特种设备无损检测三级培训课件 屠耀元课件.docx

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特种设备无损检测三级培训课件屠耀元课件

承压类特种设备

渗透检测技术

屠耀元

上海斯耐特无损检测技术培训中心

2010.7

§1-1渗透检测发展简史及现状

一、渗透检测是一种无损检测方法

•五大常规方法之一

渗透检测俗称渗透探伤，是一种以毛细管作用原理为基础用于检查表面开口缺陷的无损检测方法。

它与射线检测、超声检测、磁粉检测和涡流检测一起，并称为5种常规的无损检测方法，渗透检测始于本世纪初，是目视检查以外最早应用的无损检测方法。

•有效的表面检查方法

由于渗透检测的独特优点，其应用遍及现代工业的各个领域。

国外研究表明：

渗透检测对表面点状和线状缺陷的检出概率高于磁粉检测，是一种最有效的表面检查方法。

二、渗透探伤简史

•1930-1940年代：

煤油、“油-白法”、有色染料作为渗透剂如美国的“斯威策”

•1941-荧光染料的应用，紫外线显示，吸收剂应用

•1950-煤油与滑油的混合物作为荧光液

•1990-飞点扫描、自动线

三、渗透探伤工作质量及体系

•渗透探伤体系

•仪器设备：

渗透装置；乳化装置；显象装置；紫外灯．

•渗透探伤剂：

渗透剂；乳化剂；显象剂；去除剂．

•工艺方法：

渗透－去除－显象－检查．

•环境条件：

水源；电源；气源；暗室；光源．

•人员资格：

具有与职能相对应的等级．

•渗透探伤质量保证体系

•工艺程序

•设备检定

•人员认证

•质量手册

四、国外渗透探伤的现状

•50年前代后美国推出军方规范

MIL-I-6866《渗透探伤方法》MIL-I-25135《渗透探伤试验材料》

•60年代后

•自动生产线开始出现

•水基渗透液和水洗法技术的出现

•对氟、氯、硫的控制

•专职渗透剂公司的出现（Ardrox公司等）

五、我国渗透探伤技术的现状

•50年代：

煤油、滑油的使用

•60年代：

荧光黄的采用

•70年代以后：

荧光染料YJP-15出现自乳化型和后熔化型荧光液的生产

§1-2渗透检测基础知识

一、工作原理和操作步骤

1．基本操作步骤

①渗透：

将一种含有染料的渗透液涂覆在工件表面上，在毛细作用下，渗透液渗人表面开口缺陷中去。

②去除（清洗）：

去除工件表面多余的渗透液。

③显像：

再在工件表面涂上一层显像剂，缺陷中的渗透液在毛细作用下重新被吸附到工件表面上来，从而形成放大的缺陷。

④观察：

在黑光灯下（荧光法）或白光下（着色法）观察缺陷显示。

2.渗透探伤工作原理:

渗透剂在毛细管作用下,渗入表面开口缺陷内;在去除工件表面多余的渗透剂后,通过显象剂的毛细管作用将缺陷内的渗透剂吸附到工件表面形成痕迹而显示缺陷的存在,这种探伤方法称为渗透探伤（检测）。

