朱祥軍，金 莉，吳 怡，邱海峰，葉休強(qiáng)，車 亮

（1.川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

0 引 言

目前石油價(jià)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(shù)出租車已經(jīng)安裝了氣瓶，現(xiàn)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(nèi)膽上纏繞浸漬過的高強(qiáng)度纖維制造而成，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前逐步在航空航天、船舶等軍工領(lǐng)域展開應(yīng)用研究。受到復(fù)合材料制造工藝復(fù)雜、干擾因素較多等影響，如何保證這類氣瓶的質(zhì)量和強(qiáng)度一直是檢測(cè)領(lǐng)域的難題。

聲發(fā)射（acoustic emission，AE）是 20世紀(jì)六、七十年代發(fā)展起來的一種無損檢測(cè)（NDT）方法，是一種動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)于常規(guī)的無損檢測(cè)來講，具有動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)、檢測(cè)不受材料限制、靈敏度高、可對(duì)大型構(gòu)件實(shí)行整體檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。近年來，這項(xiàng)技術(shù)已在石油化工、航天航空、水利電力、交通運(yùn)輸、機(jī)械、建筑等行業(yè)得到較廣泛的應(yīng)用[1-3]。聲發(fā)射技術(shù)具有檢測(cè)危害結(jié)構(gòu)安全的活動(dòng)性缺陷、對(duì)構(gòu)件提供整體或大范圍的快速檢測(cè)、提供缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息等特點(diǎn)。研究人員正需要利用聲發(fā)射的這些特點(diǎn)為車用纏繞氣瓶找出檢測(cè)方法。

1 氣瓶表面衰減和聲速測(cè)試

本次研究的對(duì)象為國(guó)產(chǎn)玻璃纖維纏繞的復(fù)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(shè)計(jì)壓力為30MPa，使用壓力為20MPa。為保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用10只氣瓶進(jìn)行研究，這10只氣瓶都是同一廠家生產(chǎn)，制造工藝完全相同。

圖1 氣瓶外觀圖

氣瓶?jī)啥朔忸^為優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼，中間為金屬材料外包裹玻璃纖維。從結(jié)構(gòu)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(yàn)證哪種方式更好，特進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。兩種方式衰減測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 兩種方式衰減測(cè)量結(jié)果對(duì)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(jiǎn)單一些，因此接受的信號(hào)幅度更高些。距離傳感器遠(yuǎn)一些之后，兩種方式的衰減值已經(jīng)完全一致。

由于車用氣瓶所用纖維采用單向纏繞方式，不會(huì)存在各向異性，因此利用公式計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)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(fā)射的定位方式分為時(shí)差定位和區(qū)域定位[4]，其中時(shí)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(jiǎn)單的在瓶體上布置4個(gè)傳感器，經(jīng)過一次加載試驗(yàn)后，采用平面定位和區(qū)域定位兩種方式分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

時(shí)差定位得到的聲發(fā)射事件數(shù)遠(yuǎn)小于區(qū)域定位，其數(shù)量只有區(qū)域定位的1/20～1/8不等。數(shù)據(jù)量的減少大大縮減了數(shù)據(jù)分析的工作量，有利于提高檢測(cè)效率。另外時(shí)差定位所得的聲發(fā)射事件不僅包含了聲發(fā)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(guān)信息，這是區(qū)域定位所不具備的，這些信息對(duì)于損傷嚴(yán)重性的判斷具有不可忽視的作用。綜合試驗(yàn)結(jié)果，最終采用時(shí)差定位方式。

氣瓶壁薄，外形規(guī)則，對(duì)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(gè)封頭，封頭只能采用平面定位。為了在采集數(shù)據(jù)以及分析數(shù)據(jù)時(shí)避免檢測(cè)人員混淆兩種定位數(shù)據(jù)，最好統(tǒng)一采用平面定位方式檢測(cè)整個(gè)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(duì)傳感器布置在瓶體和纏繞層上的定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(duì)比以及數(shù)據(jù)傳播特性方面考慮，纏繞氣瓶的聲發(fā)射檢測(cè)方案為：傳感器布置在金屬表面上，采用時(shí)差定位中的平面定位方式。

3 缺陷信號(hào)識(shí)別

通過對(duì)10個(gè)氣瓶的研究發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)壓階段、升壓階段、工作壓力階段、設(shè)計(jì)壓力階段都產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號(hào)，而且由于纖維纏繞層的存在，信號(hào)衰減很大，很多中等幅度的信號(hào)也不能輕易劃歸為噪聲干擾信號(hào)，這和常規(guī)鋼制氣瓶的聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析完全不同。而且纏繞氣瓶在穩(wěn)壓過程中由于纖維受力不容易穩(wěn)定，因此穩(wěn)壓過程一直有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，研究人員進(jìn)行2個(gè)多小時(shí)的穩(wěn)壓，結(jié)果聲發(fā)射信號(hào)一直不斷。

