全缠绕储氢气瓶声发射检测

徐敬忠，汪文有，谢堂辉

（北京采声科技有限公司，北京 100029）

摘要：本文目的是得到铝内胆全缠绕储氢气瓶损伤的在线检测识别技术；本文的方法是采用声发射技术在气瓶水压测试过程中进行信号监测与损伤模式识别；本文的测试过程是对不同的铝内胆全缠绕储氢III型气瓶进行加载，气瓶类型包含了碳纤维气瓶和玻璃纤维气瓶，加载方式包括充压卸压过程疲劳载荷和冲击载荷，在复杂的干扰噪音中找到损伤活动信号；本文的结论是通过不同气瓶的加载测试，采用声发射技术，分析气瓶动态损伤产生声发射的机理，得到表征气瓶冲击损伤活动过程的信号的模式特征。

关键词：声发射,损伤模式识别,III型气瓶,疲劳载荷,冲击载荷

中图分类号：TG115.28      文献标识码：B

 Fully wrapped hydrogen storage cylinder acoustic emission  detection

XU Jing Zhong  WANG Wen You  XIE Tang Hui

(Beijing Caisheng Technology Co., Ltd,Beijing,100029,China)

Abstract：The purpose of this article is to obtain online detection and identification technology for damage to aluminum inner fully wrapped hydrogen storage cylinders; The method of this article is to use acoustic emission technology for signal monitoring and damage pattern recognition during the water pressure testing process of gas cylinders; The testing process of this article is to load different aluminum inner fully wrapped hydrogen storage type III gas cylinders, including carbon fiber gas cylinders and glass fiber gas cylinders. The loading methods include fatigue load and impact load during the filling and unloading process, and to find damage activity signals in complex interference noise; The conclusion of this article is to analyze the mechanism of acoustic emission generated by dynamic damage of gas cylinders through loading tests of different gas cylinders, using acoustic emission technology, and obtain the pattern characteristics of signals characterizing the impact damage activity process of gas cylinders.

Keywords: acoustic emission,damage pattern recognition,type III gas cylinder,fatigue load,impact load

引言

在氢能全产业链中，储运是氢能产业发展的重要环节，气态高压运输是应用最广泛的储运方式，高压储氢气瓶是保证压缩氢安全、高效使用的关键手段。铝合金内胆型气瓶（III型瓶）和聚合物内胆型气瓶（IV型瓶）是目前纤维复合材料缠绕制造的主流气瓶，其主要由内胆和高性能纤维复合材料缠绕层组成。碳纤维复合材料储氢气瓶的生产工艺较为复杂，影响因素多，为满足设计压力及后续使用的安全性、可靠性要求，在制造过程中需要对每个气瓶进行无损检测，在后续使用过程中也需要定期对气瓶进行无损检测。

国内外针对高压储氢容器的无损检测方法主要有目视检测、射线检测、计算机层析成像（工业ct）检测、超声检测、声发射检测等。目视检测只能对容器外壁纤维缠绕情况进行检测。射线检测、工业ct检测、超声检测主要针对纤维缠绕层内部及其与内胆粘接层缺陷情况进行检测，其中超声脉冲回波法的精度较高，但只能在给定的深度范围内产生不连续的二维平面视图；射线检测法主要是检测夹杂、气孔等体积状的缺陷，不能有效检测裂纹缺陷；工业ct技术的检测精度较高，但检测成本高、效率低下。

上述检测方法均为静态检测方法，无法预知气瓶在线使用过程中是否存在活性损伤，声发射检测适用于动态实时监测和检测气瓶分层、脱粘、开裂等活性缺陷。声发射在经典声发射基础之上，采用薄板兰姆波理论结合声发射装置对气瓶水压测试过程进行实时在线监测，得到气瓶在不同受载过程和不同损伤部位的信号特征，用于指导气瓶实际使用过程声发射检测。

