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復(fù)合材料氣瓶由于具有高強(qiáng)度、高質(zhì)量密度、較好的抗腐蝕及疲勞等性能，被廣泛應(yīng)用于呼吸器、CNG（壓縮天然氣）氣瓶、儲(chǔ)氫氣瓶以及航空航天等領(lǐng)域。復(fù)合材料氣瓶主要由內(nèi)膽、纏繞層等組成，其中內(nèi)膽主要用于儲(chǔ)存氣體且是纖維纏繞的骨架，纏繞層是氣瓶承載壓力的主要部件，通常承擔(dān)75%~95%的壓力荷載。

 

現(xiàn)行的氣瓶檢驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 24161-2009，GB/T 24162-2022，GB/T 42626-2023，ISO 11623:2023等，對(duì)氣瓶缺陷主要以宏觀檢查為主，查找內(nèi)外表面缺陷，而纏繞層內(nèi)部缺陷（如分層、脫黏、疲勞裂紋等）很難通過(guò)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)。纏繞層內(nèi)部缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響氣瓶的承壓性能與安全性，現(xiàn)今，還缺少纏繞層內(nèi)部缺陷檢測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。僅有T/CATSI 02012-2022，T/ZJASE 017-2022等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)采用紅外熱成像檢測(cè)方法、工業(yè)CT方法檢測(cè)纏繞層內(nèi)部缺陷。

 

為此，廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院等單位的科研人員在明確纏繞層內(nèi)部缺陷對(duì)氣瓶性能影響的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了聲發(fā)射檢測(cè)方法、紅外熱成像檢測(cè)方法、工業(yè)CT方法等纏繞層內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法，提出了多方法結(jié)合的檢測(cè)方式。

 

1、纏繞層的內(nèi)部缺陷類型與影響分析

 

1、纏繞層的內(nèi)部缺陷類型

 

復(fù)合氣瓶在生產(chǎn)過(guò)程中可能存在微小空隙等問(wèn)題，且在后續(xù)試驗(yàn)或使用過(guò)程中，亦可能受瓶體內(nèi)壓循環(huán)、內(nèi)膽與纏繞層復(fù)合材料線膨脹系數(shù)的差異、彈性模量、延伸率差異以及外部沖擊等諸多因素的影響，纏繞層可能出現(xiàn)的內(nèi)部缺陷類型有夾雜、空隙、基體開(kāi)裂、纖維/基體脫黏、分層、纖維斷裂等。

 

2、內(nèi)部缺陷的影響分析

 

纏繞層內(nèi)部缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響氣瓶的承壓性能，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，當(dāng)前內(nèi)部缺陷的制作手段主要有外部沖擊產(chǎn)生內(nèi)部缺陷及預(yù)制內(nèi)部缺陷。

 

研究表明，內(nèi)部缺陷的存在可導(dǎo)致水壓爆破壓力下降9%~69%，疲勞失效次數(shù)下降72.9%，即氣瓶耐壓性能、耐疲勞性能顯著下降。因此，為了提高復(fù)合材料氣瓶的安全性，需要開(kāi)展纏繞層內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法研究。

 

2、內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法

 

對(duì)于復(fù)合材料氣瓶纏繞層的內(nèi)部缺陷，目視檢測(cè)、射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、微波檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法存在其適用范圍和局限性。

 

目視檢測(cè)適用于宏觀表面缺陷，精確度低，無(wú)法檢測(cè)到內(nèi)部缺陷；射線檢測(cè)的影像重疊，使得缺陷評(píng)判困難；超聲檢測(cè)適用于勻質(zhì)材料，不適用于非均勻的纏繞層；滲透檢測(cè)僅適用于表面缺陷；渦流檢測(cè)僅適用于導(dǎo)電材料的表面缺陷；微波檢測(cè)可檢出復(fù)合材料中的脫黏、分層、裂縫、孔隙等缺陷，但由于趨膚效應(yīng)，不適用于檢測(cè)導(dǎo)電性能較好的復(fù)合材料（如碳纖維纏繞層）內(nèi)部缺陷。

 

當(dāng)前，針對(duì)復(fù)合材料氣瓶纏繞層的內(nèi)部缺陷，主要的檢測(cè)方法有聲發(fā)射方法、紅外熱成像方法、工業(yè)CT方法等。

 

聲發(fā)射檢測(cè)方法

 

