферы обеспечивается тем, что общественное значение диагностики и неразрушающего контроля будет интенсивно возрастать 
по мере старения основных фондов, устойчивого роста тарифов и цен на энергоносители. 
В настоящее время акцент делается на создание компьютеризированной 
аппаратуры контроля и методов первичной обработки информации, и практически отсутствуют разработки методов анализа внутренней структуры материалов и изделий на основе данных неразрушающего контроля. 
В настоящей монографии даны инженерные основы принципиально новых технологий и программно-аппаратных средств для решения широкого круга задач по комплексной диагностике состояния городского хозяйства и промышленных объектов со сложными эксплуатационными характеристиками, в 
т.ч. с обнаружением и распознаванием параметров внутренних дефектов на основе прогрессивного метода тепловой дефектометрии, с численной оценкой 
фактического состояния зданий, сооружений, технических устройств и их остаточного эксплуатационного ресурса. 
Безусловно данная монография выходит в  печати своевременно и будет 
с пользой служить для обучения и аттестации широкого круга специалистов в 
области диагностики эксплуатационного состояния строительных, энергетических и промышленных объектов. 
 
Президент      Российского         Общества 
Неразрушающего    Контроля  (РОНКТД), 
Президент 10 ECND, член Европейской 
академии, 
директор 
ЗАО 
«НИИИН 
МНПО «Спектр», академик РАН, д.т.н., 
проф. 
 
 
3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................8 
Глава 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОРГАНИЗАЦИИ 
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ 
1.1 Понятия теплового контроля (ТК). Классификация и задачи. 
Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации..............................11 
1.2 Термины и определения.....................................................................................23 
1.3 Организация контроля........................................................................................27 
1.4 Квалификация персонала...................................................................................28 
1.5 Требования безопасности...................................................................................29 
Глава 2 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.....................30 
2.1 Спектр электромагнитных колебаний и энергетические величины ..............30 
2.2 Законы теплового излучения .............................................................................31 
2.3 Схема теплового контроля объектов ................................................................36 
2.4 Коэффициент излучения ....................................................................................37 
2.5 Двухканальный способ регистрации теплового излучения............................48 
2.6 Прохождение теплового излучения через атмосферу.....................................51 
Глава 3 ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ  
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ............................................................................52 
3.1 Моделирование процесса теплового контроля ................................................52 
3.1.1 Моделирование процесса обнаружения внутренних дефектов 
многослойных объектов по анализу температурных полей ...........................52 
3.1.2 Моделирование процесса  тепло- и влагопереноса во время 
фазовых переходов  жидкость - твердое тело в многослойных 
объектах...............................................................................................................62 
3.2 Метод обнаружения дефектов на фоне структурных 
неоднородностей и помех..................................................................................68 
3.2.1 Быстрый алгоритм обнаружения аномалий ..................................................68 
3.2.2  Построчная и матричная обработка измерений...........................................70 
3.2.3  Разработка алгоритмов выделения аномальных участков..........................72 
3.2.4  Разработка алгоритмов оценки индивидуальных характеристик 
аномалий..............................................................................................................73 
3.3 Исследование и разработка метода обнаружения плоских контуров 
аномальных участков при тепловом контроле.................................................73 
3.3.1 Математические модели построения по точкам и воспроизведения 
кривых..................................................................................................................73 
3.3.2  Интерполирование с помощью многочленов...............................................74 
3.3.3  Построение контуров с применением многочленов Безье .........................75 
3.3.4  Определение контуров с применением дуг окружности ............................76 
3.4  Основные закономерности ТК..........................................................................77 
4 

