冬天環(huán)境溫度對熒光液體滲透探傷靈敏度的影響及解決方案研究

郝友麗 許福東

摘 要：文章對蘇州市冬天環(huán)境溫度下進(jìn)行液體滲透檢測時熒光滲透劑的毛細(xì)現(xiàn)象和滲透材料施加后工件表面的降溫效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了與冬天液體滲透系統(tǒng)靈敏度有關(guān)的環(huán)境溫度改進(jìn)方法。

關(guān)鍵詞：液體滲透探傷；檢測溫度；毛細(xì)現(xiàn)象；靈敏度

中圖分類號：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0011-03

Abstract： In this paper， the capillary phenomenon of fluorescent penetrant and the cooling effect of the surface of the workpiece after the permeating material were applied were studied under the ambient temperature of Suzhou in winter. A method for improving the ambient temperature related to the sensitivity of the liquid permeation system in winter is proposed.

Keywords： liquid osmotic testing； temperature； capillary phenomenon； sensitivity.

前言

液體滲透探傷系統(tǒng)的測量不確定度包含了由于環(huán)境溫度引起的不確定度分量，有關(guān)這方面的評估在ASME V[1]等標(biāo)準(zhǔn)中沒有進(jìn)行精確論述。ASTM E165[2]第8.2節(jié)規(guī)定液體滲透探傷的環(huán)境溫度為4～52℃，沒有說明為何最低溫度不能低于4℃。根據(jù)蘇州市的有關(guān)氣象資料，年平均氣溫15.7℃，最高溫度是7月平均28.2℃，最低溫度是1月平均3℃，其中4，5，6，7，8，9，10月的平均溫度16℃以上。為了解決在低溫天氣條件下的液體滲透探傷，有必要對低溫影響液體滲透探傷靈敏度的機(jī)理和改善方法進(jìn)行研究。

本文對列入美國航空協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)QPL-SAE-AMS-2644，由美國磁通公司生產(chǎn)的牌號為ITW Magnaflux的SKL-SP2滲透劑、SKD-S2顯像劑、SKC-S清洗劑等探傷耗材進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，檢測了不同低溫溫度下SKL-SP2滲透劑的毛細(xì)能力，發(fā)現(xiàn)了在低溫下施加不同探傷耗材后由于溶劑揮發(fā)的降溫現(xiàn)象，揭示了低溫天氣下液體滲透探傷的靈敏度風(fēng)險，提出了在蘇州市冬天進(jìn)行液體滲透探傷時工作溫度的改進(jìn)方法。

1 SKL-SP2滲透劑在不同低溫溫度下的毛細(xì)現(xiàn)象試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

液體滲透探傷是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢測工件表面開口缺陷的無損檢測方法。將熒光滲透劑施加于工件表面，滲透劑在濕潤工件表面時，在工件的非貫穿性缺陷內(nèi)形成柱形液面，產(chǎn)生附加壓強(qiáng)，使得滲透液滲入工件開口的細(xì)小缺陷中，如圖1非貫穿性缺陷內(nèi)液面高度。

根據(jù)波義耳-馬略特定律，可推算出滲透液滲入缺陷的深度h為：

h==（1）

式中h：滲透液在缺陷中的深入深度，單位m；

b：缺陷深度，單位m；

p0：大氣壓，單位N/m2

d：缺陷寬度，單位m；

α：液體表面張力系數(shù)，單位N/m；

θ：接觸角，單位度。

公式1中，b，p0，d均為與環(huán)境溫度無關(guān)的常量，因此滲透液的滲透深度h是它的液體表面張力系數(shù)α和接觸角θ兩項(xiàng)物理性能的綜合反映，很顯然這兩項(xiàng)指標(biāo)與滲透耗材及工件的溫度有關(guān)。由于國內(nèi)外廠家不提供液體滲透耗材凝固溫度等指標(biāo)，為了在ASTM E165標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4℃左右的氣溫條件下進(jìn)行檢測，有必要對低溫下滲透劑的濕潤能力進(jìn)行試驗(yàn)。在綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康暮同F(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備的前提下，決定進(jìn)行毛細(xì)現(xiàn)象試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)器材

1.2.1 試劑

滲透液是液體滲透檢測的關(guān)鍵材料，為此決定對美國磁通公司的SKL-SP2滲透劑進(jìn)行檢測。

1.2.2 毛細(xì)管

理想的毛細(xì)管需要具備兩個條件：具有細(xì)長的內(nèi)徑，材料與被檢測工件相同。由于進(jìn)行檢測的工件是碳鋼或者合金鋼材料，是不透明材料。如果進(jìn)行精密模擬的話，無論是毛細(xì)管的加工還是液面上升高度的檢測設(shè)備都需要投入較高的成本。因此放棄了精確模擬的想法，改用若干根內(nèi)孔為1mm的醫(yī)用注射膠管進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

1.2.3 冷卻設(shè)備

低溫沖擊試驗(yàn)機(jī)配套的充注酒精的低溫槽。該低溫槽經(jīng)過計(jì)量校準(zhǔn)，在20-80℃的測量量程內(nèi)，測量不確定度U=1℃，k=2。