3.渗透探伤的特点：

①渗透检测的优点

　⑴可检测各种材料；金属、非金属材料；磁性、非磁性材料；焊接、锻造、轧制等加工方式；

　⑵具有较高的灵敏度（可发现：

0.1μm宽缺陷）；

⑶显示直观、操作方便、检测费用低。

②渗透检测的局限性

⑴它只能检出表面开口的缺陷；

⑵不适于检查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件；

⑶渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的实际深度，因而很难对缺陷做出定量评价。

检出结果受操作者的影响也较大。

二、渗透探伤的分类

1.方法分类的依据：

渗透液种类、清洗方式、显象方式、灵敏度

2.分类

①根据渗透液种类（染料）和清洗方法的分类：

水洗型荧光法（FA）水洗型着色法（VA）

后乳化型荧光法（FB）后乳化型着色法（VB）

溶剂清洗型荧光法（FC）溶剂清洗型着色法（VC）

F：

荧光法V：

着色法

A：

水洗型B：

后乳化型C：

溶剂清洗型

②根据显像剂类型的方类：

干式显像法：

（用于荧光法）D

水基湿显像法：

水溶液显像：

A;水悬浮液显像：

W

非水基湿显像法：

（溶剂悬浮、速干式）S

特殊显象法：

E

自显象法：

N

③根据渗透探伤灵敏度的分类：

很低级、低级、中级、高级、超高级

（二段录像：

）

三、各种方法的优缺点

（一）

探伤方法

优点

缺点

1.着色法

只需白光下工作，不需电源

水洗型着色法

适用于表面粗糙、不允许接触油的零件，操作简单、成本低。

灵敏度低，不易发现细微缺陷。

浅而宽的缺陷容易漏检。

后乳化型着色法

适用于精密零件，灵敏度高。

操作复杂。

溶剂去除型着色法

适用于大型零件的局部探伤，用喷灌，操作方便。

成本高，不适用于大批量零件检测。

各种方法的优缺点

（二）

探伤方法

优点

缺点

2.荧光法

灵敏度高

需要紫外灯在暗室观察

水洗型荧光法

易水洗、速度快。

适用于表面粗糙零件，成本低、亮度高。

灵敏度低，易过洗，易污染。

后乳化型荧光法

亮度高、细微缺陷灵敏度高。

能检测浅而宽的缺陷。

成本高、清洗困难。

不适用于表面粗糙零件。

溶剂去除型荧光法

操作简单，适用于大型零件的局部探伤和无水场合的探伤。

易燃、易挥发。

不适用于表面粗糙零件。

§1-3渗透检测与磁粉、涡流检测的比较

（一）

渗透检测

磁粉检测

涡流检测

工作原理

毛细管作用

磁力作用

电磁感应作用

应用范围

探伤

探伤

探伤、测厚、材质分选

检测对象

表面开口缺陷

表面及近表面缺陷

表面及表层缺陷

检测材料

任何非多孔材料

铁磁性材料

导电材料

检测制件

铸、焊、锻、压

铸、焊、锻、压、机加、管棒

管、线材

检测速度

较慢

快

最快

§1-3渗透检测与磁粉、涡流检测的比较

（二）

渗透检测

磁粉检测

涡流检测

检测缺陷类别

裂纹

裂纹、发纹、夹渣

裂纹、材质、厚度

缺陷显示

直观

直观

不直观

缺陷显示方式

渗透液、显象剂痕迹

磁粉痕迹

电平变化

缺陷显示器材

渗透液、显象剂

磁粉

电压表、示波器

检测灵敏度

高

高

较低

污染

高

高

低

第二章渗透探伤的表面化学基础

§2-1分子运动论与物体的内能

一、分子运动论

1.物质的构成：

物质是由分子构成的。

•分子的大小：

直径为10-10m，水：

4×10-10m。

•分子的质量：

每种分子不同。

水：

3×10-26千克。

•分子质量单位：

摩尔。

1摩尔含6.02×1023个分子。

2.分子的运动状态：

与温度有关的无规则运动

3.分子间的相互作用力：

•引力：

拉伸物体时存在

•斥力：

压缩物体时存在

•分子力与分子间的距离有关

二、物体的内能

•分子动能1/2mv2

•∵V不同，∴动能也不同；

•平均动能：

分子动能的平均值称为“平均动能”

