CN115598220A - 一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法及系统，该方法包括：在待监测储氢罐体上布置声发射传感器，通过声发射传感器实时采集待监测储氢罐体氢脆致裂全过程产生的声发射信号；基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子；基于计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别，并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警。本发明能够灵敏监测储氢罐由于氢腐蚀产生的微裂纹，实现针对储氢罐早期缺陷的及时预警，为储氢安全事故早期预防奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及储氢罐体氢脆致裂监测预警技术领域，特别涉及一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法及系统。
背景技术
储氢罐是制氢、储氢、加氢等环节中的关键设备。随着氢能产业的迅速发展，针对储氢罐的安全监测与评估技术不断提升，其中缺陷损伤监测是评估储氢罐安全性能、计算剩余寿命和预防泄漏事故发生的重要方法。目前高压气态储氢是最常见的储氢方式，由于目前还未有能够完全阻断氢脆作用的材料投入使用，因此在该储氢条件下，储氢罐不仅受到内表面长期受压损伤和反复充放气造成的疲劳损伤，还受到氢脆作用造成应力集中。
传统的储氢罐安全性能评价主要依据材料在服役载荷下的疲劳损伤，未能针对储氢罐的工作环境建立包含疲劳损伤和氢脆应力腐蚀共同作用的缺陷损伤评价机制，造成对缺陷扩展状态的评估预警存在误差。
同时，现有的储氢罐监测系统大多为针对氢泄漏进行监测和预警，而储氢罐损伤的发现主要依赖于定期检测，工作量大且缺陷信息无法实时获取，未能建立起对储氢罐微裂纹损伤的早期监测和危险预警。
发明内容
本发明提供了一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法及系统，以解决现有的储氢罐监测技术对缺陷扩展状态的评估预警存在误差，以及现有的储氢罐监测技术工作量大且缺陷信息无法实时获取的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，所述基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法包括：
在待监测储氢罐体上布置声发射传感器，通过布置的声发射传感器实时采集所述待监测储氢罐体氢脆致裂全过程产生的声发射信号；
基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子；
基于计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别，并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警。
进一步地，所述声发射传感器的响应频率包含150kHz的频段；前置放大器与声发射传感器之间的布置距离在5m以内；当前置放大器与声发射传感器之间的布置距离无法控制在5m以内时，则选用内置前置放大器的声发射传感器。
进一步地，所述在待监测储氢罐体上布置声发射传感器，包括：
在储氢罐圆柱形罐体部分沿罐体周向交错布置多个声发射传感器，声发射传感器布置多行，构成周向菱形阵列；在罐顶中心放空口厚壁管两侧各布置一个声发射传感器，在罐底中心排污口厚壁管两侧各布置一个声发射传感器，在人孔沿罐体的纵向两侧焊缝处各布置一个声发射传感器，并沿罐底与罐顶周向等距布置多个声发射传感器；其中，任意相邻的声发射传感器间的距离不超过声发射传感器的最大检测距离；所述周向菱形阵列中位于菱形对角线两端的声发射传感器间的距离不超过声发射传感器的最大检测距离。
进一步地，所述基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子，包括：
对采集到的声发射信号进行挖掘，提取有效信息；其中，所述有效信息包括：声发射事件发生次数变化率、声发射事件发生位置变化率、声发射信号平均频率以及声发射信号能量；
基于提取的有效信息，计算实时的裂纹扩展速率；
基于计算出的裂纹扩展速率，计算应力强度因子。
进一步地，所述裂纹扩展速率的计算公式为：
其中，
表示计算出的实时的裂纹扩展速率；β(t)表示速率偏差系数；
表示声发射事件发生位置变化率；
其中，A0，A1，A2，A3，B1，B2和B3均为储氢罐体材料的声发射系数，
表示声发射事件发生次数变化率，f表示声发射信号频率，E表示声发射信号能量。
进一步地，所述应力强度因子的计算公式为：
其中，ΔK表示计算出的应力强度因子；C0，C1，C2和m为储氢罐体材料常数；p为储氢罐内部压力；
为疲劳裂纹扩展速率；φ为循环加载时间。
进一步地，所述基于计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别，并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警，包括：
当ΔK≥KIC时，判断储氢罐体裂纹危险级别为一级，此时进行一级预警，表示裂纹可致罐体失效，其中，KIC为储氢罐体材料断裂韧度常数；
当ΔK≥Kth或
时，判断储氢罐体裂纹危险级别为二级，此时进行二级预警，表示初始裂纹出现，其中，Kth为应力强度因子触发门槛常数。
