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【摘 要】本文通过对换热器管板角接接头的结构特点，分析了该种接头所适合的渗透检测方法。
【关键词】换热器管板角接接头;渗透检测;截留能力;检测灵敏度
0.前言
管板式换热器是石化炼油行业采用的最多的一种热量交换设备，对于换热器管板的无损检测，必须要对几种常规检测方法进行分析和对比，然后结合生产制造单位的检测实力来决定检测的方法。
1.工艺制造对渗透检测灵敏度影响的关键因素
渗透检测的灵敏度主要取决于深入缺陷内的渗透量及其保留在缺陷内渗透剂的数量。而换热器管板在制造过程中采用的工艺，存在着因素影响渗透剂的渗入和截留量。
1.1焊接因素
为了保证焊后胀接过程中焊接接头不被拉开，焊接时采用的电流比较大，在180-220A之间，保证了焊缝的熔深，但焊接接头的热输入大，存在着较大的内应力，从而减小了焊接接头中开口缺陷的宽度或容积，使渗透检测时开口缺陷内不能渗进足量的渗透液，造成检测灵敏度下降。
1.2焊后胀接工艺因素
在焊接过程中，采用了焊后胀的工艺，基本上减少了间隙的尺寸并排出了管板和管子之间的空气，这使渗透检测时，开口缺陷内不能渗进足量的渗透液，造成检测灵敏度下降。
1.3制造工艺造成的不同缺陷的开口宽度的影响
通过上述分析我们可以看出，影响检测的关键因素还是缺陷对渗透剂的截留能力，而缺陷对渗透剂的截留能力不仅进取决于上述因素，而且还和表面开口缺陷的宽度等因素有关。实际缺陷类型及形状很复杂，尺寸一般为上宽下窄，并非理想毛细管形状。在管板角接接头的制造焊接过程中，采用的是气体保护焊，并在焊后进行胀接，使得裂纹和气孔出现几率最高。我们以常见裂纹有贯穿性裂纹和非贯穿性裂纹。非贯穿性裂纹在渗透时容易封闭气体，导致随着渗透量的增加，密封压强增大，从而影响缺陷内渗透量。下面以裂纹模型理论推导渗透液渗入高度:
设有一非贯穿性裂纹铅直开口向上，长a宽b深H。经过一段时间后，被密封的气体达到平衡状态，渗透液渗入高度为h(h＜H)。
以渗入的液体受力分析：有大气压强P0和弯曲液面附加压力〔2（a+b）αcosθ〕,被密封气体压强为P1,假设渗透前后裂纹内被封闭气体温度和质量均不改变，由热力学定律得：
P0abH= P1（H-h）ab (1)
既 P1=P0H/（H-h）
若不考虑液体密度，渗透停止，渗透作用停止，液体铅直方向受力平衡有： P0ab+2（a+b）αcosθ= P1ab 整理后为：
h=2H（a+b）αcosθ/〔2（a+b）αcosθ+P0ab〕 (2)
既 h=H/【1+ P0ab/〔2（a+b）αcosθ〕】
若 a》b(实际裂纹开口很窄)，则b/a→0
故 h=H/〔1+ P0b/2αcosθ〕 (3)
从式（3）可以看出，当外界空气大气压强P0一定时，渗透液静态渗透参量αcosθ确定后，裂纹模型渗透液爬高h与裂纹深度H和宽度b有关。同理可以推导出表面开口的气孔类缺陷（和半通毛细管类似）液柱的高度为：
h=H/〔1+ P0r/2αcosθ〕 (4)
而通孔毛细管根据液柱自重与张力平衡，即
πr2ρgh=2πrαcosθ,求解得
h=2αcosθ/ρgr (5)
半通与通孔毛细管表达式之所以不同，是由于半通毛细管中液柱封闭气体，根据封闭气体压力与张力和大气压力平衡求解得h。