•分子势能相对位置决定势能；

•势能与分子间距r0有关。

3.物体的内能=动能+势能

•内能是变量，随着分子运动状态的改变而改变分子力、势能与分子间距离的关系

•分子力与分子间距的关系

距离变小，合力表现为斥力；距离变大，合力表现为引力；

•分子势能与分子间距的关系

•距离变小，势能增加；

•距离变大，势能减弱；

•

§2-2表面张力与表面过剩自由能

一、自然界的三种物质形态

1.物质的三态

物质分子具有动能，相邻分子之间还存在相互作用的吸引力当分子的距离超过他们分子直径的10倍以上时，相互作用力变得十分微弱，可以近似地认为等于零。

作用力能达到的最大距离叫做分子作用半径，用r0表示。

•气态：

气体分子间的平均距离较大，分子间的相互吸引力小，分子的动能足以克服分子之间的引力，所以，

气体分子能向各个方向扩散并充满整个容积，气体没有一定的形状和体积。

•固态：

固体分子的平均距离小，分子间的引力很大，所以它们只能在平衡位置附近振动，因此，固体有一定的形状和体积，分子不易扩散。

•液态：

液体分子间的平均距离比气体小，但比固体大，分子的动能不足以克服分子之间的引力，因此，液体有一定的体积，但没有一定的形状。

2.界面：

•三态接触面形成“界面”，界面上有作用力。

•“态”又称为“相”，三态又可称为三相。

•任何与气相接触的“界面”都称为“表面”。

•但在习惯上“界面”与“表面”并不严格区分。

3.某些界面现象：

•固-气：

气体吸附；刚体分解成固-气；

•固-液：

电解液中的电极与电解液；润湿；

•固-固：

金属与陶瓷；

•液-气：

蒸发；

•液-液：

乳状液；水包油；油包水；

•注意：

二相界面层，分子受力不对称。

•液态：

液体分子间的平均距离比气体小，但比固体大，分子的动能不足以克服分子之间的引力，因此，液体有一定的体积，但没有一定的形状。

2.界面：

•三态接触面形成“界面”，界面上有作用力。

•“态”又称为“相”，三态又可称为三相。

•任何与气相接触的“界面”都称为“表面”。

•但在习惯上“界面”与“表面”并不严格区分。

3.某些界面现象：

•固-气：

气体吸附；刚体分解成固-气；

•固-液：

电解液中的电极与电解液；润湿；

•固-固：

金属与陶瓷；

•液-气：

蒸发；

•液-液：

乳状液；水包油；油包水；

•注意：

二相界面层，分子受力不对称。

二、分子压强

（一）

如图：

R为分子作用力的合力。

分子A在液体内部，其他分子对某一分子的作用力，其合力为零。

分子B靠近液体表面，分子C处于液体表面。

所以R3＜R2＜R1。

分子压强

（二）

定义：

表面层上单位面积所受的分子合作用力称为分子压强。

•分子压强的本质：

就是液体内部分子对表面层分子的吸引力（即内聚力）。

•分子压强的作用：

使液体表面有自由收缩使其表面积减小（收缩到最小表面）的趋势（肥皂泡试验）。

•液面所受的作用力：

就是表面张力。

三、表面张力（表面张力系数）

1.液体表面分子受力状态的进一步分析:

