基于聲發(fā)射技術(shù)的大容積玻璃纖維纏繞氣瓶沖擊損傷評(píng)定

駱 輝， 李 桐， 黃強(qiáng)華， 薄 柯， 柴 森， 李 翔

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029)

大容積氣瓶用于H2、CNG等高壓氣體運(yùn)輸，為提高運(yùn)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(jià)格低廉等原因，且在中容積車載氣瓶行業(yè)有較長(zhǎng)加工制造及使用經(jīng)驗(yàn)，因此被用于制造大容積玻璃纖維纏繞氣瓶，來(lái)提高氣體運(yùn)輸效率。

在使用過(guò)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(yùn)行安全，定期檢驗(yàn)中需要對(duì)這些損傷進(jìn)行安全評(píng)定。Deng等[1]對(duì)纏繞層機(jī)械磨損和劃傷評(píng)定進(jìn)行深入研究，并給出了評(píng)定指標(biāo)。而機(jī)械沖擊，可能引起纏繞層內(nèi)部損傷，因此對(duì)氣瓶安全性影響較大，而目前缺乏便捷、有效的方法對(duì)纏繞層沖擊損傷進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)定。因此，目前各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于沖擊損傷的評(píng)定較為嚴(yán)格，ISO 11623中[2]，允許存在直徑小于25 mm，且外觀無(wú)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(wú)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(qū)域無(wú)明顯變化。如按照目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行評(píng)定，大量帶有沖擊損傷的大容積纏繞瓶無(wú)法通過(guò)評(píng)定，因此需要研究適應(yīng)大容積纏繞氣瓶運(yùn)行要求的評(píng)定方法。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感，能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可有效反應(yīng)纏繞層損傷失效過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者、機(jī)構(gòu)對(duì)纖維纏繞氣瓶、容器聲發(fā)射檢測(cè)開展大量研究工作。美國(guó)的ASME、ASTM等機(jī)構(gòu)根據(jù)研究成果出版了纏繞氣瓶聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，如ASME V-11、ASTM E 2191M等[6-7]，其他機(jī)構(gòu)也出版相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO/DIS 23876[8]等，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了檢測(cè)方法、檢測(cè)程序，但都未給出具體評(píng)定方法和標(biāo)準(zhǔn)。Groot等[9-10]分別采用參數(shù)分析方法研究了纏繞層損傷過(guò)程中基體開裂、纖維斷裂、基體脫粘等信號(hào)頻率范圍。Godin等[11-13]基于模態(tài)識(shí)別技術(shù)以及k均值聚類分析方法對(duì)玻璃纖維纏繞層靜態(tài)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(hào)。Fotoubi等[14]通過(guò)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(hào)特征。Liao等[15-16]分別對(duì)70 MPa纖維纏繞IV型氣瓶爆破過(guò)程開展聲發(fā)射檢測(cè)研究，得出基體開裂、脫粘、纖維斷裂信號(hào)特征，以及氣瓶升壓到不同壓力階段主要信號(hào)類型。Bo等[17]對(duì)玻璃纖維IV型氣瓶沖擊損傷疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射響應(yīng)進(jìn)行研究，得出計(jì)數(shù)隨疲勞變化情況，Luo等[18]對(duì)不同類型玻璃纖維試樣開展拉伸試驗(yàn)，得出纖維斷裂信號(hào)幅度、能量等特征。李偉等[19-20]采用k均值聚類分析方法對(duì)纏繞氣瓶爆破過(guò)程開展聲發(fā)射試驗(yàn)，得出不同階段主要信號(hào)類型。劉哲軍等[21]對(duì)質(zhì)量狀況不同的纏繞氣瓶進(jìn)行升壓以及疲勞試驗(yàn)，得出不同質(zhì)量狀況氣瓶費(fèi)莉希蒂、事件計(jì)數(shù)等特征。

但是，目前研究注重于纏繞氣瓶纏繞層破壞過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)演化以及不同信號(hào)識(shí)別，缺乏對(duì)帶沖擊損傷氣瓶纏繞層安全評(píng)定研究，尚未形成氣瓶纏繞層損傷狀況安全評(píng)定方法及標(biāo)準(zhǔn)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)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(nèi)膽外部纏繞由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂形成的纏繞層。為保證使用過(guò)程中安全，安全系數(shù)一般定為3.0，即爆破壓力應(yīng)在60 MPa以上，此次試驗(yàn)用的大容積玻璃纖維纏繞氣瓶參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用大容積玻璃纖維纏繞氣瓶參數(shù)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(huán)向纏繞相結(jié)合的纏繞方式，每層厚度約0.437 mm，共計(jì)30層，纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

