黃 云 周鵬飛 危 荃 李來(lái)平 周建平

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

0 引言

火箭增壓輸送系統(tǒng)是為發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸氧化劑和燃料劑的關(guān)鍵部件，其管路直徑在4～300 mm，變化大、彎角多、制造工藝復(fù)雜，為避免管路破損泄漏或者中間堵塞等情況發(fā)生，設(shè)計(jì)要求內(nèi)部不允許裂紋、未焊透、凹坑、腐蝕、多余物等缺陷存在。目前增壓輸送系統(tǒng)管路主要以不銹鋼直管、彎管、半邊管與接管嘴、法蘭盤(pán)、法蘭環(huán)、補(bǔ)償器焊接而成。本文利用內(nèi)窺鏡技術(shù)對(duì)導(dǎo)管的內(nèi)表面進(jìn)行檢測(cè)研究，分析其內(nèi)部存在的主要缺陷類型和特征，并對(duì)其中難以定性的缺陷進(jìn)行微觀分析，從而提高輸送管路產(chǎn)品質(zhì)量水平。

1 視頻內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

采用視頻內(nèi)窺鏡設(shè)備，其光源采用發(fā)光二極管（LED）光源，利用大功率二極管白光通過(guò)由光纖傳導(dǎo)至內(nèi)窺鏡的前端，然后利用前端部的一只固定焦點(diǎn)透鏡收集檢測(cè)區(qū)反射回來(lái)光線并轉(zhuǎn)換成CCD 電模擬信號(hào)，經(jīng)放大、濾波及時(shí)鐘分頻后在顯示器上成像［1］。

選用GE XLG3 型視頻內(nèi)窺鏡檢測(cè)，主要是因其焦距深、光亮度強(qiáng)、顯示范圍大、信號(hào)穩(wěn)定，可對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、分析和存儲(chǔ)，在圖像清晰度、操作便捷性、可視范圍上優(yōu)于直桿內(nèi)窺鏡和光學(xué)纖維鏡，其更適用增壓輸送系統(tǒng)管路檢測(cè)。

2 增壓輸送管路內(nèi)部存在的主要問(wèn)題

增壓輸送導(dǎo)管主要由補(bǔ)償器、法蘭、半邊管、直管焊接而成，焊接完成后還需酸洗鈍化處理，因此，管路內(nèi)表面可能存在毛刺、焊渣、凹坑、水漬、小顆粒、黃斑等物質(zhì)殘余，這些殘余物質(zhì)會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量［2］。另一方面，增壓輸送管路由于管路彎曲，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)內(nèi)表面缺陷無(wú)法用目視方法直接檢測(cè)，因此需要借助內(nèi)窺鏡設(shè)備對(duì)其表面進(jìn)行檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷。對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的多余物殘留，可通過(guò)清洗、沖刷、高壓氣體吹除等工藝手段達(dá)到去除目的。而目前對(duì)于管路內(nèi)部表面缺陷圖像尚無(wú)系統(tǒng)性研究，無(wú)法確定殘余物種類與危害程度，影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量可靠性。

3 檢測(cè)研究

3.1 檢測(cè)產(chǎn)品和檢測(cè)設(shè)備

運(yùn)載火箭管路直徑在4～300 mm，為保證檢測(cè)質(zhì)量，選用GE XLG3 型視頻內(nèi)窺鏡開(kāi)展試樣的檢測(cè)研究，試驗(yàn)表明該設(shè)備對(duì)管路內(nèi)壁損傷、焊接內(nèi)表面缺陷、金屬多余物具有良好的檢測(cè)效果。其主要工藝性能指標(biāo)為：探頭線長(zhǎng)度6.0 m，照明功率70 W，CCD像素44萬(wàn)，圖像數(shù)字放大1.5～6倍，測(cè)量誤差≤5%。

3.2 檢測(cè)工藝方法

內(nèi)窺鏡檢測(cè)過(guò)程中對(duì)結(jié)果影響較大的參數(shù)主要包括探頭直徑、探頭方位等，對(duì)于不同的檢測(cè)對(duì)象、選用不用尺寸的探頭，檢測(cè)結(jié)果也不相同。經(jīng)試驗(yàn)研究表明，探頭位置應(yīng)在距離檢測(cè)區(qū)域5～25 mm，探頭的角度應(yīng)保持在與被觀測(cè)物平面45°～90°。內(nèi)窺鏡探頭應(yīng)根據(jù)管路的內(nèi)徑尺寸選用，對(duì)于內(nèi)徑均勻的管路，選擇的探頭直徑可不大于管路內(nèi)徑的4/5，對(duì)于彎曲及內(nèi)徑不均勻的管路，選擇的探頭直徑可不大于管路最小內(nèi)徑的2/3［3］。

探頭越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，圖像越清晰，為提高檢測(cè)圖像分辨率，優(yōu)先選擇直徑較大的探頭。目前內(nèi)窺鏡探頭最小直徑2.4 mm，對(duì)不同直徑管路組件也可根據(jù)表1 進(jìn)行選擇，本次試驗(yàn)檢測(cè)采用Φ6.0 mm探頭。

