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 примене      ния:       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 зре      ния его широкого практического применения в различных отраслях промыш      ленности.  
          Представлен комплексный инженерный подход к созданию технологий 
      теплового контроля: от теоретических основ, включающих теорию инфракрас      ного излучения, инженерный расчет параметров теплового контроля и опти      мальное построение систем, аппаратуры и методик, до нормативно-правового 
      обеспечения и методической базы  с учетом последних нормативных докумен      тов. 
          Приведены примеры разработки основ методик теплового контроля тех      нического состояния и энергоэффективности и опыт практического применения 
      в  различных  отраслях  промышленности:  металлургии,  строительстве,  ЖКХ, 
      электроэнергетике,  теплоэнергетике,  контроля  потенциально  опасных  специ      альных 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 промыш      ленности для оценки технического состояния материалов, изделий и конструк      ций.  
                                
      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 

                                         Вступительное слово  
                                                      
                  В последние пятнадцать лет в России наметилась тенденция увеличения 
          числа техногенных аварий и катастроф. 
                  Одна из основных причин этого явления - большая изношенность основ          ных 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 катаст          роф является 100% контроль и диагностика технического состояния с опреде          лением остаточного ресурса  изделий и конструкций  на всех стадиях их произ          водства 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 инно          вационный потенциал этой сферы обеспечивается тем, что общественное зна          чение диагностики и неразрушающего контроля будет интенсивно возрастать 
          по мере старения основных фондов, устойчивого роста тарифов и цен на энер          гоносители. 
                  В настоящее время акцент делается на создание компьютеризированной 
          аппаратуры контроля и методов первичной обработки информации, и практи          чески отсутствуют разработки методов анализа внутренней структуры материа          лов и изделий на основе данных неразрушающего контроля. 
                  В настоящей монографии даны инженерные основы принципиально но          вых технологий и программно-аппаратных средств для решения широкого кру          га задач по комплексной диагностике состояния городского хозяйства и про          мышленных объектов со сложными эксплуатационными характеристиками, в 
          т.ч. с обнаружением и распознаванием параметров внутренних дефектов на ос          нове  прогрессивного  метода  тепловой  дефектометрии,  с  численной  оценкой 
          фактического состояния зданий, сооружений, технических устройств и их оста          точного 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, энергетиче          ских 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.,                      В.В.Клюев 
          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 
                                     точкам и воспроизведения 
       3.3.1 Математические модели построения по 
         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 энергоэффек       тивности  оборудования и строительных конструкций – это, прежде всего, экс       пресс-обследование с определением точных теплотехнических и др. характери       стик в натурных условиях неразрушающими методами. Без них построить эф       фективную систему мониторинга энергетической, промышленной и экологиче       ской безопасности невозможно. 
           Для получения достоверной информации о параметрах внутренней струк       туры материалов необходимо применять многопараметрический неразрушаю       щий контроль, основанный на анализе взаимодействия различных физических 
       полей с материалами. 
           Значимость диагностики и неразрушающего контроля для народного хо       зяйства будет увеличиваться по мере  постоянного роста тарифов и цен на энер       гоносители, выхода из строя выработавших свой ресурс промышленных объек       тов, обусловливающих в свою очередь рост аварийных ситуаций с человече       скими потерями. 
          Как показывает мировой опыт, в ближайшем будущем основой технологий 
       экспресс - диагностики состояния технических объектов станут методы нераз       рушающего контроля и совместной обработки результатов многопараметриче       ских спектральных и энергетических измерений. 
          Традиционными, наиболее востребованными, методами неразрушающего 
                                                ультразвуковой,  ра       контроля  большинства  материалов  и  объектов  являются
       диационный, СВЧ и др. 
          Одним из перспективных методов неразрушающего контроля и диагности       ки является пока только развивающийся тепловой, где  информацию о характе       ристиках объекта  несет температура его поверхности, значения которой в ос       новном определяются изменением теплофизических, геометрических  характе       ристик  и параметров нагрузки.  
          Тепловой контроль  имеет ряд очевидных преимуществ перед другими ме       тодами дефектоскопии:  
          - широкую область применения – возможность  осуществления контроля 
       как с тепловым нагружением объекта (активный тепловой контроль, например, 
       металлопроката), так и без теплового нагружения (пассивный тепловой кон       троль, 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 эле       ментов в секунду; 
          - мобильность  технических средств; 
          - возможность контроля объектов без вывода их из эксплуатации; 
          -  в  большинстве случаев оптимальные соотношения параметров –  стои       мость аппаратуры/окупаемость  при внедрении; 
       8 

