基于红外测温技术的工业热设备内部缺陷诊断方法

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 红外无损检测概述
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 国内发展情况
• 1.2.3 国外发展情况
• 1.2.4 发展趋势
• 1.3 反问题概述
• 1.3.1 反问题的特点
• 1.3.2 反问题研究方法概况
• 1.4 导热反问题发展概况
• 1.4.1 导热反问题概况
• 1.4.2 导热反问题的研究方法及现状
• 1.5 本文研究的意义和研究内容
• 2 红外热成像技术与红外诊断理论基础
• 2.1 红外热像仪的基本原理
• 2.2 红外热成像技术的理论依据
• 2.2.1 黑体的红外辐射规律
• 2.2.2 实际物体的红外辐射特性
• 2.2.3 影响红外辐射的主要因素
• 2.2.4 被测物体表面辐射率ε的作用与环境辐射的影响
• 2.3 工业设备内部缺陷的红外诊断
• 2.3.1 工业设备缺陷信息的红外探测原理
• 2.3.2 工业设备内部缺陷热传递的基本规律
• 2.3.3 设备内部缺陷红外诊断理论和方法
• 2.4 本章小结
• 3 导热正问题的有限元求解
• 3.1 模型的建立
• 3.2 有限元简介
• 3.2.1 有限元基本原理
• 3.2.2 有限元求解的基本步骤
• 3.2.3 微分方程的等效积分形式
• 3.2.4 加权余量法
• 3.3 热传导方程的有限元解法
• 3.3.1 热传导方程的变分
• 3.3.2 单元剖分和温度场的离散
• 3.3.3 温度场单元变分计算
• 3.3.4 有限单元法的总体合成
• 3.4 本章小结
• 4 热设备内部缺陷诊断的反问题算法
• 4.1 最优化方法
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 最速下降法
• 4.1.3 共轭梯度法
• 4.2 导热反问题的求解
• 4.3 本章小结
• 5 数值试验及结果分析
• 5.1 数值试验步骤
• 5.2 内部缺陷的红外特征规律
• 5.3 金属管道数值试验
• 5.3.1 三种典型缺陷的反演结果
• 5.3.2 不同测量误差对结果的影响
• 5.3.3 不同初始值对结果的影响
• 5.3.4 边界条件对结果的影响
• 5.3.5 外壁面节点数目对结果的影响
• 5.4 炉膛衬里数值试验
• 5.4.1 三种典型缺陷的反演结果
• 5.4.2 不同测量误差对结果的影响
• 5.4.3 计算时间的分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录