另一方面，本发明还提供了一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警系统，所述基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警系统包括：
声发射传感器，用于布置在待监测储氢罐体上，以实时采集所述待监测储氢罐体氢脆致裂全过程产生的声发射信号；
信号处理模块，用于基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子；
储氢罐体裂纹危险级别判定与分级预警模块，用于基于所述信号处理模块所计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别，并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警。
再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明基于声发射技术灵敏捕捉储氢罐罐体早期由于氢脆和疲劳作用产生的微裂纹，对储氢罐服役过程中产生的裂纹长度和位置进行计算，可实时检测裂纹扩展速率和方向。同时，本发明构建了针对储氢罐服役环境的预警方法和系统，综合考虑疲劳损伤和氢脆损伤建立预警等级，从而实现了符合储氢罐服役环境的实时监测与定量评估预警，可以为储氢事故早期预防发挥作用。本发明的技术方案特别适用于储氢罐服役过程中缺陷损伤的实时监测与评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法的执行流程示意图；
图2是本发明实施例提供的声发射传感器在储氢罐罐体的布置示意图；其中，(a)为剖面图；(b)为展开图；(c)为俯视图。
附图标记说明：
1、放空口；2、安全阀接口；3、备用口；4、测温口；5、进出气口；6、爬梯；7、支座；8、排污口；9、接地板；10、声发射传感器导线管；11、人孔；12、声发射传感器；13、吊耳；14、压力表口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一实施例
本实施例提供了一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，用于针对储氢罐服役中的缺陷损伤监测和预警。该方法通过声发射技术获取裂纹缺陷信息，基于函数关系构建应力强度因子预警模型，以实现针对储氢罐早期缺陷的实时监测和早期预警，特别适用于储氢罐的氢脆致裂监测与早期预警。该方法可以由电子设备实现。该方法的执行流程如图1所示，包括以下步骤：
S1，在待监测储氢罐体上布置声发射传感器，通过布置的声发射传感器实时采集所述待监测储氢罐体氢脆致裂全过程产生的声发射信号；
其中，声发射传感器的响应频率应包含150kHz附近的频段；前置放大器与声发射传感器之间的布置距离在5m以内；当前置放大器与声发射传感器之间的布置距离无法控制在5m以内时，则选用内置前置放大器的声发射传感器替代。
进一步地，如图2所示，在待监测储氢罐体上布置声发射传感器12时，布置方式为：在储氢罐圆柱形罐体部分沿罐体周向交错布置多个声发射传感器12，声发射传感器12布置多行，构成周向菱形阵列；在罐顶中心放空口1厚壁管两侧各布置一个声发射传感器12，在罐底中心排污口8厚壁管两侧各布置一个声发射传感器12，在人孔11沿罐体的纵向两侧焊缝附近各布置一个声发射传感器12，并沿罐底与罐顶周向等距布置多个声发射传感器12；其中，任意相邻的声发射传感器12之间的距离不超过声发射传感器12的最大检测距离；周向菱形阵列中位于菱形对角线两端的声发射传感器12之间的距离不超过声发射传感器12的最大检测距离。
具体地，请参阅图2，在本实施例中，储氢罐总容积为13.9m3，其中，圆柱罐体高度为4.76m，直径为1.80m，罐顶和罐底直径为1.35m。声发射传感器12在储氢罐罐体部分沿罐体周向交错布置三行，每行布置四个；罐顶中心放空口1厚壁管两侧各布置一个；罐底中心排污口8厚壁管两侧各布置一个；人孔沿纵向两侧各布置一个，总计18个。在满足该布置方式的前提下，声发射传感器12布置位置尽量靠近接管焊缝处。
S2，基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子；
具体地，在本实施例中，上述S2包括以下步骤：
S21，对采集到的声发射信号进行挖掘，提取有效信息，以确定微裂纹是否产生及产生位置；其中，所述有效信息包括：声发射事件发生次数变化率、声发射事件发生位置变化率、声发射信号平均频率以及声发射信号能量；
具体地，S21的实现过程为：根据实际环境噪声设定门槛值，产生声发射事件次数记为事件计数n，n≥0时触发，从零开始计时，计算事件计数变化率
根据声发射软件的定位模型确定事件的实时位置坐标(x,y,z)，计算位置变化率
并获取声发射信号平均频率
和声发射信号能量E。
声发射信号平均频率
和信号能量E分别通过如下式子计算：
其中，z(t)为声发射原始信号序列，f为原始信号的瞬时频率，Z(f)是信号z(t)的傅里叶变换。
S22，基于提取的有效信息，计算实时的裂纹扩展速率；
其中，裂纹扩展速率的计算公式为：
其中，
表示计算出的实时的裂纹扩展速率；β(t)表示速率偏差系数；
其中，A0，A1，A2，A3，B1，B2和B3均为储氢罐体材料的声发射系数，f表示声发射信号频率，E表示声发射信号能量。
具体地，在本实施例中，储氢罐体材料的声发射系数均通过实验确定，实验采用与本实施例中的储氢罐所用材料与处理工艺均相同的试样进行。
S23，基于计算出的裂纹扩展速率，计算应力强度因子。
其中，应力强度因子的计算公式为：
其中，ΔK表示计算出的应力强度因子；C0，C1，C2和m为储氢罐体材料常数；p为储氢罐内部压力；
为疲劳裂纹扩展速率；φ为循环加载时间。
