高压氢气瓶铝制内胆交流电磁场检测技术

2021-05-21李杜伟陈增江翟永军

低温与特气 2021年2期

胡栋，李杜伟，陈增江，翟永军，陆斌

(泰安市特种设备检验研究院，山东泰安 271000)

1 前言

氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，随着新能源技术的发展及人类对洁净能源的不断追求，氢能已经成为全球能源技术革命和产业发展的重要方向[1]。

氢能产业研究内容涵盖氢气制取、储运、加氢基础设施、氢燃料电池等多个领域，在氢能储运领域，高压气态储氢、低温液化储氢、吸附储氢、金属氢化物和有机物储氢等是目前储氢技术的重要发展方向，其中高压气态储氢已经具备产业化条件。由于结构简单，携带方便，高压氢气瓶是近年来车用氢气储存的重要手段。根据相关标准[2]，高压氢气瓶分为I型、Ⅱ型、III型和IV型4种类型，其中I型瓶为全金属气瓶，Ⅱ型瓶为金属内胆纤维环向缠绕气瓶、III型瓶为金属内胆纤维全缠绕气瓶、IV型瓶为非金属内胆纤维全缠绕气瓶，其中III型应用较为广泛，常见的III型瓶内胆多采用铝合金6061材质，这种材料与氢气具有良好的相容性及抗晶间腐蚀能力[3]，且韧性较好，具有较强的抗疲劳损伤能力。缠绕层通常采用碳纤维全缠绕制成，具有较好的刚性[4]。

为保证铝制内胆在高压临氢环境及疲劳载荷的作用下的长期安全运行，需在制造及使用过程中对其进行检测[5]，由于铝不具有磁性，且晶粒粗大，具有各向异性特征，常用的磁粉、超声等技术手段效果不佳，特别针对在用气瓶检测时，由于缠绕层不可拆卸，检测难度较大。

交流电磁场是一种新型的电磁检测技术，通过电磁感应在工件表面产生均匀电流场，在缺陷部位引起磁场扰动，从而进行缺陷的定量及定性分析[6]，对金属材料检测具有广泛的适用性。本文通过制作铝制内胆试样，并制作各种类型缺陷，进行交流电磁场检测研究，讨论该技术的可行性。

2 交流电磁场(ACFM)检测技术

2.1 交流电磁场检测原理

图1所示为交流电磁场检测原理，探头施加交流电后会在导电体工件表面感应出均匀交变电流，在结构连续部位，均匀电流场不发生扰动，空间磁场信号不会发生突变，当探头从缺陷上方经过时，由于缺陷处空间不连续导致电流从缺陷的两端和底部绕过，由于集肤效应的影响，缺陷两端的电流密度增大，缺陷底部的电流密度减小，且缺陷最深处电流密度达到最小值。

图1 交流电磁场检测原理Fig.1 Detection principle of AC electromagnetic field

电流密度的分布不均引起空间磁场的畸变，将畸变磁场分解成三个空间向量，可以得到磁通密度在三个维度上的分量，其中平行于电流方向的分量为BY，沿表面垂直于电流方向的分量为BX，垂直于工件表面的分量为BZ，在缺陷部位，沿缺陷长度方向的分量BX特征如图1右上所示，在缺陷端点处形成两个波峰，缺陷中间形成波谷，且波谷最深处与缺陷最深处具有较强的对应性，因此通常采用BX进行缺陷深度的定量，BZ在反映缺陷端点信号上具有更加明显的特征，如图1左上所示，根据右手定则，缺陷起点处与终点处由于电流绕行的方向不同，端点信号会产生两个方向相反的波峰，利用BZ信号的这一特点，可进行缺陷长度的测量，BY特征如图一右下所示，由于数量级较小，在不需要特殊处理下，可不用于缺陷的判定。

2.2 集肤效应

感应电流在导体内通常沿表面流动，这种现象为集肤效应[7]，集肤层厚度由式(1)确定：

(1)

式中，f为电流频率，μ0为材料的磁导率，σ为材料的电导率。

由式(1)可知，集肤层厚度与材料的磁导率、电导率及电流频率有关，材料的磁导率、电导率是材料的固有属性，由被检测对象决定，因此，可通过降低频率增大集肤层厚度，可实现从瓶内部进行。

2.3 ACFM缺陷检测模型

缺陷引起的电磁场扰动[8]包含两部分：

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

(2)

式中，A0(X,Y,Z)为检测电流感应的矢量势函数，Ap(X,Y,Z)为缺陷引起的电场扰动感应的矢量势函数，根据电磁感应，矢量势函数A0(X,Y,Z)和Ap(X,Y,Z)都满足Laplace方程[9]：

(3)

式(2)中，A0(X,Y,Z)满足无缺陷时的边界条件：

(4)

式(2)中，Ap(X,Y,Z)满足含缺陷状态的边界条件：

(5)

式中，c表示缺陷宽度。

3 高压氢气瓶铝制内胆检测实验

3.1 试样制备

图2所示为高压氢气瓶铝制内胆检测试样，在试样表面加工5处缺陷，缺陷信息如表1所示。

图2 检测试样Fig.2 Test sample

表1 缺陷信息Table 1 Defect information

3.2 实验工具

实验采用中国石油大学生产的LKACFM-X1检测系统，如图3所示，系统主要由主机、传感器及编码器组成。

图3 LKACFM-X1检测系统Fig.3 LKACFM-X1 detection system

该系统可兼容内穿式、外套式、平板型、笔形等多种形式传感器，并可支持16通道阵列探头，针对铝制内胆缠绕气瓶检测，宜采用定制内穿式传感器从内表面进行检测，本文主要采用螺纹式及8阵列传感器进行检测，如图4所示。

图4 阵列传感器(左)和螺纹传感器(右)Fig.4 Array sensor (left) and thread sensor (right)

3.3 检测及分析

图5为试样缺陷1交流电磁场检测结果，其中a为BZ分量图，其横坐标为距离，纵坐标为相对幅值，b为成像图，其横坐标为距离，与BZ分量图一一对应，纵坐标为对应的通道号，从检测结果中可见，对于试样Φ3圆形缺陷，BZ分量图与成像图均能有效显示，但相对幅值较低，仅约15 T，成像图中对应约5～7通道的覆盖范围。