聲發(fā)射又稱應(yīng)力波發(fā)射，是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。張璐瑩和李偉等根據(jù)不同缺陷類型的模態(tài)變化規(guī)律，研究氣瓶損傷聲發(fā)射動(dòng)態(tài)表征，采用相關(guān)向量機(jī)算法實(shí)現(xiàn)了基體開(kāi)裂、分層損傷、纖維斷裂等不同缺陷類型的準(zhǔn)確識(shí)別，氣瓶聲發(fā)射信號(hào)模態(tài)分布曲線如圖1所示。

圖1 氣瓶聲發(fā)射信號(hào)模態(tài)分布曲線

 

LIAO和WANG等研究了70 MPa（承壓）4型儲(chǔ)氫氣瓶水壓試驗(yàn)、水壓爆破試驗(yàn)過(guò)程中不同缺陷的聲發(fā)射信號(hào)，采用k均值算法和小波包變換對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行聚類，出現(xiàn)了基體開(kāi)裂、纖維/基體脫黏、纖維斷裂3種聚類，3種聚類信號(hào)的數(shù)量隨著壓力的增加而增加，表明損傷隨壓力的增加而累積和加重。

 

沈書(shū)乾對(duì)沖擊損傷后的碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，根據(jù)小波包能量譜識(shí)別出基體開(kāi)裂、分層損傷、纖維斷裂等類型缺陷，氣瓶聲發(fā)射信號(hào)小波包能譜圖如圖2所示。

 

 

 

圖2 氣瓶聲發(fā)射信號(hào)小波包能譜圖

 

有研究表明，通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)趨勢(shì)和累積可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料氣瓶缺陷的定性分析，但很難實(shí)現(xiàn)定量分析。同時(shí)，聲發(fā)射檢測(cè)方法不能對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位。

 

綜上可知，聲發(fā)射檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)基體開(kāi)裂、纖維/基體脫黏、分層損傷、纖維斷裂等內(nèi)部缺陷的定性分析，但很難實(shí)現(xiàn)定量分析，且不能定位缺陷位置。

 

紅外熱成像檢測(cè)方法

 

紅外熱成像檢測(cè)方法具有無(wú)接觸、檢測(cè)面積大、檢測(cè)快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，其原理是溫度梯度的差異，故檢測(cè)時(shí)需要對(duì)被測(cè)對(duì)象施加熱激勵(lì)，施加過(guò)程中通過(guò)溫度場(chǎng)的變化來(lái)捕獲溫度梯度，通過(guò)缺陷處的結(jié)構(gòu)不均性引起的溫度梯度差異來(lái)識(shí)別缺陷。

 

熱激勵(lì)方式主要有外部熱激勵(lì)和內(nèi)部熱激勵(lì)兩種，熱激勵(lì)加熱的均勻性會(huì)影響紅外熱成像檢測(cè)效果。

 

外部熱源激勵(lì)主要采用閃光燈等，內(nèi)部熱源激勵(lì)主要有溫水注排、蒸汽吹掃、加壓升溫等方式。閃光燈作為外部熱源激勵(lì)時(shí)，由于其圓柱型筒體、兩端弧面封頭與光源的空間距離不同，靠近光源的母線易形成局部亮斑，存在明顯的加熱不均勻現(xiàn)象，檢測(cè)效果一般，且僅對(duì)近表面缺陷有一定的檢出效果。

 

溫水注排作為內(nèi)部熱源激勵(lì)時(shí)，加熱均勻，不會(huì)出現(xiàn)局部亮斑，可以清晰發(fā)現(xiàn)缺陷，檢測(cè)效果良好。蒸汽吹掃作為內(nèi)部熱源激勵(lì)時(shí)（T/CATSI 02012-2022標(biāo)準(zhǔn)采用該方式），加熱較為均勻，缺陷明顯，檢測(cè)效果良好。然而，氣瓶溫度變化受蒸汽槍通氣方向影響，氣瓶?jī)?nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同的氣體回旋區(qū)域，進(jìn)而影響氣瓶受熱的均勻性。

 

各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于復(fù)合材料氣瓶的工作溫度、干燥溫度的要求如表1所示，對(duì)于蒸汽溫度高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的復(fù)合材料氣瓶的工作溫度、干燥溫度時(shí)，應(yīng)注意防止溫度過(guò)高影響氣瓶的承壓性能。加壓升溫作為內(nèi)部熱源激勵(lì)時(shí)，加熱最均勻，檢測(cè)效果良好。但加壓升溫過(guò)程是帶壓檢測(cè)，可與氣密性試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)安全性提出了要求。

 

