纤维缠绕压力容器x射线切线照相检测技术

纤维缠绕压力容器x射线切线照相检测技术

1纤维化学混合成分检测技术的应用自1973年纤维湿技术在中国的应用以来，它在军事和民用领域得到了迅速发展。近年来，随着能源和低碳环保经济的发展，纤维湿技术在民用压力容器领域得到了越来越大的应用。例如，车载气枪、加热压力容器、防腐压力容器等应用了纤维缠绕复合制造技术。然而，传统的金属压力容器制造技术和结构特点之间存在很大差异。此外，由于结构的特殊性，传统的破坏检测方法无法有效地检测其缺陷，并为检测技术领域提出了一个新问题。2一般纤维绕射压力器的缺点2.1材料结构的特点纤维缠绕压力容器是以高聚物或金属为衬层,用高强度玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维在一定形状的衬层上缠绕并经固化而成的复合材料制品,如图1碳纤维缠绕燃气瓶所示,容器复合制造过程中使用了纤维、树脂、衬层等多种材料,结构上具有多种外形和层间多界面等特点,复合工艺中的树脂浸渍、纤维缠绕方法、衬层制备、固化方式等的变化均会导致容器的材料组织产生缺陷,从而降低容器的材料力学性能和整体强度;从理论上分析认为:缠绕过程中由于张紧力控制不均及纤维滑移将可能造成纤维缠绕层间的纤维分离或层间裂纹,纤维浸渍树脂的均匀性将可能导致容器固化后缠绕层间的贫胶或聚胶,固化过程中树脂中气体的释放将造成缠绕层中存在孔隙,由于工艺过程控制不良将可能将夹杂物带入缠绕层,此外,由于纤维缠绕层与衬层的粘接不良可能形成脱粘缺陷。2.2工程检测中常用的缺陷纤维缠绕压力容器在复合制造过程中,工艺方法、工艺参数、环境的变化均会导致容器产生缺陷,工程检测过程中常见的缺陷归纳起来主要有以下几种:2.2.1层间纤维浸渍性缺陷纤维分离是指容器在缠绕、复合固化过程中,由于缠绕层与缠绕层间的纤维浸渍树脂含量过低、树脂粘接强度小或纤维缠绕张力小,从而导致纤维与纤维间未能粘接,处于纤维分离状态形成的面积缺陷,属于危害性较大缺陷。2.2.2层表面处理不当纤维缠绕层与衬层的粘接面,由于衬层表面处理不当或树脂涂敷不均、固化环境不好,导致纤维缠绕层与衬层粘接面的粘接强度不够产生的分离界面。2.2.3固化树脂气体排放不畅孔隙是指纤维缠绕容器固化过程中,由于固化温度、环境湿度及树脂自身特性等原因,一定面积缠绕层树脂中的气体排放不畅,固化后气体残留在树脂中形成的微孔缺陷。2.2.4容器固化过程分析富胶是纤维缠绕容器的纤维树脂浸渍过多或在容器固化过程中树脂流动在某处聚集,固化成型后容器局部纤维含量小而树脂含量偏高的现象,通常多出现在纤维缠绕层的界面接合部位。2.2.5高密度夹夹物的种类夹杂物是纤维缠绕容器复合制造过程中,由于纤维、树脂、衬层及模具、设备、环境清理不干净带入的外来物,通常多出现在纤维缠绕层间,夹杂物按照材料密度不同可分为高密度夹杂和低密度夹杂。3x射线切割成像技术3.1薄壁金属检测一般特点X射线切线照相检测技术是一种特殊的射线照相检测技术方法,通常可用于纤维缠绕、布带缠绕及模压等复合工艺方法制造的筒形件、管形件、锥形件及球形件的层间缺陷检测,特定的情况下也可用于薄壁金属与大厚度金属材料搭接焊缝的内部质量检测;与常规的X射线照相检测技术方法相比,具有以下主要特点:a.采用切线透照方法时,中心射线束的透照方向与筒形件、管形件、锥形件及球形件的圆弧面相切,如图2所示。b.切线透照方法所采用的透照布置为放大投影方式;c.被检测的透照部位在透照方向上具有一定的厚度差异,即变厚度截面;d.适用于常规射线照相检测方法不易检出的层间分层、裂纹缺陷的检测;e.获得的底片影像可显示出制品材料厚度方向上的分布情况。3.2纤维化学混合剂的x射线切线透照技术纤维缠绕压力容器的缠绕层主要由低原子序数物质构成,物质密度小,对射线的吸收能力弱;纤维缠绕层的材料特性与金属材料有很大的不同,复合成形工艺、缺陷等都与金属材料有很大的差异,这些使得纤维缠绕层中存在的缺陷与金属材料相比发生了较大变化,要求检测的缺陷类型也发生了变化;因此,在确定纤维缠绕压力容器的射线照相检测技术时,应考虑这些差别和变化,如:胶片;透照方向;透照电压与曝光量;焦点尺寸与放大倍数;散射线防护。3.2.1胶片的选取胶片是构成射线照相检验技术规定的基础,其他技术因素是在胶片提供的基础上进行控制,以达到所要求的、可能达到的影像质量,因此,在确定检测技术时应首先确定胶片。