丁 菊，袁奕雯，湯陳懷，王勝輝，李小科

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

車載儲(chǔ)氫氣瓶是車載儲(chǔ)氫技術(shù)產(chǎn)品，攜帶有易燃、易爆介質(zhì)，同時(shí)在公共交通工具上使用，其安全性必須得到切實(shí)保障。除了設(shè)備設(shè)計(jì)、制造過程中的安全控制外，使用過程中安全監(jiān)測(cè)也不可少。超聲導(dǎo)波技術(shù)是被廣為研究的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法之一，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行了大量研究。

目前已有的超聲導(dǎo)波檢測(cè)研究對(duì)象主要為板、管道等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)[1-3]。車載儲(chǔ)氫氣瓶與板或管不同，其主體結(jié)構(gòu)由筒體和封頭組成，存在形狀的改變。同時(shí)，車載儲(chǔ)氫氣瓶在服役過程中可能會(huì)遭受各種靜、動(dòng)荷載或交變荷載作用，以及各種損傷的積累與擴(kuò)展。這些使得車載高壓儲(chǔ)氫氣瓶的超聲導(dǎo)波檢測(cè)變得復(fù)雜，也成為相關(guān)研究難點(diǎn)。

現(xiàn)階段，車載高壓儲(chǔ)氫氣瓶超聲導(dǎo)波檢測(cè)還無法做到完全的方程模擬[4-5]。相關(guān)人員通過簡(jiǎn)化幾何結(jié)構(gòu)、利用幾何相似性[6]、利用空心圓柱結(jié)構(gòu)的頻散曲線、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證[7]等方法取得了一定的研究成果，這些都為超聲導(dǎo)波在大型儲(chǔ)罐等復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)可行性分析提供了參考。將超聲導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用于車載儲(chǔ)氫氣瓶在國(guó)內(nèi)鮮有涉及[8]，文中介紹了一種車載儲(chǔ)氫氣瓶超聲導(dǎo)波探頭設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要是對(duì)超聲導(dǎo)波激勵(lì)發(fā)生裝置探頭的技術(shù)優(yōu)化，以提高高壓儲(chǔ)氫瓶損傷定位的準(zhǔn)確性為目標(biāo)。

1 儲(chǔ)氫氣瓶超聲導(dǎo)波局部檢測(cè)原理設(shè)計(jì)

超聲導(dǎo)波是一種全截面檢測(cè)的無損檢測(cè)方法，是一種整體檢測(cè)方法，可以用于儲(chǔ)氫氣瓶的在役檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。常規(guī)超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法可以對(duì)氣瓶進(jìn)行整體檢測(cè)，通過截面的損失量對(duì)缺陷或者欠缺進(jìn)行評(píng)估[9]。

按照導(dǎo)波激勵(lì)源，超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法分為超磁導(dǎo)體貼片和永久性磁鐵兩種，其共同點(diǎn)是均能夠較為準(zhǔn)確確定缺陷軸向位置，但缺陷的周向定位不準(zhǔn)確，變截面處的檢測(cè)靈敏度受導(dǎo)波特性的影響而較低[10-11]。

為此，文中設(shè)計(jì)一種儲(chǔ)氫氣瓶局部檢測(cè)的超聲扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波探頭，應(yīng)用這種探頭在超聲導(dǎo)波整體檢測(cè)后檢測(cè)氣瓶局部區(qū)域。設(shè)計(jì)的超聲導(dǎo)波局部檢測(cè)原理為，通過手持手柄實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波激勵(lì)裝置在氣瓶上的自由移動(dòng)，理論上能夠在任意位置激勵(lì)超聲導(dǎo)波，對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷進(jìn)行更精確定位和定量，或進(jìn)一步檢測(cè)氣瓶變截面處等缺陷高發(fā)部位。

