基于聲發射技術的大容積玻璃纖維纏繞氣瓶沖擊損傷評定

駱 輝， 李 桐， 黃強華， 薄 柯， 柴 森， 李 翔

(中國特種設備檢測研究院,北京 100029)

大容積氣瓶用于H2、CNG等高壓氣體運輸，為提高運輸效率，需要將氣瓶輕量化、高壓化。而玻璃纖維比模量高，密度低，抗疲勞性能好，價格低廉等原因，且在中容積車載氣瓶行業有較長加工制造及使用經驗，因此被用于制造大容積玻璃纖維纏繞氣瓶，來提高氣體運輸效率。

在使用過程中，大容積玻璃纖維纏繞氣瓶纏繞層主要存在磨損，銳器劃傷，沖擊等損傷。為保證氣瓶運行安全，定期檢驗中需要對這些損傷進行安全評定。Deng等[1]對纏繞層機械磨損和劃傷評定進行深入研究，并給出了評定指標。而機械沖擊，可能引起纏繞層內部損傷，因此對氣瓶安全性影響較大，而目前缺乏便捷、有效的方法對纏繞層沖擊損傷進行檢測及評定。因此，目前各標準中關于沖擊損傷的評定較為嚴格，ISO 11623中[2]，允許存在直徑小于25 mm，且外觀無變形的沖擊損傷，ISO 10978中[3]，允許存在直徑小于10 mm，且外觀無變化的沖擊損傷，CGA C 6.2及CGA C 6.4中[4-5]，只允許沖擊區域無明顯變化。如按照目前標準規定進行評定，大量帶有沖擊損傷的大容積纏繞瓶無法通過評定，因此需要研究適應大容積纏繞氣瓶運行要求的評定方法。

聲發射檢測技術對動態缺陷敏感，能做到實時監測，可有效反應纏繞層損傷失效過程。國內外學者、機構對纖維纏繞氣瓶、容器聲發射檢測開展大量研究工作。美國的ASME、ASTM等機構根據研究成果出版了纏繞氣瓶聲發射檢測標準，如ASME V-11、ASTM E 2191M等[6-7]，其他機構也出版相關標準，如ISO/DIS 23876[8]等，標準中規定了檢測方法、檢測程序，但都未給出具體評定方法和標準。Groot等[9-10]分別采用參數分析方法研究了纏繞層損傷過程中基體開裂、纖維斷裂、基體脫粘等信號頻率范圍。Godin等[11-13]基于模態識別技術以及k均值聚類分析方法對玻璃纖維纏繞層靜態載荷損傷開展研究，得出基體開裂、纖維斷裂、脫粘以及分層等四類損傷信號。Fotoubi等[14]通過模糊C均值方法獲得玻璃纖維纏繞層基體開裂、纖維斷裂以及脫粘等損傷信號特征。Liao等[15-16]分別對70 MPa纖維纏繞IV型氣瓶爆破過程開展聲發射檢測研究，得出基體開裂、脫粘、纖維斷裂信號特征，以及氣瓶升壓到不同壓力階段主要信號類型。Bo等[17]對玻璃纖維IV型氣瓶沖擊損傷疲勞實驗過程中聲發射響應進行研究，得出計數隨疲勞變化情況，Luo等[18]對不同類型玻璃纖維試樣開展拉伸試驗，得出纖維斷裂信號幅度、能量等特征。李偉等[19-20]采用k均值聚類分析方法對纏繞氣瓶爆破過程開展聲發射試驗，得出不同階段主要信號類型。劉哲軍等[21]對質量狀況不同的纏繞氣瓶進行升壓以及疲勞試驗，得出不同質量狀況氣瓶費莉希蒂、事件計數等特征。

但是，目前研究注重于纏繞氣瓶纏繞層破壞過程中聲發射信號演化以及不同信號識別，缺乏對帶沖擊損傷氣瓶纏繞層安全評定研究，尚未形成氣瓶纏繞層損傷狀況安全評定方法及標準。

1 試 驗

1.1 試驗用大容積玻璃纖維纏繞氣瓶

大容積玻璃纖維纏繞氣瓶通常在Cr-Mo鋼內膽外部纏繞由玻璃纖維和環氧樹脂形成的纏繞層。為保證使用過程中安全，安全系數一般定為3.0，即爆破壓力應在60 MPa以上，此次試驗用的大容積玻璃纖維纏繞氣瓶參數如表1所示。

