真空設備檢漏及探傷

　　隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，真空設備的種類(lèi)和結構也越來(lái)越多樣化，為確保生產(chǎn)的安全和高效性，結合設備的不同結構，對設備的檢漏和探傷也提出不同的要求。分析傳統的和最新的檢測技術(shù)和手段，根據實(shí)際使用提出各自的使用范圍和使用要點(diǎn)，以便生產(chǎn)和使用單位可以方便快捷的選擇合適的檢測手段和儀器。

　　隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步和人們對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，真空設備在各行業(yè)中的應用也得到了前所未有的推廣。航空航天領(lǐng)域的模擬測試、核工業(yè)、空間離子碰撞試驗、機械零部件的真空熱處理、新型零件的真空焊接、真空冶金以及生物制藥和真空冷凍干燥儲藏保鮮等行業(yè)，都在大量使用真空相關(guān)設備。無(wú)論對于設備的生產(chǎn)企業(yè)還是使用企業(yè)，設備的安全可靠是保證正常生產(chǎn)的前期條件。提早發(fā)現設備泄露點(diǎn)和缺陷位置，成為排除隱患的關(guān)鍵所在。隨著(zhù)近年的技術(shù)不斷更新和進(jìn)步, 檢測方法和技術(shù)設備也越來(lái)越多，滿(mǎn)足的領(lǐng)域和行業(yè)也更加廣泛。

　　筆者根據近幾年的生產(chǎn)實(shí)踐和對國內外相關(guān)技術(shù)發(fā)展的跟蹤，綜合分析目前主要的檢漏/探傷技術(shù)和原理，總結出在不同的真空設備及使用工況下各種檢漏/ 探傷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為有檢漏及探傷需求的人員提供理論依據。

　　根據真空設備殼體結構不同，真空設備分雙層夾套結構(水冷式)和單層(非水冷式)兩種，在此種情況下的缺陷可能會(huì )帶來(lái)漏水或漏氣的兩種情況。無(wú)論是漏水還是漏氣都會(huì )對生產(chǎn)試驗及設備本身帶來(lái)極大的損害，特別是對于真空高溫熱處理爐來(lái)講，出現漏水情況有可能會(huì )發(fā)生人員安全事故，需高度重視。

1、缺陷種類(lèi)

　　設備殼體缺陷大體可分為幾種，如表1 所示。根據以上缺陷的形式，下文將從兩個(gè)方面進(jìn)行闡述：

　　(1) 存在貫通機體材料的漏點(diǎn)的檢漏。

　　(2) 存在機體內部缺陷的探傷。

　　表格1 設備殼體缺陷種類(lèi)

圖1 焊縫處泄漏

圖2 加工缺陷泄漏

2、真空設備的檢漏和探傷

　　一般情況下真空設備在出廠(chǎng)之前，都要進(jìn)行一定的密封性檢測，對已經(jīng)形成的漏點(diǎn)可以及時(shí)發(fā)現，采用補焊的辦法進(jìn)行解決。對于壓力容器(儲氣罐、槽車(chē)、高壓氣淬爐等)必須采用射線(xiàn)探傷的方法，提早將板材中間存在的缺陷檢查出來(lái)，但對非壓力容器的真空設備中的夾砂及薄弱缺陷或焊縫熔池過(guò)薄等非泄露缺陷，一般不進(jìn)行探傷，這就為以后設備的使用帶來(lái)較大的安全隱患，因此對待此類(lèi)缺陷也應盡早檢測、排除。

　　常用的檢測方法有正壓法，負壓法及X 光射線(xiàn)探傷、磁粉探傷、超聲波探傷、滲透探傷、渦流探傷、γ 射線(xiàn)探傷、煤油試驗、熱紅外成像探傷、相控陣儀探傷、著(zhù)色檢驗探傷等。