2 儲(chǔ)氫氣瓶局部檢測(cè)超聲扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波探頭設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氫氣瓶局部檢測(cè)超聲扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波探頭結(jié)構(gòu)示圖見圖1，其零部件主要包括連接器、線圈、永磁體 、磁致伸縮帶、鐵芯、填充材料、外殼和手柄。其中，磁致伸縮帶為鐵鈷合金材料或99.99%的鎳等高性能磁致伸縮性能材料，呈長(zhǎng)方形帶狀，厚0.25 mm，其永久磁場(chǎng)能夠通過磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波，將超聲導(dǎo)波耦合至工件內(nèi)部，進(jìn)行氣瓶局部檢測(cè)。永磁體為U型鐵氧體磁鐵，磁感應(yīng)強(qiáng)度大于等于300 mT，與磁致伸縮帶平行放置后與磁致伸縮帶緊密貼合，提供橫向交變磁場(chǎng)。線圈一般采用無氧銅導(dǎo)線纏繞在鐵芯上 （線圈數(shù)大于等于40匝、線圈直徑大于等于0.36 mm）。連接器為雙針信號(hào)接頭，與檢測(cè)儀器線圈連接。鐵芯為碳鋼材質(zhì)，U型長(zhǎng)條形鐵，用于增強(qiáng)橫向交變磁場(chǎng)。鐵芯端腳與磁致伸縮帶保持緊密貼合狀態(tài)。在各個(gè)磁芯存在大約為1 mm的間隙，使得矩形的磁鐵能夠布置成為彎曲的形狀，且磁力線能夠閉合。填充材料為樹脂材料，用于固定探頭內(nèi)各部件。所有部件安裝在外殼內(nèi)，外殼與樹脂材料粘接，其頂部加工螺紋孔用于安裝手柄。手柄為便利操作件。

圖1 儲(chǔ)氫氣瓶局部區(qū)域缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭結(jié)構(gòu)示圖

2.2 功能設(shè)計(jì)

①對(duì)超聲導(dǎo)波整體檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行更精確的定位和定量。②對(duì)氣瓶的變截面處、瓶口處等缺陷高發(fā)部位的局部超聲導(dǎo)波檢測(cè)。③對(duì)含缺陷的氣瓶進(jìn)行缺陷監(jiān)測(cè)。④車載氣瓶的定期檢驗(yàn)中對(duì)無缺陷氣瓶進(jìn)行快速的驗(yàn)證性檢驗(yàn)。

3 儲(chǔ)氫氣瓶局部檢測(cè)超聲扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波探頭檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例及分析

3.1 氣瓶及模擬缺陷

檢測(cè)對(duì)象為Ⅲ型車用高壓儲(chǔ)氫氣瓶,其工作壓力35 MPa，規(guī)格（筒體直徑×長(zhǎng)度）DN406 mm×540 mm，壁厚 5 mm，材料為30CrMo鋼。模擬高壓氣瓶在制造過程中所產(chǎn)生的裂紋缺陷，人工模擬制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷為長(zhǎng)2.5 mm、深度0.25 mm的凹槽，寬度影響不計(jì)。

3.2 探頭制作方法

在檢測(cè)開始前，根據(jù)氣瓶被檢測(cè)部位的曲率制作不同曲率探頭。在檢測(cè)前清潔被檢測(cè)部位，保證清潔。在被檢測(cè)部位和探頭的磁致伸縮帶上均勻涂抹超聲剪切波耦合劑。然后將探頭貼合在被檢測(cè)部位表面，來回移動(dòng)使得耦合劑均勻分布，并擠出多余耦合劑。在探頭上施加約15N的壓力。然后連接探頭至超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 探頭及組件參數(shù)

探頭底部曲率半徑為200 mm。探頭接頭采用BNC型雙芯信號(hào)接頭。磁致伸縮帶寬度為50 mm，長(zhǎng)為120 mm，型號(hào)為Hiperco 50HS的鐵鈷合金帶。永磁體采用型號(hào)為Y30的U型鐵氧體，剩磁強(qiáng)度為300 mT。線圈纏繞匝數(shù)為40圈。鐵芯寬為10 mm，長(zhǎng) 45 mm，數(shù)量 8 個(gè)。

