Migliori Pratiche Di Filtraggio Per Una Misurazione Accurata Dei Tubi Net Forni A Combustible

La termografia è uno strumento di ispezione senza contatto ideale per i tubi all’interno di un forno di raffinazione del petrolio, ma eseguire la misurazione della temperatura attraverso le fiamme è un’impresa ardua. Fortunatamente, le nuove tecniche di filtraggio stanno migliorando la precisione di tali misurazioni.

L’ispezione dei tubi all’interno di un forno di raffinazione del petrolio in funzione è fondamentale per massimizzarne la sicurezza, l’efficienza e la durata. Ma eseguire l’analisi termografica (IR) e la misurazione della temperatura attraverso i gas caldi in un forno funzionante è estremamente difficile. La soluzione consiste nell’uso di una termocamera per la rilevazione ottica di gas dotata di uno speciale filtro che consente agli ispettori di effettuare misurazioni accurate all’interno di forni attivi.

Nell’industria petrolchimica, il processo di trasformazione del greggio in altri prodotti comporta il riscaldamento a temperature superiori a 400 °C utilizzando dei forni. Ciò avviene tipicamente pompando il petrolio attraverso dei tubi all’interno dei forni; qui i bruciatori riscaldano i tubi e, di conseguenza, il petrolio al loro interno. È fondamentale avere un buon controllo della temperatura superficiale lungo i tubi. Se alcune parti superano la temperatura stabilita di soli 50 °C, i tubi progettati per durare da 20 a 25 anni potrebbero guastarsi entro cinque anni. D’altra parte, l’utilizzo di un forno troppo freddo può ridurre significativamente l’efficienza del sistema, con conseguente riduzione della produttività.

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VEDERE ALL’INTERNO DI UN FORNO

È quindi importante andare oltre il controllo della temperatura del gas e misurare la temperatura dei tubi. Un modo per misurarla è utilizzare una termocoppia, un sensore di temperatura collegato al tubo. Sebbene forniscano informazioni utili, le termocoppie possono misurare solo la temperatura del punto a cui sono collegate. Bisogna dare per scontato che la temperatura intorno alla termocoppia sia costante, perché il sensore non rileva picchi di calore nelle vicinanze (vedere Fig. 1)

Fig. 1. Le termocoppie sui tubi non riescono a rilevare le aree più calde nelle vicinanze, che appaiono più luminose in questa immagine, misurando solo la propria temperatura locale

Una termocamera per forni invece può visualizzare un’area più ampia di tubi e misurare il calore all’interno dell’area di imaging. Se ci sono variazioni di temperatura da una parte a un’altra del tubo, la termocamera può rilevarlo.

I bruciatori che riscaldano un forno generano vapori e gas per cui la maggior parte delle termocamere non riesce ad acquisire immagini nitide. Ma l’uso di termocamere speciali con filtri spettrali consente di ottenere una visione chiara e di misurare le variazioni di temperatura sui tubi trapassando vapori e gas.

ALL’INTERNO E ALL’ESTERNO

Cosa potrebbe causare tali variazioni? Due processi possono interferire con il trasferimento fluido del calore dalle fiamme del bruciatore, attraverso il tubo, fino al petrolio all’interno. Il primo è chiamato pellicola d’ossido e indica il fenomeno in cui un calore eccessivo causa la formazione di uno strato di ossido sulla superficie esterna del tubo. Questi strati di ossido possono variare in termini di emissività, essere sottili o spessi, assorbire il calore e avere una scarsa conduttività, tutti fattori che limitano il trasferimento di calore nei tubi. Queste aree appaiono più calde nell’immagine IR, anche se in realtà mantengono troppo basse le temperature del processo bloccando il passaggio di calore nel tubo (vedere Fig. 2)

Fig. 2. La pellicola d’ossido sui tubi assume un aspetto irregolare, sia nel visibile che nell’immagine IR. Le aree con bordi definiti che appaiono calde nell’immagine termica non si stanno veramente surriscaldando.

Mentre la pellicola d’ossido causa un surriscaldamento apparente, un altro problema, il coking, causa un surriscaldamento effettivo. Il coking è causato da un aumento localizzato della temperatura, che può decomporre il greggio in carbonio e idrogeno. Mentre l’idrogeno segue il flusso del petrolio, il carbonio può aderire ad aree localizzate accumulandosi sulla superficie interna dei tubi. L’accumulo impedisce il flusso di petrolio che normalmente ridurrebbe in parte il calore del tubo durante lo scorrimento, e causa quindi il surriscaldamento della sezione del tubo in questione.