2.1、正壓法

　　正壓法就是對被檢測設備進(jìn)行密封充氣，使其內部壓力高于外部大氣壓力，可采用壓降法判斷、水浸檢測和定點(diǎn)檢測三種方式。

　　a、壓降法判斷：在完全密封所有接觸面的情況下，通過(guò)壓力儀表測試壓力變化情況來(lái)判斷泄漏量的大小，進(jìn)而推斷出該設備的泄漏程度，但不能就泄漏點(diǎn)進(jìn)行明確定位。

　　q =( P1-P2)/ΔT

　　式中P1———充氣結束后，檢測開(kāi)始時(shí)設備內部壓力值，Pa;P2———測試結束時(shí)，設備內部壓力值，Pa;ΔT———檢測總時(shí)間差T2-T1，h

　　為更加準確的對設備泄漏大小情況進(jìn)行定量判斷，也可換算為泄漏率。

　　qL = q×V/3600

　　式中V———真空設備容積，L

　　根據設備的不同，其要求的泄漏率也不相同，適用于對大型容器泄漏的定性判斷，一般對于微漏很難檢測出來(lái)。

　　b、水浸檢測：就是在設備內壓力達到正壓后，將其浸沒(méi)于水中，通過(guò)觀(guān)測氣泡的情況，來(lái)判斷泄漏的位置和大小，適用小型復雜腔體密封件的檢測，可較精確的確定泄漏點(diǎn)的位置，因此該法又稱(chēng)為氣泡法。對于大型設備，需要足夠大的水槽，同時(shí)，設備的起吊和搬運相對困難，人員的觀(guān)測也不容易靠近和操作，且此法要注意充氣壓力的控制，壓力過(guò)低對與微漏點(diǎn)不會(huì )產(chǎn)生氣泡，壓力過(guò)大會(huì )對設備本身和操作人員產(chǎn)生安全隱患，需根據被檢容器的設計情況確定合適壓力范圍。同時(shí)，對于雙層加套結構，只能判斷是否有漏點(diǎn)，氣泡會(huì )從進(jìn)出水管外溢，不能明確內壁的具體漏點(diǎn)位置。

　　c、定點(diǎn)測試：即在設備內部達到正壓后，采用肥皂水對所有接口和焊縫進(jìn)行涂抹，當有泄漏時(shí)，會(huì )發(fā)現明顯的氣泡產(chǎn)生，通過(guò)氣泡的大小和頻率可以明顯地定位漏點(diǎn)和明確泄漏量的大小，此法也是氣泡法的一種。此法特別適用于雙層夾套結構的爐體檢測(如圖3 所示)，由于該結構一般只有進(jìn)水口出水口，通過(guò)堵塞一個(gè)口，向另一個(gè)口充入正壓，即可對設備內外所有接口焊縫及板材中的漏點(diǎn)進(jìn)行準確判斷，且此種結構的可充氣壓力相對較高些，更便于觀(guān)測，且操作簡(jiǎn)單，不用其他外購件和檢測設備。

圖3 雙層夾套爐體

2.2、負壓法

　　負壓法是在設備密封情況下，進(jìn)行抽真空，與正壓法正好相反的操作，可通過(guò)壓升率法、丙酮檢漏法、氦氣質(zhì)譜檢漏儀完成泄漏的判斷和確定。

　　a、壓升率法，通過(guò)計算壓力升高的速率，定性判斷泄漏量的大小。

q = (P2-P1)/ΔT

　　式中P1———停止對真空腔體抽氣后15 min 時(shí)的真空度，Pa;P2———測試結束時(shí)，設備內部的真空度，Pa;ΔT———檢測總時(shí)間差T2- T1，h