Глава 4 ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ И АППАРАТУРЫ 
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ ....................................................83 
4.1 Системный подход к проектированию программно-аппаратных 
комплексов  ТК ...................................................................................................83 
4.2 Промышленные системы ТК .............................................................................84 
4.3 Системы построения изображений в инфракрасном диапазоне 
спектра .................................................................................................................87 
4.4 Приемники ИК излучения..................................................................................89 
4.5 Оптические системы тепловизоров.................................................................101 
4.6  Теплогенераторы для активного ТК объектов..............................................107 
4.7 Основные характеристики тепловизоров .......................................................116 
4.8 Спектральная передаточная функция оптико- электронного канала 
тепловизионных технических средств............................................................119 
4.9 Определение порогового значения сигнала для обнаружения 
дефектов в процессе ТК ...................................................................................122 
4.10 Период проведения измерений при тепловом контроле.............................127 
4.11 Методические аспекты выбора аппаратуры для проведения ТК...............130 
4.12 Средства теплового контроля........................................................................140 
4.13 Программно-аппаратный мультизадачный мобильный комплекс 
диагностики технического состояния потенциально опасных 
объектов.............................................................................................................151 
Глава 5 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ 
ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ 
ОБЪЕКТОВ И МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ АТТЕСТАЦИЯ 
МЕТОДИК ТЕПЛОВОГО  КОНТРОЛЯ ...................................................156 
5.1 Методические основы анализа и оценки характеристик реальных 
дефектов объектов контроля............................................................................156 
5.3 Определение достоверности результатов контроля в условиях 
отсутствия эталонного значения искомого параметра..................................165 
5.4  Методика сопоставительного анализа результатов контроля при 
метрологической аттестации ...........................................................................169 
5.5  Влияние погрешности коэффициента излучения объекта  и 
температуры сторонней засветки   на методическую погрешность 
измерения температуры ...................................................................................173 
Глава 6 ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ 
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, 
ЭНЕРГЕТИКЕ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ ...............................................182 
6.1 Общие методические рекомендации по проведению ТК..............................182 
6.2 Тепловой контроль в строительстве ...............................................................188 
6.2.1 Натурные испытания качества  теплозащиты наружных 
ограждающих конструкций .............................................................................188 
6.2.2  Активный тепловой контроль тонкостенных покрытий 
строительных конструкций..............................................................................197 
5 

6.3 Тепловой  контроль теплотехнических инженерных систем и 
оборудования.....................................................................................................205 
6.3.1  Перечень диагностируемых  объектов........................................................205 
6.3.2 Тепловой контроль  дымовых и вентиляционных труб и газоходов........206 
6.3.3 Проведение ТК теплофикационного оборудования...................................220 
6.3.4 Контроль  тепловой изоляции оборудования и трубопроводов................227 
6.4 Тепловой контроль объектов электроэнергетики..........................................237 
6.4.1 Общие положения контроля электрооборудования ...................................237 
6.4.2 Особенности проведения теплового контроля............................................245 
6.4.3 Тепловизионный контроль контактных соединений..................................248 
6.4.4 Тепловой контроль силовых трансформаторов, 
автотрансформаторов, масляных реакторов ..................................................250 
6.4.5 Тепловой контроль маслонаполненных трансформаторов тока ...............254 
6.4.6 Тепловой контроль маслонаполненных трансформаторов 
напряжения........................................................................................................256 
6.4.7 Тепловой контроль электродвигателей  и синхронных генераторов........258 
6.4.8 Тепловой контроль выключателей масляных, воздушных, 
вакуумных, элегазовых ....................................................................................259 
6.4.9  Тепловой контроль конденсаторов .............................................................261 
6.4.10 Тепловой контроль разъединителей  и отделителей ................................262 
6.4.11 Тепловой контроль маслонаполненных вводов........................................263 
6.4.12 Тепловой контроль вентильных разрядников...........................................263 
6.4.13 Воздушные линии электропередач ............................................................264 
6.4.14 Тепловой контроль высокочастотных заградителей................................265 
6.4.15 Тепловой контроль подвесных фарфоровых и полимерных 
изоляторов .........................................................................................................265 
6.4.16 Тепловой контроль аппаратов, вторичных цепей и  узлов ......................265 
6.4.17 Тепловой контроль электрических кабелей и  электропроводки............266 
6.5 Диагностирование технического состояния сосудов и аппаратов 
хранения жидких химически опасных веществ с использованием 
метода ТК ..........................................................................................................283 
6.6 Тепловой контроль и мониторинг технического состояния 
потенциально опасных объектов в условиях ограниченного доступа ........286 
6.7 Тепловой контроль концентраторов напряжений и дефектов 
металлических конструкций при их нагружении..........................................292 
6.8 Тепловой контроль технического состояния  нагревательных 
элементов в реальных условиях с оценкой остаточного ресурса ................300 
6.9 Тепловой метод диагностики технического состояния и оценки 
безопасности эксплуатации сосудов, работающих под внутренним 
давлением ..........................................................................................................310 
6.10 Тепловой  контроль футеровки опасных зон металлургических 
печей ..................................................................................................................319 
6.11 Компьютерная система автоматического управления процессом 
тепловой переработки материалов во вращающейся печи и контроль 
состояния ее футеровки ...................................................................................327 
6 

