红外热成像无损检测在压力容器检验中的应用

　　1　引言

　　红外热像技术利用红外辐射原理,通过测取目标物体表面的红外辐射,将被测物体表面的温度分布转换为形象直观的热图像(灰度图或彩色图)。红外热成像无损检测(以下简称红外热检测)是红外热像技术在无损检测中的应用,是通过接收材料内部或表面因为缺陷或材料结构不均匀而产生的红外发射形成红外图像表征材料内部缺陷或结构变化的技术。红外热检测与其他的无损检测方法如X射线检测、超声检测等相比具有显示快速、无需物理性接触、易于实现现场检测、安全、应用范围广泛及其他无损检测无可替代的定量、数字化潜力等优点。目前,红外热检测已经涉及了石油化工、核工业、航空工业、电力、电子、材料检测、医学等国民经济的诸多领域[1～5]。

　　2　红外热成像无损检测简介

　　2.1　红外热检测理论[1～4]

　　红外热检测根据信号来源机理有被动热成像和主动热成像。

　　2.1.1被动热成像理论

　　固体材料中存在热弹性效应,材料或构件在承受拉伸载荷时引起温降,而承受弹性压缩载荷时引起温升。多年来,却没有人用实验证实此效应的存在。1981年,中国科学院金属研究所利用红外热图技术发现材料内部承受弹性拉伸载荷时温度下降、承受弹性压缩载荷时温度上升,直观地证实了金属中存在此种效应,并将对应于弹性拉伸载荷的外

　　发射定名为红外冷发射(Infrared CoolingEmission,IRCE)和对应于弹性压缩载荷的红外发射定名为红外热发射(Infrared Hot Emission,IRHE)。当材料内部出现弹性应力变化△σe会引起温度变化△Te,△Te与△σe成正比。温度变化的物体表面将产生辐射通量变化△φ,采用线性系统来探测物体表面辐射量的变化,该系统的输出信号S将与辐射通量变化成正比,因而S与应力变化△σe成正比。对上述现象进行综合可得下式:S=A△Re(1)

　　公式(1)中A为4RεBKT4(R为气体常数,ε为表面比发射率,B为Stefan-Boltzmann常数,K为常数,T为基体温度),对应于某个具体对象是一个不变因子。公式(1)是被动红外热成像技术的理论基础。

　　2.1.2　主动热成像理论

　　主动热成像技术中,采用一种红外光源,如红外灯或激光束等光源,照射被测物体表面。当外来光源照到物体表面时,在物体内部必然产生热流。当热流通过物体时,材料出现异常部位其热力特性(比热容、密度和热传导率)不同,就可能出现热“阻塞”,或者在材料中存在“空洞”,引发与正常部位不同的红外发射,产生局部有变化的红外热图,此红外热图则可用来表征材料内部缺陷或应力异常区。主动红外热检测与热传导理论密切相关[1]。