CMI 2008 | NUOVA C.M.M.E. BERGAMO

CMI42-43 tecnologia

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LA TECNOLOGIA

L’utilizzo della termografia infrarossa nell’analisi dei rivestimenti refrattari Oltre all’ormai noto impiego nel campo della manutenzione preventiva degli impianti elettrici, la termografia infrarossa offre notevoli possibilità anche nel campo della diagnostica non invasiva di forni e altri sistemi ad alta temperatura.

Grazie allo sviluppo di sofisticati strumenti di analisi e all’impiego di software di modellizzazione avanzati, è possibile ricavare parametri dell’impianto di notevole interesse industriale.

La termografia è un metodo di acquisizione immagini nel campo dell'infrarosso al fine di visualizzare e misurare l'energia termica emessa da un oggetto. Tutti gli oggetti con temperatura superiore allo zero assoluto emettono, infatti, radiazioni nel campo dell'infrarosso non visibili dall’occhio umano, e più è alta la temperatura dell'oggetto, più quest'ultimo irradierà raggi infrarossi. La termografia permette di visualizzare valori assoluti e variazioni di temperatura degli oggetti, indipendentemente dalla loro illuminazione nel campo del visibile, riveste un ruolo essenziale nelle indagini non distruttive e costituisce uno degli stru-

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Figura 1 Termografia complessiva del forno.

menti diagnostici più importanti per la manutenzione predittiva in diversi campi applicativi. “Per quanto riguarda la nostra esperienza, - spiega Ermanno Peruta, responsabile tecnico della Nuova C.M.M.E. Bergamo - la termografia è un mezzo estremamente efficace per diagnosticare, soprattutto nel settore degli impianti elettrici, punti caldi, cedimenti di parti di impianto mal dimensionati oppure sottoposti a carichi eccessivamente alti rispetto a quelli nominali. Può essere utilmente utilizzata anche per la manutenzione su trasformatori di grossa potenza per individuare eventuali ostruzioni nei radiatori di raffreddamento. E ancora, la termografia risulta di grande utilità come: diagnostica coibentazione, distribuzione fluidi, impianti elettrici, isolamenti termici, sistemi meccanici.” La sempre maggiore sensibilità delle recenti termocamere, la loro elevata risoluzione spaziale e la comparsa di software di analisi molto sofisticati permettono di

individuare punti caldi e zone di riscaldamento anomalo con sempre maggiore precisione. Grazie a simili prestazioni si sono quindi aperti alle termocamere campi di utilizzazione anche molto differenti da quelli tradizionali dell’indagine degli impianti elettrici. Come esempio di nuovo utilizzo, in questo articolo viene descritto l’impiego della termografia infrarossa nel campo dei rivestimenti refrattari.

Descrizione del problema Molte industrie utilizzano forni, focolari o bruciatori ad alta temperatura, ad esempio per il trattamento termico dei materiali (tempra dei metalli, cottura dei laterizi), per la produzione di calore (generatori di vapore, centrali di riscaldamento), per l’incenerimento dei rifiuti, ecc. In tutti questi casi, la protezione del forno e la sicurezza dell’impianto dipendono in maniera critica dal buono stato del rivestimento refrattario. Quest’ultimo, inevi-

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Figure 2-3 - Risultati del modello matematico applicato al forno in esame.

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tabilmente, si logora durante l’utilizzo e va sostituito quando il suo spessore scende al di sotto di un valore critico. Il problema principale nella maggior parte degli impianti è però l’impossibilità di misurare direttamente lo spessore del refrattario mentre l’impianto è in funzione. Solitamente si tratta, infatti, di impianti a ciclo continuo, e per verificare lo stato del refrattario è necessario spegnere il forno, con le conseguenti interruzioni di servizio e i costi associati. Da un lato si corre quindi il rischio di compromettere l’impianto in seguito a usure eccessive che si rivelano troppo tardi; dall’altro, se si ricorre a sostituzioni programmate dopo un numero fisso di ore di funzionamento, si rischia invece di cambiare inutilmente un refrattario ancora in buone condizioni.

