1. Теоретические основы термографии янки‑цилиндра
1.1. Роль янки‑цилиндра и тепловые поля
Янки‑цилиндр — крупногабаритный цилиндрический сосуд высокого давления, который одновременно является основным сушильным аппаратом и элементом формирования свойств тиссью‑бумаги (сушка, креппинг).
Рабочий режим: пар порядка 1 МПа, высокая скорость вращения (до 1900 м/мин и выше), интенсивный теплоотбор тканью и горячим воздухом капота создают сложное, неравномерное во времени и по координатам тепловое и напряжённое состояние по длине и окружности цилиндра.
Неравномерность температуры оболочки приводит к:
локальным термонапряжениям и дополнительным механическим напряжениям в стенке;
неравномерной сушке полотна, изменению профиля влажности и качества;
росту риска усталостного разрушения, трещинообразования и аварийных отказов.
1.2. Физика инфракрасной термографии цилиндров
Инфракрасная термография измеряет собственное тепловое излучение поверхности и по закону Стефана–Больцмана оценивает её температуру с учётом коэффициента излучения, отражённой температуры и влияния среды.
Международные стандарты по машинной термографии (серия ISO 18434) задают обязательные элементы: определение эмиссивности поверхности, компенсацию отражённой температуры, учёт поглощения в воздухе и геометрии измерения, требования к погрешности и воспроизводимости.
Для янки‑цилиндра важно, что:
поверхность, как правило, имеет термоспрей‑покрытие с высокой эмиссивностью, что благоприятно для ИК‑измерений;
поверхность частично закрыта капотом, присутствуют горячие потоки воздуха и пара, создающие фон и возможные отражения;
объект вращается с большой скоростью, поэтому термограмма фактически отображает усреднённый во времени рисунок при многократном проходе одной и той же точки через поле зрения.
1.3. Связь температуры поверхности с внутренними процессами
Температура внешней поверхности янки определяется комбинацией факторов:
температурой и давлением пара внутри цилиндра;
распределением и толщиной конденсатной плёнки (тепловое сопротивление внутри);
толщиной и теплопроводностью стенки и покрытия;
удельным тепловым потоком к полотну и горячему воздуху капота;
локальными дефектами (изменение толщины стенки, коррозия, дефекты напыления, загрязнения).
Модели и практика показывают прямую связь между состоянием пароконденсатной системы, режимами капота и температурным полем на поверхности цилиндра: термограмма — это интегральный индикатор теплопередачи и косвенно механической целостности.
2. Нормативная и отраслeвая база
2.1. Международные стандарты по термографии машин
Ключевые универсальные документы:
ISO 18434‑1 «Condition monitoring and diagnostics of machines — Thermography — General procedures» — задаёт терминологию IRT для машин, общую методику измерений, требования к учёту эмиссии и отражений, структуру процедур и отчётов.
ISO 18434‑2 «…Image interpretation and diagnostics» — содержит рекомендации по интерпретации термограмм, оценке тяжести аномалий по относительным перепадам температуры и по уровневой классификации, а также требования к оформлению результатов.
Эти стандарты не описывают янки‑цилиндр отдельно, но дают каркас для любых вращающихся машин.
2.2. Документы TAPPI и TIP для сушильных цилиндров и янки
Из документов TAPPI важны:
TAPPI TIP 0425‑01 «Guidelines for routine periodic inspection and testing of cast iron Yankee and MG dryers» — рамочный документ по периодическим инспекциям чугунных янки‑ и MG‑сушил. Описывает состав обследований (толщина, НК, режимы), подчёркивает необходимость контроля температур, в том числе при работе.
TAPPI TIP 0402‑16 «Guidelines for inspection and nondestructive examination of paper machine dryers» — общие рекомендации по инспекции сушильных цилиндров бумагоделательных машин. Рассматривает температуру сушил как один из ключевых параметров и допускает использование ИК‑систем (точечных и имиджинг) в режиме работы.
TAPPI TIP 0425‑02 «Inspection guidelines for Yankee hood systems» — рекомендации по инспекции капотов янки, включая конструкцию, воздухораспределение и доступ. Важен тем, что фиксирует наличие и назначение смотровых окон и дверей, которые используются и для термографии.
Технический информационный документ TAPPI по термоспрей‑покрытиям янки‑цилиндров описывает покрытия, технологии напыления и подчёркивает значимость контроля теплопередачи и температуры поверхности по мере старения покрытия.
Отдельные руководства TAPPI по инспекциям и давлению на янки‑цилиндрах подчёркивают связь «необычных температур» с неисправностями пароконденсатной системы и потенциальной угрозой безопасности.
2.3. Страховые и инспекционные рекомендации
Ряд страховых и инспекционных организаций (например, FM Global, National Board) выпускают руководства по безопасности бумагоделательных машин и сушильных цилиндров.
