纖維纏繞壓力容器x射線切線照相檢測技術

纖維纏繞壓力容器x射線切線照相檢測技術

1纖維化學混合成分檢測技術的應用自1973年纖維濕技術在中國的應用以來，它在軍事和民用領域得到了迅速發(fā)展。近年來，隨著能源和低碳環(huán)保經(jīng)濟的發(fā)展，纖維濕技術在民用壓力容器領域得到了越來越大的應用。例如，車載氣槍、加熱壓力容器、防腐壓力容器等應用了纖維纏繞復合制造技術。然而，傳統(tǒng)的金屬壓力容器制造技術和結構特點之間存在很大差異。此外，由于結構的特殊性，傳統(tǒng)的破壞檢測方法無法有效地檢測其缺陷，并為檢測技術領域提出了一個新問題。2一般纖維繞射壓力器的缺點2.1材料結構的特點纖維纏繞壓力容器是以高聚物或金屬為襯層,用高強度玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維在一定形狀的襯層上纏繞并經(jīng)固化而成的復合材料制品,如圖1碳纖維纏繞燃氣瓶所示,容器復合制造過程中使用了纖維、樹脂、襯層等多種材料,結構上具有多種外形和層間多界面等特點,復合工藝中的樹脂浸漬、纖維纏繞方法、襯層制備、固化方式等的變化均會導致容器的材料組織產(chǎn)生缺陷,從而降低容器的材料力學性能和整體強度;從理論上分析認為:纏繞過程中由于張緊力控制不均及纖維滑移將可能造成纖維纏繞層間的纖維分離或?qū)娱g裂紋,纖維浸漬樹脂的均勻性將可能導致容器固化后纏繞層間的貧膠或聚膠,固化過程中樹脂中氣體的釋放將造成纏繞層中存在孔隙,由于工藝過程控制不良將可能將夾雜物帶入纏繞層,此外,由于纖維纏繞層與襯層的粘接不良可能形成脫粘缺陷。2.2工程檢測中常用的缺陷纖維纏繞壓力容器在復合制造過程中,工藝方法、工藝參數(shù)、環(huán)境的變化均會導致容器產(chǎn)生缺陷,工程檢測過程中常見的缺陷歸納起來主要有以下幾種:2.2.1層間纖維浸漬性缺陷纖維分離是指容器在纏繞、復合固化過程中,由于纏繞層與纏繞層間的纖維浸漬樹脂含量過低、樹脂粘接強度小或纖維纏繞張力小,從而導致纖維與纖維間未能粘接,處于纖維分離狀態(tài)形成的面積缺陷,屬于危害性較大缺陷。2.2.2層表面處理不當纖維纏繞層與襯層的粘接面,由于襯層表面處理不當或樹脂涂敷不均、固化環(huán)境不好,導致纖維纏繞層與襯層粘接面的粘接強度不夠產(chǎn)生的分離界面。2.2.3固化樹脂氣體排放不暢孔隙是指纖維纏繞容器固化過程中,由于固化溫度、環(huán)境濕度及樹脂自身特性等原因,一定面積纏繞層樹脂中的氣體排放不暢,固化后氣體殘留在樹脂中形成的微孔缺陷。2.2.4容器固化過程分析富膠是纖維纏繞容器的纖維樹脂浸漬過多或在容器固化過程中樹脂流動在某處聚集,固化成型后容器局部纖維含量小而樹脂含量偏高的現(xiàn)象,通常多出現(xiàn)在纖維纏繞層的界面接合部位。2.2.5高密度夾夾物的種類夾雜物是纖維纏繞容器復合制造過程中,由于纖維、樹脂、襯層及模具、設備、環(huán)境清理不干凈帶入的外來物,通常多出現(xiàn)在纖維纏繞層間,夾雜物按照材料密度不同可分為高密度夾雜和低密度夾雜。3x射線切割成像技術3.1薄壁金屬檢測一般特點X射線切線照相檢測技術是一種特殊的射線照相檢測技術方法,通?？捎糜诶w維纏繞、布帶纏繞及模壓等復合工藝方法制造的筒形件、管形件、錐形件及球形件的層間缺陷檢測,特定的情況下也可用于薄壁金屬與大厚度金屬材料搭接焊縫的內(nèi)部質(zhì)量檢測;與常規(guī)的X射線照相檢測技術方法相比,具有以下主要特點:a.采用切線透照方法時,中心射線束的透照方向與筒形件、管形件、錐形件及球形件的圓弧面相切,如圖2所示。b.切線透照方法所采用的透照布置為放大投影方式;c.被檢測的透照部位在透照方向上具有一定的厚度差異,即變厚度截面;d.適用于常規(guī)射線照相檢測方法不易檢出的層間分層、裂紋缺陷的檢測;e.獲得的底片影像可顯示出制品材料厚度方向上的分布情況。3.2纖維化學混合劑的x射線切線透照技術纖維纏繞壓力容器的纏繞層主要由低原子序數(shù)物質(zhì)構成,物質(zhì)密度小,對射線的吸收能力弱;纖維纏繞層的材料特性與金屬材料有很大的不同,復合成形工藝、缺陷等都與金屬材料有很大的差異,這些使得纖維纏繞層中存在的缺陷與金屬材料相比發(fā)生了較大變化,要求檢測的缺陷類型也發(fā)生了變化;因此,在確定纖維纏繞壓力容器的射線照相檢測技術時,應考慮這些差別和變化,如:膠片;透照方向;透照電壓與曝光量;焦點尺寸與放大倍數(shù);散射線防護。3.2.1膠片的選取膠片是構成射線照相檢驗技術規(guī)定的基礎,其他技術因素是在膠片提供的基礎上進行控制,以達到所要求的、可能達到的影像質(zhì)量,因此,在確定檢測技術時應首先確定膠片。