CN108318344A - 声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料气瓶检验技术，旨在提供一种声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置及方法。该装置包括通过管路连接至复合材料气瓶的水压泵，管路上设有压力表和压力传感器，水泵调节系统通过信号线分别连接压力传感器和水压泵；复合材料气瓶呈水平放置，瓶身表面布置了分别通过信号线连接至声发射检测系统的六个谐振式传感器和两个宽频传感器；声发射检测系统同时采集来自谐振式传感器和宽频传感器的声发射信号，以及来自压力传感器的压力变化数据；本发明采用宽频技术的模态式声发射，能将声发射信号波形与声发射的物理过程相联系并能采集较宽的频率范围内的波形信息。能够有效地评定复合材料气瓶的损伤状态，保证气瓶的使用安全性。

Description

声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置及方法
技术领域
本发明是关于复合材料气瓶检验技术，特别涉及一种声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置及方法。
背景技术
当前，复合材料气瓶因具有高强度、低密度、高可靠性及安全性等优点广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工等领域，但这也对气瓶的定期检验提出了较大挑战。水压试验能考察压力容器的强度，暴露其存在的缺陷，是压力容器定期检验中的一种重要方法。对于复合材料气瓶，现有标准规定定期检验需采用水压试验，但仅采用水压试验不能反映纤维缠绕层的损伤程度，其检测能力具有较大的局限性。
声发射技术作为一种无损检测方法，能够实现对复合材料的基体开裂、纤维/基体脱粘和纤维断裂等损伤形式的识别和定位，在复合材料层合板无损检测领域已得到了初步应用。目前，基于参数分析技术的谐振式声发射由于使用谐振式传感器而具有很高的灵敏度，但谐振式传感器的响应频率范围较窄，且往往会掩盖声发射源本质的信息。
此外，目前水压试验常规的加载方式是持续加压至水压试验压力，但这种方式来源于水流冲击与摩擦的干扰噪声较大。如果只是简单地将谐振式声发射与现有的水压试验技术结合，会严重影响声发射技术的检测精度。因此，探索一种适合声发射技术的水压试验加载方式和试验方法尤为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置，包括通过管路连接至复合材料气瓶的水压泵；在所述管路上设有压力表和压力传感器，水泵调节系统通过信号线分别连接压力传感器和水压泵；复合材料气瓶呈水平放置，瓶身表面布置了分别通过信号线连接至声发射检测系统的六个谐振式传感器和两个宽频传感器，谐振式传感器用于检测100～200kHz频率范围的发射源事件，宽频传感器用于检测10～1000kHz频率范围的发射源事件；声发射检测系统同时采集来自谐振式传感器和宽频传感器的声发射信号，以及来自压力传感器的压力变化数据；
谐振式传感器和两个宽频传感器的布置方式为：两个谐振式传感器分别布置在两侧封头顶部，以两个谐振式传感器及一个宽频传感器为一组沿圆周方向均匀间隔布置在一侧的封头与筒体过渡段处；两组传感器之间相互交错排列，其中任意一个传感器均与另一侧过渡段处的任意两个传感器构成三角形阵列，且两侧传感器之间的任意连线都不与复合材料气瓶的水平轴线平行。
本发明进一步提供了利用前述装置的复合材料气瓶检验方法，包括以下步骤：
(1)声速测量
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行声速测量；采用时差计算方法确定复合材料气瓶表面声速，记录各传感器的间距、平均时差和声速信息；
(2)衰减特性分析
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行声信号衰减特性实验，确定预先设定的传感器布置是否合适；具体是：在各传感器处进行断铅试验，使得最远的两个传感器之间的断铅响应频率应大于80dB；