1.2 沖擊損傷

采用機(jī)械沖頭沖擊方式對(duì)纏繞氣瓶纏繞層進(jìn)行沖擊，機(jī)械沖頭以及沖擊方式按照ISO 11515[22]進(jìn)行，如圖2所示，沖頭重量為95.6 kg。

圖2 氣瓶沖擊試驗(yàn)和沖頭Fig.2 Impact test and hammer

此次試驗(yàn)共使用4只氣瓶，為對(duì)纏繞層造成不同程度沖擊損傷，采用不同能量進(jìn)行沖擊，沖擊能量、沖擊速度大小和氣瓶對(duì)應(yīng)關(guān)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(qū)域發(fā)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(fā)射測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)所有的聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)為德國(guó)Vallen公司生產(chǎn)的24通道AMSY-6型儀器，探頭采用150 kHz諧振式傳感器，型號(hào)為VS 150-RIC，頻帶寬度為100～400 kHz，如圖4所示。安裝探頭之前，對(duì)表面進(jìn)行預(yù)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(rùn)滑脂作為耦合劑涂于探頭和氣瓶纏繞層表面，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，保證探頭和纏繞層耦合良好。檢測(cè)過(guò)程中，系統(tǒng)門檻值設(shè)為40 dB。

圖4 聲發(fā)射系統(tǒng)及探頭Fig.4 AE system and sensor

聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)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(hào)模擬源對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，各通道靈敏度應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 測(cè)試過(guò)程

2.1 衰減測(cè)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(gè)方向間隔進(jìn)行Φ0.3-2H鉛芯折斷，測(cè)量模擬源信號(hào)響應(yīng)幅度，每位置處測(cè)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(jīng)測(cè)量，對(duì)于大容積纏繞氣瓶，聲發(fā)射信號(hào)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(hào)接收良好，探頭間距不宜超過(guò)800 mm。

根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)衰減測(cè)量結(jié)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(qū)域內(nèi)。此外，在沖擊損傷區(qū)域邊緣布置1只探頭，如圖5中9#探頭，該探頭主要用于監(jiān)測(cè)損傷區(qū)域聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)情況。

圖5 探頭陣列圖Fig.5 Sensor array

2.2 加載程序

在此次聲發(fā)射試驗(yàn)中，根據(jù)氣瓶制造工藝及使用參數(shù)，對(duì)大容積纏繞氣瓶按照?qǐng)D6中程序進(jìn)行分步加壓，其中20 MPa為公稱工作壓力，30 MPa為水壓試驗(yàn)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(tǒng)采用大連理工大學(xué)生產(chǎn)的250 MPa型水壓試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)加壓過(guò)程實(shí)時(shí)控制、記錄，如圖7所示。

圖7 升壓系統(tǒng)Fig.7 Pressurizing system

3 結(jié)果與討論

3.1 沖擊損傷大容積纏繞氣瓶爆破力學(xué)性能

大容積纏繞氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)過(guò)程中，隨著壓力逐步升高，氣瓶纏繞層發(fā)生損傷，達(dá)到一定壓力后，一般纏繞層率先發(fā)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(shù)仍然能達(dá)到3.0，滿足安全使用要求。而4#氣瓶爆破壓力發(fā)生下降，安全系數(shù)低于要求，說(shuō)明在6 000 J能量沖擊下，氣瓶損傷達(dá)到臨界狀態(tài)，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(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)

圖9(a)為1#大容積纏繞氣瓶爆破過(guò)程中信號(hào)幅度-時(shí)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(fā)射信號(hào)幅度逐步升高。在試驗(yàn)壓力為20 MPa和30 MPa升壓、保壓階段，信號(hào)幅度較低，小于75 dB。當(dāng)試驗(yàn)壓力升高至40 MPa時(shí)，升壓過(guò)程中少量75 dB以上信號(hào)出現(xiàn)，該階段信號(hào)幅度低于85 dB。在試驗(yàn)壓力從40 MPa升高至50 MPa過(guò)程中，大量85 dB以上高幅度信號(hào)出現(xiàn)。至氣瓶爆破過(guò)程中，大量高幅信號(hào)出現(xiàn)。