1声发射

1.1声发射

声发射是基于薄板兰姆（Lamb）波传播的理论模型建立的。声发射检测和普通声发射检测的区别：声发射检测专注于用宽频带声发射传感器采集波形数据，并根据波的传播特性来分析波形，以确定声源的类型，然后通过软件分离Lamb波中的板内扩展波So(E or Extensional Wave)和板面弯曲波Ao(F or Flexural Wave)来区分声发射源的特性与位置。该技术方法主要适合于对声发射波长大于板厚度的薄板材料的应用，如碳纤维全缠绕储氢气瓶。

1.2声发射优点

（1）当声源方向垂直于板平面时弯曲波幅度将大于扩展波，由此可辅助判别损伤来自内部还是外部。这里的内部信号指的是材料破坏的信号，比如纤维断裂、基体开裂、分层等；外部信号指的是干扰信号，比如电磁噪音、机械摩擦、机械振动等。

（2）通过典型波形的分析，可以确定复合材料损伤的类型，比如纤维断裂、基体脱粘、基体开裂、分层等。

（3）在低频范围内扩展波与弯曲波的声速是确定的。由此只用一个传感器采集到的两种波的时间差进行定位。

2测试仪器简介

2.1采集单元

采用新一代满足ISO–19016标准声发射系统，新一代高速采集卡及TCS-MAE系统如图1所示。采集卡采用PCIE总线，最大传输速度500MB/S,具有16位A/D采样精度，采样率10M/S。采用智能一体化主机，保证采集过程的大量数据不丢失，保证时间同步的精度，提高定位准确度。

图1 采集卡及主机图

Figure 1 Image of acquisition card and computer 

2.2感应单元

满足ISO–19016标准的声发射传感器–TCSBSI，TCSBSI传感器及其频响曲线如图2所示，TCSBSI传感器响应曲线在10KHz-1000KHz的带宽范围内的响应幅度曲线较为平坦，适用于复合材料不同损伤模式的信号响应，有利于对不同模式的信号进行对比分析。

图2 TCSBSI传感器及其频响曲线图

Figure 2 TCSBSI sensor and its frequency response curve diagram 

2.3软件单元

满足ISO–19016标准声发射数据采集系统TSC-MAE；声发射数据分析软件NOESIS-MAE，

图3 声发射数据采集软件

Figure 3 acoustic emission data acquisition software diagram

图4 声发射数据分析软件

Figure 4  acoustic emission data analysis software diagram

3气瓶基本信息

3.1碳纤维气瓶

直径420mm，长度1500mm，传感器数量布置8个，气瓶图片和传感器布置示意图如图5所示。

图5 碳纤维气瓶及传感器布置图

Figure 5 Diagram of carbon fiber gas cylinder and sensor

3.2玻璃纤维气瓶

直径420mm，长度1800mm，传感器布置数量10个，气瓶图片和传感器布置示意图如图6所示。

图6 玻璃纤维气瓶及传感器布置图

Figure 6 Diagram of Fiberglass Gas Cylinder and Sensor

4测试过程

4.1灵敏度测试

在TCSBSI传感器旁和在距传感器100mm处分别断三次铅。以下数据为三次断铅信号传感器的平均幅值。

N：传感器编号；

A1：距离传感器10mm处断铅的幅度，单位dB；

A2：距传感器100mm处断铅的幅度,单位dB。

表1碳纤维气瓶灵敏度测试

Table 1 Sensitivity test of carbon fiber gas cylinder

表2玻璃纤维气瓶灵敏度测试

Table 2 Sensitivity test of fiberglass gas cylinder

用PK15I传感器在复合材料气瓶上做灵敏度测试，在距离传感器100mm处断铅，幅值响应普遍只有80-85dB；本次实验用的TCSBSI传感器幅值响应普遍90db左右。TCSBSI传感器灵敏度相对于谐振传感器的灵敏度高5dB-10dB。

