1  上海电气凯士比核电泵阀有限公司

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摘    要：离心泵作为工业流程的核心设备，其运行状态直接影响生产安全与效率。热成像技术凭借其非接触、可视化、快速响应的独特优势，已成为离心泵状态监测与故障早期预警的有力工具。本文系统阐述了热成像技术的基本原理，并重点分析了其在离心泵关键部件典型故障诊断中的具体应用方法与原理。

关键词：离心泵；故障诊断；热成像技术

热成像技术，又称红外热像技术，是一种通过探测物体表面自然发射的红外辐射能量，并将其转换为可视温度分布图像的非接触式测温与成像技术。

1. 技术原理

1）基于一切温度高于绝对零度（-273.15 °C）的物体都会持续向外发射红外辐射的物理现象。

2）红外热像仪的核心部件是红外探测器（如非制冷焦平面探测器），它能接收目标物体特定波长（通常在长波红外波段 8-14μm）的红外辐射。

3）探测器将接收到的辐射能量转换为电信号，经过复杂的图像处理和算法运算，最终生成反映物体表面温度分布的彩色或灰度图像（热像图）。不同颜色或灰度代表不同的温度值。

4）测温原理遵循普朗克黑体辐射定律、斯特藩-玻尔兹曼定律和维恩位移定律。

2. 系统构成

典型红外热像仪系统主要包括红外光学镜头、红外探测器、信号处理电子单元、显示单元（屏幕）以及用于存储和分析的图像处理软件。

1）非接触：无需接触被测物体，确保安全，不影响设备运行。

2）可视化：直观显示物体表面温度场分布，易于识别异常热点或冷点。

3）快速高效：可快速扫描大面积区域或设备，实现实时或近实时监测。

4）定性定量：既可定性观察温度分布模式，也可在精确设置参数（发射率、环境温度、距离、湿度等）后进行定量温度测量。

5）不停机检测：特别适合对运行中的设备进行状态监测和故障诊断。

离心泵在运行过程中，其机械部件（如轴承、密封）、流体部件（如叶轮、蜗壳）以及驱动电机绕组、接线端子等部位因摩擦、效率损失、电气损耗、泄漏等原因会产生热量。故障往往导致热量的异常产生或分布变化，这正是热成像技术诊断的基础。以下是其具体应用。

1. 轴承状态监测与故障诊断

1）原理：轴承是离心泵的关键旋转支撑部件。润滑不良、安装不当（如不对中、过紧/过松）、磨损（滚动体、滚道）、疲劳剥落等故障都会导致摩擦加剧，产生异常高温。热成像可直观显示轴承座或轴承外圈表面的温度分布，通过与正常状态或同类型轴承（对称位置）的温度对比，识别异常温升点。

2）操作步骤：

a. 确保离心泵在正常运行工况下运行一段时间，使温度达到稳定状态。

b. 清洁轴承座表面（如有必要），去除油污、灰尘，确保测量准确性。

c. 设置热像仪参数：准确输入轴承座材料表面的发射率（通常金属漆面约0.8-0.95，需参考手册或实测）、环境温度、相对湿度、测量距离。

d. 将热像仪镜头对准泵两端的轴承座区域，调整焦距，确保图像清晰。

e. 拍摄热像图，重点关注轴承座外表面温度分布。观察是否有异常高温点或明显的温度梯度。

f. 关键诊断：对比两侧轴承温度（通常应相近）；对比当前温度与历史基线温度或同类型泵正常值；若某轴承温度显著高于另一侧或历史值，则强烈提示存在轴承故障风险（润滑不良、磨损、过载等）。

g. 记录热像图、测量点温度值及环境参数，生成报告。

1）原理：机械密封失效（如密封面磨损、O型圈老化、弹簧失效）会导致被密封介质（通常是泵送液体）泄漏。泄漏的介质（通常温度与泵内介质相近）会润湿或流淌到密封压盖、泵体等部位，改变其表面温度。同时，密封端面摩擦异常增大也会产生局部高温。热成像可检测密封压盖区域的异常温度分布（如整体温升、局部高温点或异常的低温区 - 由泄漏液体蒸发吸热导致）。

