冬天環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境溫度下進行液體滲透檢測時熒光滲透劑的毛細現象和滲透材料施加后工件表面的降溫效應進行了研究，提出了與冬天液體滲透系統靈敏度有關的環境溫度改進方法。

關鍵詞：液體滲透探傷；檢測溫度；毛細現象；靈敏度

中圖分類號：TG115.28 文獻標志碼：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

液體滲透探傷系統的測量不確定度包含了由于環境溫度引起的不確定度分量，有關這方面的評估在ASME V[1]等標準中沒有進行精確論述。ASTM E165[2]第8.2節規定液體滲透探傷的環境溫度為4～52℃，沒有說明為何最低溫度不能低于4℃。根據蘇州市的有關氣象資料，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理和改善方法進行研究。

本文對列入美國航空協會標準QPL-SAE-AMS-2644，由美國磁通公司生產的牌號為ITW Magnaflux的SKL-SP2滲透劑、SKD-S2顯像劑、SKC-S清洗劑等探傷耗材進行了試驗設計，檢測了不同低溫溫度下SKL-SP2滲透劑的毛細能力，發現了在低溫下施加不同探傷耗材后由于溶劑揮發的降溫現象，揭示了低溫天氣下液體滲透探傷的靈敏度風險，提出了在蘇州市冬天進行液體滲透探傷時工作溫度的改進方法。

1 SKL-SP2滲透劑在不同低溫溫度下的毛細現象試驗

1.1 試驗目的

液體滲透探傷是一種以毛細作用原理為基礎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形成柱形液面，產生附加壓強，使得滲透液滲入工件開口的細小缺陷中，如圖1非貫穿性缺陷內液面高度。

根據波義耳-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，單位N/m；

θ：接觸角，單位度。

公式1中，b，p0，d均為與環境溫度無關的常量，因此滲透液的滲透深度h是它的液體表面張力系數α和接觸角θ兩項物理性能的綜合反映，很顯然這兩項指標與滲透耗材及工件的溫度有關。由于國內外廠家不提供液體滲透耗材凝固溫度等指標，為了在ASTM E165標準規定的4℃左右的氣溫條件下進行檢測，有必要對低溫下滲透劑的濕潤能力進行試驗。在綜合考慮試驗目的和現有試驗設備的前提下，決定進行毛細現象試驗。

1.2 試驗器材

1.2.1 試劑

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

1.2.2 毛細管

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

1.2.3 冷卻設備

低溫沖擊試驗機配套的充注酒精的低溫槽。該低溫槽經過計量校準，在20-80℃的測量量程內，測量不確定度U=1℃，k=2。

1.2.4 夾持設備手持。

1.2.5 溫度和尺寸檢測設備

酒精溫度計、直尺。

1.3 檢測方法和檢測結果

1.3.1 滲透液毛細現象檢測原理，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，放入沖擊試驗機酒精低溫槽內進行冷卻，達到規定溫度后取出。手持醫用膠管，讓其一端剛好接觸滲透液表面，完成毛細現象后，取出膠管用直尺對吸附的滲透液高度進行檢測，如圖3所示。

1.3.3 不同溫度下美國磁通公司SKL-SP2滲透液毛細現象檢測結果，見表1。

根據產品PT檢測的歷史記錄，在蘇州市很少出現的-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℃時的質量特性仍然“十分強健”，到了-4℃后其濕潤能力開始出現明顯下降。

2 美國磁通公司液體滲透探傷耗材揮發后的降溫現象

在對滲透劑進行毛細現象試驗時，同時發現了滲透劑由于溶劑的揮發而出現的降溫現象，試驗溫度越高，溶劑揮發越激烈，降溫程度越高。為此，對清洗劑、滲透劑和顯象劑的揮發降溫進行了進一步的試驗。

2.1 試驗設施和器材

2.1.1 實驗室

試驗在實驗室內進行，試驗時實驗室內測得溫度23℃。

2.1.2 試驗試劑

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 溫度檢測設備

多功能數顯露點儀

2.2 檢測結果，見表2

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

2.3 滲透探傷耗材溶劑揮發降溫現象的問題思考

ASTM E165-2012標準規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能力，以及施加PT耗材時因為溶劑揮發而導致的降溫現象，因此我們不得不思考這樣一個問題：在寒冷的12月和元月，如果車間的環境溫度是4～5℃，這種溫度能否進行PT探傷？如果被檢測的工件用于非常重要的航天、核電或者海底設備呢？答案顯然是否定的。

3 冬天環境溫度PT檢測的解決方案

3.1 PT探傷規范

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

3.2 宜采用能夠實現持續加熱的設施

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行檢測，如采用臨時的或者局部加熱方法，如用加熱電風扇對工件進行加溫，對PT耗材進行“熱水浴”，在冬天寒冷氣候條件下以及PT耗材施加后蒸發降溫效應，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行，如圖4所示。

4 結束語

由于試驗目的和試驗經費等方面的限制，上述試驗無法使用與工件材料相同的毛細管進行，試驗的精確性不足。同時由于沒有對國內外制造商的多種PT耗材進行對比試驗，故試驗結果沒有普遍性，僅僅對美國磁通公司的ITW Magnaflux系列PT耗材有效。這些定性試驗結果表明，正如ASTM E165[2]標準名稱一樣，液體滲透探傷環境溫度4～52℃只適合于“一般工業用”，對于檢測要求非常高的航天、核電或者海底設備，宜采用環境溫度16～52℃。中國氣候特點自北而南有寒溫帶、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：

[1]ASME V美國ASME鍋爐壓力容器規范第五卷[S].無損檢測.

[2]ASTM E165一般工業用液體滲透檢測的標準方法[S].

[3]無損檢測標準應用手冊[M].昆明：云南科技出版社.