冬天环境温度对荧光液体渗透探伤灵敏度的影响及解决方案研究

郝友丽 许福东

摘 要：文章对苏州市冬天环境温度下进行液体渗透检测时荧光渗透剂的毛细现象和渗透材料施加后工件表面的降温效应进行了研究，提出了与冬天液体渗透系统灵敏度有关的环境温度改进方法。

关键词：液体渗透探伤；检测温度；毛细现象；灵敏度

中图分类号：TG115.28 文献标志码：A 文章编号：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

液体渗透探伤系统的测量不确定度包含了由于环境温度引起的不确定度分量，有关这方面的评估在ASME V[1]等标准中没有进行精确论述。ASTM E165[2]第8.2节规定液体渗透探伤的环境温度为4～52℃，没有说明为何最低温度不能低于4℃。根据苏州市的有关气象资料，年平均气温15.7℃，最高温度是7月平均28.2℃，最低温度是1月平均3℃，其中4，5，6，7，8，9，10月的平均温度16℃以上。为了解决在低温天气条件下的液体渗透探伤，有必要对低温影响液体渗透探伤灵敏度的机理和改善方法进行研究。

本文对列入美国航空协会标准QPL-SAE-AMS-2644，由美国磁通公司生产的牌号为ITW Magnaflux的SKL-SP2渗透剂、SKD-S2显像剂、SKC-S清洗剂等探伤耗材进行了试验设计，检测了不同低温温度下SKL-SP2渗透剂的毛细能力，发现了在低温下施加不同探伤耗材后由于溶剂挥发的降温现象，揭示了低温天气下液体渗透探伤的灵敏度风险，提出了在苏州市冬天进行液体渗透探伤时工作温度的改进方法。

1 SKL-SP2渗透剂在不同低温溫度下的毛细现象试验

1.1 试验目的

液体渗透探伤是一种以毛细作用原理为基础的检测工件表面开口缺陷的无损检测方法。将荧光渗透剂施加于工件表面，渗透剂在湿润工件表面时，在工件的非贯穿性缺陷内形成柱形液面，产生附加压强，使得渗透液渗入工件开口的细小缺陷中，如图1非贯穿性缺陷内液面高度。

根据波义耳-马略特定律，可推算出渗透液渗入缺陷的深度h为：

h==（1）

式中h：渗透液在缺陷中的深入深度，单位m；

b：缺陷深度，单位m；

p0：大气压，单位N/m2

d：缺陷宽度，单位m；

α：液体表面张力系数，单位N/m；

θ：接触角，单位度。

公式1中，b，p0，d均为与环境温度无关的常量，因此渗透液的渗透深度h是它的液体表面张力系数α和接触角θ两项物理性能的综合反映，很显然这两项指标与渗透耗材及工件的温度有关。由于国内外厂家不提供液体渗透耗材凝固温度等指标，为了在ASTM E165标准规定的4℃左右的气温条件下进行检测，有必要对低温下渗透剂的湿润能力进行试验。在综合考虑试验目的和现有试验设备的前提下，决定进行毛细现象试验。

1.2 试验器材

1.2.1 试剂

渗透液是液体渗透检测的关键材料，为此决定对美国磁通公司的SKL-SP2渗透剂进行检测。

1.2.2 毛细管

理想的毛细管需要具备两个条件：具有细长的内径，材料与被检测工件相同。由于进行检测的工件是碳钢或者合金钢材料，是不透明材料。如果进行精密模拟的话，无论是毛细管的加工还是液面上升高度的检测设备都需要投入较高的成本。因此放弃了精确模拟的想法，改用若干根内孔为1mm的医用注射胶管进行模拟试验。

1.2.3 冷却设备

低温冲击试验机配套的充注酒精的低温槽。该低温槽经过计量校准，在20-80℃的测量量程内，测量不确定度U=1℃，k=2。

1.2.4 夹持设备手持。

1.2.5 温度和尺寸检测设备

酒精温度计、直尺。

1.3 检测方法和检测结果

1.3.1 渗透液毛细现象检测原理，见图2

1.3.2 将适量的SKL-SP2渗透液倒入透明的玻璃烧杯内，放入冲击试验机酒精低温槽内进行冷却，达到规定温度后取出。手持医用胶管，让其一端刚好接触渗透液表面，完成毛细现象后，取出胶管用直尺对吸附的渗透液高度进行检测，如图3所示。