В них янки‑цилиндр рассматривается как высокоответственный сосуд; рекомендуется программа периодических осмотров, включающая контроль температурной картины при работе, поскольку термографические аномалии часто предшествуют механическим повреждениям.
3. Мировой практический опыт термографии янки
3.1. Исследования по измерению температуры янки
В ряде исследований (в том числе Metso/университетские работы) сравнивали:
контактный термофон;
инфракрасный пирометр;
инфракрасную камеру.
Тесты проводились на пилотных тиссью‑машинах при реалистичных скоростях и режимах. Показано, что:
ИК‑камера даёт полноценную двухмерную картину распределения температуры по цилиндру с достаточной пространственной и временной точностью;
контактный термофон сильно зависит от навыков оператора и локальных условий теплоотвода;
пирометр полезен как контрольная точка, но не даёт картины по длине и окружности.
Основной вывод мировой практики: для эксплуатационной диагностики теплового состояния янки‑цилиндра оптимален подход на основе ИК‑камер с корректной настройкой параметров излучения.
3.2. Практика OEM и сервис‑компаний
Крупные поставщики и сервис‑компании (Voith, Valmet, ANDRITZ, независимые сервисы цилиндров) используют термографию янки как стандартный сервис:
Съёмка проводится на рабочей скорости, как правило, через окна и двери капота.
Термограммы совмещают с:
лазерной съёмкой профиля и диаметра;
измерениями шероховатости и состояния покрытия;
данными по пароконденсатной системе и капоту;
результатами НК (ультразвук, акустическая эмиссия и др.).
По совокупности данных принимают решения:
о шлифовке/перешлифовке;
о восстановлении покрытия;
о настройках капота и режимах пара;
об ограничении режимов или ремонте при риске повреждения.
В кейсах по дефектам типа chatter marks показано, что характерные «полосчатые» температурные картины по длине янки хорошо коррелируют с волнистостью поверхности и износом покрытия; после шлифовки термопрофиль выравнивается, одновременно с улучшением качества бумаги.
4. Практическая методика термографии янки‑цилиндра
4.1. Цели обследования
Типовые цели термографии янки:
оценка равномерности температурного профиля по длине и окружности;
выявление зон плохой теплопередачи, застойных зон конденсата и загрязнений;
проверка корректности режима прогрева (особенно при пусках и остановах);
документирование состояния перед/после механической обработки или напыления;
мониторинг изменений профиля во времени (тренд‑анализ).
Цель нужно формулировать заранее, поскольку от неё зависят точки съёмки, режим и глубина анализа.
4.2. Оборудование и настройки
Оборудование:
портативная ИК‑камера промышленного уровня (разрешение не менее 320×240, NETD порядка 0,1 °C и лучше);
объектив/зум, позволяющий «дотянуться» до цилиндра через окна капота;
ПО для построения линий профиля, статистики по зонам (ROI) и сохранения «сырых» данных.
Настройки:
коэффициент излучения: принимается исходя из типа поверхности (чугун, сталь, тип термоспрей‑покрытия) и уточняется сравнением с контрольными датчиками;
отражённая температура: учитывает отражения от нагретых конструкций и потоков воздуха;
расстояние до объекта, температура и влажность окружающей среды.
Все эти параметры фиксируются в протоколе, чтобы измерения были воспроизводимыми и сопоставимыми во времени.
4.3. Организация доступа при закрытом колпаке
На современных быстрых машинах почти вся поверхность янки закрыта колпаком, поэтому практическая схема такая:
Используются все штатные смотровые окна и двери на лицевой стороне e и приводной стороне.
Окна и двери «размечаются»: за каждым закрепляют конкретный сектор по длине бочки и по углу (до/после пресс‑захвата, под той или иной секцией капота).
Там, где штатного обзора недостаточно, при модернизации или ремонте капота закладывают дополнительные смотровые окна с жаростойким стеклом в нужных местах.
В отдельных случаях при плановых инспекциях допускается кратковременное приоткрывание дверей/панелей с соблюдением требований к безопасности и балансу воздуха.
Важно разработать карту точек съёмки и закрепить её в регламенте, чтобы каждый год получать сопоставимые профили.
4.4. Режимы съёмки
Режим работы машины:
скорость — максимально близкая к рабочей (на тиссью часто 1500–1900 м/мин);
давление и температура пара в янки — стабильны;
параметры капота — не меняются во время съёмки;
после последнего изменения режима должно пройти достаточное время для выхода на квази‑стационарное тепловое состояние.
Маршрут съёмки:
зона сразу после пресс‑захвата (по направлению вращения) — оценка влияния пресса и контакта полотна;
зона под основными секциями колпака — оценка равномерности теплопередачи и работы капота;
зоны вблизи торцов и по возможности в районе опор/подшипников;
дополнительные точки, если по данным технологов или предыдущих термограмм есть подозрительные участки.
В каждой точке:
делают серию кадров или короткое видео;
строят один или несколько линейных профилей (по длине, по окружности);
фиксируют среднюю температуру и разброс.