(3)定位校准
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行定位校准；在封头与筒体过渡段处设置的每个传感器处和每三个传感器构成的三角形阵列中心部位进行断铅激励，定位校准结果要求各传感器的时差定位偏差小于10％的最大传感器间距；
(4)水压试验
将待测复合材料气瓶注满水，然后零压加压至1.5倍公称工作压力作为水压试验压力，同时确定水压试验中分级加载的曲线；
所述分级加载是指，在水压试验过程中以n个包括升压、保压、泄压的阶段性加载方式逐步升压至水压试验压力；其中，n取5～10，由公称工作压力决定(工作压力较大则n可取稍大值)；保压时间至少为4min(设置保压阶段目的是避免水流冲击与摩擦的干扰噪声对声发射信号的干扰，同时使气瓶趋于稳定，充分采集声发射信号)；泄压是指泄压至前次升压时的最大压力；在整个分级加载过程中，全程采集各传感器的声发射信号数据和压力数据。
(5)数据分析
在复合材料气瓶的声发射特征中，选择声发射撞击数和声发射幅度参数作为记录和分析对象，建立声发射撞击数和声发射幅度参数随着压力变化的趋势图，根据各压力阶段的声发射撞击数的数量和声发射信号幅值的分布情况来分析复合材料损伤变化情况。
本发明中，在注满水后正式加压之前，对待测复合材料气瓶进行最大压力5MPa的多次预压，以排除加压过程中管口连接处的摩擦噪声。
本发明中，对保压压力低于水压试验压力三分之一的分级加载阶段不设置泄压阶段。
发明原理描述：
本发明中，声发射检测系统作用是采集和处理声发射信息。水泵调节系统作用是监测并调节水压加载速度，实现对水压泵的实时调控。高频谐振传感器在特定频率范围内有良好的谐振响应，可以用来检测和评价声发射源事件。宽频传感器则在较宽的频率范围内都有较好的响应，与高低通滤波器进行搭配可以实现声发射信号波形信息的采集。
由于复合材料的各向异性特性，在声发射试验前需要确定复合材料气瓶表面声速。声速测量方法采用时差计算方法。声速测量时在气瓶上封头与筒体过渡段沿圆周方向、轴向方向分别布置传感器采集数据，记录保存传感器间距、平均时差和声速测量等信息。确定声速之后需要在气瓶表面进行声信号衰减特性实验，以确定预先设定的传感器布置方式是否合适。声速测量与衰减特性分析完成后，可以进行定位校准实验，以确定预先设定的传感器布置方式能否对信号进行定位。在复合材料气瓶水压试验过程中进行分级加载，其目的是排除升压和泄压阶段的噪声和摩擦干扰对声发射信号的影响，进而重点关注保压阶段的声发射信号。最大加载压力为水压试验压力便于应用到气瓶的定期检验。在复合材料的声发射特征中，声发射撞击数(Hits)、幅度等参数是区别复合材料构件各损伤阶段、损伤类型、力学特性的主要参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用宽频技术的模态式声发射，能将声发射信号波形与声发射的物理过程相联系并能采集较宽的频率范围内的波形信息。
2、本发明充分利用谐振式声发射与模态式声发射的优势，解决了复合材料气瓶水压试验时损伤检测的难题，进而能够有效地评定复合材料气瓶的损伤状态，保证复合材料气瓶的使用安全性。
附图说明
图1为复合材料气瓶水压试验声发射检测系统示意图。
图2为复合材料气瓶水压试验中传感器布置三维图。
图3为复合材料气瓶的声速测量传感器布置图。
图4为复合材料气瓶水压试验中分级加载的加载程序图。
图5为复合材料气瓶水压试验保压阶段撞击数与压力的变化趋势图。
图中附图标记：待测气瓶1、声发射检测系统2、压力表3、压力传感器4、水泵调节系统5、水压泵6。
具体实施方式