1.3.3 不同温度下美国磁通公司SKL-SP2渗透液毛细现象检测结果，见表1。

根据产品PT检测的历史记录，在苏州市很少出现的-4℃低温天气时，镍铬裂纹试块显像时间大幅度增加。

从表1中可以看出，美国磁通公司的SKL-SP2渗透液在0℃时的质量特性仍然“十分强健”，到了-4℃后其湿润能力开始出现明显下降。

2 美国磁通公司液体渗透探伤耗材挥发后的降温现象

在对渗透剂进行毛细现象试验时，同时发现了渗透剂由于溶剂的挥发而出现的降温现象，试验温度越高，溶剂挥发越激烈，降温程度越高。为此，对清洗剂、渗透剂和显象剂的挥发降温进行了进一步的试验。

2.1 试验设施和器材

2.1.1 实验室

试验在实验室内进行，试验时实验室内测得温度23℃。

2.1.2 试验试剂

美国磁通公司SKL-SP2渗透剂、SKD-S2显像剂、SKC-S清洗剂各一套。

2.1.3 工件

2-1/16寸闸阀闸板3件。

2.1.4 温度检测设备

多功能数显露点仪

2.2 检测结果，见表2

试验结果表明，由于液体渗透探伤耗材中含有有机溶剂，在施加到工件上后，由于溶剂的挥发会造成工件表面温度的下降，清洗剂的降温效应是最显著的，最大高达3.8℃。

2.3 渗透探伤耗材溶剂挥发降温现象的问题思考

ASTM E165-2012标准规定了液体渗透探伤的最低温度是4℃。由于不同品牌的PT耗材有不同的湿润毛细能力，以及施加PT耗材时因为溶剂挥发而导致的降温现象，因此我们不得不思考这样一个问题：在寒冷的12月和元月，如果车间的环境温度是4～5℃，这种温度能否进行PT探伤？如果被检测的工件用于非常重要的航天、核电或者海底设备呢？答案显然是否定的。

3 冬天环境温度PT检测的解决方案

3.1 PT探伤规范

考虑到不同品牌的PT耗材有不同的湿润毛细能力，為了防止其下限正好处在4℃附近，以及防止耗材溶剂挥发降温现象，对于重要工件的PT检测，建议PT探伤规范的工作温度设定为16～52℃，这个温度也是世界上某些著名的石油设备制造商如FMC等的规范规定。

3.2 宜采用能够实现持续加热的设施

不适宜的方法：由于施加PT耗材后，需要保持一段时间才能进行检测，如采用临时的或者局部加热方法，如用加热电风扇对工件进行加温，对PT耗材进行“热水浴”，在冬天寒冷气候条件下以及PT耗材施加后蒸发降温效应，不能可靠地保持工件和PT耗材的温度在16℃以上。

适宜的方法：如前言所述，苏州市一年中有6个月的平均气温在16℃以下，为了有效降低与低温有关的测量不确定度，宜将PT工件和渗透焊材的加热放在配有电加热的烘房进行，如图4所示。

4 结束语

由于试验目的和试验经费等方面的限制，上述试验无法使用与工件材料相同的毛细管进行，试验的精确性不足。同时由于没有对国内外制造商的多种PT耗材进行对比试验，故试验结果没有普遍性，仅仅对美国磁通公司的ITW Magnaflux系列PT耗材有效。这些定性试验结果表明，正如ASTM E165[2]标准名称一样，液体渗透探伤环境温度4～52℃只适合于“一般工业用”，对于检测要求非常高的航天、核电或者海底设备，宜采用环境温度16～52℃。中国气候特点自北而南有寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带等温度带，很多地区有多个月的月平均温度在16℃以下，在这种天气条件下，适宜采用加热暖房等方法，有效保持PT耗材和工件表面温度。

参考文献：

[1]ASME V美国ASME锅炉压力容器规范第五卷[S].无损检测.

[2]ASTM E165一般工业用液体渗透检测的标准方法[S].

[3]无损检测标准应用手册[M].昆明：云南科技出版社.