表1 試驗用大容積玻璃纖維纏繞氣瓶參數Tab.1 Large volume glass fiber wrapped cylinder

為增加纏繞層軸向承載能力，大容積玻璃纖維纏繞氣瓶纏繞層采用60°螺旋纏繞，90°環向纏繞相結合的纏繞方式，每層厚度約0.437 mm，共計30層，纏繞氣瓶結構如圖1所示。

圖1 大容積玻璃纖維纏繞氣瓶及結構Fig.1 Large volume glass fiber wrapped cylinder and its structure diagram

1.2 沖擊損傷

采用機械沖頭沖擊方式對纏繞氣瓶纏繞層進行沖擊，機械沖頭以及沖擊方式按照ISO 11515[22]進行，如圖2所示，沖頭重量為95.6 kg。

圖2 氣瓶沖擊試驗和沖頭Fig.2 Impact test and hammer

此次試驗共使用4只氣瓶，為對纏繞層造成不同程度沖擊損傷，采用不同能量進行沖擊，沖擊能量、沖擊速度大小和氣瓶對應關系如表2所示。

表2 不同沖擊能量Tab.2 Cylinders with different impact energy

沖擊損傷氣瓶如圖3所示，沖擊區域發生纏繞層折斷、分層、變形等損傷，損傷情況隨沖擊能量變化而變化。

圖3 沖擊后氣瓶Fig.3 Cylinder after impact test

1.3 聲發射測試系統

試驗所有的聲發射測試系統為德國Vallen公司生產的24通道AMSY-6型儀器，探頭采用150 kHz諧振式傳感器，型號為VS 150-RIC，頻帶寬度為100～400 kHz，如圖4所示。安裝探頭之前，對表面進行預處理，采用高彈性橡膠圈將探頭固定在纏繞氣瓶表面，真空潤滑脂作為耦合劑涂于探頭和氣瓶纏繞層表面，整個檢測過程中，保證探頭和纏繞層耦合良好。檢測過程中，系統門檻值設為40 dB。

圖4 聲發射系統及探頭Fig.4 AE system and sensor

聲發射測試系統連接完成后，按照NB/T 47013.9要求，采用Φ0.3-2H鉛芯折斷方式作為信號模擬源對采集系統進行校準，各通道靈敏度應滿足標準要求。

2 測試過程

2.1 衰減測量及探頭陣列

由于纏繞層各向異性，延軸向、45°斜向以及周向等三個方向間隔進行Φ0.3-2H鉛芯折斷，測量模擬源信號響應幅度，每位置處測量三次，取其平均值如表3所示。

表3 距離-幅度值Tab.3 Distance-amplitude

經測量，對于大容積纏繞氣瓶，聲發射信號衰減延周向、45°斜向以及軸向依次增大，這是由纏繞層中纖維方向造成。為保證信號接收良好，探頭間距不宜超過800 mm。

根據聲發射信號衰減測量結果以及氣瓶尺寸，探頭布置如圖5所示，共8只探頭，探頭間最大間距約790 mm，該8只探頭主要用于缺陷位置定位，沖擊損傷處于3#-4#-5#探頭組成的三角區域內。此外，在沖擊損傷區域邊緣布置1只探頭，如圖5中9#探頭，該探頭主要用于監測損傷區域聲發射信號響應情況。

圖5 探頭陣列圖Fig.5 Sensor array

2.2 加載程序

在此次聲發射試驗中，根據氣瓶制造工藝及使用參數，對大容積纏繞氣瓶按照圖6中程序進行分步加壓，其中20 MPa為公稱工作壓力，30 MPa為水壓試驗壓力，40 MPa高于氣瓶自緊壓力，每階段保壓20 min，并加壓至氣瓶爆破。

圖6 升壓程序Fig.6 Pressurizing procedure

升壓系統采用大連理工大學生產的250 MPa型水壓試驗設備，對加壓過程實時控制、記錄，如圖7所示。

圖7 升壓系統Fig.7 Pressurizing system

3 結果與討論

3.1 沖擊損傷大容積纏繞氣瓶爆破力學性能

大容積纏繞氣瓶進行爆破試驗過程中，隨著壓力逐步升高，氣瓶纏繞層發生損傷，達到一定壓力后，一般纏繞層率先發生爆破，失去承載能力，該壓力為氣瓶爆破壓力,爆破后氣瓶(2#)如圖8所示。

圖8 爆破后氣瓶(2#)Fig.8 Burst cylinder (2#)