當(dāng)需要對(duì)檢測(cè)缺陷進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，需要對(duì)儀器清晰度和測(cè)量功能進(jìn)行校準(zhǔn)，其中清晰度主要采用1 mm 標(biāo)定試驗(yàn)件對(duì)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)過(guò)程通過(guò)調(diào)節(jié)探頭與缺陷距離、放大倍數(shù)得到清晰圖像，其中缺陷放大倍數(shù)與標(biāo)定時(shí)相同，如圖1所示。

表1 常用規(guī)格探頭對(duì)照范圍Tab.1 The contrast range of probe of commonly used standard

圖1 圖像校準(zhǔn)Fig.1 The image calibration

缺陷尺寸誤差主要采用比較法校準(zhǔn)，其基本原理主要為需要已知采集圖像某一標(biāo)記的具體尺寸，并且測(cè)量位置與標(biāo)記在同一圖像中，與標(biāo)記盡可能靠近，該方法操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)【2】。試驗(yàn)中通過(guò)剖開(kāi)的波紋管試樣，人工加工直徑為0.25 mm的凸起，見(jiàn)圖2。

圖2 人工缺陷Fig.2 The artificial defects

對(duì)標(biāo)定缺陷使用上述方法對(duì)標(biāo)定設(shè)備測(cè)量誤差進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)測(cè)量為0.24 mm，即誤差4%，進(jìn)行類似20 組試驗(yàn)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)表見(jiàn)2，測(cè)量結(jié)果顯示其誤差均≤10%，根據(jù)工藝要求，其校準(zhǔn)符合試驗(yàn)條件。

表2 人工直徑0.25 mm試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)表Tab.2 The data sheet of the test measurement of diameter 0.25 mm

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)后對(duì)管路圖像特征信息進(jìn)行比對(duì)篩選，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，對(duì)管路造成影響的缺陷主要有一下幾種類型。

（1）腐蝕：如圖3 所示［4］。特點(diǎn)主要是光束照射下，觀察到塊狀、點(diǎn)狀不光滑表面輕微凹凸不平的腐蝕。

圖3 不銹鋼導(dǎo)管內(nèi)表面腐蝕Fig.3 The corrosion of inner surface of stainless steel conduit

（2）多余物：如圖4所示。在光束照射下，多余物呈現(xiàn)為不規(guī)則的與被檢物基體材料表面有不規(guī)則顏色變化的白色反光點(diǎn)或反光線，存在于產(chǎn)品內(nèi)部，位置不固定，有時(shí)會(huì)隨著產(chǎn)品移動(dòng)，多存在于彎曲、死角處。

圖4 導(dǎo)管金屬多余物殘留Fig.4 The metal remains in conduit

（3）毛刺：如圖5 所示［4］。在光束照射下，毛刺呈現(xiàn)為不規(guī)則凸出狀的反光點(diǎn)或反光線，多見(jiàn)于被檢物管口或加工位置等，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的反光亮線，應(yīng)通過(guò)不同角度反復(fù)檢查，如果發(fā)現(xiàn)亮線是明顯凸起的，則為毛刺。

圖5 不銹鋼導(dǎo)管毛刺Fig.5 The burrs in the stainless steel conduits

（4）起皮：如圖6 所示。起皮是指管路內(nèi)表面出現(xiàn)的一種片狀突起物，其根部與管壁相連，在內(nèi)窺鏡圖像中為白色反光亮點(diǎn)，與多余物相似，有時(shí)可見(jiàn)明顯凸起，機(jī)械取出后會(huì)有凹坑出現(xiàn)。

圖6 不銹鋼導(dǎo)管起皮Fig.6 The peeling of the stainless steel conduit

（5）劃痕、劃傷：如圖7 所示。劃痕、劃傷表現(xiàn)為沿管路方向形成的一條或多條平行直線形損傷，呈連續(xù)長(zhǎng)線圖像，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，顏色與基體有差異。

圖7 不銹鋼導(dǎo)管劃傷+起皮Fig.7 The scratch and peeling of the stainless steel conduits

圖8 異常斑點(diǎn)（黃斑、白斑）Fig.8 The abnormal spots（yellow spots，white spots）

（6）異常斑點(diǎn)：如圖8所示。在光束照射下，被檢物基體材料表面呈現(xiàn)明顯的反光色斑，多表現(xiàn)為白色、黃色色斑，稱為異常斑點(diǎn)，缺陷處無(wú)明顯凸凹變化。

（7）凸起、凹坑：如圖9 所示。凸起、凹坑指管路內(nèi)表面上出現(xiàn)的凸起物和凹陷坑。當(dāng)內(nèi)窺鏡以一定角度照射時(shí)，凹坑周圍與被檢物邊界連續(xù)，無(wú)明顯分界線，且離光源近的部位有陰影，遠(yuǎn)的部位為亮影。

圖9 不銹鋼導(dǎo)管凹坑、凸起Fig.9 The pits and bulges of the stainless steel conduits

通過(guò)上述試驗(yàn)技術(shù)研究表明，利用內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)對(duì)發(fā)現(xiàn)管路內(nèi)部缺陷具有重要作用，其檢測(cè)圖像清晰、分辨率高，具有很好的檢測(cè)效果。

