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低温情况下溶剂去除型渗透检测的应用

发表时间：2020/8/12 来源：《基层建设》2020年第10期作者：栗杨光1 汤显泉2

[导读] 摘要：无损检测是机械工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的机械工业发展水平，其重要性已得到公认。

        1一重集团大连核电石化有限公司辽宁大连 116032；
        2大连美鑫达探伤技术有限公司辽宁大连 116032
        摘要：无损检测是机械工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的机械工业发展水平，其重要性已得到公认。渗透检测作为五大常规检测方法之一其原理简单、应用广泛、不受被检件材质、几何形状等限制。渗透检测有其自己的优势、实用性及优越性。但另一方面，检测人员比较关心渗透检测的灵敏度以及影响灵敏度的因素。本文着重探讨了溶剂去除型渗透探伤方法在低温情况下的应用。
        关键词：低温环境；溶剂去除型渗透检测；缺陷
        在众多影响渗透检测灵敏度的因素中，温度是对渗透检测起着决定性的因素。温度太高，渗透剂易干在被检工件上，给清洗带来困难；温度太低，渗透剂变稠，动态渗透参量受影响。因此，为了规定渗透检测的可行性，标准都规定了渗透检测的温度范围。其中，NB/T47013.5-2015《承压设备无损检测第5部分渗透检测》规定，渗透检测剂温度和工件表面温度应该在5~50℃，在10~50℃的温度条件下，渗透剂持续时间一般不应少于10min；在5~10℃的温度条件下，渗透剂的持续时间一般不应少于20min或者按照说明书进行操作。ASME、RCC-M等标准对渗透检测的温度都有相关的要求。
        我国重型机械工业基地大多地处中国东北部，独特的地理位置决定了一年之中有着较长时间的冬季，冬季厂区最低温度接近0℃。温度越低渗透剂的粘度越大，表面张力也越差大，对工件的润湿效果较差，这些情况都会影响渗透剂的渗透能力，从而影响渗透检测的灵敏度。因此低温环境下如何提高其检测灵敏度成了我们特别关心的问题。
        当环境温度<5℃的低温天气，按标准要求，应选使用A型试块进行对比试验，择适应该温度下的渗透材料。在此，引用JB/T 6064-2006-B型试块与ISO 3452-3/I型试块低温环境下的检测效果。来验证非标准温度下的检测灵敏度进行定量评估和鉴定，为非标准温度下的检测工艺和方法调整提供依据。
        实验温度为2℃，对比试块为：A型试块。
        渗透剂：UP-T 清洗剂：UR-T 显像剂：UD-T

                            图1
        实验证明渗透材料渗透剂：UP-T 清洗剂：UR-T 显像剂：UD-T满足低温环境下检测要求，下列实验中均采用此材料。
        一、5~10℃条件下时延长渗透、显像时间
        在此温度区间通常可以采用延长渗透时间、显像时间或者两者时间均延长来达到理想的检测灵敏度。

                    图2                    图3                   图4
        针对此方法进行了对比实验，实验温度为7℃，对比试块为：JB/T 6064-2006-B型试块。
        实验结果如图所示，如图2为渗透时间60分钟、图3为渗透时间60分钟与显像时间60分钟、图4为显像时间60分钟。由上述实验图片可以看出，延长渗透与显像时间相结合的办法做出试块的效果最为清晰，检测灵敏度最高。
        二、0~5℃施加煤油与温差渗透法
        在此温度区间，单纯的延长渗透、显像时间或者给工件加热，来获得要求的灵敏度，但有时效果并不理想。我们针对这种情况具体做法通常是在施加渗透液之前，先用煤油将被检部位仔细擦拭一遍，之后在将渗透液施加到被检部位。借助煤油的渗透能力来提升渗透剂的渗透能力。虽然早期的渗透剂主要成份包含煤油，作用即是增加渗透能力。但是由于煤油的成份复杂，而且易吸附杂质，目前，渗透剂已经摒弃煤油的成份了。因此对于镍基合金以或不锈钢材质的工件不建议采用该方法。即使在普通材料上使用此方法，也要及时有效的做好清理工作，避免造成不必要的污染。
        对于镍基合金或不锈钢材质的工件在该温度区间的有效渗透检测方法可以采用温差渗透法来提高渗透检测的灵敏度，来达到理想的检测效果。
        （一）理论分析
        依据热胀冷缩的生活常识，结合渗透检测的原理，打破常规工艺，将温度作为一个变量来考虑，利用温差来提高检测灵敏度。
        渗透检测过程其实就是渗透液对表面开口缺陷的毛细作用，而显像过程主要也是渗透液对显像液形成的微小缝隙的毛细作用。下面以长度为a，深度为b，宽度为c的狭长细槽作为工件的表面开口裂纹模型，来分析渗透液渗入裂纹的毛细现象。
        当渗透液施加于工件表面，且完全覆盖被检部位时，具有足够润湿性能的渗透液将润湿裂纹内表面。根据润湿液体在两平行平板间的毛细作用原理知，裂纹内将形成凹陷的弯月形液面，并在弯月面上产生指向液体外部即指向裂纹内的附加压强p，这个附加压强迫使渗透液向裂纹内渗透的同时，将压缩裂纹内已被渗透液封闭的气体。随着渗透液不断渗透，裂纹内气体体积将越来越小，而气体的压强p1将越来越大，直到气体的压强与液面上的附加压强以及大气压强p0完全平衡为止。这时