当液面受拉力作用使其面积扩大时,表面层分子分布稀疏,分子间距离r大于r0,故分子相互间存在吸引力,使分子间距趋于平衡，面积恢复到正常状态，此时表面具有收缩趋势。

分析结论：

当液体表面积增加时，该表面产生收缩趋势，使表面积收缩到平衡状态（最小面积），使其收缩的力称为表面张力。

2.表面张力定义：

沿表面切线方向垂直作用于任意长度分界线，使液面紧缩的作用力称为表面张力。

3.表面张力系数定义：

沿表面切线方向垂直作用于任意单位长度分界线，使液面紧缩的作用力称为表面张力系数。

4.表面张力的数学表达从物理学上可知，表面张力f可按下式计算：

f=αL铂丝试验

式中：

L—液面边界线长度；

α—表面张力系数。

表面张力系数α可定义为任一单位长度上的表面张力。

它的作用方向与液体表面相切。

它是液体的基本物理性质之一。

通常以牛顿／米（N／m）或毫牛顿／米（mN／m）为单位。

5.表面张力的属性

•一般他说，一定成分的液体，在一定的温度和压力下有一定的α值；

•不同液体α值不同；

•同一液体，表面张力系数α值随温度上升而下降；

•含有杂质的液体比纯净的液体的表面张力系数要小。

§2-3润湿方程与接触角

一、润湿及润湿剂

1润湿和不润湿

●液体在固体表面不呈球形，且能覆盖固体表面，此现象称润湿现象，表明液体能润湿这种固体。

●液体在固体表面呈球形，不能覆盖固体表面，此现象称为不润湿现象，表明液体不能润湿这种固体。

●能增强水或水溶液取代固体表面空气的物质称为润湿剂

2.接触角和润湿方程

如图所示，将一滴液体洒在固体的平面上，可有三种界面：

即液-气、固-气、固-液界面。

与三种界面一一对应，存在三种界面张力。

也就是液-气界面上的液体表面张力，它使液滴表面收缩，用fL表示。

固-气界面上存在固体与气体的界面张力，它力图使液滴表面铺开用fS表示。

固-液界面上存在固体与液体的界面张力，它也力图使液滴表面收缩，用fSL表示。

在液-固界面与界面处液体表面的切线所夹的角，称为接触角，用θ表示。

二、润湿方程

1.定义：

当液滴停留在固体平面并处于平衡状态时，三种界面张力相平衡，各界面张力与接触角以关系是：

fs-fsL=fLcosθ

此式是润湿的基本公式，常称为润湿方程。

接触角θ可用于表示液体的润湿性能，即可用于判定润湿以何种方式进行。

fs：

固体与气体的界面张力

fsL：

固体与液体的界面张力

fL：

液体的表面张力

θ：

接触角fs-fsL

cosθ=————

fL

2.讨论：

①fs-fsL＞01＞cosθ＞0θ＜90°润湿

②fs-fsL＜0cosθ＜0θ＞90°不润湿

③fs-fsL=fLcosθ=1θ=0°完全润湿

④fs-fsL=-fLcosθ=-1θ=180°完全不润湿

⑤fs-fsL＞fLcosθ＞1数学上不成立

即润湿方程适用范围：

fs-fsL-fL≤0

3.控制润湿的方法：

改变表面张力，即添加合适的表面活性剂。

例如：

●雨布：

涂布非润湿剂，使其对水不润湿；

●渗透剂：

增强其对固体的润湿作用。

三、润湿机理

1.液体-固体接触时，在界面上形成附着层；

2.附着层内分子作用力不同，产生润湿或不润湿现象。

如果：

f固＞f液液体分子密，相互排斥而铺开，呈润湿状态

如果：

f液＞f固液体分子产生收缩力，减少了与固体的接触面，呈不润湿状态

§2-4弯曲液面的附加压强与毛细现象

一、弯曲液面下的附加压强

1.附加压强

①吹泡试验：

吹气气泡逐渐变大试验过程：

吹气后堵住管口保持内部大气压力（气泡稳定）

管口放开管内气压减弱（气泡缩小，渐成液滴）。

试验说明：

㈠气泡内的压力＞泡外的压力时，气泡稳定

　　　　　㈡气泡内的压力（只有大气压）＝泡外的压力时（只有大气压），气泡收缩成液滴，收缩的原因是气泡液面上有一个附加的压力。

②弯曲液面下的附加压力

•附加压力（PS）只存在于弯曲液面

•液面弯曲愈大，附加压力愈大

•附加压力形成的原因：

表面张力

二、附加压力的变化规律

•三通气泡试验：

•分别将三通二端的气泡吹大（一大一小）放气，使使三通连通。

•现象：

小泡愈来愈小大泡愈来愈大

•原因：

•小泡的附加压力比大泡的附加压力大

2.变化规律

①在一定温度下，同种液体附加压力随曲率增大（曲率半径减小）而增大；

②附加压力的理论计算：

PS=α（1/r1+1/r2）

讨论：

①液面是球面时，r1=r2PS=2α/r

②液面是园柱面时，r2---∝r1=RPS=α/R

三、毛细管和毛细现象

如果把内径小于1mm的玻璃管（称毛细管），插入盛有水的容器中，水会沿着管内壁自动地上升，使玻璃管内的液面高出容器的液面，管子的内径越小，它里面上升的水面也越高，如图。

①毛细现象：

毛细管或含有细微缝隙的物体被液体润湿，液体沿毛细缝隙流动的现象称为毛细现象。

②毛细现象产生的原因：

弯曲液面的附加压力。

四、毛细管上升高度的计算

•毛细管中受力状态的分析:

如图，毛细管插在润湿的液体中，由于润湿作用，靠内壁的液面上升而形成凹面，从而扩大液体的表面，在弯曲面表面张力的作用下，液体表面向收缩而形成平面，随后，润湿又起主导作用，重新形成凹面，而表面张力又使其收缩成平面，如此循环，使毛细管内的液面逐渐上升，直至表面张力沿管壁方向的上升分力与管内液体重量相等时，达到平衡，液面不再升高。