4只氣瓶爆破壓力如表4所示，2#、3#氣瓶爆破壓力基本和1#氣瓶相同，安全系數仍然能達到3.0，滿足安全使用要求。而4#氣瓶爆破壓力發生下降，安全系數低于要求，說明在6 000 J能量沖擊下，氣瓶損傷達到臨界狀態，不能滿足安全使用要求。

表4 不同沖擊能量氣瓶爆破壓力Tab.4 Burst pressure of impacted cylinder with different impact energy

3.2 大容積纏繞氣瓶爆破過程中聲發射信號響應

圖9(a)為1#大容積纏繞氣瓶爆破過程中信號幅度-時間歷程圖。從圖9(a)可以看出，隨著壓力升高，纏繞層損傷累積，聲發射信號幅度逐步升高。在試驗壓力為20 MPa和30 MPa升壓、保壓階段，信號幅度較低，小于75 dB。當試驗壓力升高至40 MPa時，升壓過程中少量75 dB以上信號出現，該階段信號幅度低于85 dB。在試驗壓力從40 MPa升高至50 MPa過程中，大量85 dB以上高幅度信號出現。至氣瓶爆破過程中，大量高幅信號出現。

(a) 壓力、信號幅度-時間歷程圖

(b) 壓力、計數/累計計數-時間歷程圖

(c) 壓力/能量-時間歷程圖圖9 爆破試驗過程中特征參數-時間歷程圖Fig.9 Characteristic parameters-time history graph during burst test

圖9(b)為1#大容積纏繞氣瓶爆破過程中計數、累計計數-時間歷程圖。從圖9(b)中可看出，在試驗壓力為20 MPa 和30 MPa升壓、保壓階段，聲發射信號計數率較低，小于約50個/s，隨著試驗壓力升高至40 MPa，聲發射計數率增加到約120個/s，當試驗壓力從40 MPa往50 MPa升壓過程中，聲發射計數率迅速增加，增加至約0.9×104個/s，表明在該階段氣瓶纏繞層聲發射活性急劇增強，累計計數呈指數級增加，活性增加約90倍。至氣瓶爆破過程中，聲發射計數率基本在0.5×104～0.9×104個/s之間。

在40～50 MPa升壓階段，纏繞層承受載荷約為承載能力的2/3，預緊力較大的纖維束開始發生斷裂，纏繞層開始發生損傷，導致纏繞層聲發射信號活性增強。

圖9(c)為1#大容積纏繞氣瓶爆破過程中能量-時間歷程圖。從圖9(c)中可看出，在試驗壓力為20 MPa、30 MPa、40 MPa升壓、保壓階段，聲發射信號能量較低，小于1.0×105aJ，隨著試驗壓力從40 MPa升高至50 MPa時，該階段聲發射信號能量急劇增大，達到1.0×107～1.0×108aJ，信號強度增大100倍以上。

根據Luo等對玻璃纖維試樣拉伸試驗結果，能量達到1.0×107～1.0×108aJ的聲發射信號，由纏繞層中纖維斷裂引發。表明在纖維層載荷在達到承載能力2/3時，纏繞層中纖維束開始發生斷裂。從50 MP至氣瓶爆破過程中，聲發射信號能量出現數個峰值，達到1.0×107aJ以上，表明纏繞層為非連續損壞，纏繞層中纖維束斷續斷裂。

3.3 不同沖擊能量大容積纏繞氣瓶在水壓試驗壓力下聲發射響應對比

大容積纏繞氣瓶進行聲發射檢測，通常伴隨水壓試驗進行，即聲發射試驗壓力不超過氣瓶水壓試驗壓力，即試驗壓力不超過30 MPa，定期檢驗中，需要根據升壓至試驗壓力過程中纏繞層聲發射信號響應情況對纏層損傷進行安全評定，因此需要對該階段聲發射信號特征進行進一步研究。

圖10(a)依次為1#～4#大容積纏繞氣瓶爆破過程中0～30 MPa階段信號幅度-時間歷程圖。從圖10(a)可以看出，在20 MPa和30 MPa試驗壓力下，1#、2#氣瓶聲發射信號幅度基本低于80 dB，3#氣瓶纏繞層產生少量80～85 dB以上高幅度信號，而4#氣瓶該階段產生大量85 dB以上信號，最高幅度達到95 dB。說明不同沖擊能量對纏繞層產生不同程度損傷，對聲發射信號響應幅度產生影響，響應幅度隨損傷加重而變高。達到臨界損傷狀態纏繞層響應信號幅度明顯高于未損傷或輕微損傷氣瓶纏繞層。

(a) 壓力、信號幅度-時間歷程圖(1#/2#/3#/4#)

