滲透檢測(cè)在換熱器管板上的應(yīng)用和影響因素分析

    管板式換熱器是煉油化工行業(yè)采用最多的熱交換設(shè)備。換熱器芯子在制作過程中必須按受壓設(shè)備的要求進(jìn)行制作，管束管子的無損檢測(cè)基本上可以采用與殼體相同的方法，但對(duì)于換熱器管板的無損檢測(cè)，必須要對(duì)幾種常規(guī)檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，然后結(jié)合檢測(cè)設(shè)備能力來決定檢測(cè)方法的選用。
    1·換熱器管板角接接頭的特點(diǎn)和無損檢測(cè)方法的選擇
    （1）換熱器管板角接接頭之間的距離比較小，且和管板之間的貼合比較緊密。采用常規(guī)的磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)無法保證磁極和探頭具有良好的接觸耦合，使得磁通和超聲波束無法進(jìn)入被檢工件中。磁粉檢測(cè)的觸頭法可用，但容易造成打火燒傷，影響密封性能。
    （2）換熱器管板角接接頭的另一特點(diǎn)是管板厚，管子管徑小且管壁比較薄，二者之間的厚度差比較大。采用常規(guī)的射線檢測(cè)方法，散射比較嚴(yán)重，盡管采用微小的Ir192放射源，再加上一些特殊的工藝可以保證底片影像質(zhì)量，但考慮到管板角接接頭數(shù)量大、檢測(cè)效率低和安全問題，采用這種方法的幾率還是很低的。
    （3）結(jié)合上述分析和檢測(cè)設(shè)備能力，對(duì)于換熱器管板角接接頭的無損檢測(cè)，多采用的是滲透檢測(cè)。
    2·工藝制造對(duì)滲透檢測(cè)靈敏度影響的關(guān)鍵因素
    滲透檢測(cè)的靈敏度主要取決于滲入缺陷內(nèi)的滲透量及其保留在缺陷內(nèi)滲透劑的數(shù)量。而換熱器管板在制造過程中采用的工藝，存在著諸多特殊因素而影響滲透劑的滲入和截留量。
    2.1焊接控制
    （1）焊接方法采用的是全自動(dòng)熔化極MIG焊，焊縫致密光滑，但焊絲采用的是0.8 mm的H08Mn2SiA，為了保證焊后脹接過程中焊接接頭不被拉開，焊接時(shí)采用的電流比較大，保證了焊縫的熔深，但卻使得焊接接頭的熱輸入大，焊接接頭存在著較大的內(nèi)應(yīng)力，從而減小了焊接接頭中開口缺陷的寬度或容積，使?jié)B透檢測(cè)時(shí)開口缺陷內(nèi)不能滲進(jìn)足量的滲透液。
    （2）焊接時(shí)為了防止焊接飛濺對(duì)密封槽密封性能的影響，要在焊縫的邊緣涂上一層揮發(fā)性較強(qiáng)的顆粒懸浮液，此時(shí)若表面開口缺陷寬度過大，會(huì)使顆粒物進(jìn)入缺陷，堵塞缺陷而使?jié)B透液無法進(jìn)入缺陷中去。
    2.2焊后脹接工藝
    為了減小使用過程中介質(zhì)對(duì)換熱器的間隙腐蝕，換熱器管板在鉆制過程中，都已經(jīng)對(duì)孔徑尺寸進(jìn)行了嚴(yán)格控制；制造過程中采用了焊后脹的工藝，基本上已經(jīng)減少了間隙的尺寸并排出了管板和管子之間的空氣，這使得滲透檢測(cè)時(shí)，開口缺陷內(nèi)不能滲進(jìn)足量的滲透液。
    2.3水壓試驗(yàn)
    換熱器芯子在制作完畢后要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，此時(shí)在管板表面會(huì)產(chǎn)生銹蝕，覆蓋在管板表面和缺陷內(nèi)部，堵塞和填塞表面開口缺陷，盡管在滲透檢測(cè)前對(duì)表面銹蝕要進(jìn)行處理，但缺陷內(nèi)部的銹蝕和其它填塞物卻很難去除，使?jié)B透液無法進(jìn)入或影響滲透量。
    2.4管板表面污染程度
    管板焊接后在脹接過程中，為了減少摩擦，脹接前要在管口內(nèi)壁先涂上一層黃油。在脹接過程中和脹后拔脹頭時(shí)，黃油很容易覆蓋在表面開口缺陷上，再加上脹接過程中的發(fā)熱，使黃油的粘度值降低，黃油會(huì)在短時(shí)間內(nèi)滲透到焊接接頭的表面開口缺陷中，影響滲透劑的滲入量。
