真空罩氣泡法泄漏檢驗(yàn)技術(shù)研究

李宜全+楊崇安

摘 要：真空罩氣泡法泄漏檢驗(yàn)技術(shù)原理簡(jiǎn)單，易于掌握，但是對(duì)檢驗(yàn)實(shí)施要求較高，為最大限度減低檢驗(yàn)的漏檢率和提高檢驗(yàn)工作效率，應(yīng)根據(jù)人體工程學(xué)、照明技術(shù)在設(shè)備上進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)、熱成像技術(shù)，對(duì)檢驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)在技術(shù)方面進(jìn)行完善，以此最大限度減低檢驗(yàn)的漏檢率和提高檢驗(yàn)工作效率。

關(guān)鍵詞：真空罩氣泡法；泄漏檢驗(yàn)；優(yōu)化；創(chuàng)新；漏檢率；工作效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.195

0 前言

真空罩氣泡法泄漏檢驗(yàn)主要應(yīng)用于不能直接加壓的壓力界面的泄漏位置檢驗(yàn)，其方法是在界面的局部區(qū)域的兩側(cè)形成一個(gè)壓力差，使施加于壓力界面這一局部區(qū)域的溶液，因有泄漏的氣體通過而形成氣泡。

真空罩氣泡法泄漏檢驗(yàn)技術(shù)原理簡(jiǎn)單，易于掌握，在實(shí)際檢驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際的實(shí)施過程中，因設(shè)備和操作技術(shù)的原因會(huì)造成漏檢，同時(shí)檢驗(yàn)工作效率較低，為此必須優(yōu)化檢驗(yàn)設(shè)備，完善檢驗(yàn)技術(shù)，并引入新技術(shù)才能最大限度減低漏檢率，提高檢驗(yàn)工作效率。

1 優(yōu)化檢驗(yàn)設(shè)備

1.1 真空罩的設(shè)計(jì)和制造

1.1.1 真空罩的規(guī)格

真空罩的尺寸和形狀應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。但對(duì)于檢驗(yàn)設(shè)備優(yōu)化而言，其具體的規(guī)格尺寸應(yīng)根據(jù)檢驗(yàn)技術(shù)和人體工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以長(zhǎng)方體形狀的真空罩為例，對(duì)其設(shè)備的進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)。

人眼的視角是有限的。一般而言，映在人眼視網(wǎng)膜上的圖像，只有中心部分能分辨清楚，這叫分辨視域，約15度。從十幾度到30度之間則稱為有效視域，在有效視域內(nèi)檢驗(yàn)人員能立刻看清物體的存在和有什么動(dòng)作，且不需要轉(zhuǎn)動(dòng)頭部才能辨別清楚的程度。為了達(dá)到檢驗(yàn)人員能夠時(shí)刻觀察檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的任何氣泡的微小變化同時(shí)提高工作效率。真空罩的兩端與檢驗(yàn)人員眼睛的夾角設(shè)計(jì)為30度。

根據(jù)人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)檢驗(yàn)人員雙手持真空罩進(jìn)行扣壓動(dòng)作時(shí)，檢驗(yàn)人員的雙眼距真空罩的距離一般在600mm，同時(shí)符合檢驗(yàn)人員眼睛距被檢表面的距離不超過610mm[1]的要求。由此確定檢驗(yàn)人員和真空罩的最大觀察距離設(shè)定為600mm。由最大觀察距離和最大的有效視角，計(jì)算出真空罩的最大設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約為320mm。

用于焊縫檢驗(yàn)的真空罩寬度應(yīng)根據(jù)焊縫寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)。真空罩寬度為焊縫寬度加上兩側(cè)的側(cè)向泄漏氣流干擾區(qū)長(zhǎng)度（約為100mm）。為使真空罩具有廣泛的通用性，一般真空罩的設(shè)計(jì)寬度為130mm。

用于板材檢驗(yàn)的真空罩寬度應(yīng)根據(jù)人眼的視角特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般而言，人眼的視角范圍長(zhǎng)寬比為16：9，真空罩的設(shè)計(jì)長(zhǎng)寬比盡量為16：9，這樣真空罩的檢驗(yàn)區(qū)正好可以適應(yīng)人眼的視角范圍，不會(huì)浪費(fèi)，也不會(huì)溢出。一般真空罩的設(shè)計(jì)寬度為180mm。

