車用纏繞氣瓶聲發射檢測初步研究

朱祥軍，金 莉，吳 怡，邱海峰，葉休強，車 亮

（1.川慶鉆探工程公司安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院，四川 廣漢 618300）

0 引 言

目前石油價格不停攀升，作為城市交通重要工具的汽車越來越多的開始使用天然氣，絕大多數出租車已經安裝了氣瓶，現在常用的車用氣瓶是部分纏繞式氣瓶。纏繞式氣瓶是通過在金屬或非金屬內膽上纏繞浸漬過的高強度纖維制造而成，具有質量輕、強度高、抗疲勞性能好等優點，目前逐步在航空航天、船舶等軍工領域展開應用研究。受到復合材料制造工藝復雜、干擾因素較多等影響，如何保證這類氣瓶的質量和強度一直是檢測領域的難題。

聲發射（acoustic emission，AE）是 20世紀六、七十年代發展起來的一種無損檢測（NDT）方法，是一種動態無損檢測技術，相對于常規的無損檢測來講，具有動態檢驗、檢測不受材料限制、靈敏度高、可對大型構件實行整體檢測等優點。近年來，這項技術已在石油化工、航天航空、水利電力、交通運輸、機械、建筑等行業得到較廣泛的應用[1-3]。聲發射技術具有檢測危害結構安全的活動性缺陷、對構件提供整體或大范圍的快速檢測、提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量變化的實時或連續信息等特點。研究人員正需要利用聲發射的這些特點為車用纏繞氣瓶找出檢測方法。

1 氣瓶表面衰減和聲速測試

本次研究的對象為國產玻璃纖維纏繞的復合氣瓶，如圖1所示。纏繞層只覆蓋了瓶身，封頭部分未覆蓋，這種氣瓶設計壓力為30MPa，使用壓力為20MPa。為保證研究結果的準確性，采用10只氣瓶進行研究，這10只氣瓶都是同一廠家生產，制造工藝完全相同。

圖1 氣瓶外觀圖

氣瓶兩端封頭為優質鉻鉬鋼，中間為金屬材料外包裹玻璃纖維。從結構上來看可以選擇將傳感器放置在封頭金屬材料上，也可以放置在玻璃纖維上，為驗證哪種方式更好，特進行對比試驗。兩種方式衰減測量結果對比見表1。

表1 兩種方式衰減測量結果對比表

可以看出，兩種方式的布置都有相同衰減特性，而且由于放置在金屬材料上傳感器的耦合性能更好，聲波傳播途徑要簡單一些，因此接受的信號幅度更高些。距離傳感器遠一些之后，兩種方式的衰減值已經完全一致。

由于車用氣瓶所用纖維采用單向纏繞方式，不會存在各向異性，因此利用公式計算以及現場驗證，得到金屬封頭和中間纖維的平均聲速：V封頭=4200m/s，V纏繞層=2600m/s。

2 選擇定位方式

聲發射的定位方式分為時差定位和區域定位[4]，其中時差定位又分為平面定位、線性定位、柱狀定位以及三維定位。簡單的在瓶體上布置4個傳感器，經過一次加載試驗后，采用平面定位和區域定位兩種方式分別進行數據分析。

時差定位得到的聲發射事件數遠小于區域定位，其數量只有區域定位的1/20～1/8不等。數據量的減少大大縮減了數據分析的工作量，有利于提高檢測效率。另外時差定位所得的聲發射事件不僅包含了聲發射源的位置信息，而且還包含了組成該事件的其他通道的相關信息，這是區域定位所不具備的，這些信息對于損傷嚴重性的判斷具有不可忽視的作用。綜合試驗結果，最終采用時差定位方式。

氣瓶壁薄，外形規則，對于瓶身部分可以直接采用柱狀定位方式，但是鋼瓶存在兩個封頭，封頭只能采用平面定位。為了在采集數據以及分析數據時避免檢測人員混淆兩種定位數據，最好統一采用平面定位方式檢測整個瓶體，傳感器布置圖見圖2。而且由于存在纏繞層，因此必須對傳感器布置在瓶體和纏繞層上的定位結果進行對比，試驗數據見表2。

圖2 傳感器布置圖

從表2可以看出，第一種方式定位誤差最大為4.79%，第二種方式定位誤差最大為4.78%，兩種方式的定位誤差相差不多。從定位對比以及數據傳播特性方面考慮，纏繞氣瓶的聲發射檢測方案為：傳感器布置在金屬表面上，采用時差定位中的平面定位方式。