首先需要说明的是，本发明是声发射技术在复合材料气瓶无损检测领域的一种应用。声发射检测系统、谐振式传感器、宽频传感器均为市售产品(如美国物理声学公司的现有设备)，声速测量、衰减特性分析、定位校准、是本领域技术人员熟知的现有技术。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的复合材料声发射检测技术实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置，包括通过管路连接至复合材料气瓶的水压泵6；在所述管路上设有压力表3和压力传感器4，水泵调节系统5通过信号线分别连接压力传感器4和水压泵6；复合材料气瓶呈水平放置，瓶身表面布置了分别通过信号线连接至声发射检测系统2的六个谐振式传感器和两个宽频传感器，谐振式传感器用于检测100～200kHz频率范围的发射源事件，宽频传感器用于检测10～1000kHz频率范围的发射源事件；声发射检测系统2同时采集来自谐振式传感器和宽频传感器的声发射信号，以及来自压力传感器4的压力变化数据；
谐振式传感器和两个宽频传感器的布置方式为：两个谐振式传感器分别布置在两侧封头顶部，以两个谐振式传感器及一个宽频传感器为一组沿圆周方向均匀间隔布置在一侧的封头与筒体过渡段处；两组传感器之间相互交错排列，其中任意一个传感器均与另一侧过渡段处的任意两个传感器构成三角形阵列，且两侧传感器之间的任意连线都不与复合材料气瓶的水平轴线平行。
利用前述装置的复合材料气瓶检验方法，包括以下步骤：
(1)声速测量
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行声速测量；采用时差计算方法确定复合材料气瓶表面声速，记录各传感器的间距、平均时差和声速信息；
(2)衰减特性分析
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行声信号衰减特性实验，确定预先设定的传感器布置是否合适；具体是：在各传感器处进行断铅试验，使得最远的两个传感器之间的断铅响应频率应大于80dB；
(3)定位校准
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行定位校准；在封头与筒体过渡段处设置的每个传感器处和每三个传感器构成的三角形阵列中心部位进行断铅激励，定位校准结果要求各传感器的时差定位偏差小于10％的最大传感器间距；
(4)水压试验
将待测复合材料气瓶注满水，然后零压加压至1.5倍公称工作压力作为水压试验压力，同时确定水压试验中分级加载的曲线；
所述分级加载是指，在水压试验过程中以n个包括升压、保压、泄压的阶段性加载方式逐步升压至水压试验压力；其中，n取5～10，由公称工作压力决定(工作压力较大则n可取稍大值)；保压时间至少为4min(设置保压阶段目的是避免水流冲击与摩擦的干扰噪声对声发射信号的干扰，同时使气瓶趋于稳定，充分采集声发射信号)；泄压是指泄压至前次升压时的最大压力；在整个分级加载过程中，全程采集各传感器的声发射信号数据和压力数据。
对保压压力低于水压试验压力三分之一的分级加载阶段可以不设置泄压阶段。因为低压阶段气瓶几乎没有损伤，泄压后的保压阶段几乎没有信号，不设置泄压阶段可减少试验时间，同时低压阶段不设置泄压避免气瓶泄压后处于零压状态。所以实际上可以将分级加载分为两个阶段，前一阶段每个分级阶段升压压力为水压试验压力值除以n；后一阶段按照“泄压-保压-升压-保压”方式加压至水压试验压力，在此阶段每个分级阶段升压压力为两倍的水压试验压力值除以n，泄压压力为水压试验压力值除以n，使得每个分级阶段最终总的升压压力为水压试验压力值除以n的压力。
在注满水后正式加压之前，对待测复合材料气瓶进行最大压力5MPa的多次预压，以排除加压过程中管口连接处的摩擦噪声。
(5)数据分析
在复合材料气瓶的声发射特征中，选择声发射撞击数和声发射幅度参数作为记录和分析对象，建立声发射撞击数和声发射幅度参数随着压力变化的趋势图，根据各压力阶段的声发射撞击数的数量和声发射信号幅值的分布情况来分析复合材料损伤变化情况。
声发射撞击数(Hits)、幅度等参数是声发射领域技术人员熟知的声发射信号参数，可由声发射检测系统获得和统计。保压阶段的声发射信号避免了水流冲击与摩擦的干扰噪声对声发射信号的干扰，故重点研究保压阶段的声发射信号参数，分析水压试验下的气瓶损伤变化趋势，如撞击数(Hits)越大，气瓶损伤则越大。
