高壓氫氣瓶鋁制內(nèi)膽交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)

胡 棟，李杜偉，陳增江，翟永軍，陸 斌

(泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

氫能是一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，隨著新能源技術(shù)的發(fā)展及人類對(duì)潔凈能源的不斷追求，氫能已經(jīng)成為全球能源技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向[1]。

氫能產(chǎn)業(yè)研究?jī)?nèi)容涵蓋氫氣制取、儲(chǔ)運(yùn)、加氫基礎(chǔ)設(shè)施、氫燃料電池等多個(gè)領(lǐng)域，在氫能儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液化儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫、金屬氫化物和有機(jī)物儲(chǔ)氫等是目前儲(chǔ)氫技術(shù)的重要發(fā)展方向，其中高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化條件。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶方便，高壓氫氣瓶是近年來(lái)車用氫氣儲(chǔ)存的重要手段。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]，高壓氫氣瓶分為I型、Ⅱ型、III型和IV型4種類型，其中I型瓶為全金屬氣瓶，Ⅱ型瓶為金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶、III型瓶為金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶、IV型瓶為非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶，其中III型應(yīng)用較為廣泛，常見(jiàn)的III型瓶?jī)?nèi)膽多采用鋁合金6061材質(zhì)，這種材料與氫氣具有良好的相容性及抗晶間腐蝕能力[3]，且韌性較好，具有較強(qiáng)的抗疲勞損傷能力。纏繞層通常采用碳纖維全纏繞制成，具有較好的剛性[4]。

為保證鋁制內(nèi)膽在高壓臨氫環(huán)境及疲勞載荷的作用下的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，需在制造及使用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[5]，由于鋁不具有磁性，且晶粒粗大，具有各向異性特征，常用的磁粉、超聲等技術(shù)手段效果不佳，特別針對(duì)在用氣瓶檢測(cè)時(shí)，由于纏繞層不可拆卸，檢測(cè)難度較大。

交流電磁場(chǎng)是一種新型的電磁檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)電磁感應(yīng)在工件表面產(chǎn)生均勻電流場(chǎng)，在缺陷部位引起磁場(chǎng)擾動(dòng)，從而進(jìn)行缺陷的定量及定性分析[6]，對(duì)金屬材料檢測(cè)具有廣泛的適用性。本文通過(guò)制作鋁制內(nèi)膽試樣，并制作各種類型缺陷，進(jìn)行交流電磁場(chǎng)檢測(cè)研究，討論該技術(shù)的可行性。

2 交流電磁場(chǎng)(ACFM)檢測(cè)技術(shù)

2.1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

圖1所示為交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理，探頭施加交流電后會(huì)在導(dǎo)電體工件表面感應(yīng)出均勻交變電流，在結(jié)構(gòu)連續(xù)部位，均勻電流場(chǎng)不發(fā)生擾動(dòng)，空間磁場(chǎng)信號(hào)不會(huì)發(fā)生突變，當(dāng)探頭從缺陷上方經(jīng)過(guò)時(shí)，由于缺陷處空間不連續(xù)導(dǎo)致電流從缺陷的兩端和底部繞過(guò)，由于集膚效應(yīng)的影響，缺陷兩端的電流密度增大，缺陷底部的電流密度減小，且缺陷最深處電流密度達(dá)到最小值。

圖1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理Fig.1 Detection principle of AC electromagnetic field

電流密度的分布不均引起空間磁場(chǎng)的畸變，將畸變磁場(chǎng)分解成三個(gè)空間向量，可以得到磁通密度在三個(gè)維度上的分量，其中平行于電流方向的分量為BY，沿表面垂直于電流方向的分量為BX，垂直于工件表面的分量為BZ，在缺陷部位，沿缺陷長(zhǎng)度方向的分量BX特征如圖1右上所示，在缺陷端點(diǎn)處形成兩個(gè)波峰，缺陷中間形成波谷，且波谷最深處與缺陷最深處具有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)性，因此通常采用BX進(jìn)行缺陷深度的定量，BZ在反映缺陷端點(diǎn)信號(hào)上具有更加明顯的特征，如圖1左上所示，根據(jù)右手定則，缺陷起點(diǎn)處與終點(diǎn)處由于電流繞行的方向不同，端點(diǎn)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的波峰，利用BZ信號(hào)的這一特點(diǎn)，可進(jìn)行缺陷長(zhǎng)度的測(cè)量，BY特征如圖一右下所示，由于數(shù)量級(jí)較小，在不需要特殊處理下，可不用于缺陷的判定。

2.2 集膚效應(yīng)

感應(yīng)電流在導(dǎo)體內(nèi)通常沿表面流動(dòng)，這種現(xiàn)象為集膚效應(yīng)[7]，集膚層厚度由式(1)確定：

(1)

式中，f為電流頻率，μ0為材料的磁導(dǎo)率，σ為材料的電導(dǎo)率。

由式(1)可知，集膚層厚度與材料的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率及電流頻率有關(guān)，材料的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率是材料的固有屬性，由被檢測(cè)對(duì)象決定，因此，可通過(guò)降低頻率增大集膚層厚度，可實(shí)現(xiàn)從瓶?jī)?nèi)部進(jìn)行。