2.毛细管中上升高度的计算

•毛细管中使液体上升的力F上可用下式表示。

F上＝α2πrcosθ

式中：

α——液体表面张力系数；θ——接触角；r——毛细管内壁半径。

毛细管中使液体下降的力F下可用下式表示：

F下＝πr2ρgH

式中：

ρ——液体的密度；g——重力加速度；H——液体在管内的上升高度。

当毛细管内液面停止上升，处于平衡状态时，F上=F下，

可得：

α2πrcosθ=πr2ρgH

液体在毛细管中上升的高度，可用以下公式计算：

H=2α（cosθ/rρg）

3.平行板间的润湿液体上升高度的计算

∵　d为板间距离,R为液面半径,θ为液面切线夹角

∴d/2=Rcosθ

液面是园柱面时PS=2αcosθ/d

当附加压力与水柱重量平衡时,液体不再上升

即:

PS=2αcosθ/d=ρgh

h=2αcosθ/dρg

如果有一个直径为d的毛细管,在同种液体中的上升高度:

H=2αcosθ/rρg=2h（∵r=d/2）

五、计算实例

1．（表面张力计算）已知毛细管的半径为0.055cm,某渗透液在20℃时的密度为0.8771g/cm3,该液体在毛细管中上升高度为1.201cm,弯液面为半球形，试求该渗透液液体的表面张力系数为多少？

解：

根据题意可用

h=2α（cosθ/rρg）

计算考虑在毛细管中液体是全润湿的，所以cosθ=1。

则：

α=rρgh/2=0.055×0.871×980×1.201/2=28.39（mN/m）

计算实例

2．（计算上升高度）在完全润湿的情况下，毛细管的半径为0.1mm，水的α=72（mN/m），密度为103kg/m3，求液体在毛细管中上升高度？

解：

按：

h=2α（cosθ/rρg）计算（注意单位）

cosθ=1，h=2×72×10-3/1×10-4×103×9.8=0.147（m）

六、渗透液在非贯穿性缺陷中的渗入高度的计算

实际检测中，工件中的贯穿性缺陷是不常见的，非贯穿性的缺陷一端是封闭的，渗透液渗入缺陷后，缺陷内的空气和渗透液产生的气体被压缩将产生反向的压力，使液面的上升高度受到限制；而且缺陷也并非圆形，它具有长度、宽度和深度，这都影响渗透液在缺陷中的渗入高度，如图所示。

渗透液在非贯穿性缺陷中的渗入高度h’可根据附加压力Ps、大气压P0、被压缩气体Pk的反压力之间的平衡关系计算：

Ps+P0=Pk

渗透液在非贯穿性缺陷中的渗入高度的计算根据玻意尔-马略特定律，整理：

当L＞＞d时，

h’=2H/〔2+dP0/αcosθ〕

§2-5表面活性和表面活性剂

一、表面活性

1.溶质浓度与溶液表面张力的关系把不同的物质溶于水中，会使表面张力发生变化，其浓度与表面张力的关系如图所示。

曲线Ⅰ表示：

表面张力随溶液浓度的增加而缓慢上升，如氯化钠，硝酸等物质的水溶液。

曲线Ⅱ表示：

表面张力随溶液浓度的增加而下降，如乙醇、醋酸等物质的水溶液

曲线Ⅲ表示：

在浓度较稀时，表面张力随浓度的增加而急剧下降，但降至一定程度后（此时溶液的浓度仍然很低），下降减慢或不再下降，有的溶液还会出现表面张力最低值的·情况（如图中下坠曲线所示）。

肥皂、洗涤剂等物质的水溶液就具有这样的特性。

2.概念：

使溶液的表面张力降低的性质称为表面活性。

二、表面活性剂

具有表面活性的物质称为表面活性剂。

因此，表面活性剂就是这样的一种物质，它在加入量很少时即能改变溶液的表面状态，从而产生润湿，乳化，消泡及加溶等一系列的作用。

三、表面活性剂的种类和结构特点

•表面活性剂溶于水时，凡能电离生成离子的叫离子型表面活性剂；

•凡不能电离生成离子的称为非离子型表面活性剂。

•由于非离子型表面活性剂在水溶液中不电离，所以稳定性高，不易受强电解质的无机盐所影响，也不易受酸和碱的影响，与其他类型的表面活性剂的相溶性好，能很好地混合使用，在水和有机溶剂中，均具有较好的溶解性能，所以，渗透检测中，通常采用非离子型的表面活性剂。

