مخازن CNG براساس نوع مواد به‌کار رفته در آنها به چهار دسته عمده تقسیم می‌شوند:
1. مخازن تمام فلزی
2. مخازن فلزی که در قسمت استوانه‌ای مخزن با مواد کامپوزیت پوشش داده شده‌اند
3. مخازن فلزی با پوشش کامپوزیت
4. مخازن پلاستیکی که پوشش کامپوزیتی دارند.
در وسایل نقلیه حساس به وزن بالا، از مخازن نوع سوم و چهارم استفاده می‌شود. در این نوع از مخازن، مواد به‌کار رفته در بوش سیلندر، به نحوی طراحی شده است تا بتواند از نشت گاز جلوگیری کند. در بدنه آنها نیز برای تحمل فشارهای وارده، از مواد کامپوزیتی استفاده شده است.
برای ایجاد استحکام در مخزن کامپوزیت، می‌توان از فیبر ـ کربن، فایبرگلاس یا ترکیب این دو و یک رزین اپوکسی به‌عنوان اتصال‌دهنده، استفاده کرد. مخازن سوخت کامپوزیتی به علت وزن پایین، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر خستگی، بسیار مطلوب هستند، اما عموماً مقاومت کمتری در برابر خرابی ناشی از تصادم یا ضربه دارند. در نتیجه، طول عمر کم یک مخزن کامپوزیتث از جنس فیبر ـ کربن، عاملی مهم است که باعث عدم استقبال از وسایل نقلیه دارای این نوع مخازن می‌شود.
در این مقاله، به بررسی دو روش مهم انجام آزمایش کنترل کیفیت عملکرد مخازن کامپوزیتی پرداخته‌ایم که در حال حاضر در کشورهای صنعتی کاربرد چشمگیری دارند.

کاربرد گاز طبیعی به‌عنوان سوخت جایگزین در کشور ما، امروزه گسترش و توسعه چندانی نیافته است. از دلایل عمده عدم موفقیت در توسعه فرهنگ استفاده از سوخت‌های پاک و به‌طور خاص گاز طبیعی، می‌توان به دلایل زیر اشاره کرد:
1. زمان طولانی و هزینه بالای نصب مخازن در خودروها
2. عدم اعتماد مصرف‌کنندگان به ایمنی و قابلیت اطمینان مخازن
3. وزن بالای مخازن فلزی که باعث کاهش بهره‌وری خودرو می‌شود
4. عدم وجود جایگاه‌های کافی برای سوخت‌‌گیری
برای کاهش وزن مخازن و افزایش بهره‌وری خودرو، استفاده از مخازن کامپوزیتی در سال‌های اخیر مورد توجه کارشناسان قرار گرفته است. از طرفی، کاربرد این نوع مخازن موجب افزایش نگرانی مصرف‌کننده از ایمنی و قابلیت اطمینان آن شده است. با توجه به این موضوع، لزوم توسعه و به‌کارگیری روش‌های انجام آزمایش برای کنترل نحوه عملکرد مخازن کامپوزیتی، بیش از هر چیزی ضروری به‌نظر می‌رسد.

روش‌های انجام آزمایشات غیرمخرب (NDE)
تحقیقات زیادی در زمینه ارزیابی غیرمخرب در مخازن کامپوزیت انجام گرفته است. از انواع آزمایشات NDE می‌توان به‌روش‌های نظیر تست آلتراسونیک، ترموگرافی (دمانگاری)، برش‌نگاری1 و امواج آکوستیک، برای شناسایی خلل و فرج، لایه‌لایه شدگی2 نواحی با رزین زیاد و حجم پایین، اشاره کرد. سایر روش‌های NDE شامل: اکوستو ـ التراسونیک، ویبرو ـ اکوستیک، تجزیه و تحلیل وضعیت، مقاومت الکتریکی، جریان فوکو و علامت‌گذاری قطعه می‌شود.
یکی از روش‌های انجام آزمایش NDE، استفاده از حسگرهای فیبرنوری قرار داده شده در سیلندر است که بتازگی پژوهشگران به‌ استفاده از آن در کنترل کیفیت ساختار کامپوزیت روی آورده‌اند.
در این بخش، به معرفی دو روش مهم برای انجام تست‌های غیرمخرب پرداخته می‌شود که عبارتند از: استفاده از حسگرهای فیبر نوری و تست‌های آلتراسونیک.