5. Анализ термограммы янки‑цилиндра
5.1. Базовые показатели
При обработке термограммы обычно рассчитывают:
Среднюю температуру Тср по заданной зоне (ROI).
Стандартное отклонение σ температуры в зоне.
Коэффициент вариации:
COV=σ/Tср\text{COV} = \sigma / T_{\text{ср}}COV=σ/Tср
Рост COV указывает на увеличение неоднородности температурного поля.
Перепады температуры ΔT:
между краем и центром по длине;
между зонами до/после пресса;
между участками под разными секциями капота;
между лицевой и приводной сторонами .
Для классификации аномалий часто используют уровни:
малые отклонения — наблюдение, фиксируем как тенденцию;
средние — повод для планового вмешательства (регулировка режимов, проверка пароконденсатной системы, осмотр покрытия);
сильные/критические — основание для ограничения режимов или внепланового НК.
Конкретные численные пороги (в градусах и процентах) закрепляются внутренним стандартом завода и могут отличаться для разных машин.
5.2. Типичные картины и их трактовка
Продольные «холодные» полосы (вдоль оси цилиндра):
причины:
застой конденсата, хуже теплопередача из‑за «толстой» водяной плёнки;
загрязнения или глянец покрытия, ухудшающий теплообмен с полотном;
плохой контакт полотна (низкая нагрузка пресса, особенности профиля);
действия:
проверка работы конденсатоотводящей системы;
оценка состояния поверхности (шероховатость, загрязнения, покрытие);
проверка профиля нагрузки пресса.
Продольные «горячие» полосы:
причины:
локально более интенсивный контакт полотна (больший съём влаги);
локальное уменьшение толщины стенки или покрытия (меньшее сопротивление теплопередаче);
действия:
сопоставление с толщинометрией и НК;
оценка профиля нагрузки и топографии поверхности.
Асимметрия по окружности:
проявляется в разнице температур между участками под капотом и открытой частью, а также между разными угловыми положениями относительно пресса;
причины:
несимметричная работа капота (разные температуры/расходы по секциям);
некорректное распределение воздуха, подсосы, утечки;
действия:
настройка капота и воздухораспределения;
проверка состояния теплоизоляции и герметичности.
Локальные пятна/«островки»:
причины:
дефекты покрытия (сколы, участки иного материала);
коррозионные язвы;
локальные загрязнения;
действия:
детальный визуальный осмотр при останове;
локальный НК (UT, PT, MT по месту);
решение о локальном ремонте или перешлифовке.
5.3. Связь с механической целостностью и безопасностью
Неровномерный прогрев особенно опасен в переходных режимах (пуск, останов, смена давления пара).
Если термограмма в динамике показывает, что какие‑то участки существенно отстают по температуре или, наоборот, перегреваются, это указывает на:
неоднородность толщины стенки;
застойные зоны конденсата;
локальные изменения структуры металла.
В таких случаях логика действий обычно такая:
ограничить режим (скорость, давление) до выяснения;
провести расширенное НК в зоне аномалии;
при подтверждении дефектов — принимать решения вплоть до вывода янки из эксплуатации, замены или серьёзного ремонта.
6. Встраивание термографии в регламент завода
6.1. Частота и уровни обследований
Типичной практикой является разделение на три уровня:
Регулярное (ежегодное или чаще) экспресс‑обследование в работе
Делается при плановых инспекциях сушильной части. Цель — выявить крупные аномалии и получить тренд‑карту температур.
Расширенное обследование перед капитальным ремонтом и после обработки поверхности
Включает детальную термографию по длине и окружности, привязку к геометрии и шероховатости, сравнение «до» и «после» шлифовки/напыления.
Внеплановые обследования
Проводятся при появлении симптомов: рост брака по профилю влажности, необычные вибрации, изменение теплового баланса, сигналы от НК.
Частоту и объём работ целесообразно формализовать во внутреннем стандарте предприятия, опираясь на возраст янки, историю ремонтов и требования страховой/надзорной организации.
6.2. Документирование и интеграция с другими видами контроля
В типовом отчёте по термографии янки‑цилиндра отражают:
данные об объекте: тип машины, производитель и размеры янки, тип покрытия, возраст;
режимы на момент измерения: скорость, давление/температура пара, параметры капота, нагрузка пресса;
параметры съёмки: модель камеры, настройки эмиссии, расстояние, условия среды;
термограммы с цветовой шкалой и указанием зон интереса;
профили температуры (по длине, по окружности) и статистику по зонам;
выводы по аномалиям и их классификацию по уровням серьёзности;
рекомендации по корректирующим действиям и срокам повторного обследования.
Отчёт удобно интегрировать с:
отчётами по НК (ультразвук, акустическая эмиссия, толщинометрия);
технологическими данными (логами по парам, конденсату, колпаку);
производственной статистикой (профиль влажности, креппинг, брак).
Автор Марченко Анатолий