•不论何种类型的表面活性剂，表面活性剂分子一般总是由非极性的亲油疏水的碳氢链部分和极性的亲水疏油的基团共同构成的，而且两部分分处两端，形成不对称的结构。

表面活性剂分子是一种两亲分子，具有亲油和亲水的两亲性质。

这种两亲分子既能吸附在油水的界面上，降低油水界面的张力，又能吸附在水溶液的表面上，降低水溶液的表面张力，从而使不混合在一起的油和水变得可以互相混合。

四、表面活性剂的亲水性

表面活性剂的亲水性用亲憎平衡值（H.L.B）来表示。

非离子型表面活性剂的H.L.B值可以用下式计算：

亲水基部分的分子量100

H.L.B=--------------------------------×------

表面活性剂的分子量5

例：

辛基酚聚氧乙稀的HLB，其分子结构：

-C-C-C-C-C-C-C-C-（H11C6H10）--（OCH2CH2）10-OH

亲油基亲水基

亲水基部分的分子量：

20C+41H+11O=20×12+41×1+11×16=457

亲油基部分的分子量：

14C+21H=14×12+21×1=189

总的分子量：

457+189=646

457100

因此：

H.L.B=------×------=14.1

6465

表面活性剂的H.L.B值和其作用的大概关系如图所示，从图可知：

表面活性剂具有润湿、洗涤、乳化、

增溶、消泡等作用。

从图中还可以看出：

H.L.B值越高，亲水性愈好；

H.L.B值越低，亲油性愈好。

表面活性剂的H.L.B的估计值见书表2---7。

§2-6吸附现象

一、固体表面（固-液界面和固-气界面）的吸附

1.概念：

二种物质的混合物澄清后形成的一相物质迁移到界面并富集于界面的现象称为固体表面的吸附现象。

2.吸附剂和吸附质

•吸附剂：

起吸附作用的固体称吸附剂

•吸附质：

被吸附的液体或气体中的某种成分称为吸附质

3.例：

•白土＋煤油　白土能够吸附煤油中的棕黄色物质　　白土－－吸附剂；　棕黄色物质－－吸附质

•显象剂＋渗透液　　显象剂能够吸附缺陷中的渗透液　显象剂－－吸附剂　　渗透液－－吸附质

二、液体表面（液-液界面和液-气界面）的吸附

1.概念：

一种液体与另一种液体（或气体）接触时，能够将被接触的液体或气体中的某些成分吸附到该液体表面的现象称为液体表面的吸附现象。

2.例：

•水-油界面+表面活性剂,降低水-油界面的界面张力;

三、吸附机理（两亲分子的存在）

由于表面活性剂具有“‘两亲”分子的特殊结构，使它具有自溶液中“逃离”的趋势，故容易吸附并富集于

溶液的表面，且形成定向的排列，非极性的亲油基朝外，如图所示。

当表面活性剂分子在溶液表面的吸附近于饱和时，水的极性表面在很大程度上已被“两亲”分子所覆盖，

于形成一层由碳氢链形成的表面层，这就大大地改变了表面的性质，与产生润湿、乳化、消泡及洗涤等作用都有极大的关系。

例如水不能润湿石腊，但在水中加入适当的表面活性剂以后，水就能润湿石腊。

又如使用活性剂，就可以使本来不相溶混的油和水溶混在一起，形成稳定的乳状液。

四、渗透探伤中的吸附作用

1.乳化过程中的吸附:

渗透液+乳化剂，便于清洗

2.渗透过程中的吸附:

工件吸附渗透剂

3.显象过程中的吸附:

显象剂吸附渗透液

§2-7乳化现象

一、分散体系

1.概念：

一种或几种物质分散存在于另一种物质之中，所形成的物质体系称为分散体系。

•被分散物质：

称为分散相、内相、不连续相

•分散物质