黄 良,金明哲,何 琦,王 骞,柴 森

(中国特种设备检测研究院,北京 100029)

0 引言

长管拖车作为重要的天然气运输设备，随着我国天然气用量的不断攀升而持续发展。在车辆总体尺寸和总重量的限制下，长管拖车需要通过提高容重比，以提高气体运输效率。长管拖车发展趋势主要体现在大型化和轻型化两个方向[1]。大型化主要是增加气瓶的长度与外径，目前气瓶长度达到将近12 m，外径达到720 mm左右，现有技术已经很难通过增加尺寸提高容重比；轻型化主要是采用复合材料以减轻气瓶重量。已投入市场使用的钢内胆玻璃纤维环缠绕气瓶，在相同工作压力下，缠绕气瓶重量只有钢质气瓶重量的2/3，其容重比相对于钢质气瓶提高大约70%[2]。缠绕瓶长管拖车已经在天然气市场形成了相当的保有量，且陆续有企业在积极研制缠绕瓶长管拖车。采用复合材料的气瓶轻量化，是未来长管拖车发展的重要趋势之一。

长管拖车用复合气瓶通常在钢质内胆外表面采用玻璃纤维或碳纤维缠绕(见图 1)，纤维层一般要承载一半以上的内压载荷，外层的纤维受到碰撞和刮擦后极易损伤，纤维层是整个复合气瓶的相对薄弱点，也是保证气瓶安全使用的关键点。复合材料气瓶在制造、存放、运输和使用过程中会不可避免地受到外来物的低速冲击[3-4]。复合材料结构的冲击损伤破坏模式主要表现为侵入、基体开裂、纤维断裂、纤维与基体界面脱胶开裂和分层等[5]。在复合材料气瓶直筒段位置处，缠绕层纤维断裂与基体开裂首先发生在内层，然后再发展到外层破坏[4]。

图1 纤维缠绕气瓶结构示意

纤维缠绕层存在各向异性，声能衰减大，且无磁性等情况，大多数常规检测方法难以对其有效检测。目前应用于检测纤维缠绕层损伤的主要有如下检测方法：红外热成像、激光剪切散斑、声发射、超声导波、超声相控阵和数字射线检测等。金国锋等[6]对厚度3～4 mm的复合材料采用超声红外热波方法进行检测研究,结果表明，超声热波方法对碳纤维复合材料上扩展深度大于1.8 mm的裂纹，深度1 mm、直径15 mm以上的分层以及冲击能量28.7 J的冲击损伤等界面贴合型缺陷能够实现快速检测和识别；而对脱黏等非界面贴合型缺陷检测无效果。激光电子剪切散斑干涉成像技术(ESPI)是20世纪80年代兴起的、用于表面变形测量的新型光学技术，Choi等[7]针对复合材料蜂窝结构中冲击引起的分层，开展了ESPI方法的可检性试验研究，并验证了其可行性。杨思民等[8-11]分别对声发射检测复合材料成果进行了报道，表明声发射检测能够在复合气瓶的结构完整性评价方面提供重要的指标，费利西蒂比与爆破强度存在着较高对应关系，并且能够对爆破强度合格与否作出预测；但该方法只能确定缺陷的大致位置，而不能确定缺陷的大小。刘松平等[12]报道了超声导波(Ultrasound Guided Wave)在检测航空复合材料方面的研究进展，近些年的研究主要基于传统超声波激励 Lamb 波的方法和基于激光超声激励 Lamb 波的方法，目前所处的阶段以缺陷可检性和复合材料中 Lamb 波基本行为及其潜在应用的实验室探索为主。李怀富等[13]报道了他们在超声相控阵方面的研究成果，与传统超声检测相比，其检测速度快、成像效果好，能有效检出航空复合材料构件中的分层及未贴合等缺陷；但在实际检测时，也有理想焦点与实际焦点存在偏差的问题，严重时可能实际并不存在焦点，并最终会影响检测结果的准确性。但超声方法检测分层通常存在一些不足，如果存在多层分层且在一处位置上下叠加时，超声方法往往难以识别，有时甚至会出现漏检。

