碳纖維復合材料氣瓶聲發(fā)射監(jiān)測試驗研究

程 偉，王 哲，程經(jīng)緯，江慧豐，陶元宏，陳 煒

(1.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031；2.合肥通用機械研究院特種設(shè)備檢驗站有限公司，合肥 230031)

0 引言

復合材料高壓氣瓶是在金屬或非金屬材料內(nèi)膽上環(huán)纏繞或全纏繞纖維材料制作而成，廣泛應用于航空航天、氫能儲運、石油化工等領(lǐng)域。纖維纏繞層是復合材料氣瓶強度承載介質(zhì)壓力的主要載體，一般可承擔75%～95%的載荷，常用纖維包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。碳纖維具有優(yōu)異的力學性能、潤滑性和耐腐蝕性，以及良好的抗疲勞等特性[1-4]，使得碳纖維復合材料氣瓶具有質(zhì)量輕、韌性強、耐疲勞性好等優(yōu)點，在氣體高壓儲運領(lǐng)域(如車載高壓儲氫氣瓶、大容量儲氫管束等)具有廣闊的應用前景[5-7]。

復合材料氣瓶服役過程中面臨高壓、高低溫、意外沖擊損傷、反復充放載荷的長期復雜影響，造成復合材料結(jié)構(gòu)剛度衰減、內(nèi)膽疲勞損傷等狀況，在循環(huán)載荷下易發(fā)生材料屈服而萌生裂紋，進一步擴展會導致泄漏等嚴重后果[8-9]。因此，如何在線監(jiān)測影響氣瓶性能的缺陷，特別是裂紋等危險性高的活性缺陷，并及時響應預警，成為保障復合材料氣瓶安全運行的關(guān)鍵措施。

在受載條件下，材料中局部域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(Acoustic Emission,簡稱AE)，通過傳感器采集聲發(fā)射信號進而推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)[10]。磁粉、超聲等常規(guī)無損檢測技術(shù)可以用于檢測材料表面或埋藏缺陷，但無法檢測出氣瓶內(nèi)部尚處于萌生和擴展階段的缺陷，而聲發(fā)射技術(shù)特別適用于探測材料在受載條件下內(nèi)部出現(xiàn)裂紋的萌生和擴展，可用于復合材料氣瓶的活性缺陷檢測[11-12]。已有關(guān)于復合材料氣瓶聲發(fā)射研究中，探索了氣瓶損傷定位，利用費利西蒂比等評價氣瓶工藝質(zhì)量和損傷程度[13-16]，但沒有探究在線監(jiān)測過程中判斷氣瓶出現(xiàn)疲勞開裂、泄漏等損傷的特征安全參量，為此有必要開展碳纖維復合材料氣瓶的聲發(fā)射監(jiān)測試驗研究，探明氣瓶在運行和失效過程的聲發(fā)射信號特征，為建立氣瓶損傷特征安全參量甄別、安全狀況診斷評估方法提供依據(jù)。

1 聲發(fā)射監(jiān)測試驗

1.1 試驗原理

碳纖維復合材料氣瓶在長周期運行過程中可能會發(fā)生機械疲勞、纖維斷裂、層間開裂等損傷，損傷產(chǎn)生的同時伴隨著應力波的釋放，不同的損傷會產(chǎn)生不同特征的應力波。從聲發(fā)射源發(fā)射的應力波最終會傳播到達材料的表面而引起表面位移，傳感器將材料的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，然后再被放大、處理和記錄，并用于對聲發(fā)射源信號進行分析。復合材料氣瓶在運行過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，可以用于判斷復合材料氣瓶活性缺陷的存在與類型，進而對復合材料氣瓶安全狀況進行評估。聲發(fā)射信號的特征參量主要包括撞擊、計數(shù)、事件、能量門檻等，如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射信號特征參量示意Fig.1 Schematic diagram of characteristic parameters ofacoustic emission signals

1.2 試驗對象

以鋁合金內(nèi)膽復合材料氣瓶作為試驗對象，氣瓶制造標準為GB/T 28053—2011《呼吸器用復合氣瓶》，其中：內(nèi)膽厚度2.0 mm，碳纖維復合材料層厚度5.0 mm，能夠滿足聲發(fā)射探頭與氣瓶外表面實現(xiàn)良好的耦合；爆破壓力119 MPa。容積和公稱長度適中，適宜進行循環(huán)壓力測試。試驗現(xiàn)場照片如圖2所示，氣瓶相關(guān)參數(shù)見表1。