2）操作步骤：

a. 泵正常运行，工况稳定。

b. 清洁机械密封压盖及其周围区域。

c. 设置热像仪参数（注意密封压盖材质发射率）。

d. 聚焦于机械密封压盖区域，拍摄清晰热像图。

e. 关键诊断： 观察压盖区域温度是否均匀？是否存在局部显著高于周围金属的温度点（可能指示干摩擦）？是否存在与泵体其他部分温度模式不符的相对低温区（可能指示泄漏液体蒸发冷却）？结合目视检查（如观察是否有滴漏、结霜、结晶）综合判断密封状态。

f. 记录图像和数据。

1）原理：汽蚀发生时，泵内低压区液体汽化形成气泡，气泡在高压区迅速溃灭产生剧烈的冲击波和微射流。这个过程一方面消耗能量导致泵效率下降、振动噪声增大，另一方面气泡溃灭点局部会产生极高的瞬时温度和压力（理论可达数千摄氏度），虽然平均温度可能不高，但这种高频冲击会导致叶轮叶片或泵壳特定区域（通常是进口边或低压区）出现微弱的、相对周围区域的低温异常（因为气泡溃灭瞬间吸收热量）。同时，持续的冲击也可能导致材料轻微温升（但通常不如低温异常显著）。热成像可以捕捉到这种异常的温度分布模式。

2）操作步骤：

a. 在疑似发生气蚀的工况下运行离心泵（如大流量、低入口压力）。

b. 清洁泵壳表面（尤其是叶轮区域对应的外壳部位）。

c. 设置热像仪参数（泵壳材质发射率）。

d. 对泵壳（特别是吸入侧、叶轮入口对应区域）进行扫描拍摄。

e. 关键诊断： 仔细分析热像图，寻找泵壳表面是否存在不规则分布的、点状或小片状的相对低温区域（相对于周围正常金属表面温度）。这可能是气泡溃灭吸热造成的“冷点”。需注意与背景反射、气流影响等造成的低温区区分。结合泵的振动、噪声监测结果进行综合判断。

f. 记录图像，标注可疑低温区位置。

1）原理： 驱动离心泵的电机是其核心动力源。常见电机故障包括：

a. 电气不平衡/过载： 绕组匝间短路、相间不平衡、接线端子松动/氧化导致接触电阻增大，引起局部过热（焦耳热I2R效应）。

b. 冷却不良： 风道堵塞、风扇损坏导致散热不足，整体温升过高。

c. 电机轴承故障： 同前述泵轴承原理。

2）操作步骤：

a. 电机带载运行（驱动泵），工况稳定。

b. 安全第一：对带电设备进行红外检测必须严格遵守安全规程，保持安全距离，必要时使用个人防护装备（PPE）。检测电机接线盒需在授权和安全防护下进行。

c. 清洁电机外壳、接线盒表面。

d. 设置热像仪参数（电机外壳油漆发射率通常约0.9-0.95）。

e. 扫描拍摄电机整体外壳、两端轴承座、接线盒（如有安全许可打开外壳或通过观察窗）。

f. 关键诊断：

- 整体温升：检查电机外壳整体温度是否在铭牌绝缘等级允许范围内，或与历史值/同类电机对比是否异常升高（指示过载或冷却问题）。

- 温度分布：观察外壳温度分布是否均匀对称？三相绕组对应的外壳部位温度是否一致？显著的温度不对称（如某一相明显高于其他两相）强烈提示电气不平衡或连接问题。

- 接线端子：在安全条件下检查接线盒内端子排温度。任何端子温度显著高于连接导线或其他相端子，都表明该处存在高阻连接（松动、腐蚀）。

- 电机轴承：同泵轴承检测方法。

g. 记录关键部位热像图（整体外壳、三相区域、接线端子、轴承座）及温度数据。

1）原理：泵与电机轴不对中（平行不对中、角度不对中）会导致联轴器在旋转过程中承受附加的交变应力，引起联轴器弹性元件（如橡胶块、膜片）或金属部件异常摩擦、弯曲，产生局部高温点。通常在联轴器本体或护罩上可检测到不对称的温度分布或热点。