射线检测能够获得缺陷的直观图像，定性准确，对长度、宽度尺寸的定量也比较准确[14-16]。数字射线可利用其动态检测的功能调整照相角度，以提高对面状缺陷的检出能力。徐丽等[17]对数字射线检测能够检测非金属材料中的裂纹、分层和夹杂物,且具有较高的灵敏度进行了报道。射线能够穿透各种材质的构件检测内部埋藏缺陷，相对于上述检测方法一次检测仅能针对一种材料的情况，应用数字射线检测长管拖车钢内胆缠绕气瓶，无疑有独特的优势。

早期对复合材料的射线检测研究以胶片成像法为主。1985年，潘载德[18]采用大密度的二碘甲烷、四溴乙烷等溶剂渗入碳纤维材料板材的边缘或打孔后产生的分层，以垂直透照的方式成像获取高对比度影像。1992年，Lahirl等[19]采用切向X照相的方法检测碳纤维增强塑料管，沿纤维层厚度方向分成3段，有效检出了靠近内表面段和中间段的纤维分层与孔隙。1999年，胡绍海[20]检测了碳纤维复合材料航空构件(层压板等)，采用垂直照相法检测出构件在强迫装配过程中产生的断裂缺陷。2011年，王晓勇等[21]采用切线透照方式，分段检测碳纤维缠绕燃气瓶缠绕层，检测出缠绕层分层、层间裂纹，柱段缠绕层与衬层脱黏等缺陷。随着射线检测技术的发展，应用数字射线检测复合材料的尝试越来越多。2008年，张咏红等[22]在研究X射线实时成像检测航空复合材料关键参数的基础上，指出射线实时成像可检出裂纹和冲击损伤等缺陷。2014年，朱延霆[23]应用数字射线成像法对3.0 L呼吸器用铝内胆碳纤维复合材料气瓶进行较为全面的检测，分别应用双壁单影法和切向透照法对缠绕层的表面撞击、条形划痕和分层等缺陷实施透照，并实现了有效检出；但是未能开展纤维断裂的研究。而近几年国外复合材料 X 射线检测的研究主要集中在微结构的表征、蜂窝夹层结构中的蜂窝芯的检测。2013年，Revol等[24]报道了利用X射线散射成像方法，开展碳纤维增强树脂基复合材料层压纤维结构表征的试验研究；2014年，Dietrich等[25]采用μ-CT(Computed micro-Tomography)方法检测蜂窝夹芯微观和介观结构，试验结果表明，μ-CT对试样中夹芯结构的蜂窝芯的微观、介观结构和冲击变形有较好表征效果，利用 3D 图像分析技术可以表征蜂窝芯的几何变化和面板纤维的取向；2017年，Prade等[26]报道了在这方面的试验研究结果，采用了一种X射线向量照相法(X-ray Vector Radiography)表征短纤维增强复合材料中的纤维取向，取得了较好的试验研究效果。

从以上文献可知，射线检测能够检测复合材料的多种缺陷，包括冲击产生的纤维断裂、分层和脱黏等缺陷，早期以胶片成像法为主，且主要集中在航空用碳纤维复合材料的检测，采用数字射线检测的两种材料试样为线吸收系数较为接近的铝和碳纤维复合材料；对于纤维断裂等缺陷主要采用垂直照相法，对于分层和脱黏主要采用切向透照技术。但是上述研究均未能给出纤维裂纹检测的定量结果；对圆柱形工件切向透照同一部位要多次成像，且存在检测盲区。

本文针对长管拖车缠绕气瓶的典型冲击损伤进行数字射线检测研究，采用双壁单影法透照线吸收系数相差较大的玻璃纤维缠绕层和钢内胆，探究检测缠绕层断裂性缺陷的灵敏度；另外，采用补偿块的方法优化圆柱形工件大厚度差切向透照工艺，减少透照次数和盲区。

1 试验方法、试样制备与试验设备

本文所用长管拖车缠绕气瓶见图2，该气瓶长11 580 mm，内胆外径559 mm，钢质内胆壁厚8.5 mm，内胆材料为铬钼钢；玻璃纤维在内胆直管段总共缠绕27层，玻璃纤维树脂复合层厚度13.5 mm。由于钢的线吸收系数比玻璃纤维树脂复合层的大很多，双壁透照时要穿透2层缠绕层和2层钢内胆，所需的透照能量比透照单层缠绕层也大很多，降低了对比度。切向透照气瓶直管段缠绕层时，由于其圆环形结构，其穿透厚度由缠绕层外表面至缠绕层内表面从0增加至176 mm，一次透照时灰度变化巨大。

