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国内外标准对着色渗透检测灵敏度验证的要求对比

国内外标准对着色渗透检测灵敏度验证的要求对比

      渗透检测作为五大常规无损检测方法之一,广泛应用于承压类特种设备和民用核安全设备领域。在诸多渗透检测技术中又以手工操作喷罐装溶剂去除型着色渗透+溶剂悬浮显像技术的应用最为广泛。下文以这种最常用的渗透检测方法为例,探讨渗透检测技术在实际应用中的灵敏度相关问题;对比美国、欧洲和中国在承压类特种设备和民用核安全设备领域常用的渗透检测标准对灵敏度要求的差异,梳理和分析其优缺点,并提出建议,供渗透检测人员参考。
渗透检测标准的使用情况
《美国标准》
      美国在承压类特种设备和民用核安全设备领域应用最为广泛的渗透检测标准是ASME(美国机械工程师协会)系列标准和ASTM E165 Standard practice for liquid penetrant examination for general industry(通用工业渗透检测的标准操作方法)系列标准。ASME(以下以2021版为例)标准只规定了一种渗透检测对比试块,其结构与我国标准JB/T 6064-2015 《无损检测 渗透试块通用规范》 中的A型铝合金对比试块大致相同,如图1所示。在ASME标准的规定中,该试块主要用于非标准温度下渗透检测方法的鉴定。无论是美国标准、欧洲标准还是中国标准,渗透检测技术的鉴定方法和要求基本相同。
图1 A型铝合金对比试块结构示意
      ASME标准没有直接对渗透检测剂的相关灵敏度做出要求,但是标准ASTM E165-2018指出,无论是哪个制造商生产的渗透检测剂,只要是列在标准QPL-AMS-2644-2020 Qualified products of inspection materials, penetrant(合格产品目录 检验材料 渗透检测)中的均可使用(不能混搭使用)。标准ASTM E165-2018的引用标准ASTM E1220-2016 Standard practice for visible penetrant testing using solvent-removable process(溶剂去除着色渗透检验标准操作方法)明确规定,除经合同或Ⅲ级人员批准外,应使用满足标准AMS-2644-2020 Inspection material, penetrant(检验材料,渗透材料)要求的渗透检测剂,该标准对着色渗透检测剂没有灵敏度等级划分,只有列入清单(合格)与未列入清单(不合格)之分,其规定应使用如图1所示的铝合金对比试块对着色渗透检测剂的灵敏度进行测试。将参考渗透检测剂施加于A型试块的一块,将需要验证灵敏度的渗透检测剂施加于A型试块的另一块,对比二者的检测结果,达到或优于参考渗透检测剂结果的渗透检测剂为合格,低于的则为不合格。参考渗透检测剂由标准AMS-2644-2020指定,验证溶剂去除型着色渗透检测剂的灵敏度应使用VP-PE,R-2和D-2型渗透检测剂作为参考渗透检测剂。灵敏度测试的操作方法也由标准AMS-2644-2020规定。对于溶剂去除型着色渗透+溶剂悬浮显像检测剂系统而言,标准规定的渗透时间为5min,去除试块上多余渗透剂的方式为先用干布擦,再用沾有清洗剂的湿布擦,然后再用干布擦;多余渗透剂去除后,须将试块放在室温下干燥5min,然后用D-2型显像剂喷涂薄而均匀的显像层进行显像,显像时间为5min。
《欧洲标准》
      欧洲在承压类特种设备领域应用最为广泛的渗透检测标准是ISO 3452-1-2013 Non-destructive testing-penetrant testing-part 1: General principles(无损检测 渗透检测 第1部分:总则)。法国标准RCC-M《压水堆核电厂核岛机械设备设计和建造规则》没有给出具体的渗透检测方法,而是引用其他标准的规定,其2000+2002补遗版和2007版均引用标准NF EN 571.1-1997 Non-destructive testing-penetrant testing-part 1: General principles(无损检测 渗透检测 第1部分:总则)的要求;2016版则引用标准ISO 3452-1-2013的要求。标准ISO 3452-1-2013规定渗透检测剂的灵敏度等级应采用标准ISO 3452-3-2013 《无损检测 渗透检测 第3部分:参考试块》 所规定的1型
参考试块进行测定,该试块结构与我国标准GB/T 18851.3-2008《无损检测 渗透检测 第3部分:参考试块》 中的1型参考试块大致相同,如图2所示。标准ISO 3452-2-2013 《无损检测 渗透检测 第2部分:渗透材料的检验》 规定了具体的灵敏度测试方法。
图2 1型参考试块结构示意
      标准ISO 3452-2-2013规定使用镍-铬镀层厚为30μm和50μm的两块1型参考试块对溶剂去除型着色渗透检测剂的灵敏度进行验证,参考渗透检测剂也由该标准指定。待验证对象为1级灵敏度的溶剂去除型着色渗透检测剂时,参考渗透检测剂型号应为VP-1PE,R-2和D-2;待验证对象为2级灵敏度的溶剂去除
型着色渗透检测剂时,参考渗透检测剂型号应为VP-2PE,R-2和D-2。将参考渗透检测剂(3级灵敏度荧光渗透检测剂)施加于这两个试块并记录延伸范围不小于试块宽度80%的横向裂纹的显示数量,以该数量作为基准;彻底清洗试块后,再将需验证灵敏度的渗透检测剂施加于这两个试块,同样记录上述条件下横向裂纹的显示数量并与基准进行对比。若镍-铬镀层厚度为50μm的1型参考试块检出的不连续达100%,且镍-铬镀层厚为30μm的1型参考试块检出的不连续不低于75%,则所验证渗透检测剂的灵敏度等级为2级;若镍-铬镀层厚为50μm的1型参考试块检出的不连续不低于90%;镍-铬镀层厚为30μm的1型参考试块检出的不连续不限,则所验证渗透检测剂的灵敏度等级为1级。灵敏度测试的操作方法由标准ISO 3452-2-2013规定,对于溶剂去除型着色渗透溶剂悬浮显像检测剂而言,其渗透时间为5min,试块上多余的渗透检测剂须用沾清洗剂的湿布擦除,去除渗透检测剂后,应将试块置于室温下干5min,然后用D-2型显像剂喷涂薄而均匀的显像层进行显像,显像时间为5min。
《中国标准》
      中国民用核安全设备和承压类特种设备领域使用最多的渗透检测标准的是NB/T 20003.4-2010 《核电厂核岛机械设备无损检测 第4部分:渗透检测》、NB/T 20328.4-2015  《核电厂核岛机械设备无损检测另一规范 第4部分:渗透检测》 和NB/T 47013.5-2015 《承压设备无损检测 第5部分:渗透检测》,前二者主要用于民用核安全设备领域,后者的应用更为广泛。标准NB/T 20003.4-2010和NB/T 20328.4-2015要求着色渗透检测剂的灵敏度水平至少应达到标准GB/T 18851.2-2008 《无损检测 渗透检测 第2部分:渗透材料的检验》 规定的2级水平。标准GB/T 18851.2-2008规定使用标准GB/T 18851.3-2008中的1型参考试块来验证渗透检测剂的灵敏度。标准NB/T 20003.4-2010和NB/T 20328.4-2015对着色渗透检测剂的灵敏度水平要求与RCC-M 2000+2002补遗版和2007版的是一致的。标准NB/T 47013.5-2015并未明确对着色渗透检测剂的灵敏度做出要求。标准NB/T 20003.4-2010,NB/T 20328.4-2015和NB/T 47013.5-2015规定了渗透检测剂系统的灵敏度及操作工艺正确性的验证方法。该方法使用如图3所示的三点式B型试块(图中l为试块厚度,为3~4mm),在检测工作开始前、检测中和检测后,如检测人员认为有必 要,可以使用该方法进行灵敏度验证。
 
