彭澤軍,盧 軍,霍 臻,陳 明,劉 彪,徐 亮,黃東鎏

(武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，武漢 430000)

0 引言

氣瓶是廣泛應(yīng)用在化工、機(jī)械、醫(yī)藥、交通、航天等領(lǐng)域的壓力容器。根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布的2019年全國(guó)特種設(shè)備安全狀況的通告[1]數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)在用氣瓶數(shù)量高達(dá)1.64億只。目前，在役氣瓶主要是鋼制氣瓶和金屬內(nèi)膽的復(fù)合材料氣瓶。塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶由于其服役環(huán)境和使用特點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生分層、磨損、脫膠、裂紋、內(nèi)膽內(nèi)凹等缺陷[2-3]。在我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》中所收錄的15種無(wú)損檢測(cè)方法，每種檢測(cè)方法都有自己的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，但沒(méi)有任何一種檢測(cè)方法可以將塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶所含各種類型的缺陷全部檢測(cè)出來(lái)。

紅外檢測(cè)技術(shù)由于具有無(wú)接觸、大面積、檢測(cè)快等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的中外學(xué)者在復(fù)合材料的紅外檢測(cè)可行性方面做了大量的研究工作，并取得一定的成果。丁克勤等[4]對(duì)含分層缺陷的金屬內(nèi)膽復(fù)合材料氣瓶分別進(jìn)行外部光激勵(lì)和內(nèi)部熱水激勵(lì)的紅外檢測(cè)方法，試驗(yàn)結(jié)果表明采用氣瓶?jī)?nèi)部熱水激勵(lì)的紅外檢測(cè)效果良好，更適合復(fù)合材料氣瓶分層缺陷的紅外檢測(cè)。張宏鵬等[5-6]利用ANSYS有限元分析法對(duì)復(fù)合材料氣瓶分層、裂紋等缺陷進(jìn)行了紅外模擬，研究復(fù)合材料氣瓶分層缺陷不同直徑、深度、厚度對(duì)復(fù)合材料氣瓶表面熱像溫度差、熱像對(duì)比度的影響規(guī)律。

上述研究主要針對(duì)的是金屬內(nèi)膽的復(fù)合材料氣瓶。國(guó)外關(guān)于復(fù)合材料的紅外檢測(cè)近年來(lái)也比較活躍，例如文獻(xiàn)[7]采用改進(jìn)后的脈沖紅外熱像方法對(duì)碳纖維復(fù)合材料試樣進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，研究的復(fù)合材料試樣為VARTM，缺陷類型為Teflon貼膜分層，設(shè)置不同深度和不同大小的多個(gè)缺陷進(jìn)行對(duì)比，熱激勵(lì)方式為閃光燈加熱，紅外相機(jī)拍攝圖像，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明：脈沖紅外檢測(cè)方法更適合復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)，尤其對(duì)于復(fù)合材料中自身高度小和近表面缺陷有一定的檢出效果；但對(duì)于尺寸較小的缺陷未能拍攝到清晰的紅外圖像，盡管采用了降噪處理，但圖像質(zhì)量依然有待進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[8]研究了纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中預(yù)制模擬的分層缺陷在長(zhǎng)脈沖熱成像技術(shù)檢測(cè)下拍攝到的紅外檢測(cè)圖像，通過(guò)峰值導(dǎo)數(shù)法得到峰值時(shí)間與缺陷深度的關(guān)系。文獻(xiàn)[9-10]通過(guò)一系列試驗(yàn)，采用不同紅外熱像方法檢測(cè)試驗(yàn)，研究紅外熱像法表征復(fù)合材料中的缺陷、損傷的可檢出性，并將紅外檢測(cè)結(jié)果與超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。

本文提出采用紅外檢測(cè)方法，以分層缺陷為例，對(duì)塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶?jī)?nèi)持續(xù)提供280 ℉(137.7 ℃)的蒸汽作為熱激勵(lì)；對(duì)氣瓶進(jìn)行缺陷紅外檢測(cè)，并建立基于ABAQUS的有限元分析模型。研究結(jié)果表明，紅外檢測(cè)方法對(duì)于塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶的分層缺陷有很好的檢出效果，并且試驗(yàn)結(jié)果與ABAQUS的有限元計(jì)算結(jié)果最大誤差為16.36%，在實(shí)際工程允許誤差范圍內(nèi)，為后續(xù)基于有限元方法研究含缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶紅外檢測(cè)提供借鑒。