圖2 試驗現(xiàn)場Fig.2 Testing site

表1 氣瓶基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the cylinder

1.3 試驗方法

1.3.1 水壓循環(huán)疲勞試驗

對氣瓶A進行水壓循環(huán)加壓和卸壓(見圖3)，最高壓力設(shè)置為氣瓶的設(shè)計耐壓試驗壓力，即50 MPa，升壓速度控制在6～7 MPa/min，直至氣瓶出現(xiàn)泄漏時結(jié)束試驗，判斷氣瓶在水壓循環(huán)疲勞試驗時出現(xiàn)損傷的循環(huán)次數(shù)范圍。對氣瓶B進行水壓循環(huán)加壓和卸壓，最高壓力設(shè)置為50 MPa，升壓速度控制在6～7 MPa/min，參考氣瓶A出現(xiàn)損傷的循環(huán)次數(shù)范圍，在氣瓶出現(xiàn)泄漏前停止試驗。

圖3 氣瓶水壓循環(huán)疲勞試驗過程Fig.3 Hydraulic cyclic fatigue test process of gas cylinder

1.3.2 水壓升壓保壓試驗

在氣瓶B進行水壓循環(huán)疲勞試驗后，繼而對氣瓶B進行水壓升壓保壓試驗。如圖4所示，采用緩慢加壓方式，將水壓從0 MPa加至50 MPa，升壓速度5 MPa/min；然后進行50 MPa的保壓試驗，直至氣瓶破裂泄漏。通過聲發(fā)射檢測儀監(jiān)測復合材料氣瓶在升壓保壓中發(fā)射的信號，以模擬實際服役工況中在線監(jiān)測過程，進而判斷復合材料氣瓶在破裂泄漏前、破裂泄漏時、破裂泄漏后的聲發(fā)射信號特征。復合材料氣瓶破裂泄漏后，對其外表面進行滲透檢測，并對內(nèi)膽進行目視檢查和相控陣檢測，以驗證聲發(fā)射檢測結(jié)果。

圖4 氣瓶水壓升壓保壓試驗過程Fig.4 Pressure boosting and holding test process ofgas cylinder

1.4 聲發(fā)射監(jiān)測試驗過程

依據(jù)GB/T 18182—2012《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》，開展復合材料氣瓶的聲發(fā)射檢測。

1.4.1 參數(shù)設(shè)置

采用美國PAC公司聲發(fā)射檢測儀(Mirco-Ⅱ Express)對復合材料氣瓶升壓保壓試驗過程進行聲發(fā)射監(jiān)測，主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 聲發(fā)射檢測主要參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameters setting for acoustic emission inspection

1.4.2 探頭布置

依據(jù)文獻[8],碳纖維復合材料板材層間開裂、界面脫粘及纖維斷裂等產(chǎn)生的聲發(fā)射信號頻率范圍為30～500 kHz，針對復合材料氣瓶，選擇DT15I-AST型聲發(fā)射探頭，中心頻率為151 kHz。在瓶體沿試樣中心面布置4個聲發(fā)射探頭，氣瓶端面過渡處周向均布2個且兩端探頭相位差90°，采用柱面定位方式確定缺陷位置，探頭位置呈等腰三角形，如圖5所示。

圖5 聲發(fā)射探頭布置示意

1.4.3 聲速測量與修正

在氣瓶高度方向中間位置選擇某一點，進行3次斷鉛(鉛芯直徑0.5 mm，規(guī)格HB)并采集信號，根據(jù)模擬信號在不同探頭之間的距離和時間差，計算復合材料氣瓶用實際聲速，經(jīng)計算：復合材料氣瓶平均聲速為3 670 m/s，與初始設(shè)置4 000 m/s比較接近，詳細數(shù)據(jù)見表3。后續(xù)聲發(fā)射監(jiān)測聲速設(shè)置為3 670 m/s。

表3 聲速測量數(shù)據(jù)Tab.3 Measurement data of acoustic speeds

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水壓循環(huán)疲勞試驗結(jié)果

氣瓶A水壓循環(huán)疲勞泄漏過程示意如圖6所示。

圖6 氣瓶A水壓循環(huán)疲勞泄漏過程示意Fig.6 Schematic diagram of hydraulic cyclic fatigueleakage process of cylinder A