真空罩的高度應(yīng)盡量小，其直接優(yōu)點(diǎn)是可以降低真空泵抽速的要求。同時(shí)能夠?yàn)闄z驗(yàn)人員提供更好的觀察條件。真空罩的高度由放氣閥和照明光源的位置及尺寸決定。

在實(shí)際檢驗(yàn)中，可以根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)幾種不同規(guī)格的真空罩，以便于現(xiàn)場(chǎng)使用。以上的設(shè)計(jì)尺寸是為保證檢驗(yàn)人員能過時(shí)刻觀察檢驗(yàn)區(qū)域的變化，設(shè)備優(yōu)化的主要目的是為最大限度減低檢驗(yàn)漏檢率提供條件。

1.1.2 密封墊圈

真空罩敞開底面的邊緣安裝的密封條應(yīng)給予充分的重視，良好的密封性能可以提高檢驗(yàn)效率。應(yīng)使用彈性好且柔軟的材料作為密封條，并進(jìn)行多層間隔設(shè)計(jì)。良好密封能有效減少側(cè)向泄漏形成的干擾氣泡或干擾氣流。為更有效減少側(cè)向泄漏氣干擾區(qū)，可在距密封墊圈10mm內(nèi)側(cè)增設(shè)漏氣阻隔墻，進(jìn)一步減少側(cè)向漏氣形成的干擾氣泡或干擾氣流。

1.1.3 真空罩中的光源

真空罩中的光源主要為操作人員提供照明，由于氣泡為突起的透明薄膜，如果光源的照明方式不當(dāng)，將不利于檢驗(yàn)人員觀察到氣泡的微小變化。根據(jù)目視檢驗(yàn)中照明技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，暗場(chǎng)照明方式可以為檢驗(yàn)人員提供更有效的照明光線。真空罩中的光源設(shè)計(jì)為暗場(chǎng)照明方式。

作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，需檢驗(yàn)零件的表面溫度在檢驗(yàn)的全過程中應(yīng)不低于 40 下（ 4 ℃ ），也不高于 125OF （ 52 ℃ ）。[2]所以在光源的選擇上不宜選用發(fā)熱量較高的鎢絲燈或鹵素?zé)舻裙庠?，?yīng)選用體積小、亮度大、幾乎無熱量散發(fā)的發(fā)光二極管作為照明光源。 發(fā)光二極管的布設(shè)和數(shù)量應(yīng)為被檢表面的每個(gè)區(qū)域提供至少要有 100fc （1000LX ） 的照度。

為給檢驗(yàn)人員提供測(cè)量依據(jù)，在照明上應(yīng)增加具有參考測(cè)量的二維結(jié)構(gòu)光束，結(jié)構(gòu)光可以為條形或網(wǎng)格。

1.1.4 真空罩上的閥門

為了達(dá)到調(diào)節(jié)真空罩內(nèi)真空度的要求，在真空罩內(nèi)應(yīng)安裝氣體節(jié)流閥。但是進(jìn)入真空罩內(nèi)的氣體會(huì)不可避免對(duì)氣泡的形成產(chǎn)生影響，節(jié)流閥應(yīng)安裝在真空罩附近的真空管上。為移除真空罩方便，還應(yīng)在真空罩上安裝放氣閥，以便于向真空罩內(nèi)發(fā)氣。該方案可以有效避免通過節(jié)流閥進(jìn)入的空氣形成的擾流，同時(shí)又能有效降低真空罩高度。

1.1.5 真空罩上的觀察窗口

真空罩上的觀察窗口應(yīng)具有良好的透光率，同時(shí)應(yīng)能夠承受1Bar的大氣壓力而不能產(chǎn)生破裂。

1.2 起泡液性能要求

在檢驗(yàn)實(shí)施前應(yīng)確認(rèn)起泡液不能對(duì)被檢部件產(chǎn)生腐蝕作用，起泡液應(yīng)在被檢驗(yàn)區(qū)產(chǎn)生一層不易脫離的薄膜，而且所形成的起泡不應(yīng)因空氣煩躁作用或因表面張力地而迅速破碎。涂敷時(shí)所形成的氣泡數(shù)量應(yīng)盡量少，以免出現(xiàn)溶液中的氣泡和通過焊縫缺陷形成的起泡難以區(qū)別的問題。

