真空罩气泡法泄漏检验技术研究

李宜全+杨崇安

摘 要：真空罩气泡法泄漏检验技术原理简单，易于掌握，但是对检验实施要求较高，为最大限度减低检验的漏检率和提高检验工作效率，应根据人体工程学、照明技术在设备上进行优化，应用机器视觉技术、热成像技术，对检验设备进行创新，同时在技术方面进行完善，以此最大限度减低检验的漏检率和提高检验工作效率。

关键词：真空罩气泡法；泄漏检验；优化；创新；漏检率；工作效率

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

0 前言

真空罩气泡法泄漏检验主要应用于不能直接加压的压力界面的泄漏位置检验，其方法是在界面的局部区域的两侧形成一个压力差，使施加于压力界面这一局部区域的溶液，因有泄漏的气体通过而形成气泡。

真空罩气泡法泄漏检验技术原理简单，易于掌握，在实际检验中得到广泛应用。但在实际的实施过程中，因设备和操作技术的原因会造成漏检，同时检验工作效率较低，为此必须优化检验设备，完善检验技术，并引入新技术才能最大限度减低漏检率，提高检验工作效率。

1 优化检验设备

1.1 真空罩的设计和制造

1.1.1 真空罩的规格

真空罩的尺寸和形状应根据被检对象的形状进行设计。但对于检验设备优化而言，其具体的规格尺寸应根据检验技术和人体工程学进行设计。以长方体形状的真空罩为例，对其设备的进行如下优化设计。

人眼的视角是有限的。一般而言，映在人眼视网膜上的图像，只有中心部分能分辨清楚，这叫分辨视域，约15度。从十几度到30度之间则称为有效视域，在有效视域内检验人员能立刻看清物体的存在和有什么动作，且不需要转动头部才能辨别清楚的程度。为了达到检验人员能够时刻观察检验区域内的任何气泡的微小变化同时提高工作效率。真空罩的两端与检验人员眼睛的夹角设计为30度。

根据人体结构特点，当检验人员双手持真空罩进行扣压动作时，检验人员的双眼距真空罩的距离一般在600mm，同时符合检验人员眼睛距被检表面的距离不超过610mm[1]的要求。由此确定检验人员和真空罩的最大观察距离设定为600mm。由最大观察距离和最大的有效视角，计算出真空罩的最大设计长度约为320mm。

用于焊缝检验的真空罩宽度应根据焊缝宽度进行设计。真空罩宽度为焊缝宽度加上两侧的侧向泄漏气流干扰区长度（约为100mm）。为使真空罩具有广泛的通用性，一般真空罩的设计宽度为130mm。

用于板材检验的真空罩宽度应根据人眼的视角特点进行设计。一般而言，人眼的视角范围长宽比为16：9，真空罩的设计长宽比尽量为16：9，这样真空罩的检验区正好可以适应人眼的视角范围，不会浪费，也不会溢出。一般真空罩的设计宽度为180mm。

真空罩的高度应尽量小，其直接优点是可以降低真空泵抽速的要求。同时能够为检验人员提供更好的观察条件。真空罩的高度由放气阀和照明光源的位置及尺寸决定。

在实际检验中，可以根据以上原则设计几种不同规格的真空罩，以便于现场使用。以上的设计尺寸是为保证检验人员能过时刻观察检验区域的变化，设备优化的主要目的是为最大限度减低检验漏检率提供条件。

1.1.2 密封垫圈

真空罩敞开底面的边缘安装的密封条应给予充分的重视，良好的密封性能可以提高检验效率。应使用弹性好且柔软的材料作为密封条，并进行多层间隔设计。良好密封能有效减少侧向泄漏形成的干扰气泡或干扰气流。为更有效减少侧向泄漏气干扰区，可在距密封垫圈10mm内侧增设漏气阻隔墙，进一步减少侧向漏气形成的干擾气泡或干扰气流。

1.1.3 真空罩中的光源

真空罩中的光源主要为操作人员提供照明，由于气泡为突起的透明薄膜，如果光源的照明方式不当，将不利于检验人员观察到气泡的微小变化。根据目视检验中照明技术的研究发现，暗场照明方式可以为检验人员提供更有效的照明光线。真空罩中的光源设计为暗场照明方式。

作为一项标准技术，需检验零件的表面温度在检验的全过程中应不低于 40 下（ 4 ℃ ），也不高于 125OF （ 52 ℃ ）。[2]所以在光源的选择上不宜选用发热量较高的钨丝灯或卤素灯等光源，应选用体积小、亮度大、几乎无热量散发的发光二极管作为照明光源。 发光二极管的布设和数量应为被检表面的每个区域提供至少要有 100fc （1000LX ） 的照度。

为给检验人员提供测量依据，在照明上应增加具有参考测量的二维结构光束，结构光可以为条形或网格。

1.1.4 真空罩上的阀门

为了达到调节真空罩内真空度的要求，在真空罩内应安装气体节流阀。但是进入真空罩内的气体会不可避免对气泡的形成产生影响，节流阀应安装在真空罩附近的真空管上。为移除真空罩方便，还应在真空罩上安装放气阀，以便于向真空罩内发气。该方案可以有效避免通过节流阀进入的空气形成的扰流，同时又能有效降低真空罩高度。