具体实施例子：
本实施例中，声发射检测系统2采用美国物理声学公司的市售产品。其采集模块主要由8通道PCI-Expree声发射卡、2通道PCI-2声发射卡、2个宽频传感器和6个R15α谐振传感器等构成。其中8通道PCI-Expree与R15α谐振传感器结合构成高频声发射信号采集系统，主要监测活动性声源；PCI-2和宽频传感器结合构成宽频声发射信号采集系统，主要获取声源波形信息和模态频率样本。
传感器的布置方式如图2所示，共采用8个传感器，其中A和H传感器分别布置在上、下封头处，B、C、D传感器沿圆周方向均匀布置在气瓶上封头与筒体过渡段处，E、F、G传感器沿圆周方向均匀布置在气瓶筒体与下封头过渡段处，但B、C、D传感器与E、F、G传感器交错排布，进而构成三角形阵列。其中C、F为WD宽频传感器，A、B、D、E、G、H为R15α谐振传感器；在声发射检测的全过程中气瓶水平放置，可用固定支撑装置进行支撑以便在气瓶靠近下部的位置布置传感器。
利用前述装置的复合材料气瓶检验方法，包括以下步骤：
(1)声速测量；
在不注水不加压的空瓶上进行声速测量；采用时差计算方法确定复合材料气瓶表面声速，记录各传感器的间距、平均时差和声速测量信息；如图3所示，声速测量时在气瓶上封头与筒体过渡段沿圆周方向分别布置I传感器和J传感器，在I传感器轴向方向400mm、630mm处分别布置K传感器和L传感器。记录保存传感器间距、平均时差和声速测量等信息。声速测量是本领域技术人员熟知的现有技术。
(2)衰减特性分析；
在不注水不加压的空瓶上进行衰减特性分析；在气瓶表面进行声信号衰减特性实验，以确定预先设定的传感器布置是否合适；具体是在图2所示的各传感器处进行断铅试验，使得相距最远的两个传感器之间的断铅响应频率应大于80dB；衰减特性分析是本领域技术人员熟知的现有技术。
(3)定位校准；
在不注水不加压的空瓶上进行定位校准；声速测量与衰减特性分析完成后，可以进行定位校准实验。在图2所示的每个传感器附近和每三个传感器构成的三角形阵列中心部位进行断铅激励，要求通过时差定位的信号定位偏差小于10％最大传感器间距的偏差。定位校准是本领域技术人员熟知的现有技术。
(4)水压试验
以待测气瓶从零压加压至1.5倍公称工作压力的水压试验压力，同时确定水压试验中分级加载的曲线；加载流程如图4所示，根据待测气瓶工作压力为70MPa，最高加载压力为水压试验压力105MPa，以n个包括升压、保压、泄压的阶段性加载方式逐步升压至105MPa，此处n取10。保压时间为4min，设置保压阶段目的是避免水流冲击与摩擦的干扰噪声对声发射信号的干扰，同时使气瓶趋于稳定，充分采集声发射信号；泄压是指泄压至前次升压时的最大压力，对前几个初始低压加载的分级加载阶段不设置泄压阶段，因为低压阶段气瓶几乎没有损伤，泄压后的保压阶段几乎没有信号，不设置泄压阶段可减少试验时间，同时低压阶段不设置泄压避免气瓶泄压后处于零压状态，此分级加载阶段设置为3个，每个分级阶段升压压力为10.5MPa；后续加载按照“泄压-保压-升压-保压”方式加压至水压试验压力，在此阶段每个分级阶段升压压力为21MPa，泄压压力为10.5MPa，使得此阶段每个分级阶段最终总的升压压力为10.5MPa，此分级加载阶段设置为7个；在整个分级加载过程中，全程采集各传感器的声发射信号数据。
在对待测气瓶正式加压之前进行最大压力5MPa的多次预压，以排除加压过程中管口连接处的摩擦噪声。
(5)数据分析
在复合材料气瓶的声发射特征中，选择声发射撞击数和声发射幅度参数作为记录和分析对象，建立声发射撞击数和声发射幅度参数随着压力变化的趋势图，根据各压力阶段的声发射撞击数的数量和声发射信号幅值的分布情况(例如高幅值的声发射信号数量)来分析复合材料损伤变化情况。
在复合材料气瓶的声发射特征中，选择声发射撞击数(Hits)、幅度等参数进行分析，声发射撞击数(Hits)、幅度等参数是声发射领域技术人员熟知的声发射信号参数，可由声发射检测系统获得和统计。保压阶段的声发射信号避免了水流冲击与摩擦的干扰噪声对声发射信号的干扰，故重点研究保压阶段的声发射信号参数，分析水压试验下的气瓶损伤变化趋势，如撞击数(Hits)越大，气瓶损伤则越大。复合材料气瓶水压试验中保压阶段的撞击数(Hits)与压力的变化趋势如图5所示，可见在工作压力70MPa之前，撞击数(Hits)缓慢增大，说明气瓶损伤缓慢增加，在84MPa后撞击数(Hits)迅速增大，说明气瓶损伤快速增加。