2.3 ACFM缺陷檢測(cè)模型

缺陷引起的電磁場(chǎng)擾動(dòng)[8]包含兩部分：

A(X,Y,Z)=A0(X,Y,Z)+Ap(X,Y,Z)

(2)

式中，A0(X,Y,Z)為檢測(cè)電流感應(yīng)的矢量勢(shì)函數(shù)，Ap(X,Y,Z)為缺陷引起的電場(chǎng)擾動(dòng)感應(yīng)的矢量勢(shì)函數(shù)，根據(jù)電磁感應(yīng)，矢量勢(shì)函數(shù)A0(X,Y,Z)和Ap(X,Y,Z)都滿足Laplace方程[9]：

(3)

式(2)中，A0(X,Y,Z)滿足無(wú)缺陷時(shí)的邊界條件：

(4)

式(2)中，Ap(X,Y,Z)滿足含缺陷狀態(tài)的邊界條件：

(5)

式中，c表示缺陷寬度。

3 高壓氫氣瓶鋁制內(nèi)膽檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 試樣制備

圖2所示為高壓氫氣瓶鋁制內(nèi)膽檢測(cè)試樣，在試樣表面加工5處缺陷，缺陷信息如表1所示。

圖2 檢測(cè)試樣Fig.2 Test sample

表1 缺陷信息Table 1 Defect information

3.2 實(shí)驗(yàn)工具

實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)石油大學(xué)生產(chǎn)的LKACFM-X1檢測(cè)系統(tǒng)，如圖3所示，系統(tǒng)主要由主機(jī)、傳感器及編碼器組成。

圖3 LKACFM-X1檢測(cè)系統(tǒng)Fig.3 LKACFM-X1 detection system

該系統(tǒng)可兼容內(nèi)穿式、外套式、平板型、筆形等多種形式傳感器，并可支持16通道陣列探頭，針對(duì)鋁制內(nèi)膽纏繞氣瓶檢測(cè)，宜采用定制內(nèi)穿式傳感器從內(nèi)表面進(jìn)行檢測(cè)，本文主要采用螺紋式及8陣列傳感器進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示。

圖4 陣列傳感器(左)和螺紋傳感器(右)Fig.4 Array sensor (left) and thread sensor (right)

3.3 檢測(cè)及分析

圖5為試樣缺陷1交流電磁場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，其中a為BZ分量圖，其橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為相對(duì)幅值，b為成像圖，其橫坐標(biāo)為距離，與BZ分量圖一一對(duì)應(yīng)，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的通道號(hào)，從檢測(cè)結(jié)果中可見(jiàn)，對(duì)于試樣Φ3圓形缺陷，BZ分量圖與成像圖均能有效顯示，但相對(duì)幅值較低，僅約15 T，成像圖中對(duì)應(yīng)約5～7通道的覆蓋范圍。

a.缺陷1陣列探頭檢測(cè)BZ圖

圖6為缺陷2檢測(cè)結(jié)果，其中BZ分量圖特征明顯，相對(duì)幅值約60 T，具有明顯的波峰波谷特征，成像圖能量主要集中在4～5，表征較好的橫向分辨率。

a.缺陷2陣列探頭檢測(cè)BZ圖

圖7為缺陷3檢測(cè)結(jié)果，其中BZ分量圖特征相對(duì)圖6(a)信噪比降低，相對(duì)幅值約45 T，成像圖能量范圍增大，表征缺陷角度與掃查方向呈一定角度時(shí)，橫向分辨率與靈敏度有所降低。

a.缺陷3陣列探頭檢測(cè)BZ圖

圖8為缺陷與掃查方向呈90°時(shí)檢測(cè)結(jié)果，BZ分量圖與檢測(cè)成像圖中均無(wú)明顯特征信號(hào)。對(duì)比圖6、圖7、圖8檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明，缺陷與掃查方向夾角越大，檢測(cè)效果較差。

a.缺陷4陣列探頭檢測(cè)BZ圖

圖9為對(duì)瓶口螺紋檢測(cè)結(jié)果，其中BZ具有明顯的極值特征，蝶形圖形成閉環(huán)。

a.缺陷5陣列探頭檢測(cè)BZ圖

4 結(jié) 論

1.采用交流電磁場(chǎng)技術(shù)對(duì)高壓氫氣瓶鋁制內(nèi)膽檢測(cè)，能夠檢測(cè)出條形、圓形及瓶口裂紋缺陷，其中條形缺陷檢測(cè)靈敏度較圓形缺陷檢測(cè)靈敏度高。

2.交流電磁場(chǎng)檢測(cè)靈敏度受缺陷方向影響較大，當(dāng)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)方向與缺陷方向垂直時(shí)，難以檢出，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合損傷模式確定檢測(cè)方向，以免缺陷漏檢。

3.采用陣列探頭檢測(cè)時(shí)，不僅能進(jìn)行缺陷長(zhǎng)度定量，也可以進(jìn)行缺陷橫向定量，定量精度受陣列數(shù)及陣列間距影響。