3.4 微觀分析

試驗(yàn)中特征明顯缺陷如（1）、（5）、（7）類型缺陷工藝文件要求不允許存在，對(duì)于（6）類型圖像可以通過(guò)電鏡與能譜以及金相微觀對(duì)其進(jìn)一步分析，本試驗(yàn)選取圖10異常斑點(diǎn)（腐蝕、黃斑）分別進(jìn)行理化分析。

圖10 波紋管異常斑點(diǎn)Fig.10 The abnormal spots of the bellow seals

3.4.1 腐蝕部位能譜分析

圖11 波紋管腐蝕電鏡圖Fig.11 The picture of electron microscope of corrosion in the bellow seals

圖11 為波紋管腐蝕的電鏡圖，試驗(yàn)中選取譜圖1 和譜圖2 兩個(gè)位置對(duì)其進(jìn)行了成分分析。從圖12和圖13可以清楚地發(fā)現(xiàn)腐蝕部位存在大量的C、O元素，造成其與基體組織差異明顯，另外存在Cl、Na、K等元素。

圖12 波紋管腐蝕部位能譜圖1Fig.12 The energy spectrum 1 of corrosion in the bellow seals

圖13 波紋管腐蝕部位能譜圖2Fig.13 The energy spectrum 2 of corrosion in the bellow seals

3.4.2 波紋管黃斑部位金相分析

在圖10 波紋管黃斑上取樣，用掃描電鏡進(jìn)行觀察，形貌見(jiàn)圖14。從圖上可以看出，波紋管內(nèi)表面，存在一定數(shù)量的極為細(xì)小的微孔，而黃斑塊處則出現(xiàn)了微孔聚集現(xiàn)象。

同時(shí)利用500×金相分析儀對(duì)基體和黃斑處進(jìn)行分析，其金相組織見(jiàn)圖15。從圖上可以看出正常區(qū)域和異常區(qū)域的金相組織，晶粒徑相互之間沒(méi)有明顯的變化。

試驗(yàn)還對(duì)黃斑部位進(jìn)行了能譜分析，見(jiàn)圖16。主要成分為Fe、Ni、Cr等基體元素。由金相和能譜分析可以看出，波紋管內(nèi)表面的黃斑為表面污點(diǎn)導(dǎo)致的氧化現(xiàn)象。即黃斑為污染造成的局部氧化與局部微孔共同作用造成的，而導(dǎo)管內(nèi)表面電鏡圖顯示微孔普遍存在，因此其屬于正常組織，不影響管路表面質(zhì)量。

圖14 波紋管黃斑電鏡圖Fig.14 The picture of the electron microscope of yellow spots in the bellow seals

圖15 波紋管黃斑金相圖像 500×Fig.15 The image of the metallographic of yellow spots in the bellow seals

圖16 黃斑部位能譜圖像Fig.16 The image of the energy spectrum of yellow spots

4 影響導(dǎo)管內(nèi)部檢測(cè)的主要因素

首先內(nèi)窺鏡檢測(cè)大多使用自帶光源進(jìn)行照明，一般條件下，要求內(nèi)窺檢測(cè)照明光源色溫宜不低于5 000 k，照明強(qiáng)度宜不低于1 000 lm。其次要合適的觀察距離和觀測(cè)角度，要求在距離檢測(cè)區(qū)域5～25 mm，探頭與觀察物平面在45°～90°，探頭應(yīng)盡量靠近觀測(cè)點(diǎn)。

在進(jìn)入管路檢測(cè)時(shí)，需選擇靠近需要檢測(cè)位置，長(zhǎng)度最短的通道，盡量減少探頭需要彎曲的次數(shù)及程度，其中管路轉(zhuǎn)彎半徑宜大于120°，并且探頭需優(yōu)先選擇寬闊的通道，采用邊觀察邊通過(guò)的方法在通道中行進(jìn)，遇到通道阻止時(shí)需立即退出，必要時(shí)可使用輔助裝置，保證探頭在管路中的正確方向，同時(shí)還需反復(fù)改變探頭與觀察點(diǎn)的位置與角度找到合適的位置，才能獲得最佳檢測(cè)效果。另一方面內(nèi)窺鏡檢測(cè)隨著從透鏡中心到邊緣距離的增大會(huì)發(fā)生圖像畸變，畸變會(huì)對(duì)缺陷的判斷及測(cè)量產(chǎn)生影響，在尺寸測(cè)量時(shí)視頻內(nèi)窺鏡可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較正。

5 結(jié)論

（1）探頭應(yīng)根據(jù)增壓輸送管路的內(nèi)徑尺寸選用，為提高檢測(cè)圖像清晰度和圖像分辨率，優(yōu)先選擇直徑較大探頭。

（2）增壓輸送管路缺陷測(cè)量適合采用標(biāo)定缺陷對(duì)比法進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)，其測(cè)量準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)適用性強(qiáng)。

（3）采用內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)增壓輸送管路組件內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，其缺陷圖像清晰，效果穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果顯示其內(nèi)表面缺陷類型定性準(zhǔn)確。