《Journal of Energy Storage》：Quantitative eddy current evaluation of composite hydrogen storage vessels: Leakage localization and severity assessment for energy infrastructure
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氢泄漏安全评估方法研究：基于涡流检测的热电耦合效应分析
Type IV复合氢气存储罐泄漏检测方法研究
摘要：针对氢泄漏安全隐患，提出基于涡流检测（ECT）的热电耦合评价方法。通过实验标定碳纤维增强聚合物（CFRP）压力层的温度系数（TCR），发现其电阻率与温度呈二次关系。构建耦合热电模型，实现泄漏定位（精度0.1mm）与严重性量化（动态电阻变化率最大97.72%）。研究表明低频更适合严重性评估，中高频利于定位，并开发低成本自动成像系统。
姜尚峰|史腾飞|王腾|江金华|龚友|杨德才|吴德辉|胡云
福建厦门理工学院机械与汽车工程学院，中国厦门361024
摘要
IV型复合氢储存容器在受损后容易发生氢气泄漏，这带来了严重的安全风险。传统的无损检测方法仅限于缺陷检测，无法同时定位泄漏位置并评估泄漏严重程度。本文基于泄漏过程中局部温度变化与耐压层电阻率之间的假设相关性，提出了一种基于涡流检测（ECT）的定量评估方法，该方法能够表征泄漏过程中耐压层的电热耦合行为，从而实现泄漏位置的精确定位和严重程度的评估。首先，通过实验校准了复合耐压层的电阻温度系数（TCR），发现其遵循与金属不同的二次温度-电阻率关系。在此基础上，建立了一个泄漏过程的电热耦合仿真模型，揭示了涡流探头的电阻信号与泄漏位置和严重程度之间的关联。实验验证表明，单个涡流探头可以以0.1毫米的精度精确定位泄漏中心，并通过动态电阻变化Rs来量化泄漏严重程度，其最大变化率为97.72%，优于基准方法。参数敏感性研究表明，低频更适合严重程度评估，而中高频范围则更适用于泄漏位置定位。此外，还开发了一种自动化成像系统，为复合氢储存容器的实时健康监测提供了低成本、可行的可视化解决方案。
引言
IV型高压氢气瓶作为一种复合氢储存容器，其耐压层采用碳纤维增强聚合物（CFRP）制成。CFRP纤维的损伤或断裂会破坏气瓶的结构完整性，导致强度降低并在薄弱点发生气体泄漏。由于氢气的最小点火能量较低（0.019 mJ）[1]且易燃范围较广（4–75 vol%）[2]，泄漏可能引发火灾或爆炸的严重风险。因此，不仅要检测泄漏位置，还要评估泄漏严重程度以采取适当的对策。然而，由于裂纹通常起源于氢气瓶内部，传统的接触式检测方法往往无法有效检测。因此，必须采用无损检测（NDT）技术。
现有的氢气瓶无损检测技术包括超声波检测（UT）、磁粉检测（MT）、射线检测（RT）、红外热成像（IRT）和涡流检测（ECT）[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。虽然这些技术具有各自的优势——例如UT的高穿透深度[8]、[9]，MT的直观性[10]、[11]，RT的可靠性[12]、[13]，以及IRT的快速响应[14]、[15]——但它们主要限于裂纹检测，无法同时定位泄漏位置和量化泄漏严重程度。
相比之下，ECT具有独特的优势，如操作简便、无需耦合剂且成本低[16]。在缺陷检测方面，ECT取得了显著进展。Simm等人[17]通过实验和有限元仿真（FEM）研究了导电材料中的缺陷引起的磁场响应，强调了基于霍尔传感器的直接磁场检测的优势。Daura等人[18]进一步将ECT应用于复杂曲面结构，使用了基于无线电力传输（WPT）的柔性印刷电路（FPC）阵列，这种技术特别适合圆柱形壁面的检测。通过融合双共振特性，他们实现了高精度的3D缺陷重建。特别是针对金属接头的焊接缺陷，开发了涡流脉冲热成像方法（ECPT）。该方法利用热图像直观地识别与焊接缺陷相关的热扩散状态[19]。此外，图像处理和基于深度学习的智能识别技术的结合可以提高ECPT在缺陷表征方面的自动化水平和适应性[20]。这些研究证实了ECT在评估金属损伤方面的有效性。