    2.5制造工藝造成的不同缺陷的開口寬度的影響
    主要分析表面開口缺陷的尺寸對(duì)滲透劑滲入量的影響。
    在管板角接接頭的制造焊接過程中，由于采用的是氣體保護(hù)焊，并在焊后進(jìn)行脹接，使得裂紋和氣孔出現(xiàn)幾率最高。以常見裂紋為例，有貫穿性裂紋和非貫穿性裂紋。非貫穿性裂紋在滲透時(shí)容易封閉氣體，導(dǎo)致隨著滲透量的增加，密封壓強(qiáng)增大，從而影響缺陷內(nèi)滲透量。現(xiàn)以裂紋模型理論推導(dǎo)滲透液滲入高度。
    設(shè)有一非貫穿性裂紋鉛直開口向上，長(zhǎng)a、寬b、深H。經(jīng)過一段時(shí)間后，被密封的氣體達(dá)到平衡狀態(tài)，滲透液滲入高度為h（h＜H）。以滲入的液體受力分析：有大氣壓強(qiáng)P0和彎曲液面附加壓力（2（a+b）αcosθ），α為液體的表面張力系數(shù)，θ為接觸角，被密封氣體壓強(qiáng)為P1，假設(shè)滲透前后裂紋內(nèi)被封閉氣體溫度和質(zhì)量均不改變，由熱力學(xué)定律得：
    P0abH=P（1H-h）ab（1）
    即P1=P0H（/H-h）
    若不考慮液體密度，滲透停止，滲透作用停止，液體鉛直方向受力平衡有：
    P0ab+2（a+b）αcosθ=P1ab
    整理后為：
    h=2H（a+b）αcosθ〔/2（a+b）αcosθ+P0ab〕（2）
    即h=H〔/1+P0ab〔/2（a+b）αcosθ〕
    若a≥b（實(shí)際裂紋開口很窄），則b/a→0
    故h=H〔/1+P0b/2αcosθ〕（3）
    從式（3）可以看出，當(dāng)外界空氣大氣壓強(qiáng)P0一定時(shí)，滲透液靜態(tài)滲透參量αcosθ確定后，裂紋模型滲透液爬高h(yuǎn)與裂紋深度H和寬度b有關(guān)。同理可以推導(dǎo)出表面開口的氣孔類缺陷（和半通毛細(xì)管類似）液柱的高度為：
    h=H〔/1+P0r/2αcosθ〕（4）
    而通孔毛細(xì)管根據(jù)液柱自重與張力平衡，
    即πr2ρgh=2πrαcosθ
    求解得h=2αcosθ/ρgr（5）
    式中r—毛細(xì)管內(nèi)徑，g—重力加速度，ρ—液體密度。半通與通孔毛細(xì)管表達(dá)式之所以不同，是由于半通毛細(xì)管中液柱封閉氣體，根據(jù)封閉氣體壓力與張力和大氣壓力平衡求解得h。
    由上述的計(jì)算不難看出，角接接頭上的缺陷是否貫通及缺陷的開口寬度對(duì)滲透劑的截留量有影響。同時(shí)，由式（3）、（4）可以看出半通缺陷和貫通缺陷的滲透液滲入高度是有區(qū)別的。所以在滲透前應(yīng)首先了解被檢工件缺陷大致類型，確定滲透方式和滲透時(shí)間，其次將預(yù)處理工件加熱，降低缺陷內(nèi)部空氣密度。缺陷內(nèi)部空氣遇冷時(shí)，壓強(qiáng)降低，有利于滲透液的滲入。在滲透時(shí)將工件適當(dāng)震動(dòng)，排除缺陷內(nèi)氣體，也有利于增大滲入量。
    3·滲透檢測(cè)劑影響因素
    3.1滲透檢測(cè)工藝方法和滲透檢測(cè)劑的選擇
    由于管板焊接接頭數(shù)量多且比較密集，而且焊接工藝的正確選擇使得角接接頭的焊縫表面光滑，很少有咬邊、凹坑飛濺等影響滲透檢測(cè)的外觀缺陷，再加上管板采用的是機(jī)加工工藝，表面比較光滑，因此在顯像時(shí)采用濕法顯像。另外，由于表面開口缺陷的開口寬度受制造工藝的影響而比較小，而且管板檢測(cè)大部分屬于立式檢測(cè)，因此選擇滲透劑時(shí)要選擇滲透能力比較強(qiáng)、粘度比較高的滲透劑。由于管板表面開口缺陷的內(nèi)部容積比較小，為了保證足夠的截留量，必須考慮采用的去除方法要保證滲透劑的截留量。綜合各方面的因素，針對(duì)換熱器管板角接接頭的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)比較多，采用了溶劑去除型著色滲透檢測(cè)，顯像方法為溶劑懸浮式濕式顯像。
    3.2滲透檢測(cè)劑的影響因素