本发明提供的声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置及方法，解决了复合材料气瓶水压试验时损伤检测的难题，进而能够有效地评定复合材料气瓶的损伤状态，保证复合材料气瓶的使用安全性。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种声发射与水压试验相结合的复合材料气瓶检验装置，包括通过管路连接至复合材料气瓶的水压泵；其特征在于，在所述管路上设有压力表和压力传感器，水泵调节系统通过信号线分别连接压力传感器和水压泵；复合材料气瓶水平放置，瓶身表面布置了分别通过信号线连接至声发射检测系统的六个谐振式传感器和两个宽频传感器，谐振式传感器用于检测100～200kHz频率范围的发射源事件，宽频传感器用于检测10～1000kHz频率范围的发射源事件；声发射检测系统同时采集来自谐振式传感器和宽频传感器的声发射信号，以及来自压力传感器的压力变化数据；
谐振式传感器和两个宽频传感器的布置方式为：两个谐振式传感器分别布置在两侧封头顶部，以两个谐振式传感器及一个宽频传感器为一组沿圆周方向均匀间隔布置在一侧的封头与筒体过渡段处；两组传感器之间相互交错排列，其中任意一个传感器均与另一侧过渡段处的任意两个传感器构成三角形阵列，且两侧传感器之间的任意连线都不与复合材料气瓶的水平轴线平行。
2.利用权利要求1所述装置的复合材料气瓶检验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)声速测量
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行声速测量；采用时差计算方法确定复合材料气瓶表面声速，记录各传感器的间距、平均时差和声速信息；
(2)衰减特性分析
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行声信号衰减特性实验，确定预先设定的传感器布置是否合适；具体是：在各传感器处进行断铅试验，使得最远的两个传感器之间的断铅响应频率应大于80dB；
(3)定位校准
在不注水不加压的复合材料气瓶上进行定位校准；在封头与筒体过渡段处设置的每个传感器处和每三个传感器构成的三角形阵列中心部位进行断铅激励，定位校准结果要求各传感器的时差定位偏差小于10％的最大传感器间距；
(4)水压试验
将待测复合材料气瓶注满水，然后零压加压至1.5倍公称工作压力作为水压试验压力，同时确定水压试验中分级加载的曲线；
所述分级加载是指，在水压试验过程中以n个包括升压、保压、泄压的阶段性加载方式逐步升压至水压试验压力；其中，n取5～10，由公称工作压力决定；保压时间至少为4min；泄压是指泄压至前次升压时的最大压力；在整个分级加载过程中，全程采集各传感器的声发射信号数据和压力数据；
(5)数据分析
在复合材料气瓶的声发射特征中，选择声发射撞击数和声发射幅度参数作为记录和分析对象，建立声发射撞击数和声发射幅度参数随着压力变化的趋势图，根据各压力阶段的声发射撞击数的数量和声发射信号幅值的分布情况来分析复合材料损伤变化情况。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在注满水后正式加压之前，对待测复合材料气瓶进行最大压力5MPa的多次预压，以排除加压过程中管口连接处的摩擦噪声。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对保压压力低于水压试验压力三分之一的分级加载阶段不设置泄压阶段。
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