纖維纏繞壓力容器X射線切線照相檢測(cè)技術(shù)

1纖維化學(xué)混合成分檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

自1973年纖維濕技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用以來(lái)，它在軍事和民用領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。近年來(lái),

隨著能源和低碳環(huán)保經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，纖維濕技術(shù)在民用壓力容器領(lǐng)域得到了越來(lái)越大的應(yīng)用。

例如，車載氣槍、加熱壓力容器、防腐壓力容器等應(yīng)用了纖維纏繞復(fù)合制造技術(shù)。然而，

傳統(tǒng)的金屬壓力容器制造技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之間存在很大差異。此外，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，

傳統(tǒng)的破壞檢測(cè)方法無(wú)法有效地檢測(cè)其缺陷，并為檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域提出了一個(gè)新問(wèn)題。

2一般纖維繞射壓力器的缺點(diǎn)

2.1材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

纖維纏繞壓力容器是以高聚物或金屬為襯層，用高強(qiáng)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(fù)合材料制品，如圖1碳纖維纏繞燃?xì)馄克荆萜?/p>

復(fù)合制造過(guò)程中使用了纖維、樹(shù)脂、襯層等多種材料，結(jié)構(gòu)上具有多種外形和層間多界面

等特點(diǎn)，復(fù)合工藝中的樹(shù)脂浸漬、纖維纏繞方法、襯層制備、固化方式等的變化均會(huì)導(dǎo)致

容器的材料組織產(chǎn)生缺陷，從而降低容器的材料力學(xué)性能和整體強(qiáng)度；從理論上分析認(rèn)為：

纏繞過(guò)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(shù)脂的均勻性將可能導(dǎo)致容器固化后纏繞層間的貧膠或聚膠，固化過(guò)程中樹(shù)

脂中氣體的釋放將造成纏斃層中存在孔隙，由于工藝過(guò)程控制不良將可能將夾雜物帶入纏

繞層，此外，由于纖維纏境層與襯層的粘接不良可能形成脫粘缺陷。

2.2工程檢測(cè)中常用的缺陷

纖維纏繞壓力容器在復(fù)合制造過(guò)程中，工藝方法、工藝參數(shù)、環(huán)境的變化均會(huì)導(dǎo)致容器產(chǎn)

生缺陷，工程檢測(cè)過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷歸納起來(lái)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(fù)合固化過(guò)程中，由于纏繞層與纏繞層間的纖維浸漬樹(shù)脂含量

過(guò)低、樹(shù)脂粘接強(qiáng)度小或纖維纏繞張力小，從而導(dǎo)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(dāng)

纖維纏繞層與襯層的粘接面，由于襯層表面處理不當(dāng)或樹(shù)脂涂敷不均、固化環(huán)境不好，導(dǎo)

致纖維纏繞層與襯層粘接電的粘接強(qiáng)度不夠產(chǎn)生的分離界面。

2.2.3固化樹(shù)脂氣體排放不暢

孔隙是指纖維纏繞容器固化過(guò)程中，由于固化溫度、環(huán)境濕度及樹(shù)脂自身特性等原因，

定面積纏繞層樹(shù)脂中的氣體排放不暢，固化后氣體殘留在樹(shù)脂中形成的微孔缺陷。

2.2.4容器固化過(guò)程分析

富膠是纖維纏繞容器的纖維樹(shù)脂浸漬過(guò)多或在容器固化過(guò)程中樹(shù)脂流動(dòng)在某處聚集，固化

成型后容器局部纖維含量小而樹(shù)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(fù)合制造過(guò)程中，由于纖維、樹(shù)脂、襯層及模具、設(shè)備、環(huán)境清理

不干凈帶入的外來(lái)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(shù)

3.1海壁金屬檢測(cè)一般特點(diǎn)

x射線切線照相檢測(cè)技術(shù)是一種特殊的射線照相檢測(cè)技術(shù)方法，通?？捎糜诶w維纏繞、布

帶纏繞及模壓等復(fù)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(cè)，

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(cè)；與常規(guī)的X

射線照相檢測(cè)技術(shù)方法相比，具有以下主要特點(diǎn)：

a.采用切線透照方法時(shí)，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(cè)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(cè)方法不易檢出的層間分層、裂紋缺陷的檢測(cè)；

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(xué)混合劑的x射線切線透照技術(shù)

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(gòu)成，物質(zhì)密度小，對(duì)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(fù)合成形工藝、缺陷等都與金屬材

料有很大的差異，這此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(cè)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(cè)技大時(shí)，

應(yīng)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(diǎn)尺寸與放大倍數(shù);散

射線防護(hù)。

3.2.1膠片的選取

膠片是構(gòu)成射線照相檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)定的基礎(chǔ)，其他技術(shù)因素是在膠片提供的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制,