3.4 檢測(cè)過程及方法

儲(chǔ)氫氣瓶局部缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)過程示意圖見圖2。檢測(cè)時(shí)，設(shè)置檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)頻率為210 kHz，激勵(lì)導(dǎo)波信號(hào)幅值20 V。耦合劑采用美國(guó)磁通SWC剪切橫波耦合劑。將探頭和被檢測(cè)部位均勻涂抹耦合劑，在探頭上施加約15 N的壓力。然后連接探頭至超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 儲(chǔ)氫氣瓶局部缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)過程示圖

3.5 損傷定位方法

損傷定位分為3個(gè)步驟，①在無缺陷的被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中獲得一組基準(zhǔn)信號(hào)。②在該結(jié)構(gòu)上布置缺陷再獲得一組損傷信號(hào)。③以損傷信號(hào)減去健康信號(hào)得到的差值作為散射信號(hào)。

為了確定結(jié)構(gòu)上的缺陷信號(hào)的導(dǎo)波軌跡，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格離散，分割成M×N個(gè)離散單元。假設(shè)第i個(gè)激勵(lì)傳感器位于(xi,yi)，第j個(gè)接收傳感器位于(xj,yj)。通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)到兩個(gè)傳感器的距離之和除以結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的群速度Cg求得[12]。損傷位置信號(hào)經(jīng)過波的傳遞到達(dá)接收傳感器(xj,yj)的時(shí)間tij計(jì)算公式如下：

將差值信號(hào)幅值根據(jù)時(shí)間信息加載到離散網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)，不同的接收傳感器的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中幅值最大的節(jié)點(diǎn)即為缺陷位置。由于缺陷引發(fā)的波與基準(zhǔn)信號(hào)的幅值增加有限，所以需要強(qiáng)化該處幅值實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。若用Dij表示每一節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)信號(hào)與缺陷信號(hào)的差值，則由數(shù)理統(tǒng)計(jì)可以依照幅值全加法、幅值全乘法、加乘組合法來確定出損傷位置，這 3種方法數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（2）～式（4），其計(jì)算通過軟件程序具體實(shí)現(xiàn)[13-15]。

若用Dij表示基準(zhǔn)信號(hào)與缺陷信號(hào)的差值信號(hào)，幅值全乘法是將每個(gè)離散點(diǎn)處的幅值直接相乘，該方法放大了節(jié)點(diǎn)幅值極值對(duì)最終結(jié)果的影響，即可通過橢圓成像法缺陷定位成像結(jié)果。在具體檢測(cè)中可以采用探頭進(jìn)行一發(fā)一收，將探頭放置在不同的部位，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測(cè)。

3.6 檢測(cè)及結(jié)果分析

3.6.1 基準(zhǔn)信號(hào)采集

在無缺陷氣瓶外表面選定4個(gè)點(diǎn)位，分別標(biāo)記為 A、B、C、D，在 A 點(diǎn)位放置激發(fā)探頭，在 B、C、D點(diǎn)位放置接收探頭，按照點(diǎn)位將4個(gè)導(dǎo)波探頭相應(yīng)簡(jiǎn)稱為 A探頭、B探頭、C探頭以及 D探頭，氣瓶及探頭位置設(shè)置見圖3。A、B、C、D點(diǎn)距中心為75 cm。分別以A探頭和B探頭為激發(fā)探頭進(jìn)行檢測(cè)，得到無缺陷氣瓶上各接收探頭導(dǎo)波信號(hào)圖，見圖4和圖5。

圖3 無缺陷儲(chǔ)氫氣瓶上導(dǎo)波探頭位置設(shè)置示圖

圖4 A探頭為激發(fā)探頭時(shí)無缺陷儲(chǔ)氫氣瓶上各接收探頭導(dǎo)波信號(hào)圖

圖5 B探頭為激發(fā)探頭時(shí)無缺陷儲(chǔ)氫氣瓶上各接收探頭導(dǎo)波信號(hào)圖

3.6.2 散射信號(hào)采集

在該結(jié)構(gòu)上布置缺陷再獲得一組散射信號(hào)。在同一氣瓶上刻出人工缺陷，人工缺陷的尺寸深度為 0.25 mm，長(zhǎng)度為 25 mm。 A、B、C、D 點(diǎn)距人工缺陷為75 cm。儲(chǔ)氫氣瓶上人工缺陷及探頭位置設(shè)置見圖6。