具体地，在本实施例中，变量φ、p取决于实际工作状态，根据工艺监测系统实时数据获得，储氢罐体材料常数均通过实验确定，实验采用与本实施例中的储氢罐所用材料与处理工艺均相同的试样进行。
S3，基于计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警。
具体地，上述S3通过实时处理监测数据，给出判定结果，具体如下：
当ΔK≥KIC时，判断储氢罐体裂纹危险级别为一级，此时进行一级预警，表示裂纹可致罐体失效，其中，KIC为储氢罐体材料断裂韧度常数；
当ΔK≥Kth或
时，判断储氢罐体裂纹危险级别为二级，此时进行二级预警，表示初始裂纹出现，其中，Kth为应力强度因子触发门槛常数。
具体地，在本实施例中，KIC通过实验确定，实验采用与本实施例中的储氢罐所用材料与处理工艺均相同的试样进行；Kth通过经验公式计算，如下所示：
ΔKthCF＝(2.17±0.25)×10-3E0(MN/m3/2)
其中，E0为材料的杨氏弹性模量(单位相应为MN/m3/2)，通过实验确定，实验采用与本实施例中的储氢罐所用材料与处理工艺均相同的试样进行。
综上，本实施例提供了一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，该方法基于声发射技术灵敏捕捉储氢罐罐体早期由于氢脆和疲劳作用产生的微裂纹，对储氢罐服役过程中产生的裂纹长度和位置进行计算，可实时检测裂纹扩展速率和方向。且本方法综合考虑疲劳损伤和氢脆损伤建立预警等级，从而可灵敏监测氢脆作用造成的微裂纹，实现针对储氢罐早期缺陷的实时监测和及时预警，为储氢事故早期预防发挥作用，为储氢安全事故早期预防奠定基础。
第二实施例
本实施例提供了一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警系统，包括：
声发射传感器，用于布置在待监测储氢罐体上，以实时采集所述待监测储氢罐体氢脆致裂全过程产生的声发射信号；
信号处理模块，用于基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子；
储氢罐体裂纹危险级别判定与分级预警模块，用于基于所述信号处理模块所计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别，并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警。
本实施例的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警系统与上述第一实施例的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法相对应；其中，本实施例的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警系统中的各功能模块所实现的功能与上述第一实施例的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法中的各流程步骤一一对应；故，在此不再赘述。
第三实施例
本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。
该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。
第四实施例
本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。
此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
Claims (8)
1.一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，其特征在于，包括：
在待监测储氢罐体上布置声发射传感器，通过布置的声发射传感器实时采集所述待监测储氢罐体氢脆致裂全过程产生的声发射信号；
基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子；
基于计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别，并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警。
2.如权利要求1所述的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，其特征在于，所述声发射传感器的响应频率包含150kHz的频段；前置放大器与声发射传感器之间的布置距离在5m以内；当前置放大器与声发射传感器之间的布置距离无法控制在5m以内时，则选用内置前置放大器的声发射传感器。
3.如权利要求1所述的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，其特征在于，所述在待监测储氢罐体上布置声发射传感器，包括：
在储氢罐圆柱形罐体部分沿罐体周向交错布置多个声发射传感器，声发射传感器布置多行，构成周向菱形阵列；在罐顶中心放空口厚壁管两侧各布置一个声发射传感器，在罐底中心排污口厚壁管两侧各布置一个声发射传感器，在人孔沿罐体的纵向两侧焊缝处各布置一个声发射传感器，并沿罐底与罐顶周向等距布置多个声发射传感器；其中，任意相邻的声发射传感器间的距离不超过声发射传感器的最大检测距离；所述周向菱形阵列中位于菱形对角线两端的声发射传感器间的距离不超过声发射传感器的最大检测距离。
4.如权利要求1所述的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，其特征在于，所述基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子，包括：