图2 试验用长管拖车缠绕气瓶

1.1 试验方法

缠绕层断裂性缺陷的检测灵敏度通常以能够检测的最小缺陷尺寸来进行测定和表征。在缠绕层制作不同深度的人工矩形刻槽模拟不同大小的缠绕层断裂性缺陷，通过人工刻槽的影像情况反映数字射线的检测灵敏度。纤维断裂的方向与缠绕层壁厚方向大致相同，故采用双壁单影透照进行检测，如图3所示。

图3 双壁单影透照示意

工艺参数通过工艺试验确定，工艺试验用16 mm和18 mm的阶梯试块与2层13.5 mm的缠绕层模拟透照试样，透照参数的确定,主要从图像的分辨率和灵敏度优劣来进行选择，分辨率用NB/T 47013.11—2015《承压设备无损检测》规定的双丝像质计测定；对于复合材料射线灵敏度评判的标准，目前国内主要采用GJB 1038.2A—2004《纤维增强复合材料无损检测方法 第2部分 X射线照相检验》，由于复合材料的线型像质计加工困难，且缺少可靠的封装方式，其采用的是沟槽像质计。为了更好地评判图像质量，在试验时放置与玻璃纤维复合材料密度接近的铝材线型像质计，与槽型像质计一同测定像质灵敏度。由于工艺参数受试验设备条件影响，详细的工艺参数将在下文进行确定。最终检测的灵敏度以可看到的最细刻槽深度和最细的铝像质丝确定。槽型像质计的型号、规格见表1，图样见图4，槽型像质计实物见图5；铝材线型像质计采用NB/T 47013.11—2015规定的型号和规格。工艺试验时各型像质计均放在工件靠近成像板侧。

表1 像质计型号和规格

图4 槽型像质计图样

图5 玻璃纤维槽型像质计实物

缠绕层切向透照需要分段透照的根本原因是一次透照区域内射线穿透厚度差异巨大，造成影像灰度变化巨大，为了得到符合灰度要求的影像，被迫采取分段透照的工艺。因此，要解决透照次数的问题，应从解决大穿透厚度差的方面入手。缠绕层厚度方向由内胆外表面到缠绕层外表面，穿透厚度从176 mm连续减小至0，如需减小这种厚度差异，应采用材质相同或相近的补偿块进行穿透厚度修正。如将长管拖车缠绕气瓶的缠绕层割取下来，覆盖在整个被检缠绕层区域，如图 6所示，其补偿前后的穿透厚度(BC和AD)变化根据上节所列出的尺寸，按照弦长公式计算得出相关数据，用OriginLab软件拟合得出穿透厚度与缠绕层离内胆表面距离变化关系曲线如图 7所示。

图6 切线透照穿透厚度示意

图7 补偿前后穿透厚度对比

由此可以看出，补偿后穿透厚度差异约70 mm，穿透厚度差减小一半多，但是厚度差仍然较大，而且最大穿透厚度增加至250 mm左右，所需透照电压增加，降低了主因对比度。为进一步缩减穿透厚度差并减小最大穿透厚度，应以补偿前最大穿透厚度为基准，垂直于射线方向修正补偿块，如图6中BE和CF线，理想条件下厚度差可修正为0。故补偿块设计穿透厚度定为179 mm。切向透照如图8所示。

图8 切向透照示意

其工艺试验用13层13.5 mm的缠绕纤维层试板叠加，以模拟切向透照情况,工艺参数选择方法与上述双壁单影透照一致。为了验证补偿块的效果，一是用选择的工艺透照带分层缺陷的缠绕层试样，通过可见分层的情况来进行表征；二是测定有效透照区域内的灰度范围，其灰度至少应满足NB/T 47013.11—2015的AB级规定。