表1 各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于復(fù)合材料氣瓶工作溫度、干燥溫度的要求

標(biāo)準(zhǔn)	對(duì)象	工作溫度	干燥溫度
GB/T 24161-2009	碳纖維全纏繞鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶	-40~60 ℃	≤65 ℃
GB/T 24162-2022	金屬內(nèi)膽纖維環(huán)纏繞氣瓶	-40~65 ℃	≤65 ℃
GB/T 42626-2023	纖維全纏繞氣瓶	-40~85 ℃	≤ 70 ℃

 

在缺陷檢測(cè)方面，薛彬和張宏鵬等通過(guò)仿真模擬研究得出以下結(jié)論：分層缺陷的面積越大、深度越淺、厚度越大，紅外熱成像檢測(cè)更容易檢出，對(duì)熱激勵(lì)的強(qiáng)度要求也越低。

 

張宏鵬和彭澤軍等開(kāi)展了復(fù)合材料氣瓶紅外檢測(cè)試驗(yàn)，清晰地發(fā)現(xiàn)了分層缺陷。

 

劉彪和盧軍等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纏繞層的分層、脫膠缺陷在紅外熱像圖中均顯示為低溫區(qū)，脫膠區(qū)域的紅外熱成像結(jié)果如圖3所示，原因是分層、脫膠缺陷處的空氣導(dǎo)熱系數(shù)（0.022 W·m-1·K-1）遠(yuǎn)小于纏繞層的空氣導(dǎo)熱系數(shù)（12 W·m-1·K-1），阻礙了熱量的向外傳遞。

 

圖3 脫膠區(qū)域的紅外熱成像結(jié)果

 

孔松濤等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)纏繞層缺陷的定位以及缺陷深度、面積的定量檢測(cè)，缺陷深度、面積識(shí)別的最大誤差分別約為7%和10%。

 

何少鵬開(kāi)展了碳纖維復(fù)合材料孔缺陷體積的紅外熱成像定量檢測(cè)研究，得到的缺陷體積測(cè)量誤差為3.6%~83.2%。

 

T/CATSI 02012-2022中指出：紅外熱成像檢測(cè)方法適用于物體的分層、脫黏、蜂窩結(jié)構(gòu)積水、蒙皮銹蝕等類型缺陷的檢測(cè)，能用于缺陷形狀、大小、深度、涂覆層厚度的測(cè)量。

 

綜上所述，紅外熱成像檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)分層、脫黏、蜂窩結(jié)構(gòu)積水、蒙皮銹蝕等缺陷的定性與定量檢測(cè)，但在定性檢測(cè)中通過(guò)紅外熱像圖無(wú)法分辨出缺陷類型；定量檢測(cè)的準(zhǔn)確性有待提升，缺陷大小、深度等的測(cè)量需要建立缺陷數(shù)據(jù)與溫度梯度之間的非線性定量關(guān)系，非線性定量關(guān)系的準(zhǔn)確性取決于數(shù)據(jù)樣本量。

 

工業(yè)CT方法

 

工業(yè)CT方法在復(fù)合材料檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，包括探測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、評(píng)估制造過(guò)程、獲取損傷失效演變等應(yīng)用。

 

在復(fù)合材料氣瓶檢測(cè)方面，雷閩等采用工業(yè)CT方法觀察氣瓶變形與內(nèi)壓的關(guān)系。朱延霆等開(kāi)展了碳纖維復(fù)合材料氣瓶的CT檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法對(duì)夾雜、空隙、分層等纏繞層內(nèi)部缺陷的檢出效果好，可通過(guò)灰度值分辨缺陷類型。SHI等搭建了裝載氣瓶的工業(yè)CT檢測(cè)裝置，檢出了最小尺寸為0.2 mm的分層缺陷。

 

T/ZJASE 017-2022中指出該方法適用于纏繞層分層、夾雜等缺陷檢測(cè)，可進(jìn)行缺陷定性、定量檢測(cè)。纏繞層分層缺陷的工業(yè)CT灰度圖如圖4所示。

 

圖4 纏繞層分層缺陷的工業(yè)CT灰度圖

 

綜上所述，工業(yè)CT方法可實(shí)現(xiàn)夾雜、空隙、分層等內(nèi)部缺陷的定性、定量檢測(cè)，檢測(cè)精度高，但檢測(cè)成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)性與檢測(cè)環(huán)境的安全性亦有要求。

 

3、檢測(cè)方法之間的對(duì)比分析

 

在檢出效果上，工業(yè)CT方法最優(yōu)，其次是紅外熱成像檢測(cè)方法，聲發(fā)射檢測(cè)方法只能對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行定性分析且無(wú)法定位缺陷位置，仍需要其他檢測(cè)方法復(fù)檢。

 