上述的计算我们不难看出，角接焊缝上的缺陷是否贯通、缺陷的开口宽度对渗透检测渗透剂的截留量的影响。由式（3）、（4）可以看出由半通裂纹模型推导出的半通渗透理论和贯通缺陷是有区别的。所以在渗透前首先应了解被检工件缺陷大致类型，确定渗透方式和渗透时间，其次将预处理工件加热，降低缺陷内部空气密度。缺陷内部空气遇冷时，压强降低，有利于渗透液的渗入。在渗透时将工件适当震动，排除缺陷内气体，也有利于增大渗入量。
1.4渗透剂应具备的特性分析和选择
宏观上液体表面因为有表面张力的存在，均有自发收缩的趋势。表面张力是液体表面的物理性质，取决于表面张力系数α，它是影响液体渗透能力因素之一。当液体与固体接触时，形成一层很薄的附着层。因为附着层的分子既要受到液体内部分子的吸引，又要受到固体内部分子的吸引，所以其物理性质不同于单相的液体或固体。但附着层里相互作用总体表现为斥力时，附着层就有扩展的趋势，液体就能润湿固体表面。用接触角θ表示固液两相接触界面物理性质，接触角θ也是影响渗透能力的因素之一，所以αcosθ是影响渗透能力的主要因素。渗透液材料性能好坏常用静态渗透参量SPP=αcosθ和动态渗透参量KPP=（αcosθ）/η来表征。
（1）静态渗透参量物理意义
SPP是衡量渗透液渗透能力的物理量。常用理想半径为r的毛细管渗透液柱的高度h=（2αcosθ）/rρg (ρ为渗透液密度)。该式在不考虑液体内摩擦力情况下，毛细管的SPP(渗透液毛细管接触角θ≤50，cosθ≈1)越大，毛细管半径越小，克服液柱自重上升的高度越大，表示渗透液渗透能力越强。
（2）动态渗透参量物理意义
动态渗透参量也可以用渗透速率来表征，它更能反映液柱达到动态平衡时所需要的时间。开始毛细管未形成液柱，液柱的重量趋于0，液体有内摩擦力和弯曲面附加压力二力作用。内摩擦力是液柱上升的动力，它在上升过程中始终保持不变。随着液柱高度逐渐增大，液柱重力增大，即液体压强增大，液柱爬高运动速率随着减慢，内摩擦力也随着速率变化发生改变。所以严格说，在整个上升过程中，液柱是非匀速运動，用渗透速率来表征动态渗透参量，更能反映液柱在单位时间内上升的高度。
通过以上物理意义分析，我们不难发现，在管板交接接头的渗透检测中，由于缺陷的开口宽度（r）比较小且是固定的，g为常量重力加速度，此时我们选择渗透剂只考虑表面张力系数α、接触角θ和渗透剂的密度ρ，这三个参量选择合适，则会是渗透剂液柱的高度更高，即保证渗透剂深入的量更多。同时，由于采用的是立式法渗透，对于影响渗透速率的参数也是我们必须考虑的，既要保证很好的黏附力，又要保证一定的渗透速度，此时我们采用中和的办法，即不采用水洗型渗透剂，也不采用后乳化型渗透剂，而是选用了具有一定挥发性的溶剂油基渗透剂（不含乳化剂），从而满足了立式渗透和其它工艺的需求。
2.结论
综上所述，渗透方法检验缺陷能力不仅与被检工件的材料、加工方法和表面状态有关，而且与缺陷深度、宽度和外界大气压有关，还与缺陷的空间位置及是否贯穿有关。同时，还与我们选取的渗透检测剂的类型及这个操作过程中的相关因素都有着极大的关系。对于同样材料和同样的缺陷，如果上述的任何一个因素的改变，都可以导致出现不同的检测结果。总之，要提高渗透检测灵敏度，缺陷内渗透液应尽可能提升。■
【参考文献】
［1］GB151-1999 管壳式换热器.中国标准出版社，1999.
