真空罩氣泡法泄漏檢驗技術研究

李宜全+楊崇安

摘 要：真空罩氣泡法泄漏檢驗技術原理簡單，易于掌握，但是對檢驗實施要求較高，為最大限度減低檢驗的漏檢率和提高檢驗工作效率，應根據人體工程學、照明技術在設備上進行優化，應用機器視覺技術、熱成像技術，對檢驗設備進行創新，同時在技術方面進行完善，以此最大限度減低檢驗的漏檢率和提高檢驗工作效率。

關鍵詞：真空罩氣泡法；泄漏檢驗；優化；創新；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主要應用于不能直接加壓的壓力界面的泄漏位置檢驗，其方法是在界面的局部區域的兩側形成一個壓力差，使施加于壓力界面這一局部區域的溶液，因有泄漏的氣體通過而形成氣泡。

真空罩氣泡法泄漏檢驗技術原理簡單，易于掌握，在實際檢驗中得到廣泛應用。但在實際的實施過程中，因設備和操作技術的原因會造成漏檢，同時檢驗工作效率較低，為此必須優化檢驗設備，完善檢驗技術，并引入新技術才能最大限度減低漏檢率，提高檢驗工作效率。

1 優化檢驗設備

1.1 真空罩的設計和制造

1.1.1 真空罩的規格

真空罩的尺寸和形狀應根據被檢對象的形狀進行設計。但對于檢驗設備優化而言，其具體的規格尺寸應根據檢驗技術和人體工程學進行設計。以長方體形狀的真空罩為例，對其設備的進行如下優化設計。

人眼的視角是有限的。一般而言，映在人眼視網膜上的圖像，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，在有效視域內檢驗人員能立刻看清物體的存在和有什么動作，且不需要轉動頭部才能辨別清楚的程度。為了達到檢驗人員能夠時刻觀察檢驗區域內的任何氣泡的微小變化同時提高工作效率。真空罩的兩端與檢驗人員眼睛的夾角設計為30度。

根據人體結構特點，當檢驗人員雙手持真空罩進行扣壓動作時，檢驗人員的雙眼距真空罩的距離一般在600mm，同時符合檢驗人員眼睛距被檢表面的距離不超過610mm[1]的要求。由此確定檢驗人員和真空罩的最大觀察距離設定為600mm。由最大觀察距離和最大的有效視角，計算出真空罩的最大設計長度約為320mm。

用于焊縫檢驗的真空罩寬度應根據焊縫寬度進行設計。真空罩寬度為焊縫寬度加上兩側的側向泄漏氣流干擾區長度（約為100mm）。為使真空罩具有廣泛的通用性，一般真空罩的設計寬度為130mm。

用于板材檢驗的真空罩寬度應根據人眼的視角特點進行設計。一般而言，人眼的視角范圍長寬比為16：9，真空罩的設計長寬比盡量為16：9，這樣真空罩的檢驗區正好可以適應人眼的視角范圍，不會浪費，也不會溢出。一般真空罩的設計寬度為180mm。

真空罩的高度應盡量小，其直接優點是可以降低真空泵抽速的要求。同時能夠為檢驗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。

在實際檢驗中，可以根據以上原則設計幾種不同規格的真空罩，以便于現場使用。以上的設計尺寸是為保證檢驗人員能過時刻觀察檢驗區域的變化，設備優化的主要目的是為最大限度減低檢驗漏檢率提供條件。

1.1.2 密封墊圈

真空罩敞開底面的邊緣安裝的密封條應給予充分的重視，良好的密封性能可以提高檢驗效率。應使用彈性好且柔軟的材料作為密封條，并進行多層間隔設計。良好密封能有效減少側向泄漏形成的干擾氣泡或干擾氣流。為更有效減少側向泄漏氣干擾區，可在距密封墊圈10mm內側增設漏氣阻隔墻，進一步減少側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，將不利于檢驗人員觀察到氣泡的微小變化。根據目視檢驗中照明技術的研究發現，暗場照明方式可以為檢驗人員提供更有效的照明光線。真空罩中的光源設計為暗場照明方式。

作為一項標準技術，需檢驗零件的表面溫度在檢驗的全過程中應不低于 40 下（ 4 ℃ ），也不高于 125OF （ 52 ℃ ）。[2]所以在光源的選擇上不宜選用發熱量較高的鎢絲燈或鹵素燈等光源，應選用體積小、亮度大、幾乎無熱量散發的發光二極管作為照明光源。 發光二極管的布設和數量應為被檢表面的每個區域提供至少要有 100fc （1000LX ） 的照度。

為給檢驗人員提供測量依據，在照明上應增加具有參考測量的二維結構光束，結構光可以為條形或網格。

1.1.4 真空罩上的閥門

為了達到調節真空罩內真空度的要求，在真空罩內應安裝氣體節流閥。但是進入真空罩內的氣體會不可避免對氣泡的形成產生影響，節流閥應安裝在真空罩附近的真空管上。為移除真空罩方便，還應在真空罩上安裝放氣閥，以便于向真空罩內發氣。該方案可以有效避免通過節流閥進入的空氣形成的擾流，同時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具有良好的透光率，同時應能夠承受1Bar的大氣壓力而不能產生破裂。

