高壓氫氣瓶鋁制內膽交流電磁場檢測技術

2021-05-21 09:25:46李杜偉陳增江翟永軍

低溫與特氣 2021年2期

胡棟，李杜偉，陳增江，翟永軍，陸斌

(泰安市特種設備檢驗研究院，山東泰安 271000)

1 前言

氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源，隨著新能源技術的發展及人類對潔凈能源的不斷追求，氫能已經成為全球能源技術革命和產業發展的重要方向[1]。

氫能產業研究內容涵蓋氫氣制取、儲運、加氫基礎設施、氫燃料電池等多個領域，在氫能儲運領域，高壓氣態儲氫、低溫液化儲氫、吸附儲氫、金屬氫化物和有機物儲氫等是目前儲氫技術的重要發展方向，其中高壓氣態儲氫已經具備產業化條件。由于結構簡單，攜帶方便，高壓氫氣瓶是近年來車用氫氣儲存的重要手段。根據相關標準[2]，高壓氫氣瓶分為I型、Ⅱ型、III型和IV型4種類型，其中I型瓶為全金屬氣瓶，Ⅱ型瓶為金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶、III型瓶為金屬內膽纖維全纏繞氣瓶、IV型瓶為非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶，其中III型應用較為廣泛，常見的III型瓶內膽多采用鋁合金6061材質，這種材料與氫氣具有良好的相容性及抗晶間腐蝕能力[3]，且韌性較好，具有較強的抗疲勞損傷能力。纏繞層通常采用碳纖維全纏繞制成，具有較好的剛性[4]。

為保證鋁制內膽在高壓臨氫環境及疲勞載荷的作用下的長期安全運行，需在制造及使用過程中對其進行檢測[5]，由于鋁不具有磁性，且晶粒粗大，具有各向異性特征，常用的磁粉、超聲等技術手段效果不佳，特別針對在用氣瓶檢測時，由于纏繞層不可拆卸，檢測難度較大。

交流電磁場是一種新型的電磁檢測技術，通過電磁感應在工件表面產生均勻電流場，在缺陷部位引起磁場擾動，從而進行缺陷的定量及定性分析[6]，對金屬材料檢測具有廣泛的適用性。本文通過制作鋁制內膽試樣，并制作各種類型缺陷，進行交流電磁場檢測研究，討論該技術的可行性。

2 交流電磁場(ACFM)檢測技術

2.1 交流電磁場檢測原理

圖1所示為交流電磁場檢測原理，探頭施加交流電后會在導電體工件表面感應出均勻交變電流，在結構連續部位，均勻電流場不發生擾動，空間磁場信號不會發生突變，當探頭從缺陷上方經過時，由于缺陷處空間不連續導致電流從缺陷的兩端和底部繞過，由于集膚效應的影響，缺陷兩端的電流密度增大，缺陷底部的電流密度減小，且缺陷最深處電流密度達到最小值。

圖1 交流電磁場檢測原理Fig.1 Detection principle of AC electromagnetic field

電流密度的分布不均引起空間磁場的畸變，將畸變磁場分解成三個空間向量，可以得到磁通密度在三個維度上的分量，其中平行于電流方向的分量為BY，沿表面垂直于電流方向的分量為BX，垂直于工件表面的分量為BZ，在缺陷部位，沿缺陷長度方向的分量BX特征如圖1右上所示，在缺陷端點處形成兩個波峰，缺陷中間形成波谷，且波谷最深處與缺陷最深處具有較強的對應性，因此通常采用BX進行缺陷深度的定量，BZ在反映缺陷端點信號上具有更加明顯的特征，如圖1左上所示，根據右手定則，缺陷起點處與終點處由于電流繞行的方向不同，端點信號會產生兩個方向相反的波峰，利用BZ信號的這一特點，可進行缺陷長度的測量，BY特征如圖一右下所示，由于數量級較小，在不需要特殊處理下，可不用于缺陷的判定。

2.2 集膚效應

感應電流在導體內通常沿表面流動，這種現象為集膚效應[7]，集膚層厚度由式(1)確定：

(1)

式中，f為電流頻率，μ0為材料的磁導率，σ為材料的電導率。

由式(1)可知，集膚層厚度與材料的磁導率、電導率及電流頻率有關，材料的磁導率、電導率是材料的固有屬性，由被檢測對象決定，因此，可通過降低頻率增大集膚層厚度，可實現從瓶內部進行。

2.3 ACFM缺陷檢測模型

缺陷引起的電磁場擾動[8]包含兩部分：

A(X,Y,Z)=A0(X,Y,Z)+Ap(X,Y,Z)

(2)

式中，A0(X,Y,Z)為檢測電流感應的矢量勢函數，Ap(X,Y,Z)為缺陷引起的電場擾動感應的矢量勢函數，根據電磁感應，矢量勢函數A0(X,Y,Z)和Ap(X,Y,Z)都滿足Laplace方程[9]：

(3)

式(2)中，A0(X,Y,Z)滿足無缺陷時的邊界條件：

(4)

式(2)中，Ap(X,Y,Z)滿足含缺陷狀態的邊界條件：

(5)

式中，c表示缺陷寬度。

3 高壓氫氣瓶鋁制內膽檢測實驗

3.1 試樣制備

圖2所示為高壓氫氣瓶鋁制內膽檢測試樣，在試樣表面加工5處缺陷，缺陷信息如表1所示。

圖2 檢測試樣Fig.2 Test sample

表1 缺陷信息Table 1 Defect information

3.2 實驗工具

實驗采用中國石油大學生產的LKACFM-X1檢測系統，如圖3所示，系統主要由主機、傳感器及編碼器組成。

圖3 LKACFM-X1檢測系統Fig.3 LKACFM-X1 detection system

該系統可兼容內穿式、外套式、平板型、筆形等多種形式傳感器，并可支持16通道陣列探頭，針對鋁制內膽纏繞氣瓶檢測，宜采用定制內穿式傳感器從內表面進行檢測，本文主要采用螺紋式及8陣列傳感器進行檢測，如圖4所示。

圖4 陣列傳感器(左)和螺紋傳感器(右)Fig.4 Array sensor (left) and thread sensor (right)

3.3 檢測及分析

圖5為試樣缺陷1交流電磁場檢測結果，其中a為BZ分量圖，其橫坐標為距離，縱坐標為相對幅值，b為成像圖，其橫坐標為距離，與BZ分量圖一一對應，縱坐標為對應的通道號，從檢測結果中可見，對于試樣Φ3圓形缺陷，BZ分量圖與成像圖均能有效顯示，但相對幅值較低，僅約15 T，成像圖中對應約5～7通道的覆蓋范圍。