1.3 計(jì)量設(shè)備-真空表

檢驗(yàn)所使用的真空表應(yīng)在有效的檢定期內(nèi)，以保證檢驗(yàn)的有效性。真空表安裝在距抽氣口的最遠(yuǎn)處。真空表分為指針式真空表和數(shù)字式真空表。

指針式真空表的真空度值無法直讀，在使用中時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的換算。 真空表上 “0”表示絕對(duì)壓力為正一個(gè)大氣壓， “-0.1”表示絕對(duì)真空。真空表上的指示值不表示真空度的絕對(duì)值，只表示了真空度的相對(duì)值。

根據(jù)真空表的刻度示值范圍，真空度的絕對(duì)值與指針式真空表的相對(duì)值可用下式換算：

P=1×105（1-δ/0.1）

P - 真空度的絕對(duì)值（Pa）

δ - 真空表的刻度示值的絕對(duì)值

例：表的示值為0.08，則P=1×105（1-0.08/0.1）= 2×104 Pa

數(shù)字式真空表可以進(jìn)行絕對(duì)真空度直讀。其特點(diǎn)為測(cè)量精度高且使用方便但價(jià)格較昂貴。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)漏孔

使用的標(biāo)準(zhǔn)漏孔不應(yīng)超過檢驗(yàn)規(guī)程中要求的泄漏率。其標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率應(yīng)由具有鑒定資格的部門進(jìn)行鑒定。

1.5 真空泵的選擇

真空泵的選擇應(yīng)根據(jù)真空罩的容積進(jìn)行選擇。在現(xiàn)場(chǎng)工作允許的情況下，盡可能選擇抽速大的真空泵，一般選用單級(jí)旋片真空泵。

2 檢驗(yàn)技術(shù)

在檢驗(yàn)項(xiàng)目開始前，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)漏孔對(duì)設(shè)備的有效性進(jìn)行確認(rèn)。從而保證檢驗(yàn)結(jié)果的有效性。

在施加起泡劑前應(yīng)對(duì)被檢區(qū)域進(jìn)行表面清洗，清洗應(yīng)使用對(duì)被檢表面不能造成破壞的溶劑，同時(shí)該溶劑應(yīng)易于揮發(fā)從而使被檢區(qū)域能夠達(dá)到干燥狀態(tài)。

在確認(rèn)清洗后的被檢區(qū)域已達(dá)到干燥狀態(tài)后才能施加氣泡劑。

施加氣泡劑時(shí)應(yīng)盡量減少溶液中所包含的泡沫數(shù)量，以免引起原有的氣泡和泄露所引起的氣泡在辨認(rèn)下的混淆。

在檢驗(yàn)過程中應(yīng)保證在全部的被檢區(qū)域覆蓋有一層不易脫離起泡劑的薄膜。

檢驗(yàn)時(shí)的真空度必須達(dá)到相應(yīng)的檢驗(yàn)程序要求，對(duì)于指針式真空計(jì)應(yīng)進(jìn)行必要的計(jì)算。

在真空罩內(nèi)真空度上升過程中，檢驗(yàn)人員應(yīng)注意每一所見氣泡的變化。由于貫穿性漏孔形成的氣泡變化大而快，檢驗(yàn)人員會(huì)容易觀察到。但對(duì)于混合漏孔，其形成氣泡變化小而慢，但氣泡體積的變化率會(huì)大于干擾氣泡的體積變化率：