6.12 Диагностика эксплуатационного состояния фурменной или опасной 
зоны пирометаллургического агрегата тепловым методом..........................330 
Глава 7 НОРМАТИВНО-ПРАВОВОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И 
МЕТОДИЧЕСКАЯ БАЗА ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ...........................337 
7.1 Законодательные  основы применения теплового контроля........................337 
7.2 Система нормативного и методического обеспечения ТК ...........................339 
7.3 Организационная структура лабораторий теплового контроля...................339 
7.4 Система документирования в лаборатории теплового контроля.................344 
7.5 Независимый и внутренний аудит качества ТК.............................................346 
7.6 Система аттестации  персонала, лабораторий и методик теплового 
контроля.............................................................................................................350 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
1 Справочные данные.......................................................................................361 
2 Технические характеристики измерительных приборов ...........................365 
3 Техническое задание на выполнение работ по тепловому контролю ......380 
4 Протокол проведения тепловизионного обследования..............................381 
5 Протокол теплового контроля......................................................................384 
6 Заключение о состоянии контролируемого объекта по результатам ТК.......386 
7 Вкладыш к энергетическому паспорту здания ...........................................387 
8 Характерные дефекты ограждающих конструкций зданий.......................388 
9 Характерные дефекты дымовых труб..........................................................391 
10 Карта дефектов ствола дымовой трубы.....................................................406 
11 Карта дефектов кирпичного магистрального газохода............................407 
12 Термограммы характерных дефектов дымовой трубы ............................408 
13 Дефекты теплофикационного оборудования............................................409 
14 Термограмма технологического трубопровода (паропровода)...............419 
15 Термограммы поверхности котлов с характерными дефектами.............420 
16 Справочные данные и примеры термограмм при тепловом 
контроле  электрооборудования......................................................................421 
17 Тепловой контроль резервуаров.................................................................424 
18 Перечень нормативных и методических документов ..............................426 
19 Цветные рисунки  и термограммы.............................................................437 
ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................457 
 
7 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Современные технологии контроля качества, надежности и энергоэффективности  оборудования и строительных конструкций – это, прежде всего, экспресс-обследование с определением точных теплотехнических и др. характеристик в натурных условиях неразрушающими методами. Без них построить эффективную систему мониторинга энергетической, промышленной и экологической безопасности невозможно. 
Для получения достоверной информации о параметрах внутренней структуры материалов необходимо применять многопараметрический неразрушающий контроль, основанный на анализе взаимодействия различных физических 
полей с материалами. 
Значимость диагностики и неразрушающего контроля для народного хозяйства будет увеличиваться по мере  постоянного роста тарифов и цен на энергоносители, выхода из строя выработавших свой ресурс промышленных объектов, обусловливающих в свою очередь рост аварийных ситуаций с человеческими потерями. 
Как показывает мировой опыт, в ближайшем будущем основой технологий 
экспресс - диагностики состояния технических объектов станут методы неразрушающего контроля и совместной обработки результатов многопараметрических спектральных и энергетических измерений. 
Традиционными, наиболее востребованными, методами неразрушающего 
контроля большинства материалов и объектов являются ультразвуковой, радиационный, СВЧ и др. 
Одним из перспективных методов неразрушающего контроля и диагностики является пока только развивающийся тепловой, где  информацию о характеристиках объекта  несет температура его поверхности, значения которой в основном определяются изменением теплофизических, геометрических  характеристик  и параметров нагрузки.  
Тепловой контроль  имеет ряд очевидных преимуществ перед другими методами дефектоскопии:  
- широкую область применения – возможность  осуществления контроля 
как с тепловым нагружением объекта (активный тепловой контроль, например, 
металлопроката), так и без теплового нагружения (пассивный тепловой контроль, например, контроль жилых зданий); 
- возможность полной автоматизации процесса контроля;  
- высокую производительность контроля при практически любой величине 
разрешения вследствие его дистанционности и применения современных 
средств компьютерной техники, обеспечивающих регистрацию миллионов элементов в секунду; 
- мобильность  технических средств; 
- возможность контроля объектов без вывода их из эксплуатации; 
- в большинстве случаев оптимальные соотношения параметров –  стоимость аппаратуры/окупаемость  при внедрении; 
8 