对采集到的声发射信号进行挖掘，提取有效信息；其中，所述有效信息包括：声发射事件发生次数变化率、声发射事件发生位置变化率、声发射信号平均频率以及声发射信号能量；
基于提取的有效信息，计算实时的裂纹扩展速率；
基于计算出的裂纹扩展速率，计算应力强度因子。
5.如权利要求4所述的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，其特征在于，所述裂纹扩展速率的计算公式为：
其中，
表示计算出的实时的裂纹扩展速率；β(t)表示速率偏差系数；
表示声发射事件发生位置变化率；
其中，A0，A1，A2，A3，B1，B2和B3均为储氢罐体材料的声发射系数，
表示声发射事件发生次数变化率，f表示声发射信号频率，E表示声发射信号能量。
6.如权利要求5所述的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，其特征在于，所述应力强度因子的计算公式为：
其中，ΔK表示计算出的应力强度因子；C0，C1，C2和m为储氢罐体材料常数；p为储氢罐内部压力；
为疲劳裂纹扩展速率；φ为循环加载时间。
7.如权利要求6所述的基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法，其特征在于，所述基于计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别，并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警，包括：
当ΔK≥KIC时，判断储氢罐体裂纹危险级别为一级，此时进行一级预警，表示裂纹可致罐体失效，其中，KIC为储氢罐体材料断裂韧度常数；
当ΔK≥Kth或
时，判断储氢罐体裂纹危险级别为二级，此时进行二级预警，表示初始裂纹出现，其中，Kth为应力强度因子触发门槛常数。
8.一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警系统，其特征在于，包括：
声发射传感器，用于布置在待监测储氢罐体上，以实时采集所述待监测储氢罐体氢脆致裂全过程产生的声发射信号；
信号处理模块，用于基于采集到的声发射信号，计算应力强度因子；
储氢罐体裂纹危险级别判定与分级预警模块，用于基于所述信号处理模块所计算出的应力强度因子，根据预设的危险级别判定准则，实时判断储氢罐体裂纹危险级别，并根据危险级别进行储氢罐体氢脆致裂过程分级预警。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211213680.6A CN115598220A (zh) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | 一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法及系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211213680.6A CN115598220A (zh) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | 一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法及系统 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN115598220A true CN115598220A (zh) | 2023-01-13 |
Family
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| CN202211213680.6A Pending CN115598220A (zh) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | 一种基于声发射技术的储氢罐体氢脆致裂预警方法及系统 |
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| CN (1) | CN115598220A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116399545A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-07-07 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程 |
-
2022
- 2022-09-30 CN CN202211213680.6A patent/CN115598220A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116399545A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-07-07 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程 |
| CN116399545B (zh) * | 2023-06-06 | 2023-08-18 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程 |
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