長管拖車鋼質內膽玻璃纖維纏繞氣瓶纖維層沖擊損傷探究

何 琦　黃 良　金明哲　王 騫　柴 森

摘 要：本文對長管拖車用大容積鋼質內膽玻璃纖維纏繞氣瓶進行落錘沖擊試驗，而后對沖擊部位進行音響敲擊劃出音響異常部位，并利用DR檢測對損傷形態及分布進行統計研究。試驗結果表明，沖擊損傷分布主要是在纏繞層的中部及上部，相同沖擊載荷作用下對不同氣瓶產生的損傷有明顯差異，隨著沖擊能量的增加，形成的空洞數量增加，空洞體積增大，沖擊產生的損傷程度增大。

關鍵詞：玻璃纖維纏繞氣瓶;沖擊試驗;音響敲擊;DR檢測

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）35-0140-04

Research on Impact Damage of Fiber Layer of Steel Liner

Fiberglass Wound Cylinder of Long Tube Trailer

HE Qi HUANG Liang JIN Mingzhe WANG Yan CHAI Sen

（China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029）

Abstract： In this paper， a drop weight impact test was performed on a large-capacity steel liner fiberglass wound cylinder of a long-tube trailer， and then the impact part was subjected to acoustic knocking to identify the abnormal part， and the DR detection was used to study the morphology and the distribution of the impact damage. The results show that the impact damage distribution is mainly in the middle and upper part of the winding layer. The damage to different cylinders under the same impact load is significantly different. As the impact energy increases， the number and the volume of voids formed increases， the degree of damage caused by the impact increases.

Keywords： fiberglass wound cylinder;impact test;acoustic percussion;DR detection

玻璃纖維增強復合材料具有比強度高、比模量高、密度低、抗疲勞性好、生產周期短、易于加工成型等優點[1-3]，與金屬材料氣瓶相比，這種材料制造的長管拖車用鋼質內膽玻璃纏繞氣瓶能顯著提高使用時的容重比和最大介質裝載量[4-6]。但是，由于使用地域、使用條件、使用頻次、客戶保養情況及氣體性質的不同，纖維纏繞氣瓶在使用過程中容易出現問題。在復合制造過程中，工藝方法、工藝參數、環境的變化均會導致壓力容器產生缺陷，常見的內部缺陷主要有以下幾種：纖維分層、纖維粉化、纏繞層斷裂等[7-9]。本研究利用沖擊試驗，在不同沖擊條件下對相關缺陷進行模擬測試。

1 試驗

1.1 沖擊試驗

本文所用纖維纏繞氣瓶尺寸為[Φ]559mm×11 580mm，玻璃纖維層厚約為12mm，鋼制內膽厚為7.4mm，數量有2只，兩只不同批次氣瓶編號分別為1和2。沖擊試驗依據有關標準對氣瓶進行沖擊。采用兩種沖擊頭：圓柱形沖頭和球形沖擊頭，在每只纏繞氣瓶上選取四個點分別進行沖擊，即采用圓柱形及球形沖擊頭在1 200J、1 500J的能量下對兩根氣瓶直筒段（各4圈，每圈3處）的24個點進行沖擊試驗，具體沖擊參數如表1所示，沖擊位置如圖1所示，纏繞瓶兩端沖擊位置為纏繞層末端。

1.2 沖擊損傷檢測

采用直徑15mm、長45mm、重20g的鋁質小錘（見圖2），對損傷部位進行音響敲擊，利用記號筆劃出異常部位輪廓，然后測出異常部位面積，面積測量精度為1mm。

在所標記出的異常部位進行DR檢測，需要的設備為射線機與平板探測器。射線機采用從德國GE公司原裝進口的ERESCO MF4便攜式工業X射線機（見圖3（a）），其陽極材料為鎢，該射線機產品技術參數如表2所示。平板探測器DXR250C-W如圖3（b）所示，該平板探測器類型為非晶硅，其技術參數如表3所示。從技術參數可知，該射線機與平板探測器基本滿足玻璃纖維纏繞氣瓶的檢測要求。

圖2 鋁質小錘

（a） 射線機

（b） 平板探測器

圖3 DR檢測設備實物圖

表2 射線機產品技術參數

2 結果與討論

2.1 音響敲擊面積測量

沖擊試驗后，宏觀來說，肉眼可見玻璃纖維層內部纖維明顯的粉化及纖維表面形成的凹坑，隨著沖擊能量的增加，凹陷深度明顯增加。利用特制小錘對沖擊部位進行音響敲擊，人們能發現它與正常部位有顯著的差異，空洞感非常明顯。對沖擊部位敲擊后，將音響異常部位輪廓標識出來，然后利用直尺進行面積測量，測量結果如表4所示。其中，序號1-1至1-4為第一只氣瓶，2-1至2-4為第二只氣瓶。

2.2 缺陷分布DR檢測

沖擊前后，依次對沖擊部位進行DR檢測。采用切向透照方式進行透照，透照參數參考射線檢測標準，同時結合現場實際情況，最終選定焦距900mm、電壓180kV、電流4mA、曝光時間20×3s。

圖4為沖擊部位在沖擊前與沖擊后的DR切向透照檢測結果，人們通過對比可以發現沖擊前后DR切向透照結果。圖4（b）中出現明顯纖維分離，圖4（c）中可見明顯纖維分層及纖維斷裂，圖4（d）中可見纖維粉化及纖維斷裂，且大部分缺陷分布于中部及其上部。

（a） 沖擊前切向透照

（b） 纖維分離

（c） 纖維分層及纖維斷裂

（d） 纖維粉化及纖維斷裂

圖4 沖擊前后DR切向透照檢測結果

3 結論

在沖擊載荷作用下，鋼質內膽玻璃纖維纏繞氣瓶的表面將產生明顯的纖維損傷，人們通過敲擊試驗能發現復合材料層內部有明顯的空洞，損傷面積隨著沖擊能量增加而最大。在相同的沖擊條件下，不同批次的氣瓶沖擊損傷差異明顯，制造單位對產品工藝及質量的控制還需要加強。球形沖擊頭對復合材料的損傷大于圓柱形沖擊頭對復合材料的損傷，相同沖擊能量條件下，沖擊接觸面積越大，損傷越小。經過DR試驗可知，沖擊試驗可以形成典型的纏繞層缺陷，如纖維分離、纖維斷裂、纖維分層級纖維粉化等，并且缺陷大部分位于復合材料的中部及其上部。

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