La soluzione termografica sviluppata da Nuova CMME E’ proprio per risolvere questo problema che la Nuova CMME ha pensato di utilizzare la termografia infrarossa. L’idea di base è questa: il consumo del rivestimento refrattario - normale o anomalo che sia - produrrà un minore isolamento termico; vi sarà quindi un innalzamento di temperatura della superficie esterna del forno che viene rivelato dalla termocamera. Questo concetto è in apparenza molto semplice, ma dietro vi sono difficoltà applicative da non sottovalutare.

Infatti, da un lato è immediato visualizzare con la termografia eventuali cedimenti, fratture o fessurazioni del refrattario, che si manifestano con evidenti punti caldi sull’immagine termografica.

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Figura 4 Immagine del fronte del forno: a) solo termografica; b) con tecnologia Fusion.

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Dall’altro, se non vi sono guasti o difetti localizzati, ma si è in presenza di una regolare usura del materiale, l’immagine IR è uniforme e non è così semplice dedurre una misura dello spessore residuo del rivestimento refrattario. Quindi la sola analisi della termografia non basta più; diventa necessario sviluppare un modello termico del rivestimento refrattario in base al quale dedurne lo spessore e le altre caratteristiche. Nel seguito viene illustrato un caso pratico di analisi termografica del rivestimento refrattario, applicato ad un forno per l’incenerimento di rifiuti tossici.

Il modello termico Il materiale refrattario nel forno in oggetto è costituito da tre strati: quello più interno (dello spessore originario di 22 cm) è il refrattario vero e proprio, mentre gli altri due sono strati di isolamento termico (dello spessore rispettivamente di 11 e 5 cm). Del materiale di ciascuno strato sono note la conducibilità termica e la sua dipendenza dalla temperatura: la conoscenza di questi parametri è indispensabile per costruire un modello affidabile. Una volta note queste caratteristiche, il modello è concettualmente suddiviso nelle seguenti fasi iterative: 1. si calcola la resistenza termica degli strati refrattari ipotizzando di conoscerne lo spessore; date la temperatura interna del forno e quella esterna dell’aria, si calcola quindi il flusso termico attraverso la parete del forno; 2. in base a questo flusso teorico si calcola la temperatura che deve avere la parete esterna del forno e si confronta

questo dato con quello ricavato dalla termografia; 3. se i due valori coincidono entro una certa approssimazione, significa che lo spessore ipotizzato per il refrattario è vicino a quello reale, e il calcolo finisce qui; 4. se i due valori sono invece differenti, lo spessore del refrattario è differente da quello immaginato al punto 1. Si ipotizza quindi un nuovo valore e si ripete la sequenza 1-4 fino a che non si trova un accordo fra le temperature teoriche e quelle misurate con la termocamera. A questo punto, il procedimento fornisce lo spessore del refrattario.

L’applicazione di questo modello presenta naturalmente le stesse sfide delle misure termografiche: gli effetti di emissività e riflettività della parete del forno, l’angolo visuale, la taratura della termocamera, ecc. In più, il modello deve poter considerare anche effetti più sofisticati, come: a) gli effetti non lineari, dovuti al fatto che la conducibilità termica di molti materiali dipende dalla temperatura e quindi anche lo stesso materiale conduce il calore in maniera differente nelle zone più calde rispetto a quelle più fredde; b) gli effetti della convezione termica sulla superficie esterna, che concorrono a determinare la temperatura della parete del forno misurata dalla termocamera.

Il processo di convezione termica è assai complesso e non sempre è immediato ricavare i coefficienti di convezione.

Questo è vero specialmente per le superfici inclinate o quando la differenza di temperatura fra parete e aria è ridotta.