1.2 试样设计及制备

缠绕层刻槽试样是在圆筒形试样环上同时制作一系列深度的环向刻槽和轴向刻槽，由于该长管拖车缠绕气瓶缠绕层为27层，单层玻璃纤维丝厚度在0.5 mm左右，设定一个单层厚度的0.5 mm刻槽。为进一步验证检测能力，根据刻槽加工精度能力，最小刻槽深度设定在0.25 mm，另设几个较深的刻槽；为模拟裂纹，槽宽宜尽量窄，以能够加工的最窄尺寸为准。人工刻槽尺寸如表2所示。

表2 人工缺陷刻槽尺寸 mm

缠绕层的分层缺陷拟用冲击试验进行制作，冲击缺陷的冲击能量根据ISO 11515—2013中的冲击试验要求选择，并且冲击2次，由于球形冲击头更易于产生冲击分层，故选择球形冲击头；先对整瓶进行落锤冲击试验后，再将冲击部位截成宽500 mm左右的圆筒形试样环进行透照试验。试样具体设计参数如表3所示。图9为检测试样的示意图。

表3 冲击试验参数

图9 检测试样示意

1.3 试验设备与透照工艺

根据现场条件，设备选用YXLON SMART EVO 300D/DS型射线机和ShadoBox HS型成像板。射线机和成像板性能参数分别见表4，5。冲击试验用落锤机冲击头质量153.3 kg，冲击头最大升限1 100 mm。

表4 数字射线机主要技术参数

表5 平板探测器主要技术参数

缠绕层断裂性缺陷，采用双壁单影法透照，透照布置时应尽量将中心射线束垂直对正透照部位中心，根据NB/T 47013.11—2015的B级像质分辨率规定，像质计应放在成像板侧，对于厚度13.5 mm的缠绕层应看到的双丝像质计丝号为D10(丝径0.1 mm)。缠绕层分层采用切向透照，透照布置时应尽量让中心射线束与透照部位对正，并与其切线方向一致，其穿透的缠绕层最大厚度179 mm左右，根据NB/T 47013.11—2015的B级像质分辨率规定应看到D8(0.16 mm)。由于在实际切向透照时，摆放像质计不方便，仅在工艺试验时在工件靠近成像板侧放置像质计。另外，在切向透照冲击试样时，在冲击部位上方放置补偿块，补偿块在报废的缠绕气瓶上切割轴向长度200 mm，补偿块中心位置应与冲击部位对正。

根据射线机焦点尺寸和成像板像素尺寸，计算得到其最佳放大倍数为1.031。由于切向透照厚度较大且为圆柱形，成像板无法紧贴透照部位，如果完全按照最佳放大倍数进行透照布置，该射线机能量不够，难以达到较佳的图像灰度。焦距双倍单影透照和切向透照选定机械参数如表 6所示。

表6 透照机械参数

双壁单影用钢阶梯试块与玻璃纤维缠绕层板叠加透照，以模拟气瓶钢内胆和缠绕层，选择阶梯试块16 mm和18 mm的两个与2倍内胆厚度(17 mm)最为接近的台阶像质来确定透照参数。透照时间根据设备情况设定为90 s。双壁单影透照参数试验数据见表7。

表7 双壁单影透照参数试验数据

注：丝号均为可识别丝号;A-h5表示A型槽型试块第h5槽可以识别

图10 电压230 kV影像

由表7可知,序号3和序号4透照参数得到的灵敏度较佳，可识别W11丝，但序号4像质丝影像可识别长度更长。其两套参数透照影像分别如图10,11所示。故双壁单影透照应选用电压235 kV的透照参数。

图11 电压235 kV影像

切向透照用厚13.5 mm玻璃纤维复合板，叠加13块板，透照时间也设定为90 s，以试验切向透照的试验参数。透照试验数据如表8所示。

表8 切向透照参数试验数据

由表8可知,序号3透照参数可识别的槽型试块深度最小，得到的灵敏度最佳，其图像如图12所示。故最终两种透照方式的最终透照参数如表9所示。

表9 双壁单影和切向透照主要透照参数

图12 电压210 kV影像

2 试验结果

2.1 双壁单影透照结果

经用试验筛选的透照工艺检测人工刻槽试块，得到环向刻槽影像见图13(a)，纵向刻槽影像见图13(b)，冲击部位影像见图13(c)。

从图13可知,环向刻槽图像和纵向刻槽图像可识别双丝像质计丝号均能达到D11，铝像质计均可看到W11号丝；环向刻槽可看到H2，但影像有断续；纵向刻槽可以看到Z1，且影响清晰完整。冲击部位图像上未能发现明显的缺陷影像。