1.2 起泡液性能要求

在檢驗實施前應確認起泡液不能對被檢部件產生腐蝕作用，起泡液應在被檢驗區產生一層不易脫離的薄膜，而且所形成的起泡不應因空氣煩躁作用或因表面張力地而迅速破碎。涂敷時所形成的氣泡數量應盡量少，以免出現溶液中的氣泡和通過焊縫缺陷形成的起泡難以區別的問題。

1.3 計量設備-真空表

檢驗所使用的真空表應在有效的檢定期內，以保證檢驗的有效性。真空表安裝在距抽氣口的最遠處。真空表分為指針式真空表和數字式真空表。

指針式真空表的真空度值無法直讀，在使用中時應進行必要的換算。 真空表上 “0”表示絕對壓力為正一個大氣壓， “-0.1”表示絕對真空。真空表上的指示值不表示真空度的絕對值，只表示了真空度的相對值。

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

P=1×105（1-δ/0.1）

P - 真空度的絕對值（Pa）

δ - 真空表的刻度示值的絕對值

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

數字式真空表可以進行絕對真空度直讀。其特點為測量精度高且使用方便但價格較昂貴。

1.4 標準漏孔

使用的標準漏孔不應超過檢驗規程中要求的泄漏率。其標準漏孔的漏率應由具有鑒定資格的部門進行鑒定。

1.5 真空泵的選擇

真空泵的選擇應根據真空罩的容積進行選擇。在現場工作允許的情況下，盡可能選擇抽速大的真空泵，一般選用單級旋片真空泵。

2 檢驗技術

在檢驗項目開始前，應在現場使用標準漏孔對設備的有效性進行確認。從而保證檢驗結果的有效性。

在施加起泡劑前應對被檢區域進行表面清洗，清洗應使用對被檢表面不能造成破壞的溶劑，同時該溶劑應易于揮發從而使被檢區域能夠達到干燥狀態。

在確認清洗后的被檢區域已達到干燥狀態后才能施加氣泡劑。

施加氣泡劑時應盡量減少溶液中所包含的泡沫數量，以免引起原有的氣泡和泄露所引起的氣泡在辨認下的混淆。

在檢驗過程中應保證在全部的被檢區域覆蓋有一層不易脫離起泡劑的薄膜。

檢驗時的真空度必須達到相應的檢驗程序要求，對于指針式真空計應進行必要的計算。

在真空罩內真空度上升過程中，檢驗人員應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，檢驗人員會容易觀察到。但對于混合漏孔，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-真空狀態的最終絕對壓力

P1-環境絕對壓力值

一旦發現有此類情況，應增加真空狀態的保持時間，但不能提高真空度，以此確認是否有漏。如果用同樣的方法進行驗證，應先徹底去除表面上的氣泡劑，靜置約10分鐘后再次進行。如采用其它泄漏檢驗方法進行驗證，所采用檢驗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方法進行驗證，因滲透劑或耦合劑有堵塞漏孔的可能。

檢驗實施后應去除起泡劑。

3 新技術應用與探索

對于漏孔生成氣泡信息的采集，可使用機器視覺技術克服直接目視無法精確測量的缺點。使用用廣角鏡頭并根據鏡頭的視角擴大真空罩尺寸，還能夠進一步提高檢驗工作效率。應用機器視覺中的非接觸測量技術還會有效提高對混合漏孔的檢出率。機器視覺技術在真空罩氣泡法泄漏檢驗中的應用，將為該泄漏檢驗方法提供更廣泛的應用。在該方面的是一個值得研究的方向。

機器視覺技術主要是在氣泡信息的采集和分析上進行創新，對于檢驗技術而言，沒有進行跨越性的改進和創新。應根據真空罩氣泡法泄漏檢驗原理在檢驗技術上進行創新和探索。

根據熱力學第一定律，當等量氣體作等溫膨脹時，氣體將從外界吸收熱量。假設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，此時鋼板下方側為1×105Pa的大氣壓力，由于鋼板上方為真空，氣體將通過孔洞進入真空罩內，由于鋼板兩側的溫度相同，所以通過的孔洞瞬間的氣體發生了等溫膨脹的物理變化，這時泄漏真空罩內的氣體將從真空罩內吸收熱量，從而在真空罩內形成一個低熱流動區域，通過紅外熱成像攝像機可以捕捉一個低熱圖像。以上原理為紅外熱成像攝像機在真空罩氣泡法泄漏檢驗技術的創新提供可能。

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

依據熱力學理論熱成像攝像機的應用是可行的，但是實際應用中還需解決一些問題。例如，氣體在發生等溫膨脹的物理變化過程中，產生的微小的熱量變化將對熱成像攝像機的熱分辨率提出很高要求，同時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域將對檢驗的判斷形成干擾。針對這些工程實現問題是今后探索的一個方向。

參考文獻：

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

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

作者簡介：李宜全（1978-），男，黑龍江人，本科，高級工程師，從事無損檢測研究。