1.2.4 夾持設(shè)備手持。

1.2.5 溫度和尺寸檢測設(shè)備

酒精溫度計(jì)、直尺。

1.3 檢測方法和檢測結(jié)果

1.3.1 滲透液毛細(xì)現(xiàn)象檢測原理，見圖2

1.3.2 將適量的SKL-SP2滲透液倒入透明的玻璃燒杯內(nèi)，放入沖擊試驗(yàn)機(jī)酒精低溫槽內(nèi)進(jìn)行冷卻，達(dá)到規(guī)定溫度后取出。手持醫(yī)用膠管，讓其一端剛好接觸滲透液表面，完成毛細(xì)現(xiàn)象后，取出膠管用直尺對吸附的滲透液高度進(jìn)行檢測，如圖3所示。

1.3.3 不同溫度下美國磁通公司SKL-SP2滲透液毛細(xì)現(xiàn)象檢測結(jié)果，見表1。

根據(jù)產(chǎn)品PT檢測的歷史記錄，在蘇州市很少出現(xiàn)的-4℃低溫天氣時，鎳鉻裂紋試塊顯像時間大幅度增加。

從表1中可以看出，美國磁通公司的SKL-SP2滲透液在0℃時的質(zhì)量特性仍然“十分強(qiáng)健”，到了-4℃后其濕潤能力開始出現(xiàn)明顯下降。

2 美國磁通公司液體滲透探傷耗材揮發(fā)后的降溫現(xiàn)象

在對滲透劑進(jìn)行毛細(xì)現(xiàn)象試驗(yàn)時，同時發(fā)現(xiàn)了滲透劑由于溶劑的揮發(fā)而出現(xiàn)的降溫現(xiàn)象，試驗(yàn)溫度越高，溶劑揮發(fā)越激烈，降溫程度越高。為此，對清洗劑、滲透劑和顯象劑的揮發(fā)降溫進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)施和器材

2.1.1 實(shí)驗(yàn)室

試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測得溫度23℃。

2.1.2 試驗(yàn)試劑

美國磁通公司SKL-SP2滲透劑、SKD-S2顯像劑、SKC-S清洗劑各一套。

2.1.3 工件

2-1/16寸閘閥閘板3件。

2.1.4 溫度檢測設(shè)備

多功能數(shù)顯露點(diǎn)儀

2.2 檢測結(jié)果，見表2

試驗(yàn)結(jié)果表明，由于液體滲透探傷耗材中含有有機(jī)溶劑，在施加到工件上后，由于溶劑的揮發(fā)會造成工件表面溫度的下降，清洗劑的降溫效應(yīng)是最顯著的，最大高達(dá)3.8℃。

2.3 滲透探傷耗材溶劑揮發(fā)降溫現(xiàn)象的問題思考

ASTM E165-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了液體滲透探傷的最低溫度是4℃。由于不同品牌的PT耗材有不同的濕潤毛細(xì)能力，以及施加PT耗材時因?yàn)槿軇]發(fā)而導(dǎo)致的降溫現(xiàn)象，因此我們不得不思考這樣一個問題：在寒冷的12月和元月，如果車間的環(huán)境溫度是4～5℃，這種溫度能否進(jìn)行PT探傷？如果被檢測的工件用于非常重要的航天、核電或者海底設(shè)備呢？答案顯然是否定的。

3 冬天環(huán)境溫度PT檢測的解決方案

3.1 PT探傷規(guī)范

考慮到不同品牌的PT耗材有不同的濕潤毛細(xì)能力，為了防止其下限正好處在4℃附近，以及防止耗材溶劑揮發(fā)降溫現(xiàn)象，對于重要工件的PT檢測，建議PT探傷規(guī)范的工作溫度設(shè)定為16～52℃，這個溫度也是世界上某些著名的石油設(shè)備制造商如FMC等的規(guī)范規(guī)定。

3.2 宜采用能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)加熱的設(shè)施

不適宜的方法：由于施加PT耗材后，需要保持一段時間才能進(jìn)行檢測，如采用臨時的或者局部加熱方法，如用加熱電風(fēng)扇對工件進(jìn)行加溫，對PT耗材進(jìn)行“熱水浴”，在冬天寒冷氣候條件下以及PT耗材施加后蒸發(fā)降溫效應(yīng)，不能可靠地保持工件和PT耗材的溫度在16℃以上。

適宜的方法：如前言所述，蘇州市一年中有6個月的平均氣溫在16℃以下，為了有效降低與低溫有關(guān)的測量不確定度，宜將PT工件和滲透焊材的加熱放在配有電加熱的烘房進(jìn)行，如圖4所示。

4 結(jié)束語

由于試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)經(jīng)費(fèi)等方面的限制，上述試驗(yàn)無法使用與工件材料相同的毛細(xì)管進(jìn)行，試驗(yàn)的精確性不足。同時由于沒有對國內(nèi)外制造商的多種PT耗材進(jìn)行對比試驗(yàn)，故試驗(yàn)結(jié)果沒有普遍性，僅僅對美國磁通公司的ITW Magnaflux系列PT耗材有效。這些定性試驗(yàn)結(jié)果表明，正如ASTM E165[2]標(biāo)準(zhǔn)名稱一樣，液體滲透探傷環(huán)境溫度4～52℃只適合于“一般工業(yè)用”，對于檢測要求非常高的航天、核電或者海底設(shè)備，宜采用環(huán)境溫度16～52℃。中國氣候特點(diǎn)自北而南有寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶等溫度帶，很多地區(qū)有多個月的月平均溫度在16℃以下，在這種天氣條件下，適宜采用加熱暖房等方法，有效保持PT耗材和工件表面溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]ASME V美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第五卷[S].無損檢測.

[2]ASTM E165一般工業(yè)用液體滲透檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法[S].

[3]無損檢測標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊[M].昆明：云南科技出版社.