4.2衰减测试

在距离传感器不同距离处分别折断铅芯三次，铅芯型号为0.5mmHB，铅芯伸长长度2.5mm，与气瓶表面呈30度角。以下数据为三次断铅信号被传感器接收到的平均幅值。

D:距传感器距离/mm；

Ac：碳纤维气瓶的幅度响应，单位dB；

Ab：玻璃纤维气瓶的幅度响应,单位dB。

表3衰减测试结果表

Table 3 Attenuation test results table

小结：

采用铅笔铅芯折断方法进行衰减测试，在700mm的传播距离，碳纤维气瓶表面断铅信号从99dB衰减到55dB,玻璃纤维气瓶表面断铅信号从99dB衰减到63dB，玻璃纤维的气瓶比碳纤维的气瓶衰减更小。

4.3加载过程

每个气瓶出厂都要先做自紧测试和水压测试。本次实验中的碳纤维气瓶和玻璃纤维气瓶都承受了以下载荷。

以下实验阶段中，疲劳实验是油压加载，加载速率约为3次/min；其余实验均为水压加载，加速速率约为3.5MPa/min。以下的加载阶段中，除了4/7/10三个阶段外，其余各个阶段均采集了声发射数据。

具体加载过程如下：

1) 自紧测试：0-85MPa，保压1分钟；

2) 水压测试：0-52.5MPa，保压1分钟；

3) 设计压力测试：0-35MPa，保压5-15分钟，两次加载循环；

4) 做11000次疲劳实验，2-43.75MPa；

5) 设计压力测试：0-35MPa，保压5-15分钟，两次加载循环；

6) 水压测试：0-52.5MPa，保压5-15分钟，两次加载循环；

7) 3.4KG重物从1.8米高空自由坠落，撞击气瓶表面。碳纤维气瓶，撞击点在1/3/4之间，靠近1号传感器；玻璃纤维层的气瓶，撞击点在7/9/10之间，靠近9号传感器；

8) 设计压力测试：0-35MPa，保压5-15分钟，两次加载循环；

9) 水压测试：0-52.5MPa，保压5-15分钟，两次加载循环；

10) 再做2000次疲劳；

11) 设计压力测试：0-35MPa，保压5-15分钟，两次加载循环；

12) 水压测试：0-52.5MPa，保压5-15分钟，两次加载循环；

5数据分析

为了便于数据分析和对比，该部分以下的所有碳纤维气瓶数据图和玻璃纤维数据图的含义说明如下：

左上角是幅值vs时间的散点图；

右上角是持续时间vs幅值的散点图；

左下角是撞击率vs时间曲线图；

右下角是撞击vs通道柱状图；

5.1自紧测试

自紧测试加载载荷由0MPa升压至85MPa，保压1分钟。自紧实验目的是使得铝内胆产生塑性变形，使碳纤维和铝内胆紧密连接。

图7为碳纤维气瓶加载载荷由0MPa升压至85MPa，选取约20秒的数据图；图8为玻璃纤维气瓶加载载荷由0MPa升压至85MPa，选取约20秒的数据图。

图7 碳纤维气瓶数据图

Figure 7 Carbon fiber gas cylinder data diagram

图8 玻璃纤维气瓶数据图

Figure 8 Fiberglass gas cylinder data diagram

小结：

碳纤维气瓶声发射信号更多。碳纤维的气瓶平均每通道每秒采集140-200个声发射撞击信号；玻璃纤维的气瓶平均每秒采集约100-140个声发射撞击信号。

两种气瓶都会采集到大于80dB的高幅值信号，相对来说碳纤维气瓶的高幅值信号是玻璃纤维气瓶高幅值信号的2倍左右。

典型损伤的波形和小波分析结果如图9所示，分析结果表明：

1) 纤维断裂的信号持续时间短，中高频率段的能量百分比较高；

2) 基体开裂的信号持续时间偏长，频率较低；

3) 分层的信号是典型的连续型声发射信号，持续时间较长，频率较低。

图9a 纤维断裂信号的波形和小波分析图

Figure 9a Waveform and wavelet analysis of fiber fracture signal

图9b 基体开裂信号的波形和小波分析

Figure 9b Waveform and wavelet analysis of matrix cracking signal

图9c 分层信号的波形和小波分析

Figure 9c Waveform and wavelet analysis of layered signals

5.2水压测试

水压测试过程是将气瓶从0MPa升压至52.5MPa，保压1分钟。由于气瓶刚刚做过自紧实验，由于凯瑟尔效应，水压测试过程中，声发射信号撞击率明显减少，且没有80db以上的高幅值信号，图10为碳纤维气瓶加载载荷由0MPa升压至52.5MPa的数据图，图11为玻璃纤维气瓶加载载荷由0MPa升压至52.5MPa的数据图。