(a) 壓力、信號(hào)幅度-時(shí)間歷程圖

(b) 壓力、計(jì)數(shù)/累計(jì)計(jì)數(shù)-時(shí)間歷程圖

(c) 壓力/能量-時(shí)間歷程圖圖9 爆破試驗(yàn)過(guò)程中特征參數(shù)-時(shí)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(guò)程中計(jì)數(shù)、累計(jì)計(jì)數(shù)-時(shí)間歷程圖。從圖9(b)中可看出，在試驗(yàn)壓力為20 MPa 和30 MPa升壓、保壓階段，聲發(fā)射信號(hào)計(jì)數(shù)率較低，小于約50個(gè)/s，隨著試驗(yàn)壓力升高至40 MPa，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率增加到約120個(gè)/s，當(dāng)試驗(yàn)壓力從40 MPa往50 MPa升壓過(guò)程中，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率迅速增加，增加至約0.9×104個(gè)/s，表明在該階段氣瓶纏繞層聲發(fā)射活性急劇增強(qiáng)，累計(jì)計(jì)數(shù)呈指數(shù)級(jí)增加，活性增加約90倍。至氣瓶爆破過(guò)程中，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率基本在0.5×104～0.9×104個(gè)/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(yù)緊力較大的纖維束開始發(fā)生斷裂，纏繞層開始發(fā)生損傷，導(dǎo)致纏繞層聲發(fā)射信號(hào)活性增強(qiáng)。

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

根據(jù)Luo等對(duì)玻璃纖維試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果，能量達(dá)到1.0×107～1.0×108aJ的聲發(fā)射信號(hào)，由纏繞層中纖維斷裂引發(fā)。表明在纖維層載荷在達(dá)到承載能力2/3時(shí)，纏繞層中纖維束開始發(fā)生斷裂。從50 MP至氣瓶爆破過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)能量出現(xiàn)數(shù)個(gè)峰值，達(dá)到1.0×107aJ以上，表明纏繞層為非連續(xù)損壞，纏繞層中纖維束斷續(xù)斷裂。

3.3 不同沖擊能量大容積纏繞氣瓶在水壓試驗(yàn)壓力下聲發(fā)射響應(yīng)對(duì)比

大容積纏繞氣瓶進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，通常伴隨水壓試驗(yàn)進(jìn)行，即聲發(fā)射試驗(yàn)壓力不超過(guò)氣瓶水壓試驗(yàn)壓力，即試驗(yàn)壓力不超過(guò)30 MPa，定期檢驗(yàn)中，需要根據(jù)升壓至試驗(yàn)壓力過(guò)程中纏繞層聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)情況對(duì)纏層損傷進(jìn)行安全評(píng)定，因此需要對(duì)該階段聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖10(a)依次為1#～4#大容積纏繞氣瓶爆破過(guò)程中0～30 MPa階段信號(hào)幅度-時(shí)間歷程圖。從圖10(a)可以看出，在20 MPa和30 MPa試驗(yàn)壓力下，1#、2#氣瓶聲發(fā)射信號(hào)幅度基本低于80 dB，3#氣瓶纏繞層產(chǎn)生少量80～85 dB以上高幅度信號(hào)，而4#氣瓶該階段產(chǎn)生大量85 dB以上信號(hào)，最高幅度達(dá)到95 dB。說(shuō)明不同沖擊能量對(duì)纏繞層產(chǎn)生不同程度損傷，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)幅度產(chǎn)生影響，響應(yīng)幅度隨損傷加重而變高。達(dá)到臨界損傷狀態(tài)纏繞層響應(yīng)信號(hào)幅度明顯高于未損傷或輕微損傷氣瓶纏繞層。

(a) 壓力、信號(hào)幅度-時(shí)間歷程圖(1#/2#/3#/4#)

(b) 壓力/計(jì)數(shù)-時(shí)間歷程圖(1#/2#/3#/4#)

(c) 壓力/能量-時(shí)間歷程圖(1#/2#/3#/4#)