对于纤维缠绕压力容器进行透照一般应选用较好的胶片,从根本上保证得到的影像具有较高的对比度和较小的颗粒度,这样才可能保证缺陷的检验能力;通常在透照厚度≤20mm时选用G1/T1类胶片,透照厚度≥20mm时选用G2/T2类胶片。3.2.2透照方向确定根据纤维缠绕压力容器的结构和检测层间缺陷需求的实际特点,透照技术所确定的透照方向应为中心射线束指向缠绕层厚度中心,并与容器检测部位的圆弧面相切,如图2所示。3.2.3透照电压的影响透照电压(管电压)是重要的基本透照参数,它直接影响影像的对比度和固有不清晰度,因此它对透照的影像质量和射线照相灵敏度都具有重要影响;针对纤维缠绕层复合材料特性,通常透照时可按表1选取透照电压,由于切线透照时的透照厚度为变厚度截面,为提高透照宽容度可适当提高透照电压2~10kV,考虑到纤维缠绕层低原子序数材料透照时散射比较大的问题,为降低散射比可适当提高透照电压5~10kV,但所提高的透照电压应充分考虑到固有不清晰度的容限。曝光量作为一个基本透照参数,直接影响到透照影像的对比度和颗粒度,从而影响影像可记录的细节最小尺寸。随着曝光量的增加,可提高信噪比,有利于缺陷的检出。曝光量必须达到一定的值,针对纤维缠绕层的检测,通过工程检测验证确认,透照时所选取的曝光量需≥20mA·min。3.2.4几何放大下切线透照x射线切线照片中存在的问题焦点尺寸是射线照相检测过程中必须考虑的因素,由于实际射线照相检测中所使用的射线源,总是具有一定的尺寸,必然要产生一定的几何不清晰度。在射线照相检测时应针对被检制品所确定的透照布置,综合各种因素确定焦点尺寸。由于纤维缠绕压力容器的结构特点及缠绕层间缺陷的检测需求,所确定的切线透照方式所得到的影像为几何放大投影。透照区域影像放大的同时,所存在的缺陷影像也将放大。这有利于细小缺陷的检测,理想的情况是希望将影像尽可能放大,但由于射线源的焦点不是一个细小的点,而是具有一定的尺寸,过大的放大倍数将产生较大的几何不清晰度,如图3所示,从而影响影像的对比度和缺陷显示能力。因此,放大倍数应考虑焦点尺寸、胶片、透照参数等综合因素确定,通常可按式(1)计算放大倍数M。针对纤维缠绕压力容器的外形结构、材料和缺陷检测需求的特点,在进行X射线切线照相检测时,通常的焦点尺寸不得大于1mm,放大倍数不得大于2;当具备微焦点检测设备时,可提高放大倍数。式中:F——焦点至纤维缠绕压力容器中心轴线的距离;f——纤维缠绕压力容器中心轴线至胶片的距离。3.2.5透照区域内边缘“边蚀”纤维缠绕压力容器通常具有较大的外形尺寸,缠绕层则是以树脂为基体,以纤维为增强体的复合材料,较大的外形尺寸和低原子序数材料在X射线透照时将产生较强的散射线,从而降低透照影像的对比度,并在透照区域的边缘产生“边蚀”。因此,纤维缠绕压力容器X射线切线透照时的散射线防护则是重要的辅助透照技术。针对纤维缠绕压力容器的散射线防护,通常采取以下措施:a.限制辐射角,在确保一次透照区的情况下,使射线源至透照区的辐射角尽可能小,以减少非透照面积,降低散射比;b.使用厚度为0.02~0.03mm的铅箔增感屏吸收容器自身产生的散射线;c.在胶片暗袋后面放置2~3mm的铅板屏蔽背散射线;d.在纤维缠绕层的外表面边缘放置铅条或铅块,如图2所示;e.当透照电压低于60kV时,在射线源的窗口放置滤波板,滤波板的材料为铜,厚度通过工艺试验确定。3.3典型的纤维绕射压力容器误差成像通过对纤维缠绕压力容器X射线切线照相检测技术的控制,可得到较为理想的缠绕层间缺陷影像,如图4、图5、图6所示。4x线透视技术的优点和局限性x4.1透照影像的优点在纤维缠绕压力容器X射线照相检测中,X射线切线照相检测技术与常规检测技术相比,具有以下优点:a.可有效检测出常规射线检测技术不能检测的缠绕层间的分层、层间裂纹及脱粘缺陷;b.检测技术中采用了几何放大投影,有利于细小缺陷的检测;c.透照影像可直观地显示出缠绕层中缺陷在层间厚度方向的深度及沿母线方向的长度;d.检测技术不受容器外形尺寸和结构的限制。4.2检测的局限性纤维缠绕压力容器X射线切线照相检测技术由于受到检测设备、材料及工艺方法本身的限制,存在一定的局限性:a.由于检测技术的中心射线束透照方向与容器的圆弧面相切,射线照相检测时,只能在圆周范围内以一定的角度逐一透照,检测效率低;b.检测过程中需使用胶片等材料较多,检测成本较高;c.透照影像不能准确地测定层间缺陷的面积。5检测技术的应用通过X射