- высокая востребованность  метода и средств дистанционной, высокоинформативной экспресс - диагностики  в различных отраслях; 
- существенными практическими достижениями в данной области  в плане предложения новой аппаратуры и технологий контроля; 
- необходимостью устойчивого развития экономики при наличии требований экономии топливно-энергетических ресурсов, что невозможно на современном технологическом уровне без развития средств и технологий теплового  
контроля, диагностики и мониторинга. 
Привлекательна инвестиционная деятельность в области развития и применения теплового контроля в силу  высокого инновационного потенциала этой 
сферы в современных условиях, о чем свидетельствует  бурно развивающийся 
рынок средств контроля и предложений услуг. 
Благодаря трудам российских ученых, в т.ч. Технологического института 
энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля 
«ВЕМО» – научный руководитель, д.т.н. Будадин О.Н., Государственного технологического Университета "Московский институт стали и сплавов" – научный руководитель «Заслуженный деятель науки РФ», д.т.н., профессор Салихов 
З.Г. и др., российская школа по диагностике и неразрушающему контролю занимает достойное место в мире (что признано на международных конференциях по ТНК в Канаде, США), а в России получила признание на государственном уровне присуждением Государственной премии РФ в области науки и техники (указ Президента РФ от 09.09.2004. № 1154). 
В целях мобилизации потенциала современных методов диагностики и неразрушающего контроля для решения острейших проблем безопасности (технической, энергетической, эксплуатационной) целесообразно использовать тепловой (тепловизионный) контроль как наиболее эффективный метод  оценки  
качества и диагностики технического состояния инженерных систем, оборудования, ограждающих конструкций и других объектов  различных отраслей промышленности. 
Технические средства теплового контроля строятся по принципу  мобильной модульной программно-аппаратной структуры с унифицированной 
системой сбора и обработки многоканальной информации в едином информационно-аналитическом концентраторе  по мультизадачной технологии. 
В такой постановке тепловой контроль  ориентирован на применение 
в различных отраслях промышленности, имеет широкий спектр функциональных возможностей, который зависит от области применения. 
Реализация технологий теплового контроля  позволит в частности обеспечить: 
- независимую  техническую оценку качества различных объектов;  
- повышение эффективности контроля за пожарной безопасностью электроустановок, в первую очередь на объектах жилого фонда и социальной сферы;  
- предупреждение возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций в системах энергоснабжения; 
9 

- экономию топливно-энергетических ресурсов и снижение потерь при 
хранении и транспортировке энергоносителей, продукции и отходов; 
- сокращение бюджетных дотаций на ремонтно-восстановительные работы и расходов на ликвидацию последствий аварийных ситуаций и т.д. 
Актуальность применения технологий теплового контроля определяется 
необходимостью: 
– повышения безопасности, технической надежности, энергетической 
эффективности объектов промышленности и энергетики, ЖКХ и др; 
– техническим обеспечением  деятельности органов власти и субъектов 
предпринимательства при организации технического мониторинга предупреждения аварий, систем сертификации и надзора  высокоэффективными средствами диагностики и неразрушающего контроля, надежного энергетического сервиса; 
– закрепления и развития достигнутого российского приоритета в методологическом, программном и системном обеспечении технологий диагностики 
и неразрушающего контроля, задачами поддержки и использования потенциала 
российских разработчиков и исследователей;  
– более полного удовлетворения потребностей общества, органов государственной власти в объективной информации о безопасности, техническом 
состоянии и энергоэффективности жизненно важных, потенциально опасных и 
энергоемких объектов;  
– снижения экологической нагрузки и реализации возможностей, заложенных в Киотском протоколе.  
Материалы монографии позволят активизировать научно-инженерные 
разработки, обучение, сертификацию, аттестацию и ускоренное внедрение теплового контроля в различные отрасли народного хозяйства. 
 
Авторы выражают благодарность за участие в подготовке настоящей 
монографии   д.т.н. Вавилову В.П., к.т.н. Сергееву С.С.,  Сучкову В.И.,      
Дубовкиной Н.В., Щигреву С.А., Артемову Д.А., Федорову А., Смирнову 
Ю.В., Малаю В.А., Слиткову М.Н. 
10