此外，ECT在评估CFRP耐压层内部的损伤方面也表现出独特优势。杜等人[21]使用四种不同的ECT探头配置检测了CFRP层中的裂纹型缺陷，证明了ECT用于纤维断裂检测的可行性。吴等人[22]提出了一种基于功率损失的ECT方法，结合了涡流的电学和热效应。该方法在750 kHz频率下运行，无需昂贵的红外设备即可检测裂纹并可视化CFRP层中的纤维。张等人[23]开发了一种适用于曲面CFRP表面的柔性前端差分ECT探头，通过信号处理实现了微缺陷的高灵敏度检测。尽管这些研究为复合氢储存容器的泄漏定位提供了理论基础，但它们尚未研究CFRP的电热特性。
在氢气泄漏过程中，泄漏点周围会出现局部温度变化。这些温度异常会改变材料的电阻率，而ECT可以直接检测到这种变化[24]。通过监测这种电阻率变化，可以及时发现早期泄漏，从而采取干预措施，降低灾难性故障的风险。先前的研究探讨了温度场与ECT信号之间的相互作用。Lei等人[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]研究了激励线圈中的温度诱导漂移，而Yuan等人[31]将电磁场和温度场结合起来分析润滑油膜，展示了油膜温度对线圈阻抗的影响。Wang等人[32]研究了纳米Cu薄膜，将涡流阻抗与温度和厚度相关联。这些研究证实了ECT过程中的电磁-热耦合效应，但这种耦合机制尚未得到充分研究。这种耦合改变了传统涡流响应的控制机制，从而限制了ECT在氢基础设施结构健康监测中的有效性。
为了解决这一问题，我们通过引入电阻温度系数（TCR）来实验量化CFRP材料的电热特性关系。基于这种TCR耦合机制，我们提出了一种基于ECT的IV型氢气瓶泄漏定量评估新方法。该方法能够：i) 通过涡流响应定位泄漏位置；ii) 通过分析泄漏点附近的动态温度分布来量化泄漏严重程度。本研究通过仿真和实验验证了该方法的可行性和工业适用性，并评估了关键的实际参数，包括最佳激励频率和离壳距离容差。
实验装置
实验中使用的样品是一种正交编织层压板，尺寸为100 × 100 × 5 mm。为了模拟泄漏情况，如图16所示，通过铣削工艺在样品上制造了一个1毫米宽的泄漏缺陷。
图17展示了泄漏检测的实验装置和涡流探头。在扫描过程中，探头由移动平台控制，与样品保持0.3毫米的离壳距离。
使用单个涡流探头的意义
本研究采用单个涡流探头同时实现泄漏位置定位和严重程度量化，不同于多传感器阵列配置。这种配置在车载氢储存应用中具有特别的优势，因为这些应用对空间、重量、功耗和系统复杂度的要求较高[39]。从车辆集成角度来看，单探头架构消除了传感器同步、空间对准和异构性的需求。
结论
本文利用耐压层材料的温度依赖性电学特性，开发了一种新的定量涡流评估方法，以实现复合氢储存容器的泄漏定位和严重程度评估。通过建模、仿真分析和实验，探讨了该方法在能源基础设施中的实时健康状态评估效果和自动应用潜力。具体结论
作者贡献声明
姜尚峰：撰写——审稿与编辑、软件、资源准备。史腾飞：撰写——初稿、数据整理。王腾：撰写——审稿与编辑、资源准备、概念构思。江金华：可视化处理。龚友：撰写——审稿与编辑。杨德才：可视化处理。吴德辉：资源准备。胡云：资源准备。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52477018）、厦门市科技项目（项目编号：3502Z20231055和3502Z202572032）、厦门理工学院高层次人才项目（项目编号：YKJ24013R和YKJ23013R）、厦门市人力资源和社会保障局（项目编号：[2024]241-1）以及福建省中青年教师教育科研项目（项目编号：JAT220346）的支持。