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Risultati del modello matematico Il modello matematico della parete del forno è stato sviluppato in Matlab®, un codice numerico molto efficiente e che incorpora vari strumenti di analisi e manipolazione delle immagini. I risultati del modello, applicati al forno in esame, sono mostrati nelle Figure 2 e 3. In Figura 1 è mostrata la termografia complessiva del forno, nella quale si vedono alcune zone più calde, in corrispondenza dei portelli e di altri punti particolari. A parte queste zone, prevedibilmente più calde, la termografia del forno appare piuttosto uniforme. Una regione centrale di circa 30x30 cm è stata analizzata con il modello termico qui citato; i risultati sono mostrati in Figura 2. La figura mostra a sinistra una ricostruzione 3D del profilo di temperatura lungo lo spessore della parete del forno, mentre a destra è riportato solo il grafico della temperatura. La temperatura interna del forno è di 1100 °C, mentre la temperatura ambiente è di circa 20°C. Il primo strato molto sottile, indicato in figura con la lettera F, rappresenta lo strato di convezione all’interno del forno, lungo il quale vi è una caduta di temperatura molto ridotta grazie alla forte turbolenza della fiamma e alla conseguente elevata efficienza convettiva.

Nel primo strato del rivestimento (indicato con 1) la temperatura diminuisce in maniera ridotta (poco più di 100°C in 22 cm), a causa della elevata conducibilità termica del materiale refrattario.

Cadute di temperatura molto più pronunciate si hanno invece nei due rivestimenti di isolante termico, indicati in

figura con 2 e 3. In questo modo, la temperatura del mantello esterno del forno risulta essere di circa 110°C. Infine, l’ultima caduta di temperatura (da 110°C a 20°C) avviene nello strato di aria immediatamente adiacente alla parete del forno (indicato con A in figura).

Stima dello spessore Come si è detto, il modello è in grado di tenere conto delle caratteristiche dei materiali isolanti, la cui conduttività termica spesso aumenta con la temperatura. In questo modo si evitano errori di stima dello spessore, nei quali si può incorrere con modelli meno sofisticati.

In Figura 3 è riportato un esempio di questa migliore precisione. La figura mostra le temperature esterne in funzione del consumo del materiale refrattario, calcolate sia con i modelli più semplici normalmente utilizzati (linea rossa), sia con il modello avanzato qui descritto (linea blu). Come si vede, a parità di consumo del refrattario, il modello avanzato fornisce temperature esterne maggiori. Questo ha un importante significato: supponiamo che la parete esterna raggiunga una temperatura di 85°C. Per il modello di conduzione semplice, questo significherebbe che il consumo del refrattario è di oltre 20 cm e quindi si imporrebbe la sua sostituzione. In realtà, il modello più avanzato fornisce un consumo del refrattario di soli 5 cm e quindi esclude la necessità di una sostituzione. cmi@erisprogram.com RIF. 91430

Non solo manutenzione Nata nel 1984, la Nuova C.M.M.E. Bergamo ha sempre seguito il filone della manutenzione e consulenza, operando inizialmente su interruttori di alta tensione e successivamente anche su quelli di media e bassa tensione.

La notevole esperienza maturata nel corso degli anni ha permesso all’azienda di evolvere tecnologicamente e culturalmente non solo nel campo della manutenzione ordinaria e straordinaria di queste tipologie di apparecchiature, ma anche nella capacità di erogare servizi complementari alla manutenzione, come le verifiche su sistemi di protezione, su cavi MT, su trasformatori e le verifiche termografiche.

L’organico della Nuova CMME è oggi composto da tredici tecnici che operano su tutto il territorio nazionale.

Ogni intervento di manutenzione viene effettuato da personale altamente specializzato, continuamente aggiornato e qualificato secondo le norme EN 473 (personale abilitato di secondo livello per le prove non distruttive), CEI 11-27 (lavori su impianti elettrici) e CEI EN 50110-1 (esercizio degli impianti elettrici).

Figura 5 - Immagine visiva della parte intermedia del forno.

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