Blick hinter die Flammen

Die Autoren: Joachim Sarfels Area Sales Manager Central Europe, R&D-Science and Gas Visualization Division, Flir Systems Lothar Liebelt freier Journalist

Als eines der ersten Unternehmen hat Petroval die Möglichkeiten erkannt, die die Wärmebildtechnik für technische Untersuchungen von Industrieanlagen eröffnet. Eigentümer des 1990 gegründeten Unternehmens, dessen Hauptsitz sich in der Normandie befindet, sind Total und Eurecat. Neben der Zentrale in Le Havre unterhält Petroval seit 2003 noch ein Büro in Houston, Texas, und wird 2011 ein weiteres in Singapur eröffnen. Petroval ist in über 50 Ländern weltweit präsent, de facto werden 80 % der Aufträge außerhalb von Frankreich ausgeführt.

„Vor der Einführung der Wärmebildkameras gab es praktisch keine umfassenden Methoden, eine Anlage während des Betriebs auf Fehler hin zu untersuchen”, erklärt Jean-François Tournieux, Projektleiter bei Petroval. „Mit den Infrarotkameras von Flir steht uns eine zerstörungsfreie Untersuchungsmethode für eben diese Störungen zur Verfügung – und das sogar während des Betriebs –, sodass genaue Aussagen getroffen werden können, bis zu welchem Durchsatz eine Produktion noch sicher ist.“

Derzeit arbeitet Petroval mit drei Wärmebildkameras von Flir. Eine besitzt einen gekühlten Detektor, die beiden anderen einen ungekühlten. Die gekühlte Wärmebildkamera ist die Agema 550 mit Hitzeschutzschild und Flammenfilter. Diese Kamera wird vor allem für Inspektionen an den Innenseiten der Öfen eingesetzt. Bei den beiden ungekühlten Wärmebildkameras handelt es sich um die ThermaCAM P50F, ebenfalls mit Flammenfilter, und die P640, die überwiegend für die Überprüfung der Isolierung von außen verwendet wird.

In den Augen der Petroval-Techniker sind alle drei Infrarotkameras unentbehrliche Werkzeuge für ihre Aufgaben. „Die Agema 550 ist sehr genau und empfindlich. Die ThermaCAM P50F reagiert nicht so sensibel bei kleinen Temperaturunterschieden, aber da sie einen ungekühlten Detektor besitzt, ist sie wartungsfrei und schneller betriebsbereit, denn bei einer gekühlten Kamera muss das Kühlsystem in der Regel fünf Minuten laufen, bis das Gerät einsatzbereit ist. Die dritte Kamera, die P640, ist das perfekte Werkzeug sowohl für die Überprüfung der Isolierung als auch für die Fehlersuche in elektrischen Anlagen“, erklärt Tournieux.

Die Wärmebildkamera P640 ist mit einem ungekühlten Mikrobolometerdetektor ausgestattet, der Wärmebilder mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixeln liefert. Diese Kamera besitzt einige sehr sinnvolle integrierte Funktionen, durch die sie sich optimal für die vorbeugende Instandhaltung eignet. Dazu gehören ein Laserpointer, die Bild-im-Bild-Funktion und Flir Thermal Fusion zum Kombinieren eines Tageslichtbilds mit einem Wärmebild. Die P640 ist sehr schnell und einfach zu bedienen. Noch aus einer Entfernung von 50 bis 100 m kann man mit ihr kleine heiße Stellen entdecken, die auf defekte Isolierung hinweisen.

Die Agema 550 und die ThermaCAM P50F sind beides ältere Modelle, die nicht mehr von Flir produziert und vertrieben werden. Heute stellt die GF309 den aktuellen Stand der Technik dar, wie er für Inspektionen der Innenseiten von Öfen verwendet wird. Außerdem eignet sich dieses Modell ebenso gut für thermografische Inspektionen von mechanischen oder elektrischen Komponenten. Daher ist dieser Kameratyp ideal für Inspektionen aller Arten, wie z. B. von Öfen, Heizaggregaten und Kesseln.

Der Indiumantimonid-Detektor (InSb) in der GF309 liefert Wärmebilder mit einer Auflösung von 320 x 240 Pixeln. Sowohl Detektor als auch Filter werden durch einen kleinen Stirlingkühler mit geschlossenem Kreislauf auf sehr tiefe Temperaturen heruntergekühlt, um so u. a. die Empfindlichkeit wesentlich zu erhöhen. Diese Infrarotkamera mit ihrem Hitzeschutzschild wurde so gebaut, dass sie hohe Strahlungstemperaturen aushält und kontaktlose quantitative Messungen bis zu +1500 °C erlaubt. Dies ermöglicht die Sichtprüfung der inneren Ofen- und Kesselkomponenten, die sonst von Flammen, Verbrennungsgasen und Staub verdeckt werden. Die Kamera ermöglicht die Speicherung von Echtzeit-Videosequenzen und von Einzelbildern. Die Bilder können mithilfe eines hochauflösenden Suchers und auf dem 4,3“-Farb-LCD-Display, das eine Auflösung von 800 x 480 Pixeln bietet, angesehen werden.