1 纏繞層分層區(qū)域紅外檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)所采用的塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶相關(guān)參數(shù)如下：公稱壓力20 MPa，公稱容積90 L，內(nèi)膽材料為聚四氟乙烯，內(nèi)膽厚度10 mm，纏繞層材料為玻璃纖維+固化環(huán)氧樹(shù)脂，纏繞層厚度14.5 mm，氣瓶?jī)?nèi)徑300 mm，氣瓶?jī)糁?8.1 kg。預(yù)制缺陷為分層缺陷，其尺寸及所處位置如圖1所示。

圖1 分層缺陷尺寸及所處位置

本次試驗(yàn)采用Ti450型紅外熱成像儀，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 Ti450型紅外熱成像儀相關(guān)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

采用蒸汽吹掃臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶的內(nèi)膽材料為聚四氟乙烯，其熔點(diǎn)為327 ℃，具有優(yōu)良的耐熱、耐寒性能，可在-180～260 ℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。在氣瓶?jī)?nèi)部持續(xù)供應(yīng)280 ℉(137.7 ℃)蒸汽作為熱激勵(lì)源，在外表面對(duì)缺陷部位進(jìn)行紅外檢測(cè)。同時(shí)，考慮到固化環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱性，通蒸汽時(shí)間不宜超過(guò)2 min。其他試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2[11]。

表2 紅外檢測(cè)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)含分層缺陷塑料內(nèi)膽進(jìn)行紅外檢測(cè)試驗(yàn)，分別提取并記錄不同傳熱時(shí)間點(diǎn)有分層缺陷處的氣瓶外表面和無(wú)缺陷的氣瓶外表面的溫度，并計(jì)算二者的差值。圖2示出通入蒸汽時(shí)間分別為1，23，34，45 s時(shí)，Ti450型手持紅外熱像儀拍攝的圖片。通入蒸汽1 s時(shí)(見(jiàn)圖2(a))，整個(gè)氣瓶外表面溫度一致;通入蒸汽23 s時(shí)(見(jiàn)圖2(b))，氣瓶外表面開(kāi)始升溫，分層缺陷依舊不明顯;通入蒸汽34 s時(shí)(見(jiàn)圖2(c))，氣瓶外表面開(kāi)始出現(xiàn)溫差，分層缺陷開(kāi)始顯現(xiàn);通入蒸汽45 s時(shí)(見(jiàn)圖2(d))，氣瓶外表面溫差逐漸增大，分層缺陷處越發(fā)明顯。

試驗(yàn)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

(a)通入蒸汽1 s (b)通入蒸汽23 s (c)通入蒸汽34 s (d)通入蒸汽45 s

表3 塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶分層區(qū)域紅外檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

2 有限元分析方法

2.1 幾何模型及材料參數(shù)

含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶熱傳導(dǎo)有限元模型所需要的幾何尺寸參數(shù)與上述試驗(yàn)中的氣瓶幾何參數(shù)完全一致。內(nèi)膽材料為聚四氟乙烯的塑料，纏繞層材料為玻璃纖維加固化環(huán)氧樹(shù)脂。氣瓶?jī)?nèi)預(yù)制缺陷為分層，將分層區(qū)域簡(jiǎn)化為沿氣瓶厚度方向深度為2 mm的空氣隔層。相關(guān)材料熱物性參數(shù)如表4所示。

2.2 有限元分析模型

由傳熱學(xué)理論[12]可知，當(dāng)氣瓶的縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于氣瓶的厚度時(shí)，可認(rèn)為氣瓶在內(nèi)部熱源的作用下，主要沿著氣瓶的厚度方向進(jìn)行,并且由于塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本文主要研究含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶在瓶?jī)?nèi)熱源激烈的作用下，熱量在氣瓶厚度方向的傳熱過(guò)程。因此，建立含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶縱切面的二維平面有限元模型[5]。

表4 含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶熱物性參數(shù)