图3 三点式B型试块结构示意
      标准NB/T 47013.5-2015详细规定了三点式B型试块上裂纹区的长径,且其根据可显示裂纹区的不同规定了3个(A,B,C)灵敏度等级;标准NB/T 20003.4-2010和NB/T 20328.4-2015则直接引用标准JB/T 6064-2015的相关规定,且要求3个裂纹区均显示清晰(相当于标准NB/T 47013.5-2015规定的C级灵敏度)。
渗透检测剂灵敏度的相关问题
渗透检测剂灵敏度
      尽管标准RCC-M 2000+2002补遗版和2007版,NB/T 20003.4-2010,NB/T 20328.4-2015对渗透检测剂的灵敏度等级做出了要求,但是没有明确新购置的喷罐装着色渗透检测剂在供货商提供满足灵敏度等级要求证明的前提下,作为使用者是否还需要使用1型参考试块验证该渗透检测剂的灵敏度等级。按标准AMS-2644-2020所述的方法使用铝合金对比试块以及按标准GB/T 18851.2-2008或ISO 3452-2-2013所述的方法使用标准GB/T 18851.3-2008或ISO 3452-3-2013规定的1型参考试块测出的渗透检测剂灵敏度主要是渗透剂的灵敏度,不是该渗透检测剂能达到的最高灵敏度,也不是使用者想要采用的渗透检测工艺所能达到的灵敏度(因为测试方法和显像剂均由标准指定,而非使用者采用的操作工艺和显像剂)。
渗透检测剂的过程控制检验
标准ISO 3452-3-2013和GB/T 18851.3-2008中的2型参考试块结构如图4所示。
      喷罐式渗透检测剂有着“即喷即用即弃”的特点,其采用正压密封,不回收,不重复利用。正常情况下,喷罐内的渗透检测剂不会被污染。标准AMS-2644-2020,ISO 3452-2-2013,GB/T 18851.2-2008,T/CAMAC 0005-2020《民用航空无损检测 渗透检测》 等标准都不要求对使用中的喷罐式渗透检测剂进行过程控制检验。
2.3渗透检测剂系统灵敏度及操作工艺正确性验证
      渗透检测剂系统灵敏度及操作工艺正确性验证与渗透检测剂灵敏度验证有着根本性的不同。
1.渗透检测剂系统灵敏度及操作工艺正确性验证使用的渗透检测剂是待验证灵敏度的渗透检测剂,包括显像剂在内。
2.渗透检测剂系统灵敏度验证无需与参考渗透检测剂进行对比,只需要通过待验证渗透检测剂显示的裂纹区数量即可直接判断其灵敏度等级。
3.渗透检测剂系统灵敏度及操作工艺正确性验证的操作方法与检测人员进行渗透检测的操作方法相同。标准NB/T 20003.4-2010,NB/T 20328.4-2015和NB/T 47013.5-2015使用JB/T 6064-2015中的三点式B型试块来验证渗透检测剂系统灵敏度及操作工艺正确性。
为了扩大可测灵敏度范围,也可以使用如图5所示的五点式B型试块(由上至下,“+”字符号分别表示1,2,3,4,5裂纹区)。三点式B型试块上的3个裂纹区大致相当于五点式B型试块上的2,3,4裂纹区。
图4 2型参考试块实物及其结构示意
 