(b) 壓力/計數-時間歷程圖(1#/2#/3#/4#)

(c) 壓力/能量-時間歷程圖(1#/2#/3#/4#)

(d) 定位圖(1#/2#/3#/4#)圖10 水壓試驗過程中特征參數-時間歷程圖Fig.10 Characteristic parameters-time history graph during pressure test

圖10(b)依次為1#～4#大容積纏繞氣瓶爆破過程中0～30 MPa階段計數-時間歷程圖。從圖10(b)可以看出，在20 MPa和30 MPa試驗壓力下，1#、2#氣瓶聲發射信號計數率較低，小于100個/s，而3#氣瓶聲發射計數稍微增加，基本小于400 個/s，而4#氣瓶聲發射計數率顯著增加，達到約2 000個/s以上。說明纏繞層承受不同大小能量沖擊，沖擊區域信號活性隨著損傷程度嚴重而增強。4#氣瓶承受6 000 J沖擊能量，達到臨界損傷狀態，氣瓶安全系數達不到要求，損傷區域纏繞層活性是未損傷區域的20倍。

由于纏繞層承受沖擊損傷后，該區域內纏繞層材料發生折斷、分層、變形等變化，在試驗壓力載荷作用下，材料重新分布，該過程中產生大量聲發射信號，故聲發射信號活性增強。

圖10(c)依次為1#～4#大容積纏繞氣瓶爆破過程中0～30 MPa階段能量-時間歷程圖。從圖10(c)可以看出，在20 MPa和30 MPa試驗壓力下，1#、2#氣瓶聲發射信號能量較低，強度較小，小于1.0×105aJ，而3#氣瓶聲發射信號能量稍微增加，少量信號超過1.0×105aJ，而4#氣瓶聲發射信號能量進一步增大，超過2.0×106aJ，4#氣瓶損傷區域信號能量約為未損傷區域信號的10倍，信號能量隨沖擊損傷加重而變大。

該階段，4#氣瓶信號能量仍小于氣瓶爆破過程中纖維斷裂信號能量，未達到1.0×107aJ及以上，表明在0～30 MPa試驗壓力過程中，沖擊損傷區域未發生纏繞層斷裂。

圖10(d)依次為1#～4#大容積纏繞氣瓶爆破過程中0～30 MPa階段信號定位圖，沖擊損傷位于3#、4#、5#探頭組成的三角區內。1#未受到沖擊損傷，2#氣瓶受到低能能量沖擊，1#和2#只有少量信號雜亂分布，損傷區域無信號聚集。3#氣瓶沖擊損傷區域有少量信號聚集，而4#氣瓶，損傷區域較為嚴重，安全系數不滿足要求，定位圖中呈現明顯信號聚集區域，檢測過程中可以通過區域定位對損傷位置進行確定。

此外，圖中5#、6#、7#區域信號聚集，由于該位置為纏繞纖維束收口處。

4 結 論

通過聲發射檢測技術對不同沖擊能量大容積纏繞氣瓶爆破過程中實施監測，以及0～30 MPa階段，即氣瓶水壓試驗壓力下，不同沖擊損傷氣瓶聲發射信號響應對比，可得到以下結論：

(1) 在大容積纏繞氣瓶爆破過程中，纏繞層載荷達到承載能力2/3時，計數急劇增強，累計計數呈指數級增加，出現能量達到1.0×107aJ聲發射信號，活性增加約90倍，強度增加約100倍以上，表明纏繞層發生損傷，局部纖維束開始發生斷裂。

(2) 大容積纏繞氣瓶纏繞層受到沖擊損傷后，在水壓試驗壓力下，損傷區域聲發射活性、信強度隨損傷程度變化而變化，達到臨界損傷狀態氣瓶損傷區域活性是未損傷區域活性的20倍，信號強度增大10倍以上。但是，該階段信號強度仍低于纖維斷裂信號強度，表明該階段信號由損傷區域內因沖擊導致纏繞層發生折斷、分層、變形等，在水壓試驗載荷作用下重新分布引發，該過程并未發生纏繞層斷裂。

(3) 對于大容積纏繞氣瓶，不同氣瓶聲發射信號響應還會受到制造工藝、纏繞層材料類型等因素影響，可采用相同工藝氣瓶，通過沖擊、爆破等試驗來確定纏繞層損傷臨界狀態，建立該狀態下聲發射信號活性、強度等特征，并將該狀態下特征作為纏繞層沖擊損傷評定標準，通過損傷區域聲發射信號特征與該標準進行對比來評定纏繞層損傷情況。