2）操作步骤：

a. 泵-电机机组正常运行。

b. 清洁联轴器护罩表面（如果护罩是金属且可测温）。

c. 设置热像仪参数（护罩材质发射率）。

d. 将热像仪对准联轴器护罩区域（若无护罩，需在安全前提下对本体测温）。

e. 拍摄热像图，观察护罩表面温度分布。

f. 关键诊断： 检查温度分布是否沿圆周方向对称？是否存在局部热点？特别是当热点位置随联轴器旋转而变化时（需动态观察或连续拍摄），或固定位置出现不对称高温区，都提示可能存在不对中问题。需结合振动分析确认。

g. 记录图像。

1）原理： 对于强制润滑或油浴润滑的轴承箱或齿轮箱：

a. 油位过低： 导致摩擦副得不到充分润滑和冷却，引起轴承或齿轮温度升高。

b. 油质劣化/污染： 导致润滑性能下降，摩擦增大，温升增加。

c. 润滑油循环不畅： 如管道堵塞、过滤器堵塞、油泵故障，导致供油不足，被润滑部件温度升高。

2）操作步骤：

a. 系统正常运行。

b. 清洁油箱/轴承箱外表面观察窗或液位计附近区域（如需通过外壳测温）。

c. 设置热像仪参数。

d. 对油箱/轴承箱外壁进行扫描。

e. 关键诊断：

- 观察油箱外壁的温度分布。油位正常时，液面上下由于导热差异可能有轻微温度梯度。油位过低时，液面上方空气部分的箱壁温度可能显著高于下方浸油部分（空气导热差）。

- 监测轴承箱整体温度是否异常升高（可能指示油质问题或循环不畅）。

- 检查润滑油管道、冷却器（如有）的进出口温差是否在正常范围内？管道是否因堵塞出现局部低温或异常温度梯度？

f. 记录图像和关键部位温度。注意： 热成像不能直接判断油质，但异常温升是油质劣化的重要间接指示。

1）原理：

a. 管道堵塞/阀门未全开： 导致流阻增大，局部流速降低甚至停滞，影响热交换效率。堵塞点上游可能因压力升高、流速变化导致温度略有变化，下游可能因流量不足导致温度分布异常。

b. 保温层破损/失效： 导致热量大量散失（高温管道）或冷量损失（低温管道），在热像图上表现为破损区域温度显著高于（高温管）或低于（低温管）周围完好的保温区域。

2）操作步骤：

a. 系统正常运行。

b. 清洁管道/阀门/保温层外表面（如果需要直接测温）。

c. 设置热像仪参数（管道金属或保温层表面发射率差异大，需注意）。

d. 沿相关管路（特别是泵进出口管线、关键阀门、保温管道）进行扫描。

e. 关键诊断：

- 检查管道表面温度分布是否连续均匀？是否存在异常的局部高温点（可能指示内部堵塞、阀门节流严重）或低温点？

- 对于保温管道，检查保温层外表面温度是否均匀？是否存在明显的“热点”（指示保温层破损、缺失或内部有热桥）。

f. 记录异常区域的热像图及温度值。

热成像技术为离心泵的状态监测与故障诊断提供了一种直观、高效、非侵入性的强大手段。通过捕捉设备运行中细微的温度场变化，它能有效识别轴承失效、密封泄漏、气蚀现象、电机故障、不对中、润滑问题及管路异常等多种潜在故障。其优势在于能够实现不停机快速检测，有助于实现预测性维护，减少非计划停机，降低维护成本，保障生产安全与连续性。

然而，应用热成像技术也需注意其局限性：检测结果受表面发射率设置准确性、环境条件（风速、环境温度、日照反射）、测量距离和角度等因素影响；主要反映表面温度，对深层次或内部故障诊断能力有限。因此，将其与振动分析、油液分析、工艺参数监控等其他技术手段相结合，进行综合诊断，方能获得更准确、全面的设备状态评估结果。随着红外探测器性能的不断提升和智能分析算法的发展，热成像技术在离心泵及旋转机械健康管理领域的应用前景将更加广阔。

实际应用中，建议建立设备的基线热像图库，并制定定期巡检计划。操作人员需经过专业培训，熟练掌握热像仪操作、参数设置和图像解读技能。安全规程必须始终放在首位，特别是在检测带电电气设备时。