　　由于設備的使用工況和對真空度要求的差異，P1 可能相差幾個(gè)數量級，決定了真空抽氣系統的形式。同時(shí), 對于不同的爐膽形式應充分考慮材料放氣的影響(特別是石墨炭氈及硅酸鋁纖維等疏松多孔的保溫材料),建議對爐體進(jìn)行抽極限和烘烤,再進(jìn)行壓升率的測試,通過(guò)計算可以對泄漏情況做出判斷，但對漏點(diǎn)位置不能做出明確的定位。

　　b、丙酮檢漏法：對于選用兩級及兩級以上的真空系統進(jìn)行抽氣，當真空度低于10 Pa 以下就可以采用丙酮法進(jìn)行漏點(diǎn)位置的確定。為了便于觀(guān)測，一般是經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間的抽真空，當設備內的壓力下降比較緩慢時(shí)(可認為已到達設備的極限真空度)，采用針管將丙酮對各接口和焊縫位置進(jìn)行噴灑，此時(shí)，對真空度進(jìn)行隨時(shí)觀(guān)測，如果有漏點(diǎn)，在丙酮達到漏點(diǎn)位置的瞬間，由于液體的隔離作用，阻止了大氣的持續漏入，真空度會(huì )迅速升高，但隨著(zhù)丙酮液體被吸入設備腔體內部，迅速揮發(fā)氣化，此時(shí)設備的真空度又會(huì )馬上下降，通過(guò)此法可以較為明確的判斷出漏點(diǎn)的位置來(lái)。由于，丙酮為液態(tài)，在噴灑時(shí)對于垂直地面的焊縫，應由底部向上噴灑，以防液體快速流到底部焊縫，影響泄漏點(diǎn)位置的確定。此法對于真空設備來(lái)說(shuō)，檢測成本較低，但考慮到丙酮對真空系統可能會(huì )帶來(lái)一定的腐蝕作用，需謹慎少量使用此法，特別是在有擴散泵的情況下，丙酮會(huì )對油體產(chǎn)生污染，影響到擴散泵的抽氣能力和油的使用壽命，操作人員也要做好自身的防護工作，防止丙酮接觸人體。

　　c、氦氣質(zhì)譜分析儀：該方法就是在負壓法的基礎上，采用質(zhì)譜儀來(lái)進(jìn)行檢漏，其連接方式有多種，筆者根據實(shí)際的使用，對最為通用和檢漏本最低的方式進(jìn)行說(shuō)明，該方法可以對漏點(diǎn)進(jìn)行位置的確定和泄漏量的判斷，檢測的原理圖如圖4(對于小型腔體，可省去真空系統，采用氦氣質(zhì)譜分析儀直接對所檢腔體進(jìn)行抽氣檢漏)。

　　圖4 典型檢漏原理圖

　　如圖4所示的典型真空設備，其工作原理為:開(kāi)始主要由真空系統對爐體進(jìn)行抽真空，當真空度達到檢漏儀起測點(diǎn)后，開(kāi)啟檢漏儀，檢漏儀本身也是一組由小型分子泵和機械泵組成的真空系統，其開(kāi)啟后也參與爐體的抽氣工作，此時(shí)，檢測人員，就可以采用氦氣對爐體中所有接口及焊縫進(jìn)行吹氣，如果有漏點(diǎn)存在，當氦氣經(jīng)過(guò)此位置時(shí)，就會(huì )有少量的氦氣隨同空氣進(jìn)入爐體，再由真空管路抽走，此時(shí)，會(huì )有少量的氦氣進(jìn)入檢漏儀中，檢漏儀內部的氦氣質(zhì)譜儀，就會(huì )檢測到氦氣的存在，通過(guò)報警器發(fā)出報警，提示檢測人員在此位置附近存在泄漏點(diǎn)。由于，氦氣的密度小，在大氣中其會(huì )向上飄散，故此，在吹氣檢測時(shí)，應從設備上部開(kāi)始吹氣，以便漏點(diǎn)的位置確定。在進(jìn)行雙層夾套的檢漏時(shí)，可以將夾套作為獨立的腔體進(jìn)行單獨抽真空檢漏，實(shí)現對內外壁的一次性檢測。由于現代檢漏儀技術(shù)足以做到使真空系統的漏氣量遠小于系統的放氣量，因此真空系統所需要的真空泵的大小主要取決于真空系統所使用的材料放氣率的大小。所以，針對不同類(lèi)型的內膽材料需要真空泵的抽速也會(huì )不盡相同。