為此，研究人員針對(duì)信號(hào)幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)、ASL、波形分析、費(fèi)利西蒂比和恒載聲發(fā)射延續(xù)時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行逐一分析，力爭(zhēng)發(fā)現(xiàn)纏繞氣瓶的信號(hào)規(guī)律[5-9]。經(jīng)過大量的試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析以及資料調(diào)查[10]，最終發(fā)現(xiàn)利用費(fèi)利西蒂比可以有效進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷氣瓶是否存在嚴(yán)重缺陷。

表2 氣瓶定位對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

費(fèi)利西蒂比是指在相同檢測(cè)靈敏度下，二次加壓出現(xiàn)明顯聲發(fā)射時(shí)的壓力與第一次所加最高壓力之比。費(fèi)利西蒂比值越大，說明二次加壓聲發(fā)射起始?jí)毫υ礁?，先前的加壓過程對(duì)被檢件造成的損傷越輕。

如何確定二次加壓過程出現(xiàn)明顯聲發(fā)射并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通過研究發(fā)現(xiàn)選取聲發(fā)射事件率不小于每秒3個(gè)作為明顯聲發(fā)射的表征是合適的。

氣瓶在安裝完成后，首先進(jìn)行多次預(yù)壓以進(jìn)行排氣和檢漏，隨后進(jìn)入正式加壓程序。表3列出了10個(gè)氣瓶分別對(duì)應(yīng)20MPa和30MPa下的費(fèi)利西蒂比值F20、F30的計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 10個(gè)氣瓶費(fèi)利西蒂比值統(tǒng)計(jì)結(jié)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(guān)系。這是由于試驗(yàn)壓力增加，使得氣瓶制造應(yīng)力的進(jìn)一步充分釋放，以及氣瓶復(fù)合層弱界面、弱纖維的損傷斷裂擴(kuò)展等聲發(fā)射機(jī)制的活躍增強(qiáng)造成的。

觀察1～10#氣瓶的F值發(fā)現(xiàn)，除1#氣瓶外，其余各氣瓶的F20值均不小于0.95。對(duì)比爆破壓力結(jié)果，如表4所示，發(fā)現(xiàn)除1#氣瓶外，其余9個(gè)氣瓶爆破壓力均超過了設(shè)計(jì)壓力。分析認(rèn)為：將0.95作為費(fèi)利西蒂比的一個(gè)重要門檻，F(xiàn)20小于0.95則預(yù)示該氣瓶的工藝質(zhì)量有較嚴(yán)重的問題，并可能影響到爆破強(qiáng)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(fèi)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(gè)氣瓶的爆破壓力值均大于氣瓶的設(shè)計(jì)壓力。對(duì)比9個(gè)氣瓶，其工藝狀態(tài)完全一致，F(xiàn)30的值存在如下關(guān)系：10#＞7#=2#＞8#=6#＞9#＞5#＞4#＞3#，而爆破結(jié)果也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。由此可見，F(xiàn)30值表現(xiàn)出對(duì)氣瓶爆破強(qiáng)度合格與否進(jìn)行預(yù)測(cè)，F(xiàn)30越高則說明氣瓶質(zhì)量越好，可以承受的壓力等級(jí)越高。

4 驗(yàn)證檢測(cè)

選擇探傷未發(fā)現(xiàn)缺陷的氣瓶為對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)，驗(yàn)證程序如下：

（1）完好狀態(tài)下進(jìn)行水壓試驗(yàn)；

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

（3）將人工裂口擴(kuò)大至10mm，然后進(jìn)行水壓試驗(yàn)；

（4）將人工裂口擴(kuò)大至15mm，然后進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

每個(gè)過程中的費(fèi)利西蒂比統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)過程中的費(fèi)利西蒂比

可以看出，沒有做人工裂口時(shí)，F(xiàn)20＞0.95，一旦氣瓶纏繞層上有裂口，則F20＜0.95，而且還發(fā)現(xiàn)F20不會(huì)隨著裂口尺寸的變化而變化；但是隨著裂口逐步擴(kuò)大，F(xiàn)30會(huì)越來越小，由此證明研究的結(jié)果完全正確。

5 結(jié)束語

對(duì)纏繞式氣瓶，將0.95作為費(fèi)利西蒂比的一個(gè)重要門檻，F(xiàn)20＜0.95則預(yù)示該氣瓶的工藝質(zhì)量有較嚴(yán)重的問題，并可能影響到爆破強(qiáng)度合格與否。F30值表現(xiàn)出對(duì)氣瓶爆破強(qiáng)度合格與否進(jìn)行預(yù)測(cè)，F(xiàn)30越高則說明氣瓶質(zhì)量越好，可以承受的壓力等級(jí)越高。

聲發(fā)射檢測(cè)只是無損檢測(cè)的一種，它的一個(gè)明顯缺陷就是不能定量，聲發(fā)射檢測(cè)后的結(jié)果必須用其他無損檢測(cè)方式來驗(yàn)證。費(fèi)利西蒂比與氣瓶損傷嚴(yán)重性程度的具體關(guān)系，還需要進(jìn)行大量氣瓶的爆破數(shù)據(jù)來證明。

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