图10 碳纤维气瓶数据图

Figure 10 Carbon fiber gas cylinder data diagram

图11 玻璃纤维气瓶数据图

Figure 11 Fiberglass gas cylinder data diagram

5.2 35Mpa保压测试

所有气瓶出厂都要先做自紧和水压实验。做完这两个实验后，在设计压力下35MPa

保压5-15分钟，声发射数据量很少，保压阶段几乎没有声发射数据。如图12所示，0至第一个时间标签是一次升压；第一个时间标签至第二个时间标签是一次保压；第二个时间标签至第三个时间标签是二次升压；第三个时间标签至结束是二次保压。

图12 碳纤维气瓶数据图

Figure 12 Carbon fiber gas cylinder data diagram

图13 玻璃纤维气瓶数据图

Figure 13 Fiberglass gas cylinder data diagram

两次升压保压循环过程中，碳纤维气瓶数据单通道最大撞击数23个，玻璃纤维的气瓶数据单通道最大撞击数为140个撞击，玻璃纤维的大量信号来自于自紧和水压测试过程中，表面的玻璃纤维层发生了一定的损伤。

5.3 第一次疲劳测试

两种气瓶进行11000次充压卸压的疲劳循环，循环结束后，进行两次加压，具体加压过程如下：

（1）设计压力下的实验0-35MPa，保压5-15分钟，两次循环；

（2）水压压力下的实验0-52.5MPa，保压5-15分钟，两次循环；

图14为碳纤维气瓶在35MPa下的数据图，气瓶经过11000次疲劳测试后，碳纤维气瓶加载至35MPa数据图（图14）与疲劳测试前加载至35MPa的数据图（图12）之间的数据量几乎没有变化，说明11000次疲劳实验对碳纤维气瓶没有产生明显的损伤。

图15为玻璃纤维气瓶在35MPa下的数据，玻璃纤维气瓶加载至35MPa数据图中的数据量明显比碳纤维的多，但幅值普遍在50-60dB间，几乎没有80db以上的信号，此阶段采集的信号很可能是玻璃纤维层损伤进一步加大了。

图14  碳纤维气瓶数据图

Figure 14 Carbon fiber gas cylinder data diagram

图15 玻璃纤维气瓶数据图

Figure 15 Fiberglass gas cylinder data diagram

图16、图17是两种气瓶在52.5MPa过程中的数据图，从图中可碳纤维气瓶在一次保压过程中均有一定数量的声发射信号，在二次保压过程几乎没有声发射信号；玻璃纤维气瓶在两次保压过程均有一定的声发射信号，但整体幅值偏低，在50-60db间，应当是玻璃纤维层的进一步损伤

图16  碳纤维气瓶数据图

Figure 16 Carbon fiber gas cylinder data diagram

图17  玻璃纤维气瓶数据图

Figure 17 Fiberglass gas cylinder data diagram

5.4重物撞击测试

两种气瓶经过疲劳加载载荷结束，采用重物进行撞击气瓶表面，对于碳纤维层的气瓶，撞击点在1/2/4传感器之间；对于玻璃纤维层的气瓶，撞击点在7/9/10探头中间。

（1）设计压力下的实验0-35MPa，保压5-15分钟，两次循环。

（2）水压压力下的实验0-52.5MPa，保压5-15分钟，两次循环。

图18是撞击后的碳纤维气瓶升压至35MPa数据图，图19是撞击后的碳纤维气瓶升压至52.5MPa数据图，相比图14和图16（撞击前），信号量和数据分布几乎没有变化，说明此撞击对碳纤维气瓶未造成明显的损伤，信号没有明显的突增。