         - высокая востребованность  метода и средств дистанционной, высокоин      формативной экспресс - диагностики  в различных отраслях; 
          - существенными практическими достижениями в данной области  в пла      не предложения новой аппаратуры и технологий контроля; 
          - необходимостью устойчивого развития экономики при наличии требо      ваний экономии топливно-энергетических ресурсов, что невозможно на совре      менном технологическом уровне без развития средств и технологий теплового  
      контроля, диагностики и мониторинга. 
          Привлекательна инвестиционная деятельность в области развития и при      менения 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 тех      нологического Университета "Московский институт стали и сплавов" – науч      ный руководитель «Заслуженный деятель науки РФ», д.т.н., профессор Салихов 
      З.Г. и др., российская школа по диагностике и неразрушающему контролю за      нимает достойное место в мире (что признано на международных конференци      ях по ТНК в Канаде, США), а в России получила признание на государствен      ном уровне присуждением Государственной премии РФ в области науки и тех      ники (указ Президента РФ от 09.09.2004. № 1154). 
         В целях мобилизации потенциала современных методов диагностики и не      разрушающего контроля для решения острейших проблем безопасности (тех      нической, энергетической, эксплуатационной) целесообразно использовать те      пловой (тепловизионный) контроль как наиболее эффективный метод  оценки  
      качества и диагностики технического состояния инженерных систем, оборудо      вания, ограждающих конструкций и других объектов  различных отраслей про      мышленности. 
          Технические  средства  теплового  контроля  строятся  по  принципу  мо      бильной  модульной  программно-аппаратной  структуры  с  унифицированной 
      системой сбора и обработки многоканальной информации в едином информа      ционно-аналитическом концентраторе  по мультизадачной технологии. 
          В такой постановке тепловой контроль  ориентирован на применение 
      в различных отраслях промышленности, имеет широкий спектр функцио      нальных возможностей, который зависит от области применения. 
          Реализация технологий теплового контроля  позволит в частности обес      печить: 
          - независимую  техническую оценку качества различных объектов;  
          - повышение эффективности контроля за пожарной безопасностью элек      троустановок, в первую очередь на объектах жилого фонда и социальной сфе      ры;  
          - предупреждение возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций в сис      темах энергоснабжения; 
                                                      9 

          -  экономию топливно-энергетических ресурсов и снижение потерь при 
      хранении и транспортировке энергоносителей, продукции и отходов; 
          - сокращение бюджетных дотаций на ремонтно-восстановительные рабо      ты 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 предупреж      дения аварий, систем сертификации и надзора  высокоэффективными средства      ми диагностики и неразрушающего контроля, надежного энергетического сер      виса; 
          – закрепления и развития достигнутого российского приоритета в мето      дологическом, программном и системном обеспечении технологий диагностики 
      и неразрушающего контроля, задачами поддержки и использования потенциала 
      российских разработчиков и исследователей;  
          – более полного удовлетворения потребностей общества, органов госу      дарственной власти в объективной информации о безопасности, техническом 
      состоянии и энергоэффективности жизненно важных, потенциально опасных и 
      энергоемких объектов;  
          –  снижения экологической нагрузки и реализации возможностей, зало      женных в Киотском протоколе.  
          Материалы  монографии  позволят  активизировать  научно-инженерные 
      разработки, обучение, сертификацию, аттестацию и ускоренное внедрение теп      лового 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