對于纖維纏繞壓力容器進行透照一般應選用較好的膠片,從根本上保證得到的影像具有較高的對比度和較小的顆粒度,這樣才可能保證缺陷的檢驗能力;通常在透照厚度≤20mm時選用G1/T1類膠片,透照厚度≥20mm時選用G2/T2類膠片。3.2.2透照方向確定根據(jù)纖維纏繞壓力容器的結構和檢測層間缺陷需求的實際特點,透照技術所確定的透照方向應為中心射線束指向纏繞層厚度中心,并與容器檢測部位的圓弧面相切,如圖2所示。3.2.3透照電壓的影響透照電壓(管電壓)是重要的基本透照參數(shù),它直接影響影像的對比度和固有不清晰度,因此它對透照的影像質(zhì)量和射線照相靈敏度都具有重要影響;針對纖維纏繞層復合材料特性,通常透照時可按表1選取透照電壓,由于切線透照時的透照厚度為變厚度截面,為提高透照寬容度可適當提高透照電壓2~10kV,考慮到纖維纏繞層低原子序數(shù)材料透照時散射比較大的問題,為降低散射比可適當提高透照電壓5~10kV,但所提高的透照電壓應充分考慮到固有不清晰度的容限。曝光量作為一個基本透照參數(shù),直接影響到透照影像的對比度和顆粒度,從而影響影像可記錄的細節(jié)最小尺寸。隨著曝光量的增加,可提高信噪比,有利于缺陷的檢出。曝光量必須達到一定的值,針對纖維纏繞層的檢測,通過工程檢測驗證確認,透照時所選取的曝光量需≥20mA·min。3.2.4幾何放大下切線透照x射線切線照片中存在的問題焦點尺寸是射線照相檢測過程中必須考慮的因素,由于實際射線照相檢測中所使用的射線源,總是具有一定的尺寸,必然要產(chǎn)生一定的幾何不清晰度。在射線照相檢測時應針對被檢制品所確定的透照布置,綜合各種因素確定焦點尺寸。由于纖維纏繞壓力容器的結構特點及纏繞層間缺陷的檢測需求,所確定的切線透照方式所得到的影像為幾何放大投影。透照區(qū)域影像放大的同時,所存在的缺陷影像也將放大。這有利于細小缺陷的檢測,理想的情況是希望將影像盡可能放大,但由于射線源的焦點不是一個細小的點,而是具有一定的尺寸,過大的放大倍數(shù)將產(chǎn)生較大的幾何不清晰度,如圖3所示,從而影響影像的對比度和缺陷顯示能力。因此,放大倍數(shù)應考慮焦點尺寸、膠片、透照參數(shù)等綜合因素確定,通?？砂词?1)計算放大倍數(shù)M。針對纖維纏繞壓力容器的外形結構、材料和缺陷檢測需求的特點,在進行X射線切線照相檢測時,通常的焦點尺寸不得大于1mm,放大倍數(shù)不得大于2;當具備微焦點檢測設備時,可提高放大倍數(shù)。式中:F——焦點至纖維纏繞壓力容器中心軸線的距離;f——纖維纏繞壓力容器中心軸線至膠片的距離。3.2.5透照區(qū)域內(nèi)邊緣“邊蝕”纖維纏繞壓力容器通常具有較大的外形尺寸,纏繞層則是以樹脂為基體,以纖維為增強體的復合材料,較大的外形尺寸和低原子序數(shù)材料在X射線透照時將產(chǎn)生較強的散射線,從而降低透照影像的對比度,并在透照區(qū)域的邊緣產(chǎn)生“邊蝕”。因此,纖維纏繞壓力容器X射線切線透照時的散射線防護則是重要的輔助透照技術。針對纖維纏繞壓力容器的散射線防護,通常采取以下措施:a.限制輻射角,在確保一次透照區(qū)的情況下,使射線源至透照區(qū)的輻射角盡可能小,以減少非透照面積,降低散射比;b.使用厚度為0.02~0.03mm的鉛箔增感屏吸收容器自身產(chǎn)生的散射線;c.在膠片暗袋后面放置2~3mm的鉛板屏蔽背散射線;d.在纖維纏繞層的外表面邊緣放置鉛條或鉛塊,如圖2所示;e.當透照電壓低于60kV時,在射線源的窗口放置濾波板,濾波板的材料為銅,厚度通過工藝試驗確定。3.3典型的纖維繞射壓力容器誤差成像通過對纖維纏繞壓力容器X射線切線照相檢測技術的控制,可得到較為理想的纏繞層間缺陷影像,如圖4、圖5、圖6所示。4x線透視技術的優(yōu)點和局限性x4.1透照影像的優(yōu)點在纖維纏繞壓力容器X射線照相檢測中,X射線切線照相檢測技術與常規(guī)檢測技術相比,具有以下優(yōu)點:a.可有效檢測出常規(guī)射線檢測技術不能檢測的纏繞層間的分層、層間裂紋及脫粘缺陷;b.檢測技術中采用了幾何放大投影,有利于細小缺陷的檢測;c.透照影像可直觀地顯示出纏繞層中缺陷在層間厚度方向的深度及沿母線方向的長度;d.檢測技術不受容器外形尺寸和結構的限制。4.2檢測的局限性纖維纏繞壓力容器X射線切線照相檢測技術由于受到檢測設備、材料及工藝方法本身的限制,存在一定的局限性:a.由于檢測技術的中心射線束透照方向與容器的圓弧面相切,射線照相檢測時,只能在圓周范圍內(nèi)以一定的角度逐一透照,檢測效率低;b.檢測過程中需使用膠片等材料較多,檢測成本較高;c.透照影像不能準確地測定層間缺陷的面積。5檢測技術的應用通過X射