馬中強(qiáng)，王 恒，黃小宇，趙 聰，牛衛(wèi)飛

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300112）

近年來，大氣污染加劇的同時(shí)環(huán)境保護(hù)要求不斷提高，世界各國(guó)因此開始重視氫能的開發(fā)。我國(guó)工業(yè)和信息化部在《2020年新能源汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)》[1]中指出，未來將重點(diǎn)在燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）、充電設(shè)施及加氫系統(tǒng)等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化制定方面展開部署，可以預(yù)見該規(guī)劃將有力促進(jìn)氫燃料電池電動(dòng)汽車專用高壓儲(chǔ)氫氣瓶技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展[2]。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)也在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖 2.0》[3]中提出，至 2035年，新能源汽車市場(chǎng)占比將超過50%，燃料電池汽車保有量達(dá)到100萬輛左右。壓縮氫氣氣瓶 （以下簡(jiǎn)稱氫氣氣瓶）是氫燃料電池汽車供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分，其定期檢驗(yàn)的安全有效具有至關(guān)重要的意義。

1 氫燃料汽車氫氣氣瓶檢驗(yàn)現(xiàn)狀研究

1.1 氣瓶結(jié)構(gòu)類型

按照結(jié)構(gòu)和材料特征，氫氣氣瓶通常分為3個(gè)類型，分別是鋼內(nèi)膽纖維纏繞復(fù)合氣瓶、鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶以及塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶。目前，我國(guó)法規(guī)允許且已在大巴車、公交車等公共交通工具上得到應(yīng)用的是鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶[4-5]。

鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)示圖

1.2 氣瓶檢驗(yàn)要求

根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]的有關(guān)規(guī)定，車用氣瓶定期檢驗(yàn)需要拆卸氣瓶，對(duì)于以壓縮氫氣為存儲(chǔ)介質(zhì)的氣瓶來說，拆卸氣瓶存在破壞密封性引起的安全隱患，而且拆卸氣瓶后進(jìn)行水壓試驗(yàn)也存在破壞氣瓶?jī)?nèi)表面原始狀態(tài)引起的氫氣純度下降[8]。因此，氫氣氣瓶安全檢驗(yàn)首先要滿足的條件是不拆卸氣瓶。

1.3 氣瓶失效方式

我國(guó)氫氣Ⅲ型氣瓶設(shè)計(jì)和制造遵循的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》[9]。應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的氫氣Ⅲ型氣瓶?jī)?nèi)膽為鋁合金材料，增強(qiáng)層為碳纖維纏繞層，其適用的公稱壓力不大于70 MPa、公稱水容積不大于450 L。氫氣Ⅲ型氣瓶的應(yīng)用目前處于市場(chǎng)推廣階段，國(guó)內(nèi)還未開展相關(guān)定期檢驗(yàn)實(shí)踐，相關(guān)的失效模式研究也鮮有報(bào)道。

氫氣Ⅲ型氣瓶的材料和結(jié)構(gòu)與呼吸器用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶相近，其失效模式研究成果可以為氫氣Ⅲ型氣瓶的失效模式研究提供參考。在呼吸器用復(fù)合氣瓶定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的缺陷有瓶口螺紋損壞、碳纖維損失及瓶體泄漏等[10]。詹合林等[11]對(duì)70 MPa氫氣Ⅲ型氣瓶進(jìn)行了有限元分析和實(shí)際爆破驗(yàn)證試驗(yàn)，指出氣瓶將從筒體部分發(fā)生破壞，纖維纏繞層的失效從環(huán)向纖維纏繞層開始。楊冬林等[12]通過有限元分析指出，在使用過程中氫氣氣瓶通常是內(nèi)膽材料疲勞開裂造成失效。秦玉琪等[13]對(duì)某國(guó)產(chǎn)氫氣Ⅲ型氣瓶在模擬油循環(huán)疲勞試驗(yàn)中發(fā)生泄漏的原因進(jìn)行分析，指出是內(nèi)表面劃痕導(dǎo)致氣瓶失效。

1.4 缺陷無損檢測(cè)