經(jīng)過2 882次水壓循環(huán)后，氣瓶A出現(xiàn)泄漏，壓力降為0 MPa，如圖6所示。據(jù)此判斷，對于該型復合材料氣瓶，采用50 MPa水壓循環(huán)疲勞測試時,出現(xiàn)泄漏的循環(huán)次數(shù)約為2 800次。因此,為探索氣瓶出現(xiàn)損傷至泄漏過程中的聲發(fā)射信號特征，首先使氣瓶B在0～50 MPa壓力區(qū)間內(nèi)循環(huán)2 000次，之后使之保持50 MPa壓力，采集聲發(fā)射信號，這樣可以獲取更準確的氣瓶損傷信號特征。

2.2 水壓升壓保壓試驗結(jié)果

2.2.1 特征參量分析

(1)撞擊數(shù)、計數(shù)、能量。

復合材料氣瓶水壓升壓保壓試驗歷程分為3個階段：升壓階段(0～600 s)、保壓-泄漏階段(600～33 000 s)、泄漏后階段(33 000～66 000 s)。其中，保壓-泄漏階段是氣瓶在保壓過程中因承受壓力導致?lián)p傷產(chǎn)生泄漏的階段，泄漏后階段是氣瓶因泄漏造成壓力泄放的階段。復合材料氣瓶在水壓升壓保壓試驗過程中撞擊數(shù)、計數(shù)、能量隨時間的變化曲線見圖7。

圖7 不同特征參量隨時間變化曲線

①升壓階段(0～600 s)是氣瓶逐步承載更大壓力并產(chǎn)生應力集中的階段，在這個階段，氣瓶會產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號，單位時間內(nèi)撞擊數(shù)可達3 300個、計數(shù)可達65 000個、能量可達16 600。

②保壓-泄漏階段(600～33 000 s)是氣瓶承受壓力并逐步釋放應力的階段，會產(chǎn)生聲發(fā)射信號。由圖7可以看出，這個階段主要分為平穩(wěn)期和應力釋放期：4 500～6 000 s,7 000～8 500 s,31 000～33 000 s為3個應力釋放期，而600～4 500 s,6 000～7 000 s,8 500～31 000 s則為平穩(wěn)期。平穩(wěn)期的聲發(fā)射撞擊數(shù)、計數(shù)、能量相對較低，如6 000～7 000 s單位時間內(nèi)的撞擊數(shù)最高140個、計數(shù)最高950個、能量最高110。應力釋放期的聲發(fā)射撞擊數(shù)、計數(shù)、能量相對平穩(wěn)期明顯增加，如第一個應力釋放期4 500～6 000 s，單位時間內(nèi)撞擊數(shù)最高可達1 680個、計數(shù)最高可達10 800個、能量最高可達1 260；第二個應力釋放期7 000～8 500 s，單位時間內(nèi)撞擊數(shù)最高可達480個、計數(shù)最高可達5 000個、能量最高可達1 050；第三個應力釋放期31 000～33 000 s，單位時間內(nèi)撞擊數(shù)最高可達195個、計數(shù)最高可達1 050個、能量最高可達130?？梢钥闯觯S著時間的延長，應力釋放期單位時間內(nèi)的撞擊數(shù)、計數(shù)和能量都逐漸降低。

③泄漏后階段(33 000～66 000 s)是氣瓶壓力釋放完畢、介質(zhì)持續(xù)外泄的階段。此階段單位時間內(nèi)撞擊數(shù)最高21個、計數(shù)最高70個、能量最高52。

為了更好地判斷復合材料氣瓶在水壓升壓保壓試驗中保壓-泄漏階段的聲發(fā)射信號特征，選取保壓-泄漏階段不同時期的聲發(fā)射信號，繪制撞擊數(shù)、計數(shù)、能量隨時間的變化曲線，如圖8所示?？梢钥闯?，復合材料氣瓶在保壓階段會經(jīng)歷階梯性的應力釋放、直至發(fā)生泄漏。在應力釋放期，復合材料氣瓶會在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量撞擊，恢復到平穩(wěn)期后撞擊會迅速減少，直至發(fā)生下一次應力釋放。