(d) 定位圖(1#/2#/3#/4#)圖10 水壓試驗(yàn)過(guò)程中特征參數(shù)-時(shí)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(guò)程中0～30 MPa階段計(jì)數(shù)-時(shí)間歷程圖。從圖10(b)可以看出，在20 MPa和30 MPa試驗(yàn)壓力下，1#、2#氣瓶聲發(fā)射信號(hào)計(jì)數(shù)率較低，小于100個(gè)/s，而3#氣瓶聲發(fā)射計(jì)數(shù)稍微增加，基本小于400 個(gè)/s，而4#氣瓶聲發(fā)射計(jì)數(shù)率顯著增加，達(dá)到約2 000個(gè)/s以上。說(shuō)明纏繞層承受不同大小能量沖擊，沖擊區(qū)域信號(hào)活性隨著損傷程度嚴(yán)重而增強(qiáng)。4#氣瓶承受6 000 J沖擊能量，達(dá)到臨界損傷狀態(tài)，氣瓶安全系數(shù)達(dá)不到要求，損傷區(qū)域纏繞層活性是未損傷區(qū)域的20倍。

由于纏繞層承受沖擊損傷后，該區(qū)域內(nèi)纏繞層材料發(fā)生折斷、分層、變形等變化，在試驗(yàn)壓力載荷作用下，材料重新分布，該過(guò)程中產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號(hào)，故聲發(fā)射信號(hào)活性增強(qiáng)。

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

該階段，4#氣瓶信號(hào)能量仍小于氣瓶爆破過(guò)程中纖維斷裂信號(hào)能量，未達(dá)到1.0×107aJ及以上，表明在0～30 MPa試驗(yàn)壓力過(guò)程中，沖擊損傷區(qū)域未發(fā)生纏繞層斷裂。

圖10(d)依次為1#～4#大容積纏繞氣瓶爆破過(guò)程中0～30 MPa階段信號(hào)定位圖，沖擊損傷位于3#、4#、5#探頭組成的三角區(qū)內(nèi)。1#未受到?jīng)_擊損傷，2#氣瓶受到低能能量沖擊，1#和2#只有少量信號(hào)雜亂分布，損傷區(qū)域無(wú)信號(hào)聚集。3#氣瓶沖擊損傷區(qū)域有少量信號(hào)聚集，而4#氣瓶，損傷區(qū)域較為嚴(yán)重，安全系數(shù)不滿足要求，定位圖中呈現(xiàn)明顯信號(hào)聚集區(qū)域，檢測(cè)過(guò)程中可以通過(guò)區(qū)域定位對(duì)損傷位置進(jìn)行確定。

此外，圖中5#、6#、7#區(qū)域信號(hào)聚集，由于該位置為纏繞纖維束收口處。

4 結(jié) 論

通過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同沖擊能量大容積纏繞氣瓶爆破過(guò)程中實(shí)施監(jiān)測(cè)，以及0～30 MPa階段，即氣瓶水壓試驗(yàn)壓力下，不同沖擊損傷氣瓶聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)對(duì)比，可得到以下結(jié)論：

(1) 在大容積纏繞氣瓶爆破過(guò)程中，纏繞層載荷達(dá)到承載能力2/3時(shí)，計(jì)數(shù)急劇增強(qiáng)，累計(jì)計(jì)數(shù)呈指數(shù)級(jí)增加，出現(xiàn)能量達(dá)到1.0×107aJ聲發(fā)射信號(hào)，活性增加約90倍，強(qiáng)度增加約100倍以上，表明纏繞層發(fā)生損傷，局部纖維束開始發(fā)生斷裂。

(2) 大容積纏繞氣瓶纏繞層受到?jīng)_擊損傷后，在水壓試驗(yàn)壓力下，損傷區(qū)域聲發(fā)射活性、信強(qiáng)度隨損傷程度變化而變化，達(dá)到臨界損傷狀態(tài)氣瓶損傷區(qū)域活性是未損傷區(qū)域活性的20倍，信號(hào)強(qiáng)度增大10倍以上。但是，該階段信號(hào)強(qiáng)度仍低于纖維斷裂信號(hào)強(qiáng)度，表明該階段信號(hào)由損傷區(qū)域內(nèi)因沖擊導(dǎo)致纏繞層發(fā)生折斷、分層、變形等，在水壓試驗(yàn)載荷作用下重新分布引發(fā)，該過(guò)程并未發(fā)生纏繞層斷裂。

(3) 對(duì)于大容積纏繞氣瓶，不同氣瓶聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)還會(huì)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(guò)沖擊、爆破等試驗(yàn)來(lái)確定纏繞層損傷臨界狀態(tài)，建立該狀態(tài)下聲發(fā)射信號(hào)活性、強(qiáng)度等特征，并將該狀態(tài)下特征作為纏繞層沖擊損傷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)損傷區(qū)域聲發(fā)射信號(hào)特征與該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比來(lái)評(píng)定纏繞層損傷情況。