图18  碳纤维气瓶数据图

Figure 18 Carbon fiber gas cylinder data diagram

图19 碳纤维气瓶数据图

Figure 19 Carbon fiber gas cylinder data diagram

图20是撞击后的玻璃纤维气瓶升压至35MPa数据图，图21是撞击后的玻璃纤维气瓶升压至52.5MPa数据图，相比图15和图17（撞击前），信号量变少了，幅值分布也更低了，说明此撞击对瓶未造成明显的损伤，重复加载信号量减少满足凯赛尔效应。

图20 玻璃纤维气瓶数据图 

Figure 20 Fiberglass gas cylinder data diagram

图21 玻璃纤维气瓶数据图 

Figure 21 Fiberglass gas cylinder data diagram

5.5 第二次疲劳测试

两个气瓶受到撞击后，进行2000次充压卸压的疲劳载荷，再进行如下的两种加载过程的循环测试，具体过程如下：

（1）采用水压加载，加载载荷从0MPa加载至35MPa，保压5-15分钟，两次循环。

（2）采用水压加载，加载载荷从0MPa加载至52.5MPa，保压5-15分钟，两次循环。

图22为碳纤维气瓶加载载荷从0MPa加载至35MPa的数据图、图23为碳纤维气瓶加载载荷从0MPa加载至52.5MPa的数据图，该数据图与进行2000次疲劳前的数据图（图18和图19）进行对比分析，碳纤维气瓶在两次保压阶段，1-4号通道采集的声发射信号撞击数明显增多，且幅值较高，说明重物撞击后，气瓶碳纤维层产生了损伤，经过2000次疲劳载荷，使得损伤加剧。

图22  碳纤维气瓶数据图

Figure 22 Carbon fiber gas cylinder data diagram

图23  碳纤维气瓶数据图

Figure 23 Carbon fiber gas cylinder data diagram

观察保压阶段信号的波形，并对其进行小波分析，大部分信号如下所示，信号持续时间较长，频率较低，是典型的分层信号。

图24小波分析图

Figure 24 Wavelet analysis diagram

图25为玻璃纤维气瓶加载载荷从0MPa加载至35MPa的数据图，图26为玻璃纤维气瓶加载载荷从0MPa加载至52.5MPa的数据图，该数据图与进行2000次疲劳前的数据图（图20和图21）进行对比分析，气瓶在两次保压阶段产生了一些声发射信号，但幅值不高，说明重物撞击后，气瓶玻璃纤维层有一定的损伤，但碳纤维层没有损伤，继续加载2000次，碳纤维层仍然完好，玻璃纤维层损伤进一步加大。

图25  玻璃纤维气瓶数据图

Figure 25 Fiberglass gas cylinder data diagram

图26  玻璃纤维气瓶数据图

Figure 26 Fiberglass gas cylinder data diagram

6结论

6.1．声发射技术可以灵敏的捕捉复合材料气瓶在不同载荷下的损伤活动信号，并可以对纤维断裂、基体开裂、分层等损伤进行分类识别；声发射专用传感器TCSBSI，相对于普通传感器具有更高的灵敏度，更宽、更平坦的频响范围。

6.2．玻璃纤维的气瓶比碳纤维的气瓶相比，玻璃纤维的气瓶表面声波衰减更小。

6.3．自紧实验过程中，碳纤维层的气瓶各种损伤的高幅度信号更多；由于玻璃纤维层有保护作用，玻璃纤维的气瓶，各种类型的损伤高幅度信号更少。

6.4．11000次疲劳测试对两种气瓶没有造成明显的损伤。

6.5．对于碳纤维层的气瓶，重物撞击会对气瓶碳纤维层造成一定的损伤，这种损伤较为轻微，无法立刻表现出来，经过疲劳测试后，这种损伤会加剧，并对气瓶的性能造成影响。通过后续波形分析和损伤模式识别，这些信号是碳纤维层分层的信号。

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