［2］JB4730.5-2005 承压设备无损检测.中国标准出版社，2005.
【关键词】换热器管板角接接头;渗透检测;截留能力;检测灵敏度
0.前言
管板式换热器是石化炼油行业采用的最多的一种热量交换设备，对于换热器管板的无损检测，必须要对几种常规检测方法进行分析和对比，然后结合生产制造单位的检测实力来决定检测的方法。
1.工艺制造对渗透检测灵敏度影响的关键因素
渗透检测的灵敏度主要取决于深入缺陷内的渗透量及其保留在缺陷内渗透剂的数量。而换热器管板在制造过程中采用的工艺，存在着因素影响渗透剂的渗入和截留量。
1.1焊接因素
为了保证焊后胀接过程中焊接接头不被拉开，焊接时采用的电流比较大，在180-220A之间，保证了焊缝的熔深，但焊接接头的热输入大，存在着较大的内应力，从而减小了焊接接头中开口缺陷的宽度或容积，使渗透检测时开口缺陷内不能渗进足量的渗透液，造成检测灵敏度下降。
1.2焊后胀接工艺因素
在焊接过程中，采用了焊后胀的工艺，基本上减少了间隙的尺寸并排出了管板和管子之间的空气，这使渗透检测时，开口缺陷内不能渗进足量的渗透液，造成检测灵敏度下降。
1.3制造工艺造成的不同缺陷的开口宽度的影响
通过上述分析我们可以看出，影响检测的关键因素还是缺陷对渗透剂的截留能力，而缺陷对渗透剂的截留能力不仅进取决于上述因素，而且还和表面开口缺陷的宽度等因素有关。实际缺陷类型及形状很复杂，尺寸一般为上宽下窄，并非理想毛细管形状。在管板角接接头的制造焊接过程中，采用的是气体保护焊，并在焊后进行胀接，使得裂纹和气孔出现几率最高。我们以常见裂纹有贯穿性裂纹和非贯穿性裂纹。非贯穿性裂纹在渗透时容易封闭气体，导致随着渗透量的增加，密封压强增大，从而影响缺陷内渗透量。下面以裂纹模型理论推导渗透液渗入高度:
设有一非贯穿性裂纹铅直开口向上，长a宽b深H。经过一段时间后，被密封的气体达到平衡状态，渗透液渗入高度为h(h＜H)。
以渗入的液体受力分析：有大气压强P0和弯曲液面附加压力〔2（a+b）αcosθ〕,被密封气体压强为P1,假设渗透前后裂纹内被封闭气体温度和质量均不改变，由热力学定律得：
P0abH= P1（H-h）ab (1)
既 P1=P0H/（H-h）
若不考虑液体密度，渗透停止，渗透作用停止，液体铅直方向受力平衡有： P0ab+2（a+b）αcosθ= P1ab 整理后为：
h=2H（a+b）αcosθ/〔2（a+b）αcosθ+P0ab〕 (2)
既 h=H/【1+ P0ab/〔2（a+b）αcosθ〕】
若 a》b(实际裂纹开口很窄)，则b/a→0
故 h=H/〔1+ P0b/2αcosθ〕 (3)
从式（3）可以看出，当外界空气大气压强P0一定时，渗透液静态渗透参量αcosθ确定后，裂纹模型渗透液爬高h与裂纹深度H和宽度b有关。同理可以推导出表面开口的气孔类缺陷（和半通毛细管类似）液柱的高度为：
h=H/〔1+ P0r/2αcosθ〕 (4)
而通孔毛细管根据液柱自重与张力平衡，即
πr2ρgh=2πrαcosθ,求解得
h=2αcosθ/ρgr (5)
半通与通孔毛细管表达式之所以不同，是由于半通毛细管中液柱封闭气体，根据封闭气体压力与张力和大气压力平衡求解得h。