1.4.1 現(xiàn)有效果

無損檢測(cè)方法是一類應(yīng)用廣泛的缺陷檢驗(yàn)方法，在應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)方面各具特色[14-16]。射線檢測(cè)是常規(guī)檢測(cè)技術(shù)，能夠直接顯示材料和設(shè)備內(nèi)部的缺陷及其性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)。傳統(tǒng)膠片照相檢測(cè)方法的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，需要專門的暗室對(duì)底片進(jìn)行處理。射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展雖然相對(duì)晚，但也是目前比較成熟的缺陷無損檢測(cè)技術(shù)之一，已有多款便攜式檢測(cè)設(shè)備進(jìn)入產(chǎn)品市場(chǎng)，其檢測(cè)結(jié)果可以直接顯示，不需在暗室進(jìn)行處理，缺陷檢出率與傳統(tǒng)膠片相當(dāng)，工作效率高[17]。對(duì)于纖維纏繞復(fù)合材料缺陷和氣瓶?jī)?nèi)膽缺陷，這些無損檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法的有效性尚未得到確認(rèn)。從技術(shù)先進(jìn)性方面考察，射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，是進(jìn)行氫氣氣瓶復(fù)合材料無損檢測(cè)的首選方法。

1.4.2 數(shù)字射線檢測(cè)

目前，射線數(shù)字成像檢測(cè)方面的標(biāo)準(zhǔn)方法主要有NB/T 47013.11—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第 11 部分：X 射線數(shù)字成像檢測(cè)》[18]、GB/T 35388—2017《無損檢測(cè) X射線數(shù)字成像檢測(cè)檢測(cè)方法》[19]、GB/T 3323.2—2019（ISO 17636：2013，MOD）《無損檢測(cè) 射線檢測(cè) 第2部分：使用數(shù)字化探測(cè)器的 X和伽瑪射線技術(shù)》[20]、GB/T 17925—2011《氣瓶對(duì)接焊縫X射線數(shù)字成像檢測(cè)》[21]、GJB 1038.2A—2004 《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無損檢驗(yàn)方法 第2部分：X射線照相檢驗(yàn)》[22]。對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)適用范圍進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 射線數(shù)字成像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍對(duì)比

表1的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中只有GJB 1038.2A—2004適用于非金屬材料的檢測(cè)，其余4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均給出了鋁及鋁合金材料不同透照厚度允許的X射線最高透照管電壓。GB/T 35388—2017指出，在非金屬材料檢測(cè)時(shí)，如果規(guī)定的像質(zhì)計(jì)無法滿足檢測(cè)要求，則允許用非標(biāo)像質(zhì)計(jì)。復(fù)合材料的透照工藝參數(shù)按照合同或相關(guān)規(guī)定確定。

由表1還可以看出，數(shù)字射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)的是金屬材料焊接接頭，GJB 1038.2A—2004雖然適用于非金屬材料，但其采用的是膠片照相方法，而不是數(shù)字射線成像。

氫氣氣瓶按照GB/T 35544—2017進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，內(nèi)膽為鋁合金材料，增強(qiáng)層為碳纖維材料，鋁內(nèi)膽不存在焊接接頭，因此進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，射線需要同時(shí)透過金屬材料和非金屬材料，目前還沒有任何一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)可以全面涵蓋氫氣氣瓶的檢測(cè)需求。

2 氣瓶射線數(shù)字成像檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)氣瓶可行性分析

以呼吸器用復(fù)合氣瓶為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶的射線數(shù)字成像檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)研究。

根據(jù)GB 28053—2011 《呼吸器用復(fù)合氣瓶》[23]和GB/T 35544—2017，車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶與呼吸器用復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)形式相同，內(nèi)膽均采用6061鋁合金材料，纏繞層材料均為碳纖維，鋁內(nèi)膽都是采用擠壓、沖壓或旋壓成形的方法制造，不進(jìn)行焊接處理[23]。因此，采用呼吸器用復(fù)合氣瓶代替車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶進(jìn)行初步的試驗(yàn)研究是可行的。

2.2 試驗(yàn)氣瓶模擬缺陷設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用呼吸器復(fù)合氣瓶實(shí)物及人工缺陷示意圖見圖2～圖6。