聲發(fā)射、紅外、CT三種方法的對(duì)比分析結(jié)果如表2所示，可見(jiàn)三種檢測(cè)方法都存在局限性。所以結(jié)合氣瓶定期檢驗(yàn)過(guò)程，考慮檢測(cè)成本與時(shí)間，采用多方法結(jié)合的檢測(cè)方式更為合理。多方法結(jié)合的檢測(cè)方式可以互補(bǔ)地獲取缺陷信息，提供更準(zhǔn)確的缺陷定位與評(píng)估結(jié)果。

 

表2 聲發(fā)射、紅外、CT三種方法的對(duì)比分析結(jié)果

方法	分析類型	精確性	檢測(cè)成本	檢測(cè)時(shí)間
聲發(fā)射	定性	低	較高	短
	局限性：不能定位缺陷位置，仍需要其他檢測(cè)方法復(fù)檢。
紅外熱成像	定性、定量	一般	低	短
	局限性：不能分辨缺陷類型，定量檢測(cè)的準(zhǔn)確性取決于缺陷數(shù)據(jù)樣本量。
工業(yè)CT	定性、定量	高	高	長(zhǎng)
	局限性：成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)人員專業(yè)性、安全性提出了要求。

LAINÉ和MUNZKE等采用聲發(fā)射檢測(cè)方法與光學(xué)檢測(cè)方法相結(jié)合的方式，監(jiān)測(cè)4型儲(chǔ)氫氣瓶的水壓爆破試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)過(guò)程，結(jié)果表明通過(guò)應(yīng)變信號(hào)、聲發(fā)射信號(hào)可以準(zhǔn)確地識(shí)別出缺陷及其位置。

TAPEINOS等基于聲發(fā)射檢測(cè)方法、數(shù)字圖像相關(guān)法、光纖布拉格光柵法相結(jié)合的方式，研究了不同環(huán)境條件下4型多球形氣瓶的力學(xué)性能與失效行為。

 

針對(duì)碳纖維纏繞層內(nèi)部缺陷，采用紅外熱成像檢測(cè)方法與工業(yè)CT方法相結(jié)合的檢測(cè)方式，更有利于節(jié)約檢測(cè)時(shí)間與提高檢測(cè)效率。在氣瓶干燥階段可先采用紅外熱成像檢測(cè)方法，確定是否存在內(nèi)部缺陷及缺陷位置，初步分析缺陷形狀、大小、深度。對(duì)確定位置的內(nèi)部缺陷則可采用工業(yè)CT方法進(jìn)行分析，從而獲得更精確的缺陷信息。

 

結(jié)論

 

分析了復(fù)合材料氣瓶的內(nèi)部缺陷及其影響，對(duì)比了三種內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法，得出以下結(jié)論：

 

1、纏繞層可能出現(xiàn)的內(nèi)部缺陷類型有夾雜、空隙、基體開(kāi)裂、纖維/基體脫黏、分層、纖維斷裂等。內(nèi)部缺陷的存在可導(dǎo)致氣瓶耐壓性能、耐疲勞性能的顯著下降。當(dāng)前研究尚未建立復(fù)合材料氣瓶性能與纏繞層內(nèi)部缺陷的定量關(guān)系，建議進(jìn)一步開(kāi)展纏繞層內(nèi)部缺陷對(duì)氣瓶性能影響機(jī)理的研究。

 

2、聲發(fā)射檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的定性分析，但很難實(shí)現(xiàn)定量分析且不能定位缺陷位置。紅外熱成像檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的定性與定量檢測(cè)，但無(wú)法分辨缺陷類型，定量檢測(cè)的準(zhǔn)確性取決于缺陷數(shù)據(jù)的樣本量。工業(yè)CT方法可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的定性、定量檢測(cè)，檢測(cè)精度高，但檢測(cè)成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)人員的專業(yè)性、安全性均有一定要求。

 

3、

在檢出效果上，工業(yè)CT方法最優(yōu)，其次是紅外熱成像檢測(cè)方法。結(jié)合氣瓶定期檢驗(yàn)過(guò)程，考慮檢測(cè)成本與時(shí)間，可采用紅外熱成像檢測(cè)方法與工業(yè)CT方法相結(jié)合的檢測(cè)方式。該結(jié)論可為復(fù)合材料氣瓶纏繞層的無(wú)損檢測(cè)方案制定提供一定參考。

 

作者：胡昆1，夏莉1，張松松2，張耕1,3，楊剛1，譚粵1，李蔚1

 

工作單位：1. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院

 

2. 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院

 

3. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院

 

第一作者簡(jiǎn)介：胡昆，博士，主要從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)與研究工作。

 

來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2024年8期