　　此方法的檢測精度較高，適合對氣密性要求很?chē)栏竦脑O備的檢測，氦氣檢漏儀一次性投資較高，檢測運行成本相對較低，對檢測人員無(wú)身體傷害，是比較理想的檢漏手段。目前的檢漏儀已有國產(chǎn)化的設備，已經(jīng)可以是實(shí)現較低真空度的啟動(dòng)檢測，最小可檢漏率已達到10- 12 cc/sec，報警點(diǎn)也可進(jìn)行人工選擇。通過(guò)筆者使用過(guò)的兩臺檢漏儀比較，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，目前的起測點(diǎn)真空度已經(jīng)可以達到2000Pa，這樣就大大節省了檢測前的抽真空時(shí)間，同時(shí)，檢漏儀的體積越來(lái)越小，重量也越來(lái)越輕，更加方便搬運。

　　2.3、X，Y 射線(xiàn)、中子射線(xiàn)三種，前兩種廣泛用于鍋爐壓力容器焊縫和其他工業(yè)產(chǎn)品、結構材料的缺陷檢測，而中子射線(xiàn)僅用于一些特殊場(chǎng)合，X射線(xiàn)穿過(guò)被照射物體后會(huì )有損耗，不同厚度不同物質(zhì)對它們的吸收率不同，把底片放在被照射物體的另一側，會(huì )因為射線(xiàn)強度不同而產(chǎn)生相應的圖形, 評片人員就可以根據影像來(lái)判斷物體內部的是否有缺陷以及缺陷的性質(zhì)，此方法需要初期投資相對較大，評片人員也需要一定的經(jīng)驗，需要長(cháng)時(shí)間的培訓，操作人員也需要做好自身的防護。對于有夾套型設備，射線(xiàn)在進(jìn)行二次穿透衰減很大，不能成像, 缺陷的具體位置也就很難確定了。

　　2.4、磁粉探傷的原理是：當工件磁化時(shí)，若工件表面有缺陷存在，由于缺陷處的磁阻增大而產(chǎn)生漏磁，形成局部磁場(chǎng)，磁粉便在此處顯示缺陷的形狀和位置，從而判斷缺陷的存在。磁粉探傷的優(yōu)點(diǎn)是：對鋼鐵材料或工件表面裂紋等缺陷的檢驗非常有效;設備和操作均較簡(jiǎn)單;檢驗速度快，便于在現場(chǎng)對大型設備和工件進(jìn)行探傷;檢驗費用也較低。缺點(diǎn)是：僅適用于鐵磁性材料;僅能顯出缺陷的長(cháng)度和形狀，而難以確定其深度;對剩磁有影響的一些工件，經(jīng)磁粉探傷后還需要退磁和清洗。因此對于非磁化金屬和結構又為雙層夾套結構的不適用該方法。

　　2.5、超聲波探傷的基本原理是利用超聲透入金屬材料的深處，由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波，在螢光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波

　　形來(lái)判斷缺陷位置和大小。目前的超聲波探傷儀已經(jīng)可以比較精確的對缺陷的位置進(jìn)行明確的指示，通過(guò)判斷缺陷位置的連續狀態(tài)來(lái)判斷焊縫的缺陷類(lèi)型,并且根據檢測工件表面形狀的不同,可以配置不同類(lèi)型的探頭(如圖5)。