圖2 試驗(yàn)用呼吸器復(fù)合氣瓶

圖3 試驗(yàn)氣瓶外表面縱向、橫向刻槽缺陷示圖

圖4 內(nèi)表面縱向、橫向刻槽和外表面孔形缺陷示圖

圖5 內(nèi)表面孔形缺陷示圖

圖6 瓶肩縱向、橫向缺陷和瓶口螺紋缺陷示圖

試驗(yàn)用呼吸器復(fù)合氣瓶?jī)?nèi)膽外徑為148 mm，內(nèi)膽壁厚為4 mm，纏繞層厚度為5 mm。在筒體部分鋁內(nèi)膽內(nèi)側(cè)和纖維纏繞層外側(cè)分別制作了不同規(guī)格的縱向、橫向刻槽，用于模擬內(nèi)膽和纖維纏繞層的裂紋和機(jī)械損傷。在筒體部分鋁內(nèi)膽內(nèi)側(cè)和纖維纏繞層外側(cè)分別制作了不同直徑和孔深的平底孔，用于模擬內(nèi)膽點(diǎn)狀缺陷和纏繞層纖維空洞類缺陷。在瓶肩位置制作了縱向和橫向缺陷，用于模擬裂紋。在瓶口螺紋制作縱向刻槽，用于模擬螺紋缺陷。

2.3 試驗(yàn)氣瓶模擬缺陷尺寸

瓶肩縱向缺陷寬度為1.0 mm，瓶口螺紋缺陷寬度尺寸分別為0.5、1.0 mm。瓶體縱向、橫向人工刻槽尺寸見表2，平底孔尺寸見表3，瓶肩橫向刻槽缺陷尺寸見表4。

表2 氣瓶瓶體縱向、橫向人工刻槽尺寸 mm

表3 氣瓶平底孔尺寸 mm

表4 氣瓶瓶肩橫向刻槽缺陷尺寸 mm

2.4 氣瓶缺陷測(cè)試過程及結(jié)果

2.4.1 測(cè)試過程

氣瓶缺陷檢測(cè)試驗(yàn)裝置采用的是非晶硅平板探測(cè)器、脈沖X射線源及NOVO-15WN便攜式數(shù)字射線DR檢測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)在專用鉛房?jī)?nèi)進(jìn)行，根據(jù)檢測(cè)需要配置了非晶硅平板探測(cè)器、脈沖X射線源及NOVO-15WN便攜式數(shù)字射線DR檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖見圖7。

圖7 試驗(yàn)裝置及氣瓶實(shí)物測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過調(diào)整透照參數(shù)得到的透照后氣瓶各部位缺陷數(shù)字圖像見圖8～圖13。

圖8 鋁內(nèi)膽內(nèi)表面縱向及橫向刻槽缺陷透照?qǐng)D像

圖9 外表面橫向刻槽缺陷透照?qǐng)D像

圖10 外表面縱向刻槽和平底孔缺陷透照?qǐng)D像

圖11 內(nèi)表面孔形缺陷透照?qǐng)D像

圖12 瓶肩縱向刻槽和瓶口螺紋缺陷透照?qǐng)D像

圖13 瓶肩橫向刻槽和瓶口螺紋缺陷透照?qǐng)D像

由圖8和圖9可以清晰識(shí)別出第2個(gè)刻槽，即槽寬和槽深分別為0.5 mm的刻槽，第1個(gè)刻槽（寬0.5 mm，深0.25 mm）模糊顯示。由圖 10可以識(shí)別到外表面縱向刻槽的第4個(gè)刻槽，圖10與圖9觀察到的外表面橫向刻槽檢測(cè)結(jié)果不同，可能是因?yàn)橥刚辗较驍[放不當(dāng)所致。由圖10和圖11能識(shí)別到孔徑1.0 mm、深度1.0 mm的孔形缺陷。圖12和圖13僅能識(shí)別瓶肩縱向外側(cè)兩道較深的缺陷，而中間較淺的缺陷（實(shí)際為人工劃痕）無法識(shí)別，瓶肩橫向刻槽均能識(shí)別，瓶口螺紋縱向缺陷均能夠模糊顯示。

3 結(jié)語(yǔ)

用呼吸器復(fù)合氣瓶進(jìn)行了氣瓶缺陷的射線數(shù)字成像檢測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，氣瓶可拆卸、可隨意擺放的情況下，射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)可以識(shí)別呼吸器復(fù)合氣瓶上的各類型缺陷。基于呼吸器復(fù)合氣瓶與壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶的共性特征可得出推斷，利用射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶具有一定的可行性。與呼吸器復(fù)合氣瓶相比，實(shí)際車載氫氣氣瓶在尺寸、安裝、閥門類型[24-25]等方面存在差異，后續(xù)研究應(yīng)以車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶為試驗(yàn)對(duì)象，積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立透照參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為編制檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。