Supponiamo di guardare una sezione di tubo che è generalmente a 400 °C. Da qualche parte sul tubo, davanti ai bruciatori, potrebbe esserci una piccola area con una temperatura aumentata a 450 °C; di solito si tratta del lato che si trova davanti ai bruciatori perché sottoposto direttamente al calore, quindi è più probabile che sia la pellicola d’ossido che il coking si verifichino lì. In un’immagine termica, l’area più calda avrà chiaramente un colore diverso rispetto al tubo circostante. Ma come facciamo a sapere se tale surriscaldamento è relativo alla pellicola d’ossido o al coking?

RICONOSCERE LA DIFFERENZA

Poiché la pellicola d’ossido e il coking sono due problemi diversi (il primo causa un surriscaldamento apparente, mentre il secondo causa un vero e proprio surriscaldamento), è importante essere in grado di distinguerli. La pellicola d’ossido è tipicamente indicata da un gradiente termico netto e spesso da un aspetto irregolare che può essere rilevato sia nel visibile che nell’immagine IR. Se il pattern nel visibile corrisponde a quello IR, il problema è probabilmente la pellicola d’ossido. Il coking in genere mostra un gradiente termico più uniforme nell’immagine IR, spesso indicato come “bagliore spettrale”, che non corrisponde ad alcuna caratteristica visibile sulla superficie del tubo (vedere Fig. 3). Per riconoscere la differenza e quantificare le variazioni di temperatura è necessaria un’immagine di buona qualità. Per acquisire un’immagine di questo tipo, le termocamere utilizzano filtri in grado di rimuovere il calore dei vapori e dei gas dall’immagine, consentendo praticamente di vedere attraverso il forno fino ai tubi. Senza un filtro adeguato, l’immagine può apparire sfocata. La sfocatura può ridurre significativamente l’accuratezza della misurazione della temperatura e rendere difficile capire se le aree surriscaldate sono il risultato di coking o pellicola d’ossido.

Fig. 3. Le aree dei tubi sottoposte a coking interno mostrano bordi indistinti e un “bagliore spettrale” nell’immagine termica, il che indica le aree dei tubi effettivamente più calde che si stanno probabilmente surriscaldando.

Una termocamera potrebbe disporre di un rilevatore InSb con un filtro che lascia passare solo le radiazioni con una lunghezza d’onda di 3,9 μm. A tale lunghezza d’onda, il vapore e i gas nel forno emettono poca o nessuna radiazione, quindi sono funzionalmente invisibili e la maggior parte dei fotoni acquisiti dal rilevatore proviene da altri oggetti dietro il vapore. Sia il rilevatore che il filtro sono contenuti nella parte della termocamera raffreddata a meno di 70 kelvin per ridurre il rumore e l’autoriscaldamento del filtro, che altrimenti influirebbero negativamente sulla precisione dell’immagine.

Queste termocamere potrebbero anche avere un filtro a densità neutra drop-in, all’esterno dell’area raffreddata, che rimuove una certa percentuale di radiazioni su un’ampia gamma di lunghezze d’onda per prevenire la sovrasaturazione del rilevatore a temperature di inquadratura elevate. Questa configurazione, tuttavia, può comunque comportare un fenomeno indesiderato, chiamato luce parassita, per cui al rilevatore arriva una radiazione eccessiva.

ANDARE FUORI ROTTA

La luce parassita non costituisce un vero e proprio problema in molti tipi di misurazioni termiche, soprattutto quando l’oggetto misurato è più caldo dell’area circostante. Ma nei forni, l’area circostante è solitamente molto più calda dei tubi stessi, il che può causare problemi. La luce parassita si verifica quando i fotoni IR si riflettono su varie superfici e viaggiano lungo percorsi indesiderati. Può provenire dall’interno del campo visivo della termocamera o da oggetti caldi al di fuori del campo visivo, ad esempio un bruciatore. La luce parassita può rimbalzare all’interno della termocamera fino a raggiungere il rilevatore, creando un effetto sfocato che riduce la qualità dell’immagine e influisce sull’accuratezza delle misurazioni di temperatura (vedere Fig. 4)

Fig. 4. Un corpo nero caldo ripreso usando un filtro a densità neutra (in alto) mostra un aspetto sfocato a causa della luce parassita. Lo stesso oggetto visualizzato attraverso un’apertura (in basso) è molto più nitido. Nota: La sfocatura nell’immagine in alto è stata ingrandita per mostrare visivamente la differenza.