(a)环向刻槽成像 (b)纵向刻槽成像 (c)冲击部位双壁单影成像

图13 双壁单影透照成像

2.2 切向透照结果

切向透照影像如图14所示，可以看到内胆经过冲击发生了明显的内凹变形，且缠绕层与内胆存在脱黏的情况，在整个缠绕层截面一半以上厚度范围内存在长短不一的分层影像。除了因为冲击缠绕层凹陷，在补偿块和气瓶缠绕层之间存在的缝隙影像接近饱和，其他部位影像皆可观测，在此影像纤维部分的左段、中段和右段沿缠绕层厚度方向进行了灰度测定，分别如图15～17所示。可以看出，在这3个部位的整个缠绕层厚度方向，灰度在6 561～11 911之间。

图14 缠绕层切向透照成像

图15 缠绕层右段厚度方向测定的灰度曲线

图16 缠绕层中段厚度方向测定的灰度曲线

图17 缠绕层左段厚度方向测定的灰度曲线

3 讨论

双壁单影的透照结果表明，数字射线检测拍摄出能够有效识别的0.5 mm的纵向和环向刻槽影像，尤其对于纵向刻槽的影像能够识别到0.25 mm的刻槽，而现有长管拖车缠绕气瓶缠绕层的单层厚度为0.5 mm左右；此外，此类气瓶的缠绕方式以环缠和斜缠为主，其纤维断裂主要为纵向。因此，数字射线检测对于该类气瓶缠绕层的纤维断裂具有较高的检测灵敏度。但对于同样深度的刻槽，尤其对于较浅的刻槽，纵向刻槽影像的可识别性优于环向刻槽影像，究其原因，纵向刻槽与环向刻槽最主要的差别在于，纵向刻槽与成像板和射线源的距离相对比较一致，而环向刻槽是变化的，进而造成纵向刻槽影像的几何不清晰度相对一致，边界比较清晰，环向刻槽影像几何不清晰度不一致，尤其当刻槽较浅、影像对比度较低时，不一致的清晰度造成影像识别更加困难。

切向透照的影像的三个部位的灰度范围，均在NB/T 47013.11—2015标准规定的B级像质灰度范围(6 553～13 107)之内。这3个部位灰度是切向透照影像比较有代表性的位置，由此表明切向透照采用补偿块的方法，能够很好地满足NB/T 47013.11—2015标准规定的AB级像质灰度范围要求；在切向透照影像上，不仅仅能看到缠绕层与内胆的脱黏，而且在整个厚度方向上显示出了多层的分层影像，尤其是能够看到缠绕层外表面的分层，进一步证明了添加补偿块对提高一次透照有效检测范围的有效性。采用补偿块进行切向透照的方法，一个部位不用分次透照[19，21]，更不用为提高透照宽容度而提高透照电压[21]，造成对比度的损失。

4 结论

综上所述，采用数字射线检测方法，应用双壁单影法透照17 mm钢内胆和27 mm玻璃纤维缠绕层能够检出环向刻槽的最浅深度为0.5 mm，能检出轴向刻槽的最浅深度为0.25 mm。增加补偿块切向透照的方法，成功地解决了切向一次透照成像缠绕层厚度方向影像灰度差异巨大的问题，并且整个厚度方向的缠绕层影像灰度能控制在NB/T 47013.11—2015标准规定的灰度范围内，从而消除了检测盲区，减少了透照次数，极大提高检测效率的同时，还提高了检测灵敏度，进而保证切向透照成像能够有效地发现冲击产生的分层、脱黏和内胆变形等情况。

但是，此次试验未能验证轴向刻槽和环向刻槽检测灵敏度不一致受刻槽方向影响的原因。因采用落锤冲击试验制作冲击缺陷的方法，既无法确保产生纤维断裂；亦无法精确控制纤维分层缺陷或纤维断裂的大小，故无法用实际缺陷进一步验证双壁单影法透照的灵敏度；也无法验证切向透照的检测灵敏度。以上问题有待进一步研究解决。