圖8 不同特征參量在不同階段的特征曲線

(2)事件數(shù)。

產(chǎn)生聲發(fā)射的一次材料局部變化稱之為一個聲發(fā)射事件，事件主要用于評價信號源的活動性和定位。復合材料氣瓶在水壓升壓保壓試驗過程，共計產(chǎn)生234個事件，其幅值分布見圖9，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

圖9 事件幅值-時間分布Fig.9 Event amplitude-time distribution

表4 各階段事件數(shù)分布Tab.4 Distribution of events in each stage

分析可知：①升壓階段產(chǎn)生的總事件數(shù)和單位時間內(nèi)產(chǎn)生的事件數(shù)均遠大于保壓-泄漏階段、泄漏后階段；②保壓-泄漏階段，第一、第二應力釋放期單位時間內(nèi)的事件數(shù)要明顯大于第三應力釋放期和平穩(wěn)期，在第三應力釋放階段，鋁內(nèi)膽發(fā)生疲勞裂紋擴展，進而產(chǎn)生泄漏，而復合材料層難以對泄漏液體保持密封，因此復合材料層也出現(xiàn)開裂和泄漏；③升壓階段事件平均幅值和升壓后平穩(wěn)期事件平均幅值相近，且略大于應力釋放期和泄漏后階段。

2.2.2 定位分析

將復合材料氣瓶聲發(fā)射監(jiān)測升壓階段的定位圖(見圖10(a))與保壓-泄漏階段的定位圖(見圖10(b))進行比較，可以發(fā)現(xiàn)：應力集中產(chǎn)生事件的位置與應力釋放產(chǎn)生事件的位置基本一致，均主要分布在復合材料氣瓶下封頭和筒體連接處，且具有對稱分布的特征。JIANG等[17]開展的碳纖維復合材料氣瓶的應力分析結(jié)果表明，氣瓶封頭與筒體連接處應力最大，與聲發(fā)射監(jiān)測應力集中位置基本一致。平穩(wěn)期也會在應力集中位置產(chǎn)生聲發(fā)射事件(見圖10(c))，說明平穩(wěn)期也會緩慢地發(fā)生應力釋放。

圖10 不同階段聲發(fā)射定位圖

2.2.3 保壓-泄漏階段重點分析

復合材料氣瓶在保壓-泄漏階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號是復合材料氣瓶安全狀態(tài)監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)，因此需要重點分析。撞擊、計數(shù)、能量均是聲發(fā)射檢測最重要的特征參數(shù)，由圖11可以看出，復合材料氣瓶在保壓-泄漏階段會產(chǎn)生階梯性的應力釋放，直至發(fā)生泄漏；在應力釋放期，單位時間內(nèi)的撞擊數(shù)會瞬間升高，然后下降。

2.2.4 波形分析

與特征參量分析一樣，波形分析是聲發(fā)射檢測信號分析最常見方法之一。為了進一步確認復合材料氣瓶在保壓-泄漏階段的聲發(fā)射檢測信號特征，對復合材料氣瓶在保壓-泄漏階段的波形進行分析。選擇應力釋放期和平穩(wěn)期波形進行對比，可以發(fā)現(xiàn)：(1)復合材料氣瓶的損傷過程會釋放應力波，波形為射頻狀，如圖12(a)(d)所示；(2)不論是平穩(wěn)期還是應力釋放期，均會釋放射頻狀應力波，不同之處在于應力釋放期為損傷擴張階段，釋放射頻狀應力波的頻率更高，而平穩(wěn)期損傷暫停或延緩擴張，釋放射頻狀應力波的頻率相對較低。

(a)平穩(wěn)期(4 197 s)

(b)第一應力釋放期(5 100 s)

(c)平穩(wěn)期(17 960 s)

(d)第三應力釋放期(23 342 s)圖12 不同時期聲發(fā)射監(jiān)測信號波形Fig.12 Acoustic emission monitoring signalwaveforms of different periods

2.3 滲透檢測

為了確定復合材料氣瓶的泄漏位置、識別復合材料氣瓶易損傷位置，將水壓循環(huán)疲勞泄漏后的復合材料氣瓶B進行表面滲透檢測(如圖13(b)(c)所示)，并與聲發(fā)射在線檢測定位圖(如圖13(a)所示)進行對比分析，可以看出：