      根据这两项标准所述,该试块用于渗透检测剂系统的过程控制检验,但过程控制检验不适用于喷罐式渗透检测剂系统。
图5 五点式B型试块结构示意
      标准ISO 3452-3-2013和GB/T 18851.3-2008中的2型参考试块虽然也有5个裂纹区,但是其最大尺寸为3.0~5.5mm,范围比五点式B型试块的1~6mm要小。2型参考试块上最小的裂纹区大致相当于五点式B型试块上的第3个裂纹区(即三点式B型试块上的第2个裂纹区)。与五点式B型试块相比,2型参考试块可测的灵敏度范围小且可测最高灵敏度低。即使2型参考试块上的五个裂纹区全部清晰显示,也只能达到标准NB/T 47013.5-2015规定的B级灵敏度,无法满足标准NB/T 20003.4-2010和NB/T 20328.4-2015对渗透检测剂系统灵敏度的要求。如果需要验证更高的灵敏度等级,可以使用如图6所示的PSM-5型试块。该试块广泛应用于民航领域透检测的过程控制检验,其最小的裂纹区长径为0.38~0.79 mm。
图6 PSM-5型试块外观
 
无论是B型试块、2型参考试块还是PSM-5型试块,都有如下弊端:
 
1.试块上的裂纹是在试块背面施加压力的情况下自然形成的,使用试块时的应力输入(如碰撞、跌落、对试块施加弯曲应力、试块背面施加压力等)会导致裂纹继续扩展,尺寸增大,甚至产生新的裂纹。
2.试块上的裂纹有极小的尖端,其在使用过程中会不断积留渗透检测剂,使得试块上细小裂纹的显示随着试块使用次数的增加变得越来越不清晰甚至不能显示。这个问题可以使用超声波清洗试块来解决,但效果不总是令人满意,最终还是需要更换试块。
3.试块裂纹区的表面粗糙度一般不超过2.5μm,几乎优于所有的待检表面。这导致渗透剂非常容易从光滑的试块表面去除,如果采用与待检工件完全一样的去除多余渗透剂的操作去除试块上多余的渗透剂,则大概率会导致试块过清洗。
4.试块上的裂纹是在压力下自然形成的,因此无法精确控制裂纹的宽度和深度,也不存在完全相同的两个试块。这可能会导致相同系统灵敏度的渗透检测剂在不同的试块上测得的灵敏度等级不同。
 
结 语
      渗透检测剂的灵敏度在一定程度上限制了渗透检测所能达到的灵敏度上限,为了保证渗透检测的灵敏度能够满足要求,在实施渗透检测时,应该规定渗透检测剂灵敏度等级的下限,同时,渗透检测剂的灵敏度等级应该由供货商自我声明,并提供经认可的第三方实验室出具的渗透检测剂灵敏度鉴定报告作为证明材料。建议有关部门仿照标准QPL-AMS-2644-2020建立中国的被鉴定合格的渗透检测材料产品目录,以方便使用者购买满足灵敏度等级要求的渗透检测剂。渗透检测剂系统灵敏度及操作工艺正确性验证适宜在渗透检测行业内推广,但是使用B型试块、2型参考试块或PSM-5型试块进行渗透检测剂系统灵敏度及操作工艺正确性验证只能得到一种灵敏度表征,其与实际缺陷检出能力不具有对应性,只可作为一种参考。
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