1.1.5 真空罩上的观察窗口

真空罩上的观察窗口应具有良好的透光率，同时应能够承受1Bar的大气压力而不能产生破裂。

1.2 起泡液性能要求

在检验实施前应确认起泡液不能对被检部件产生腐蚀作用，起泡液应在被检验区产生一层不易脱离的薄膜，而且所形成的起泡不应因空气烦躁作用或因表面张力地而迅速破碎。涂敷时所形成的气泡数量应尽量少，以免出现溶液中的气泡和通过焊缝缺陷形成的起泡难以区别的问题。

1.3 计量设备-真空表

检验所使用的真空表应在有效的检定期内，以保证检验的有效性。真空表安装在距抽气口的最远处。真空表分为指针式真空表和数字式真空表。

指针式真空表的真空度值无法直读，在使用中时应进行必要的换算。 真空表上 “0”表示绝对压力为正一个大气压， “-0.1”表示绝对真空。真空表上的指示值不表示真空度的绝对值，只表示了真空度的相对值。

根据真空表的刻度示值范围，真空度的绝对值与指针式真空表的相对值可用下式换算：

P=1×105（1-δ/0.1）

P - 真空度的绝对值（Pa）

δ - 真空表的刻度示值的绝对值

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

数字式真空表可以进行绝对真空度直读。其特点为测量精度高且使用方便但价格较昂贵。

1.4 标准漏孔

使用的标准漏孔不应超过检验规程中要求的泄漏率。其标准漏孔的漏率应由具有鉴定资格的部门进行鉴定。

1.5 真空泵的选择

真空泵的选择应根据真空罩的容积进行选择。在现场工作允许的情况下，尽可能选择抽速大的真空泵，一般选用单级旋片真空泵。

2 检验技术

在检验项目开始前，应在现场使用标准漏孔对设备的有效性进行确认。从而保证检验结果的有效性。

在施加起泡剂前应对被检区域进行表面清洗，清洗应使用对被检表面不能造成破坏的溶剂，同时该溶剂应易于挥发从而使被检区域能够达到干燥状态。

在确认清洗后的被检区域已达到干燥状态后才能施加气泡剂。

施加气泡剂时应尽量减少溶液中所包含的泡沫数量，以免引起原有的气泡和泄露所引起的气泡在辨认下的混淆。

在检验过程中应保证在全部的被检区域覆盖有一层不易脱离起泡剂的薄膜。

检验时的真空度必须达到相应的检验程序要求，对于指针式真空计应进行必要的计算。

在真空罩内真空度上升过程中，检验人员应注意每一所见气泡的变化。由于贯穿性漏孔形成的气泡变化大而快，检验人员会容易观察到。但对于混合漏孔，其形成气泡变化小而慢，但气泡体积的变化率会大于干扰气泡的体积变化率：

δ>P1/P2%

δ-混合漏孔形成气泡体积的变化率

P2-真空状态的最终绝对压力

P1-环境绝对压力值

一旦发现有此类情況，应增加真空状态的保持时间，但不能提高真空度，以此确认是否有漏。如果用同样的方法进行验证，应先彻底去除表面上的气泡剂，静置约10分钟后再次进行。如采用其它泄漏检验方法进行验证，所采用检验方法的灵敏度必须高于真空罩气泡法。不能使用液体渗透或超声检验方法进行验证，因渗透剂或耦合剂有堵塞漏孔的可能。

检验实施后应去除起泡剂。

3 新技术应用与探索

对于漏孔生成气泡信息的采集，可使用机器视觉技术克服直接目视无法精确测量的缺点。使用用广角镜头并根据镜头的视角扩大真空罩尺寸，还能够进一步提高检验工作效率。应用机器视觉中的非接触测量技术还会有效提高对混合漏孔的检出率。机器视觉技术在真空罩气泡法泄漏检验中的应用，将为该泄漏检验方法提供更广泛的应用。在该方面的是一个值得研究的方向。

机器视觉技术主要是在气泡信息的采集和分析上进行创新，对于检验技术而言，没有进行跨越性的改进和创新。应根据真空罩气泡法泄漏检验原理在检验技术上进行创新和探索。

根据热力学第一定律，当等量气体作等温膨胀时，气体将从外界吸收热量。假设一片钢板上存在一处0.51mm的孔洞，在钢板的上方扣真空罩并抽真空至0.4×105Pa，此时钢板下方侧为1×105Pa的大气压力，由于钢板上方为真空，气体将通过孔洞进入真空罩内，由于钢板两侧的温度相同，所以通过的孔洞瞬间的气体发生了等温膨胀的物理变化，这时泄漏真空罩内的气体将从真空罩内吸收热量，从而在真空罩内形成一个低热流动区域，通过红外热成像摄像机可以捕捉一个低热图像。以上原理为红外热成像摄像机在真空罩气泡法泄漏检验技术的创新提供可能。

热成像摄像机主要采集泄漏气流信号而是气泡信息，所以在检验时不需要施敷起泡剂，这样不但可以提高检验效率，也为自动化实施提供可能。特别在核电厂的在役检查中可以提供更广阔的开拓空间。

依据热力学理论热成像摄像机的应用是可行的，但是实际应用中还需解决一些问题。例如，气体在发生等温膨胀的物理变化过程中，产生的微小的热量变化将对热成像摄像机的热分辨率提出很高要求，同时真空罩的密封垫圈与被检部件密封部位不可能没有气体泄漏，其泄漏形成的低热量区域将对检验的判断形成干扰。针对这些工程实现问题是今后探索的一个方向。

参考文献：

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

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

作者简介：李宜全（1978-），男，黑龙江人，本科，高级工程师，从事无损检测研究。