2.2.1 設(shè)置分析步

在設(shè)置分析步時(shí)，將有限元計(jì)算結(jié)果按照每個(gè)時(shí)間單位輸出，以方便在ABAQUS后處理時(shí)提取不同時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。采用ABAQUS瞬態(tài)傳熱分析模塊，求解不同時(shí)間點(diǎn)的氣瓶外表面的溫度。

2.2.2 加載設(shè)定

由于試驗(yàn)過(guò)程采用的是蒸汽吹掃的熱激勵(lì)方式，并且試驗(yàn)過(guò)程不超過(guò)2 min，因此，進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)，可假設(shè)在2 min內(nèi)氣瓶?jī)?nèi)部熱源始終為280 ℉(137.7 ℃)，并且與外界無(wú)對(duì)流換熱情況[13]。

2.2.3 邊界條件

給定氣瓶?jī)?nèi)部熱激勵(lì)溫度，即試驗(yàn)過(guò)程中的280 ℉(137.7 ℃)，熱激勵(lì)源為蒸汽，并且是從氣瓶?jī)?nèi)部進(jìn)行熱激勵(lì)，熱源與氣瓶?jī)?nèi)部直接接觸。設(shè)定初始溫度場(chǎng)，即傳熱之前，設(shè)定氣瓶整體初始溫度以及周圍環(huán)境溫度為20 ℃。設(shè)定氣瓶外表面與空氣的自然對(duì)流，空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)為15 W/(m2·℃)[14]。

2.2.4 網(wǎng)格劃分

采用DCAX4網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，對(duì)缺陷處網(wǎng)格進(jìn)行加密設(shè)定。同時(shí)，為了保證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，先后劃分網(wǎng)格數(shù)為3 293，3 711，4 163個(gè)分別進(jìn)行計(jì)算求解。

3 結(jié)果與討論

圖3為氣瓶在傳熱60 s時(shí)的熱流密度云圖，圖4為氣瓶在傳熱60 s時(shí)，在厚度方向上的溫度云圖。為了更好地反應(yīng)出氣瓶外表面溫度差云圖，截取不同時(shí)間點(diǎn)的氣瓶外表面的溫度云圖，如圖5所示。表5列出有限元計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，采取橫向比較，即不同時(shí)間點(diǎn)分別進(jìn)行誤差分析，最大誤差為0.25%。表6列出有限元計(jì)算結(jié)果與紅外檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比匯總，同樣采取不同時(shí)間點(diǎn)的橫向誤差分析對(duì)比。由表6可知，有限元計(jì)算結(jié)果關(guān)于各時(shí)間點(diǎn)無(wú)分層缺陷氣瓶外表面溫度和有分層缺陷氣瓶外表面溫度最大誤差為4.98%，二者溫差最大誤差為16.36%。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因，主要是塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶在內(nèi)部進(jìn)行蒸汽熱激勵(lì)時(shí)的傳熱過(guò)程較復(fù)雜，并且各項(xiàng)與傳熱有關(guān)的參數(shù)(例如空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)、復(fù)合材料氣瓶的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù))會(huì)隨著外界溫度的變化而變化?？紤]到傳熱試驗(yàn)過(guò)程用時(shí)較短，一般在1 min之內(nèi)即可拍攝到理想的紅外檢測(cè)圖,因此，在進(jìn)行有限元分析時(shí)將上述參數(shù)設(shè)為定值。誤差在實(shí)際工程應(yīng)用的允許誤差范圍內(nèi),證明了有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 傳熱60 s時(shí)氣瓶熱流密度云圖

圖4 傳熱60 s時(shí)氣瓶溫度云圖

圖5 傳熱1，23，34，45 s時(shí)氣瓶外表面溫度云圖

表5 有限元計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

表6 有限元計(jì)算結(jié)果與紅外檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比匯總

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS有限元分析方法和紅外檢測(cè)試驗(yàn)方法，將有限元分析計(jì)算結(jié)果與含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶紅外檢測(cè)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明：有限元分析計(jì)算結(jié)果與紅外檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為16.36%，并且有限元計(jì)算進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)量對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的最大誤差僅為0.25%，在實(shí)際工程允許誤差范圍內(nèi)，證明了有限元計(jì)算結(jié)果的正確性。通過(guò)紅外檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果建立了有限元分析模型，為后續(xù)基于有限元方法研究含缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶紅外檢測(cè)提供借鑒。