3 缺陷信號識別

通過對10個氣瓶的研究發現，在穩壓階段、升壓階段、工作壓力階段、設計壓力階段都產生大量聲發射信號，而且由于纖維纏繞層的存在，信號衰減很大，很多中等幅度的信號也不能輕易劃歸為噪聲干擾信號，這和常規鋼制氣瓶的聲發射數據分析完全不同。而且纏繞氣瓶在穩壓過程中由于纖維受力不容易穩定，因此穩壓過程一直有聲發射信號產生，研究人員進行2個多小時的穩壓，結果聲發射信號一直不斷。

為此，研究人員針對信號幅度、能量、振鈴計數、ASL、波形分析、費利西蒂比和恒載聲發射延續時間等相關數據參數進行逐一分析，力爭發現纏繞氣瓶的信號規律[5-9]。經過大量的試驗、數據分析以及資料調查[10]，最終發現利用費利西蒂比可以有效進行數據分析，判斷氣瓶是否存在嚴重缺陷。

表2 氣瓶定位對比試驗數據表

費利西蒂比是指在相同檢測靈敏度下，二次加壓出現明顯聲發射時的壓力與第一次所加最高壓力之比。費利西蒂比值越大，說明二次加壓聲發射起始壓力越高，先前的加壓過程對被檢件造成的損傷越輕。

如何確定二次加壓過程出現明顯聲發射并沒有統一的標準，通過研究發現選取聲發射事件率不小于每秒3個作為明顯聲發射的表征是合適的。

氣瓶在安裝完成后，首先進行多次預壓以進行排氣和檢漏，隨后進入正式加壓程序。表3列出了10個氣瓶分別對應20MPa和30MPa下的費利西蒂比值F20、F30的計算統計結果。

表3 10個氣瓶費利西蒂比值統計結果

從表3可以看出，除了1#氣瓶外，其他的氣瓶F20都大于0.95，而且存在F20＞F30的關系。這是由于試驗壓力增加，使得氣瓶制造應力的進一步充分釋放，以及氣瓶復合層弱界面、弱纖維的損傷斷裂擴展等聲發射機制的活躍增強造成的。

觀察1～10#氣瓶的F值發現，除1#氣瓶外，其余各氣瓶的F20值均不小于0.95。對比爆破壓力結果，如表4所示，發現除1#氣瓶外，其余9個氣瓶爆破壓力均超過了設計壓力。分析認為：將0.95作為費利西蒂比的一個重要門檻，F20小于0.95則預示該氣瓶的工藝質量有較嚴重的問題，并可能影響到爆破強度合格與否。

表4 氣瓶爆破試壓記錄表

2#～10#氣瓶在各壓力下的費利西蒂比值均高于1#氣瓶，并且都≥0.90，從最終爆破壓力來看，9個氣瓶的爆破壓力值均大于氣瓶的設計壓力。對比9個氣瓶，其工藝狀態完全一致，F30的值存在如下關系：10#＞7#=2#＞8#=6#＞9#＞5#＞4#＞3#，而爆破結果也呈現出相同的規律。由此可見，F30值表現出對氣瓶爆破強度合格與否進行預測，F30越高則說明氣瓶質量越好，可以承受的壓力等級越高。

4 驗證檢測

選擇探傷未發現缺陷的氣瓶為對象進行驗證檢測，驗證程序如下：

（1）完好狀態下進行水壓試驗；

（2）在氣瓶纏繞層上人工切割一個裂口，長5mm，深3mm，然后進行水壓試驗；

（3）將人工裂口擴大至10mm，然后進行水壓試驗；

（4）將人工裂口擴大至15mm，然后進行水壓試驗。

每個過程中的費利西蒂比統計如表5所示。

表5 驗證試驗過程中的費利西蒂比

可以看出，沒有做人工裂口時，F20＞0.95，一旦氣瓶纏繞層上有裂口，則F20＜0.95，而且還發現F20不會隨著裂口尺寸的變化而變化；但是隨著裂口逐步擴大，F30會越來越小，由此證明研究的結果完全正確。

5 結束語

對纏繞式氣瓶，將0.95作為費利西蒂比的一個重要門檻，F20＜0.95則預示該氣瓶的工藝質量有較嚴重的問題，并可能影響到爆破強度合格與否。F30值表現出對氣瓶爆破強度合格與否進行預測，F30越高則說明氣瓶質量越好，可以承受的壓力等級越高。

聲發射檢測只是無損檢測的一種，它的一個明顯缺陷就是不能定量，聲發射檢測后的結果必須用其他無損檢測方式來驗證。費利西蒂比與氣瓶損傷嚴重性程度的具體關系，還需要進行大量氣瓶的爆破數據來證明。

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