UN NUOVO APPROCCIO

Per risolvere il problema della luce parassita, i filtri a densità neutra possono essere sostituiti con un’apertura. L’apertura consiste in una piastra in alluminio con un piccolo foro e blocca una grande percentuale di radiazioni, proprio come un filtro a densità neutra. La piastra è ricoperta su entrambi i lati con rivestimento nero IR che assorbe le radiazioni IR. La luce parassita che raggiunge l’esterno dell’apertura viene assorbita in modo che non possa rimbalzare ulteriormente nella termocamera. Un ulteriore vantaggio dell’apertura è che aumenta la profondità di campo della termocamera, in modo che più parti dei tubi possano essere a fuoco allo stesso tempo. Ciò consente a un operatore termografico di ispezionare contemporaneamente una fascia più ampia di tubi (vedere Fig. 5).

Fig. 5. Queste immagini sono state acquisite attraverso la stessa finestra, una con un’apertura (in basso) e una con un filtro a densità neutra (in alto). La parete laterale della finestra di ispezione, lungo il lato destro di ciascuna immagine, risulta più a fuoco con l’apertura. (Foto: Mikael Cronholm)

Naturalmente, il calore di diverse centinaia di gradi Celsius proveniente da un forno sarebbe sufficiente per fondere non solo il rivestimento nero IR, ma anche la termocamera stessa. Pertanto, quest’ultima deve sempre essere utilizzata con uno schermo termico anteriore e un’ulteriore finestra protettiva anteriore che elimina le lunghezze d’onda indesiderate.

I LIMITI DI MISURAZIONE

In un recente test, una termocamera è stata puntata, attraverso la finestra di ispezione di un forno, su un corpo nero, presente sull’altro lato del forno, con temperatura ed emissività note. L’uso di un’apertura rivestita dimezza l’errore di misurazione, eliminando in modo efficiente la luce parassita. Inoltre, esistono altri fattori che influenzano l’accuratezza della misurazione; questo metodo funziona meglio con bruciatori alimentati con gas naturale a combustione pulita, perché le variazioni nei forni o le impurità nel carburante possono modificare le lunghezze d’onda emesse dai vapori, introducendo errori.

Un’altra limitazione è imposta dalla finestra di ispezione, essenzialmente uno spioncino sul lato del forno. I forni possono avere pareti spesse mezzo metro per trattenere il calore e le finestre tendono ad essere piccole. Puntando la termocamera direttamente sulla finestra si ottiene solo una vista diretta in quanto si limita l’area di immagini da acquisire. Gli utenti possono aggiungere un estensore per obiettivo, un dispositivo sottile che si inserisce ulteriormente nello spioncino con cui è possibile fare una panoramica per vedere più tubi, aumentando così la possibilità di trovare eventuali problemi.

UNO STRUMENTO UTILE

Le termocamere sono uno strumento importante per la raccolta delle misurazioni della temperatura dei tubi all’interno dei forni utilizzati per la raffinazione del petrolio e i processi petrolchimici, fornendo misurazioni più dettagliate rispetto alle termocoppie. Anche se acquisire immagini attraverso i gas in un forno può essere difficile, è importante che venga fatto accuratamente, perché temperature dei tubi superiori di soli 50 gradi Celsius possono ridurre significativamente la durata dei tubi stessi.

La scelta della corretta impostazione del filtro può influire sulla precisione della misurazione e aiutare gli utenti a distinguere tra pellicola d’ossido esterna e coking interno. L’utilizzo di un filtro a densità neutra attenua il problema della sovrasaturazione del rilevatore, ma non elimina la luce parassita, che può rimbalzare nel rilevatore e creare un’immagine sfocata e meno utilizzabile. Esiste una nuova tecnica che si basa su un’apertura: un piccolo foro in una piastra di alluminio rivestita in nero IR per assorbire la luce parassita prima che possa raggiungere il rilevatore.

Scegliendo la corretta impostazione del filtro e tenendo conto di altri fattori che possono influire sulla precisione, come la purezza del gas combustibile e l’efficienza del bruciatore, gli ispettori del forno possono valutare il funzionamento del processo e individuare per tempo i problemi che potrebbero comportare costi aggiuntivi.