圖5 超聲波探測儀

　　超聲波探傷與X 射線(xiàn)探傷相比有較高的探傷靈敏度、周期短、成本低、靈活方便、效率高，對人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是對工作表面要求平滑、要求富有經(jīng)驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類(lèi)、對缺陷沒(méi)有直觀(guān)性;超聲波探傷適合于厚度較大的零件檢驗。對于光滑平面或曲率半徑較大檢測位置，可采用普通的探頭就可以對焊縫進(jìn)行檢測，對于異性曲面可根據客戶(hù)的測試工件訂制特種探頭以滿(mǎn)足各種工況的要求,對于常用的材料進(jìn)行探傷已實(shí)現基本材料超聲波特性的軟件預制,操作者只需對缺陷大小和報警極限進(jìn)行設置即可。

　　2.6、相控陣儀探傷，也是超聲波的一種，主要超聲波束的參數，如：角度、聚焦范圍和焦點(diǎn)尺寸等，可以通過(guò)軟件進(jìn)行控制。而且，聲束可在一個(gè)很長(cháng)的陣列上被多路切換(類(lèi)似相控雷達技術(shù))。這些特點(diǎn)為相控陣技術(shù)增加了一系列新的應用功能，例如，在掃查工件時(shí)，可以不移動(dòng)探頭本身而快速改變聲束角度。相控陣還可以代替多個(gè)探頭以及機械部分，通過(guò)內部軟件計算分析，可直觀(guān)的在圖形界面顯示材料內部缺陷位置和大小(如圖6 所示)。其成像精度和位置準確度都有很大提高，操作也相對簡(jiǎn)單，設備可以隨意移動(dòng)，探頭也可任意位置和角度放置，目前該類(lèi)設備的購置價(jià)格相對較高，運行成本低。

　　2.7、著(zhù)色(滲透)探傷的基本原理是利用毛細現象使滲透液滲入缺陷，經(jīng)清洗使表面滲透液去除，再利用顯像劑的毛細管作用吸附出缺陷中殘留滲透液而達到檢驗缺陷的目的。只能用來(lái)檢測表面存在缺陷的情況，對于表面完好內部存在焊接過(guò)薄的缺陷或板材中間的氣孔夾砂不能檢出。

圖6 相控探傷儀

　　2.8、渦流檢測就是運用電磁感應原理，將激勵信號加到探頭線(xiàn)圈，當探頭接近金屬表面時(shí)，線(xiàn)圈周?chē)�的交變磁�?chǎng)在金屬表面產(chǎn)生感應電流。對于平板金屬，感應電流的流向是以線(xiàn)圈同心的圓形，形似旋渦，稱(chēng)為渦流。渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到試件導電性能的影響。渦流也會(huì )產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)又會(huì )使檢測線(xiàn)圈的阻抗發(fā)生變化(如圖7 所示)。

圖7 渦流探傷原理圖

　　因此當導體表面或近表面出現缺陷或測量的金屬材料發(fā)生變化時(shí)，將影響到渦流的強度和分布，渦流的變化又引起了檢測線(xiàn)圈電壓和阻抗的變化，根據這一變化，就可以間接地知道導體內缺陷的存在及金屬材料的性能是否有變化。與此同時(shí)，渦流檢測的對象必須是導電材料, 且不適用于檢測金屬材料深層的內部缺陷, 這是渦流檢測在應用上的局限所在。其次，渦流檢測至今仍處于當量比較階段，對缺陷作出準確的定性定量判斷技術(shù)尚待開(kāi)發(fā)研究。

　　對于設備板材中間的缺陷，可以采用此方法進(jìn)行檢測，對于由自動(dòng)焊接的焊縫，熔池比較均勻的焊接也可采用此種方法，但對于人工焊接的焊縫此種方法測量偏差較大，影響對焊縫質(zhì)量的判斷。

　　2.9、熱紅外成像探傷：波長(cháng)為2.0 μm~1000 μm的部分稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)。我們周?chē)�所有溫度在絕對零度(- 273℃)以上的物體，都會(huì )不停地發(fā)出熱紅外線(xiàn)。所以，熱紅外線(xiàn)(或稱(chēng)熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。熱輻射除存在的普遍性之外，還有另外兩個(gè)重要的特性。