    3.2.1滲透劑應(yīng)具備的特性分析和選擇表面張力取決于表面張力系數(shù)α，接觸角θ則表征滲透劑對(duì)工件表面或缺陷的潤(rùn)濕能力。滲透液材料性能好壞常用靜態(tài)滲透參量SPP=αcosθ和動(dòng)態(tài)滲透參量KPP=（αcosθ）/η來表征。
    （1）靜態(tài)滲透參量SPP的物理意義
    SPP是表征滲透液滲透能力的物理量。常用理想半徑為r的毛細(xì)管滲透液柱的高度h=（2αcosθ）/rρg（ρ為滲透液密度）來衡量。該式在不考慮液體內(nèi)摩擦力情況下，毛細(xì)管的SPP（滲透液與毛細(xì)管接觸角θ≤50°，cosθ≈1）越大，毛細(xì)管半徑越小，克服液柱自重上升的高度越大，表示滲透液滲透能力越強(qiáng)。
    （2）動(dòng)態(tài)滲透參量KPP的物理意義
    KPP是表征滲透液滲透速率的物理量，它反映的是要求受檢工件浸入滲透劑的時(shí)間。
    通過二者的物理意義分析，不難發(fā)現(xiàn)，在管板角接接頭的滲透檢測(cè)中，由于缺陷的開口寬度（r）比較小且是固定的，g為常量重力加速度，此時(shí)選擇滲透劑時(shí)只要考慮表面張力系數(shù)α、接觸角θ和滲透劑的密度ρ這3個(gè)參量選擇合適，就會(huì)使?jié)B透劑液柱的高度更高，即保證滲透劑滲入的量更多。同時(shí)，由于采用的是立式法滲透，既要保證很好的粘附力，又要保證一定的滲透速度，此時(shí)采用折中的辦法，既不采用水洗型滲透劑，也不采用后乳化型滲透劑，而是選用了具有一定揮發(fā)性的溶劑油基滲透劑（不含乳化劑）。
    3.2.2去除劑應(yīng)具備的特性分析和選擇
    去除劑的主要功能是必須滿足在去除過程中，剛好去除工件表面多余的滲透劑，而又不將已經(jīng)滲入缺陷內(nèi)部的滲透劑清洗出來。因此，所選取的去除劑不僅粘度要適中，還要具有與滲透劑及滲透劑中的染料相容且溶解要適度，同時(shí)還要具有不污染已經(jīng)滲入缺陷中的滲透劑的特性。其次要考慮去除能力和去除后在工件表面所留下來的底色。結(jié)合所選擇的滲透劑類型和焊縫所處的檢驗(yàn)位置，選取溶劑去除劑進(jìn)行去除。在去除過程中嚴(yán)格執(zhí)行JB/T4730所規(guī)定的操作方法（擦除+溶劑擦除），基本上能夠滿足顯像時(shí)所需要的性能。
    3.2.3顯像劑應(yīng)具備的特性分析和選擇
    所選取的顯像劑不僅能夠?qū)⑷毕葜械臐B透劑吸附出來，而且還要使其對(duì)吸附上來的滲透劑具有橫向擴(kuò)展的能力，同時(shí)還必須具有能夠?yàn)槿毕莸默F(xiàn)實(shí)提供1個(gè)對(duì)比度比較高的反差背景。結(jié)合管板角接接頭大部分在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其表面狀況、易出現(xiàn)缺陷的性質(zhì)和它特有的加工制造工藝，選擇顯像靈敏度最高的溶劑懸浮式顯像劑，溶劑應(yīng)該具有很高的揮發(fā)能力。
    4·其他操作因素的影響
    在整個(gè)滲透檢測(cè)過程中，對(duì)工件的預(yù)處理方法、滲透時(shí)的時(shí)間和溫度、去除多余滲透劑時(shí)操作者的手法、顯像后的觀察條件及其操作觀察者自身的綜合素質(zhì)能力等因素，均影響著滲透檢測(cè)的靈敏度，結(jié)合JB/T4730的要求來通過對(duì)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的豐富基本上可以把它們的影響降低到最低限度，使?jié)B透檢測(cè)的靈敏度得到一定程度的提高，確保滲透檢測(cè)的可靠性。
    5·結(jié)束語
    滲透方法檢驗(yàn)缺陷能力不僅與被檢工件的材料、加工方法和表面狀態(tài)有關(guān)，而且與缺陷深度、寬度和外界大氣壓有關(guān)，還與缺陷的空間位置及是否貫穿有關(guān)。同時(shí)，還與選取的滲透檢測(cè)劑的類型及操作過程中的相關(guān)因素都有著極大的關(guān)系。對(duì)于同樣材料和同樣的缺陷，如果任何一個(gè)因素的改變，都可以導(dǎo)致出現(xiàn)不同的檢測(cè)結(jié)果。