以達(dá)到所要求的、可能達(dá)到的影像質(zhì)量，因此，在確定檢測(cè)技術(shù)時(shí)應(yīng)首先確定膠片。咐于一

纖維纏繞壓力容器進(jìn)行透照一般應(yīng)選用較好的膠片，從根本上保證得到的影像具有較高的

對(duì)比度和較小的顆粒度，這樣才可能保證缺陷的檢驗(yàn)?zāi)芰?；通常在透照厚度W20mm時(shí)選用

G1/T1類膠片，透照厚度220mm時(shí)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(jié)構(gòu)和檢測(cè)層間缺陷需求的實(shí)際特點(diǎn)，透照技術(shù)所確定的透照方

向應(yīng)為中心射線束指向纏澆層厚度中心，并與容器檢測(cè)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(duì)比度和固有不清晰度，

因此它對(duì)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(duì)纖維纏繞層復(fù)合材料特

性，通常透照時(shí)可按表1選取透照電壓，由于切線透照時(shí)的透照厚度為變厚度截面，為提

高透照寬容度可適當(dāng)提高透照電壓210kV,考慮到纖維纏繞層低原子序數(shù)材料透照時(shí)散

射比較大的問(wèn)題，為降低數(shù)射比可適當(dāng)提高透照電壓5、10kV,但所提高的透照電壓應(yīng)充

分考慮到固有不清晰度的容限。

曝光量作為一個(gè)基本透照參數(shù)，直接影響到透照影像的對(duì)比度和顆粒度，從而影響影像可

記錄的細(xì)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(dá)到一定的值，針對(duì)纖維纏繞層的檢測(cè)，通過(guò)工程檢測(cè)驗(yàn)證確認(rèn)，透照時(shí)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(wèn)題

焦點(diǎn)尺寸是射線照相檢測(cè)過(guò)程中必須考慮的因素，由于實(shí)際射線照相檢測(cè)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(cè)時(shí)應(yīng)針對(duì)被

檢制品所確定的透照布置；綜合各種因素確定焦點(diǎn)尺寸。

由于纖維纏繞壓力容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及纏繞層間缺陷的檢測(cè)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(shí)，所存在的缺陷影像也將放大。這

有利于細(xì)小缺陷的檢測(cè)，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(diǎn)不是

一個(gè)細(xì)小的點(diǎn)，而是具有一定的尺寸，過(guò)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(duì)比度和缺陷顯示能力。因此，放大倍數(shù)應(yīng)考慮焦點(diǎn)尺寸、膠片、

透照參數(shù)等綜合因索確定：通常可按式（1）計(jì)算放大倍數(shù)北

針對(duì)纖維纏繞壓力容器的外形結(jié)構(gòu)、材料和缺陷檢測(cè)需求的特點(diǎn)，在進(jìn)行X射線切線照相

檢測(cè)時(shí)，通常的焦點(diǎn)尺寸不得大于1mm,放大倍數(shù)不得大于2;當(dāng)具備微焦點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備時(shí)，

可提高放大倍數(shù)。

式中：F一—焦點(diǎn)至纖維纏境壓力容器中心軸線的距離；f一一纖維纏繞壓力容器中心釉線至

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(shù)脂為基體，以纖維為增強(qiáng)體

的復(fù)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(shí)將產(chǎn)生較強(qiáng)的散射線，從

而降低透照影像的對(duì)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(shí)的散射線防護(hù)則是重要的輔助透照技術(shù)。針對(duì)纖維纏繞壓力容器的散射

線防護(hù)，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0.02~0.031Tm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；

(1.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(dāng)透照電壓低于60kV時(shí)，在射線源的窗口放置濾波板，濾波板的材料為銅，厚度通過(guò)

工藝試驗(yàn)確定.

3.3典型的纖維繞射壓力容器誤差成像

通過(guò)對(duì)纖維纏繞壓力容器x射線切線照相檢測(cè)技術(shù)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性x

4.1透照影像的優(yōu)點(diǎn)

在纖維纏繞壓力容器X射線照相檢測(cè)中，X射線切線照相檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)檢測(cè)技術(shù)相比，

具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.可有效檢測(cè)出常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)不能檢測(cè)的纏繞層間的分層、層間裂紋及脫粘缺陷；

b.檢測(cè)技術(shù)中采用了幾何放大投影，有利于細(xì)小缺陷的檢測(cè)；

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(zhǎng)度;

d.檢測(cè)技術(shù)不受容器外形尺寸和結(jié)構(gòu)的限制。

4.2檢測(cè)的局限性

纖維纏繞壓力容器x射線切線照相檢測(cè)技術(shù)由于受到檢測(cè)設(shè)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(cè)技術(shù)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(cè)時(shí)，只能在圓

周范圍內(nèi)以一定的角度逐一透照，檢測(cè)效率低；

b.檢測(cè)過(guò)程中需使用膠片等材料較多，檢測(cè)成本較高