　　(1) 熱紅外線(xiàn)的“大氣窗口”，正是由于這個(gè)特點(diǎn)，熱紅外成像技術(shù)為軍事上提供了先進(jìn)的夜視裝備。

　　(2) 物體熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個(gè)特點(diǎn)使人們可以利用它來(lái)對物體進(jìn)行無(wú)接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節約能源，保護環(huán)境等等方面提供了一個(gè)重要的檢測手段和診斷工具�，F代的熱成像裝置工作在中紅外區域(波長(cháng)3 μm~5 μm)或遠紅外區域(波長(cháng)8 μm~12 μm)。通過(guò)探測物體發(fā)出的紅外輻射，熱成像儀產(chǎn)生一個(gè)實(shí)時(shí)的圖像，從而提供一種景物的熱圖像。并將不可見(jiàn)的輻射圖像轉變?yōu)槿搜劭梢?jiàn)的、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏，能探測到小于0.1℃的溫差。正是基于此，我們可以將被測設備理解為一個(gè)熱源，通過(guò)對表面的熱成像進(jìn)行分析，來(lái)判斷材料內部的缺陷情況。

　　根據熱紅外成像技術(shù)，我們可以對設備內表面及焊縫進(jìn)行熱紅外探傷，對焊縫和所有板材進(jìn)行成像，在板材厚度或成分發(fā)生變化時(shí)，其發(fā)出的紅外波也與周?chē)�的不相同，通過(guò)加熱內表面，在焊縫熔池薄弱部位的溫度會(huì )高于周?chē)鷾囟�，則可以在紅外成像儀中顯現。

圖8 焊接缺陷零件

　　在觀(guān)察如圖8 所示工件缺陷時(shí)，由于焊縫表面平整度和工件曲面的影響，在圖9 中漏點(diǎn)就不容易觀(guān)察。在檢測如下圖10 所示爐體時(shí)，在所示紅色區域，即可作為隱患位置進(jìn)行重點(diǎn)排查。通過(guò)實(shí)際對不同類(lèi)型的工件進(jìn)行成像檢查，在對曲率較大或平面度較好工件進(jìn)行探傷時(shí)效果比較明顯，缺陷位置可以明顯的在檢測儀的界面中觀(guān)察到，對于復雜曲面不易采用此法。就熱成像儀本身而言，其體積相對較小，操作簡(jiǎn)單，便于攜帶，操作者直接手持即可進(jìn)行檢測，更重要的優(yōu)點(diǎn)是該檢測是非接觸式的，這樣就可以實(shí)現在線(xiàn)檢測，可以任意放置角度，檢測效率高，還可以對檢測過(guò)程進(jìn)行錄像，提供實(shí)時(shí)的現場(chǎng)檢測畫(huà)面。但其提供的異常點(diǎn)也需要檢測者進(jìn)行進(jìn)一步的排查，同時(shí)目前熱紅外成像儀的價(jià)格也相對較高，國產(chǎn)化的分辨率和精度有待提高。在對電器元件的監控改變點(diǎn)式測溫槍的低效率誤差大的缺點(diǎn)可以實(shí)現遠離危險源的時(shí)時(shí)監控。

圖9 熱成像結果

圖10 爐體熱成像結果

　　綜合以上各種探傷檢漏方法和儀器，使用者在選擇時(shí)主要根據自身設備的特點(diǎn)和要求，選取合適、經(jīng)濟的檢測手段和儀器。

參考文獻

　　[1] 達道安.真空設計手冊.- 1008 氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.
　　[2] 黃宏，陳光奇，陳聯(lián)，等.大型低溫容器氦質(zhì)譜定量檢漏方法[J].真空,2011,(09)：8- 11.
　　[3] 張以忱，黃英.真空材料[M].北京：冶金出版社，2005：3- 51.