上述的计算我们不难看出，角接焊缝上的缺陷是否贯通、缺陷的开口宽度对渗透检测渗透剂的截留量的影响。由式（3）、（4）可以看出由半通裂纹模型推导出的半通渗透理论和贯通缺陷是有区别的。所以在渗透前首先应了解被检工件缺陷大致类型，确定渗透方式和渗透时间，其次将预处理工件加热，降低缺陷内部空气密度。缺陷内部空气遇冷时，压强降低，有利于渗透液的渗入。在渗透时将工件适当震动，排除缺陷内气体，也有利于增大渗入量。
1.4渗透剂应具备的特性分析和选择
宏观上液体表面因为有表面张力的存在，均有自发收缩的趋势。表面张力是液体表面的物理性质，取决于表面张力系数α，它是影响液体渗透能力因素之一。当液体与固体接触时，形成一层很薄的附着层。因为附着层的分子既要受到液体内部分子的吸引，又要受到固体内部分子的吸引，所以其物理性质不同于单相的液体或固体。但附着层里相互作用总体表现为斥力时，附着层就有扩展的趋势，液体就能润湿固体表面。用接触角θ表示固液两相接触界面物理性质，接触角θ也是影响渗透能力的因素之一，所以αcosθ是影响渗透能力的主要因素。渗透液材料性能好坏常用静态渗透参量SPP=αcosθ和动态渗透参量KPP=（αcosθ）/η来表征。
（1）静态渗透参量物理意义
SPP是衡量渗透液渗透能力的物理量。常用理想半径为r的毛细管渗透液柱的高度h=（2αcosθ）/rρg (ρ为渗透液密度)。该式在不考虑液体内摩擦力情况下，毛细管的SPP(渗透液毛细管接触角θ≤50，cosθ≈1)越大，毛细管半径越小，克服液柱自重上升的高度越大，表示渗透液渗透能力越强。
（2）动态渗透参量物理意义
动态渗透参量也可以用渗透速率来表征，它更能反映液柱达到动态平衡时所需要的时间。开始毛细管未形成液柱，液柱的重量趋于0，液体有内摩擦力和弯曲面附加压力二力作用。内摩擦力是液柱上升的动力，它在上升过程中始终保持不变。随着液柱高度逐渐增大，液柱重力增大，即液体压强增大，液柱爬高运动速率随着减慢，内摩擦力也随着速率变化发生改变。所以严格说，在整个上升过程中，液柱是非匀速运動，用渗透速率来表征动态渗透参量，更能反映液柱在单位时间内上升的高度。
通过以上物理意义分析，我们不难发现，在管板交接接头的渗透检测中，由于缺陷的开口宽度（r）比较小且是固定的，g为常量重力加速度，此时我们选择渗透剂只考虑表面张力系数α、接触角θ和渗透剂的密度ρ，这三个参量选择合适，则会是渗透剂液柱的高度更高，即保证渗透剂深入的量更多。同时，由于采用的是立式法渗透，对于影响渗透速率的参数也是我们必须考虑的，既要保证很好的黏附力，又要保证一定的渗透速度，此时我们采用中和的办法，即不采用水洗型渗透剂，也不采用后乳化型渗透剂，而是选用了具有一定挥发性的溶剂油基渗透剂（不含乳化剂），从而满足了立式渗透和其它工艺的需求。
2.结论
综上所述，渗透方法检验缺陷能力不仅与被检工件的材料、加工方法和表面状态有关，而且与缺陷深度、宽度和外界大气压有关，还与缺陷的空间位置及是否贯穿有关。同时，还与我们选取的渗透检测剂的类型及这个操作过程中的相关因素都有着极大的关系。对于同样材料和同样的缺陷，如果上述的任何一个因素的改变，都可以导致出现不同的检测结果。总之，要提高渗透检测灵敏度，缺陷内渗透液应尽可能提升。■
【参考文献】
［1］GB151-1999 管壳式换热器.中国标准出版社，1999.
［2］JB4730.5-2005 承压设备无损检测.中国标准出版社，2005.