In bestimmten Wellenlängenbereichen emittieren Flammen bedeutend mehr thermische Strahlung als in anderen und an bestimmten Punkten des Infrarotspektrums gibt eine Flamme nahezu keine Wärmestrahlung ab. Bei einem Flammenfilter handelt es sich um einen spektral begrenzenden Bandpassfilter, der nur Wärmestrahlung in einem speziellen Wellenlängenbereich durchlässt. Der in die GF309 eingebaute Flammenfilter schränkt die spektrale Empfindlichkeit auf einen Bereich zwischen 3,8 und 4,05 μm ein.

Da alles bis auf diesen speziellen Teil des Infrarotspektrums herausgefiltert wird, kann diese Wärmebildkamera nun durch heiße Flammen sehen und Temperaturmessungen an dahinterliegenden Oberflächen, wie z. B. Ofenwandungen und Wärmetauscherrohren, durchführen. Darum eignen sich mit einem solchen Filter ausgestattete Infrarotkameras optimal für die Untersuchung von Öfen.

Mithilfe einer Wärmebildkamera lassen sich laut Jean-François Tournieux eine Vielzahl von Fehlern an Öfen aufspüren: „Sie können sehen, ob die feuerfeste Auskleidung beschädigt ist, ob die Flammen die richtige Form haben und manchmal erkennen Sie anhaftende Ablagerungen auf den Rohren, die die Wärmeübertragung verschlechtern und somit die Produkttemperatur senken. Es ist auch möglich, dass Teile der feuerfesten Auskleidung herausbrechen und dadurch Brenner und befeuerte Rohre beschädigen. Ferner sind Brenner zu beobachten, die mitunter nicht entzündet sind, oder Brenner, die für eine Beflammung der verbauten Rohrleitungen sorgen. Aber wir suchen auch nach sich entwickelnder Oxidation. Oxidation ist ein schlechtes Zeichen, da sich oxidierte Bereiche abschälen können und dann eine Schwachstelle zurücklassen. Die Temperaturmessungen mithilfe der Wärmebildkameras helfen dabei sicherzustellen, dass der gesamte Produktionsprozess einwandfrei abläuft.“

Laut Tournieux ist eines der Hauptziele bei der Ofen- und Kesselwartung die Überprüfung der von den Thermoelementen gelieferten Temperaturwerte. „Thermoelemente für Kontaktmessungen oder deren Halterungen verschleißen mit der Zeit, sodass die Messdaten ungenauer werden. Oftmals könnten Raffinerien mit bedeutend größerer Kapazität produzieren, aber aufgrund der ungenauen Daten der Thermoelemente wird die Produktion auf einem niedrigeren, da sichereren Niveau gehalten. Mit den Wärmebildkameras lässt sich herausfinden, ob die vom Thermoelement gelieferten Temperaturdaten korrekt sind. Wenn wir die Thermoelementwerte bestätigt haben, können die Raffinerien zumeist ihre Produktion steigern.“

Aber jeder, der meint, Ofeninspektionen bestünden nur darin, mit einer Wärmebildkamera das Objekt anzuvisieren und ein Bild zu speichern, wird laut Projektleiter Tournieux enttäuscht werden. „So wichtig auch die für die Anwendung richtige Wärmebildkamera sein mag, es gehört doch noch viel mehr dazu. Die Mitarbeiter bei Petroval verfügen über jahrelange Erfahrung bei der Durchführung von Inspektionen mithilfe von Wärmebildkameras und der Analyse der Daten, aber sie kennen ebenso genau diese Industrieanlagen mit ihren Öfen und Kesseln.“

An ein Beispiel erläutert Tournieux: „Wir verwenden spezielle Fühler, die wir selbst bauen, um sicherzustellen, dass die Infrarotkamera genau misst. Wir führen so einen Fühler in den Ofen ein und halten ihn in die Nähe des Rohres, das wir untersuchen wollen. Ein Thermoelement im Inneren des Fühlers, von dem wir wissen, dass es exakt misst, zeigt uns die genaue Temperatur an dieser Stelle an. Wir verändern dann die Einstellungen des Emissionsgrads in der Infrarotkamera so, dass die angezeigte Temperatur zu dem mit dem Fühler gemessenen Wert passt. Da der Emissionsgrad bei jedem verwendeten Material unterschiedlich ist, haben wir einen Fühler für jeden einzelnen Rohrleitungstyp angefertigt, der in den Ofenanlagen der Industrie Verwendung findet.“

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