δ>P1/P2%

δ-混合漏孔形成氣泡體積的變化率

P2-真空狀態(tài)的最終絕對(duì)壓力

P1-環(huán)境絕對(duì)壓力值

一旦發(fā)現(xiàn)有此類情況，應(yīng)增加真空狀態(tài)的保持時(shí)間，但不能提高真空度，以此確認(rèn)是否有漏。如果用同樣的方法進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)先徹底去除表面上的氣泡劑，靜置約10分鐘后再次進(jìn)行。如采用其它泄漏檢驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，所采用檢驗(yàn)方法的靈敏度必須高于真空罩氣泡法。不能使用液體滲透或超聲檢驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，因滲透劑或耦合劑有堵塞漏孔的可能。

檢驗(yàn)實(shí)施后應(yīng)去除起泡劑。

3 新技術(shù)應(yīng)用與探索

對(duì)于漏孔生成氣泡信息的采集，可使用機(jī)器視覺技術(shù)克服直接目視無法精確測(cè)量的缺點(diǎn)。使用用廣角鏡頭并根據(jù)鏡頭的視角擴(kuò)大真空罩尺寸，還能夠進(jìn)一步提高檢驗(yàn)工作效率。應(yīng)用機(jī)器視覺中的非接觸測(cè)量技術(shù)還會(huì)有效提高對(duì)混合漏孔的檢出率。機(jī)器視覺技術(shù)在真空罩氣泡法泄漏檢驗(yàn)中的應(yīng)用，將為該泄漏檢驗(yàn)方法提供更廣泛的應(yīng)用。在該方面的是一個(gè)值得研究的方向。

機(jī)器視覺技術(shù)主要是在氣泡信息的采集和分析上進(jìn)行創(chuàng)新，對(duì)于檢驗(yàn)技術(shù)而言，沒有進(jìn)行跨越性的改進(jìn)和創(chuàng)新。應(yīng)根據(jù)真空罩氣泡法泄漏檢驗(yàn)原理在檢驗(yàn)技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新和探索。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，當(dāng)?shù)攘繗怏w作等溫膨脹時(shí)，氣體將從外界吸收熱量。假設(shè)一片鋼板上存在一處0.51mm的孔洞，在鋼板的上方扣真空罩并抽真空至0.4×105Pa，此時(shí)鋼板下方側(cè)為1×105Pa的大氣壓力，由于鋼板上方為真空，氣體將通過孔洞進(jìn)入真空罩內(nèi)，由于鋼板兩側(cè)的溫度相同，所以通過的孔洞瞬間的氣體發(fā)生了等溫膨脹的物理變化，這時(shí)泄漏真空罩內(nèi)的氣體將從真空罩內(nèi)吸收熱量，從而在真空罩內(nèi)形成一個(gè)低熱流動(dòng)區(qū)域，通過紅外熱成像攝像機(jī)可以捕捉一個(gè)低熱圖像。以上原理為紅外熱成像攝像機(jī)在真空罩氣泡法泄漏檢驗(yàn)技術(shù)的創(chuàng)新提供可能。

熱成像攝像機(jī)主要采集泄漏氣流信號(hào)而是氣泡信息，所以在檢驗(yàn)時(shí)不需要施敷起泡劑，這樣不但可以提高檢驗(yàn)效率，也為自動(dòng)化實(shí)施提供可能。特別在核電廠的在役檢查中可以提供更廣闊的開拓空間。

依據(jù)熱力學(xué)理論熱成像攝像機(jī)的應(yīng)用是可行的，但是實(shí)際應(yīng)用中還需解決一些問題。例如，氣體在發(fā)生等溫膨脹的物理變化過程中，產(chǎn)生的微小的熱量變化將對(duì)熱成像攝像機(jī)的熱分辨率提出很高要求，同時(shí)真空罩的密封墊圈與被檢部件密封部位不可能沒有氣體泄漏，其泄漏形成的低熱量區(qū)域?qū)?duì)檢驗(yàn)的判斷形成干擾。針對(duì)這些工程實(shí)現(xiàn)問題是今后探索的一個(gè)方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]ASME V ARTICLE 9 VISUAL EXAMINATION[S].2004.

[2]ASME V ARTICLE 10 LEAK TESTING[S].2004.

作者簡(jiǎn)介：李宜全（1978-），男，黑龍江人，本科，高級(jí)工程師，從事無損檢測(cè)研究。