对于裂纹内的气体，由理想气体热力学状态方程得

        式中 p0，t0，v0———渗透前裂纹内气体的压强、温度和体积
        p1，t1，v1———渗透后裂纹内气体的压强、温度和体积
        v0=abc
        v1=ac（b-h）
        h———渗透液渗入的深度
        由此解出渗透后裂纹内气体的压强为

由拉普拉斯公式[2]得任意形状弯曲液面下的附加压强为

        式中 p———液面下的附加压强
        α———渗透液表面张力系数
        r1，r2———弯曲液面的主要曲率半径
        对于宽度为c的圆柱状凹形液面，r1→∞，r2=r，由表面张力产生的液面附加压强为[3]

式中θ为渗透液与工件的接触角。将上两式代入式（1），解出渗透液渗入的深度为

引入温差系数kt=t0/t1。常规操作时，渗透前后温度相同，kt=1。
令

则

        由上两式知，一般情况下，渗透深度由渗透液的性能和缺陷本身特点决定，在温度变化不大的范围内，利用温差能增大渗透深度。温差系数kt越大，渗透深度越大。而渗透深度越大，则渗透液在缺陷内的截留能力越大，则越容易形成缺陷显示，从而提高了检测灵敏度。
        同样道理，如果显像时施加逆温差，压缩在缺陷内的气体膨胀，使缺陷截留的渗透液最大程度地回渗到工件表面，缺陷显示则更明显，从而提高了缺陷检出率。
        因此，从理论上分析可以用温差法渗透-逆温差法显像来提高渗透检测的灵敏度。此次检修中，环境温度为-2℃，即t1=271 k，如将工件加热到80℃，即t0=353 k，则温差系数kt=1.30，渗透深度h=b-h0/1.30，比普通方法h=b-h0增加了0.23h0，如将工件加热到70℃，60℃和50℃，则温差系数kt分别为1.27，1.23和1.19，渗透深度相应增加0.21h0，0.19h0和0.16h0。如果环境温度为-12℃，则渗透高度相应增加0.26h0，0.24h0，0.22h0和0.19h0。
        （二）操作方法
        1.先将工件彻底预清洗后，使用吹风机或取暖器等加热设备使工件30℃左右，同时施加室温（20℃）的渗透剂。
        2.在渗透过程中，将加热装置撤出，使工件逐渐降回环境温度。注意保证整个渗透过程中保证表面润湿状态，可以补充施加渗透剂。此过程中产生温差，有利于渗透液渗入。
        3.至少保证使工件逐渐降回环境温度的时间或适当延长。去除多余渗透剂后，干燥5分钟。然后均匀施加显像剂后，再对工件背面进行加热，如条件不允许背面吹扫，则可吹扫受检焊缝周边100 mm左右范围，但决不允许直接加热受检部位。使受检焊缝表面温度升至50℃左右，此过程中产生逆温差，有利于渗透液渗出，形成缺陷显示，显示过程中注意观察显示的变化。评定一般在10~60 min内进行。
        图5~8为ISO 3452-3/I型试块在温差渗透法下的检测结果。实验温度：2℃
        图5为10μm试块；图6为20μm试块；图7为30μm试块；图8为50μm试块

                   图5                     图6

                 图7                                 图8
        形成上述现象的主要原因主要是在进行渗透检测前工件的温度的不同。
        温度与密度有关，密度与气体的体积有关，即温度与气体体积成正比。对工件进行加热，工件温度提高，除了液体分子膨胀，加大了液体对固体的润湿温度，液体表面张力减小，加速了渗透液的渗透能力、渗透加快以外。温度的升高也使表面开口缺陷中气体分增大，使部分气体从缺陷中排出。施加渗透剂后，随着工件降低至环境温度，缺陷内的空气体积也随之减小，渗透剂即可更容易进入缺陷。显像时，当进行加温，工件温度升高后，同样道理，如果显像时施加逆温差，压缩在缺陷内的气体膨胀，使缺陷截留的渗透液最大程度地回渗到工件表面，缺陷显示则更明显，从而提高了细小缺陷检出率。
        对于温差渗透法在某商用核电站反应堆压力容器安全端焊缝渗透检测实际中的应用，在此附上一些照片。
        环境温度2℃        渗透时间：30min        显像时间：30min

图9

图10

                  图11
        总结
        温度对渗透检测灵敏度有很大的影响。我们可以尝试一些方法使渗透检测灵敏度越高，增强渗透检测的灵敏度与可靠性。
        温差法的关键在于制造更大的温差，以更充分地利用气体热力学性质，但其制约因素在于渗透液的高温性能，如果升温过高，反而降低检测灵敏度。前人利用此原理对水基渗透液做过类似尝试，优点是渗透温度可以更高，达90℃~100℃，以制造更大的温差，但由于水基渗透液本身灵敏度较低，总体效果欠佳。
        综上所述，在低温环境下，控制好加热温度，利用温差法进行渗透检测，即在高温时渗透，在低温时显像，然后在高温时观察，能较大程度地提高检测灵敏度，可在北方地区冬季施工中推广。
        参考文献：
        [1] 美国无损检测学会编，《美国无损检测手册》译审委员会译.美国无损检测手册•渗透卷（第1版）[m].上海：世界图书出版社，1992