圖6 儲(chǔ)氫氣瓶上人工缺陷及導(dǎo)波探頭位置設(shè)置示圖

分別以A探頭和B探頭為激發(fā)探頭進(jìn)行檢測(cè)，得到缺陷氣瓶上各接收探頭導(dǎo)波信號(hào)圖，見圖7和圖8。

圖7 A探頭為激發(fā)探頭時(shí)缺陷儲(chǔ)氫氣瓶上各接收探頭導(dǎo)波信號(hào)圖

圖8 B探頭為激發(fā)探頭時(shí)缺陷儲(chǔ)氫氣瓶上各接收探頭導(dǎo)波信號(hào)圖

3.6.3 損傷定位分析

以A探頭為激發(fā)探頭、其他 3個(gè)探頭（B、C、D探頭）為接收探頭時(shí)得到的儲(chǔ)氫氣瓶導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果圖4和圖7為例，進(jìn)行損傷定位分析?；诘玫降膿p傷分析結(jié)果，對(duì)上述設(shè)計(jì)的導(dǎo)波檢測(cè)探頭性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

用圖4上表示的健康信號(hào)減去圖7上對(duì)應(yīng)位置表示損傷信號(hào)計(jì)算各個(gè)離散點(diǎn)的幅值差，帶入圖4、圖7,如果用1表示 A的位置，2表示 B的位置，3表示C的位置，4表示D的位置，則D12表示將A點(diǎn)設(shè)定為激發(fā)信號(hào)，將B點(diǎn)設(shè)定為接收信號(hào)得到的基準(zhǔn)信號(hào)與缺陷信號(hào)的差值，依次類推可以得出 D13、D14、D21、D23、D24 等信號(hào)的差值，該差值應(yīng)為以時(shí)間為橫坐標(biāo)的一系列的包絡(luò)差值，由前述3.5的原理可以得出各信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的最大差值計(jì)算值。用同樣的方法處理圖5和圖8，最終確定出時(shí)間，并用時(shí)間乘以導(dǎo)波的群速度確定出缺陷位置圖。

通過matlab程序得到的儲(chǔ)氫氣瓶超聲導(dǎo)波檢測(cè)最終損傷定位結(jié)果見圖9。由圖9可以看出，缺陷長(zhǎng)度約為25 mm，橫坐標(biāo)為75 mm，縱坐標(biāo)為75 mm。與前述的人工缺陷的尺寸長(zhǎng)度為25 mm，且A、B、C、D點(diǎn)距人工缺陷為75 cm一致。由此可以得出，該探頭能夠利用磁鐵進(jìn)行工件上的磁致伸縮，有效激勵(lì)出導(dǎo)波，并且能夠準(zhǔn)確反應(yīng)出缺陷大致形狀與位置。

圖9 儲(chǔ)氫氣瓶模擬裂紋缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)損傷定位圖

4 結(jié)語

氫燃料電池車的應(yīng)用對(duì)解決全球性的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染具有積極意義。車載儲(chǔ)氫技術(shù)直接影響氫燃料電池汽車的續(xù)航里程和成本等，是氫燃料電池車發(fā)展的關(guān)鍵。

文中設(shè)計(jì)的超聲導(dǎo)波探頭通過高性能磁致伸縮帶激勵(lì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波，不再需要單獨(dú)進(jìn)行磁化操作，降低了職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有導(dǎo)波能量大、檢測(cè)靈敏度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。該探頭還可以應(yīng)用于氣瓶變截面處、瓶口處等缺陷高發(fā)部位的局部超聲導(dǎo)波檢測(cè)，可以固定在含缺陷的氣瓶上進(jìn)行缺陷監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步突破導(dǎo)波設(shè)備的技術(shù)瓶頸，結(jié)合智能數(shù)據(jù)分析軟件，實(shí)現(xiàn)不同損傷程度的儲(chǔ)氫氣瓶的在線或離線精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，是進(jìn)一步研究的方向。