(1)定位圖顯示復合材料氣瓶容易發(fā)生應力集中的位置位于復合材料氣瓶底部封頭，以及底部封頭和筒體的連接處，這些位置聲發(fā)射檢測撞擊數(shù)較大，事件數(shù)多，是復合材料氣瓶容易發(fā)生損傷的位置；

(2)滲透檢測結(jié)果顯示復合材料氣瓶底部封頭出現(xiàn)連續(xù)放射狀裂紋，定位圖上此位置可見明顯聲發(fā)射信號，如圖13(a)中第2個圓圈(自左至右)所示，可見復合材料氣瓶底部封頭中心位置是最先發(fā)生泄漏的位置；

(3)瓶肩處雖然經(jīng)滲透檢測并未發(fā)現(xiàn)裂紋，但復合材料氣瓶在此處產(chǎn)生了較多聲發(fā)射信號，說明復合材料層內(nèi)部已出現(xiàn)層間開裂等損傷。

2.4 內(nèi)膽復驗檢測

為了進一步驗證內(nèi)膽疲勞損傷位置，將疲勞循環(huán)泄漏后的氣瓶沿靠近封頭處進行切割分離，如圖14(a)所示。觀察氣瓶封頭，可看到明顯的自然微裂紋，位于內(nèi)膽變徑處，如圖14(b)所示。這說明在水壓循環(huán)疲勞測試中，鋁內(nèi)膽首先出現(xiàn)疲勞微裂紋，在高壓下裂紋擴展形成開口裂紋，發(fā)生泄漏，且裂紋位置與外部復合材料層一致。

圖13 復合材料氣瓶B聲發(fā)射監(jiān)測定位圖與滲透檢測對比

(a)氣瓶封頭切割分離

(b)氣瓶內(nèi)膽微裂紋圖14 復合材料氣瓶B鋁合金內(nèi)膽微裂紋缺陷Fig.14 Microcrack in aluminum alloy liner ofgas cylinder B

為進一步分析內(nèi)膽微裂紋的特征，采用超聲相控陣系統(tǒng)(PeakNDT公司，64/128通道)和超聲相控陣探頭(Imasonic公司，64陣元，標稱中心頻率2.25 MHz/15 MHz)對圖14(b)中氣瓶內(nèi)膽微裂紋進行成像與評價，其主要步驟如下:將探頭與氣瓶浸水進行耦合，順序激發(fā)64陣元，進行全矩陣數(shù)據(jù)采集，再通過全聚焦算法，對氣瓶內(nèi)膽實現(xiàn)高分辨率成像。2.25 MHz探頭和15 MHz探頭的成像結(jié)果(見圖15)均包含位于氣瓶內(nèi)膽的非連續(xù)性特征，表明了內(nèi)膽存在明顯的貫穿型裂紋。

(a)2.25 MHz探頭成像結(jié)果

(b)15 MHz探頭成像結(jié)果圖15 復合材料氣瓶B鋁合金內(nèi)膽微裂紋相控陣成像檢測結(jié)果Fig.15 Phased array imaging detection results of microcracksin aluminum alloy liner of gas cylinder B

3 結(jié)論

(1)碳纖維復合材料氣瓶在循環(huán)載荷作用后經(jīng)聲發(fā)射在線監(jiān)測，復合材料層內(nèi)部在多個應力釋放期出現(xiàn)層間開裂等損傷，氣瓶底部封頭泄漏最嚴重，這與聲發(fā)射監(jiān)測信號定位一致。因此，聲發(fā)射監(jiān)測能夠準確識別氣瓶出現(xiàn)疲勞開裂、泄漏。

(2)在保壓過程中，復合材料氣瓶會發(fā)生階梯性的應力釋放，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號撞擊數(shù)、計數(shù)、能量均會隨著保壓時間的延長而出現(xiàn)階梯性降低，直至泄漏時出現(xiàn)瞬時升高。聲發(fā)射信號定位位置與氣瓶應力集中位置一致。因此，可采用聲發(fā)射撞擊數(shù)、計數(shù)、能量、定位信息作為復合材料氣瓶損傷出現(xiàn)時間和位置的判據(jù)。

(3)采用滲透檢測、目視檢查及相控陣超聲檢測方法，驗證了聲發(fā)射監(jiān)測中氣瓶損傷位置，進一步說明了聲發(fā)射監(jiān)測判據(jù)的準確性。