استفاده از حسگرهای فیبر نوری در انجام آزمایش
چند روش استفاده از فیبر نوری در کنترل کیفیت سازه‌های کامپوزیتی ابداع شده است. در این روش‌ها، فیبر نوری همانند مبدلی عمل می‌کند که می‌تواند تغییرات را توسط تغییرات دامنه نور و تأخیر زمانی، شناسایی کند. با توجه به روش به‌کار گرفته شده، این تغییرات به‌طور دقیق می‌توانند به پدیده‌های فیزیکی مانند کشش (کرنش)، فشار و دما وابسته باشند. در نتیجه، با کنترل این تغییرات می‌توان سطوح کیفیت در مخزن کامپوزیت را کنترل کرد.
«چانگ» و «سرکیس» حسگرهای فیبرنوری قرار داده شده در لایه‌های کامپوزیت گرافیت ـ اپوکسی را برای ارزیابی میزان آسیب‌رسانی ضربه با حجم کم، به‌کار بردند. برای ایجاد پوشش مناسب، موضع‌یابی صحیح و ایمنی در برابر از بین رفتن پولاریزاسیون (قطبی شدگی) در کنترل این مخازن از حسگرهای غیراتالون همراستا استفاده می‌شود. فیبر نوری به علت ایمنی در برابر اختلالات الکتریکی، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری با مواد کامپوزیت و شرایط فرایند، انتخاب شده‌است.
نحوه عملکرد این فیبرنوری از طریق ایجاد فرکانسی متناوب است که در شاخص انکسار (شکست) در میان طول مشخص هسته یک فیبرنوری تک‌حالتی، ایجاد می‌شود. این ساختار متناوب باعث عملکرد مشابه یک بازتابنده با طول موج مشخص در فیبرنوری می‌شود که می‌تواند به‌عنوان شاخص نشان‌دهنده کشش (کرنش) ایجاد شده در ساختار کامپوزیت شناخته‌شود. حدود قابلیت اطمینان حسگر با توجه به بازگذاری و تغییرات جریان متناوب ایجاد شده در فیبرنوری محاسبه می‌شود.

بررسی نحوه عملکرد حسگرهای فیبرنوری
امکان کاربرد فیبرنوری در کامپوزیت برای انجام آزمایشات NDE در سیلندرهای کامپوزیتی برای تعیین میزان خرابی ناشی‌از ضربه یا تصادم، با بررسی‌های آزمایشگاهی انجام شده به اثبات رسیده است.
در این روش، رشته‌های فیبرنوری از جنس پلی‌آمید عایق گرما در بین لایه‌های مختلف پانل کامپوزیتی و یا سیلندر، به‌صورت مارپیچ نصب شده و انتهای فیبرها به وسیله کانکتورهای ST به‌هم متصل می‌شوند. همچنین از تعدادی حسگر در مرکز پانل برای اندازه‌گیری کشش نقطه‌ای در جهت‌های افقی و عمودی استفاده می‌شود.
فیبرنوری و حسگرها، به‌وسیله نگهدارنده‌های رزین، در بالای لایه‌ها قرار داده می‌شوند و بخشی از حسگرها برای اتصال‌های بعدی از لامینت بیرون می‌ماند.
بعد از اینکه قراردادن حسگرها کامل شد، پانل کامپوزیت و سر حسگر خارجی کانکتورها و سایر تجهیزات، با دقت در یک صفحه فلزی قرار گرفته و درون ظرف خلاء قرار داده می‌شود. از یک بالشتک پوشش‌دهنده فلزی جدا از سطح کامپوزیت برای حفظ یکنواختی (یکسان بودن) سطح پانل در طول عملیات استفاده می‌شود، پانل‌ها 2 ساعت در دمای 120 درجه تحت خلاء 26-29) قرار داده می‌شود.
پانل کامپوزیت برای بررسی حالات بالقوه خرابی ناشی از ضربه به 2 روش مورد آزمایش قرار می‌گیرد. روش اول، شامل بررسی دامنه نوسان تغییرات نور به‌عنوان شاخص عملکرد کشش و کرنش و در روش دوم کشش متمرکز در پانل به‌عنوان شاخص بارگذاری اندازه‌گیری می‌شود.
آزمایش اول، شامل اندازه‌گیری کشش (کرنش) پانل توسط تست هیدروستاتیک است. در این روش، بر روی مخزن سوخت، با اعمال فشارهای مختلف، از یک بازتاب سنج دامنه زمانی اپتیک با دقت یک دهم میلی‌متر برای اندازه‌گیری طول فیبر به‌عنوان شاخص فشار استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، نتایج آزمایش نشان می‌دهد در فشار متغیر بین صفر تا 24820KPa حداکثر تا 4 میلی‌متر بر طول فیبر اضافه می‌شود.
در انجام آزمایش دوم، ابزاری چکش مانند برای ضربه زدن به مرکز پانل به‌کار می‌رود. در این روش، پانل کامپوزیت با استفاده از یک نگهدارنده گوشه‌ای در یک طرف و با سر آزاد در سمت دیگر، ثابت نگه داشته می‌شود.
در اینجا خروجی مبدل نور به‌عنوان شاخص میزان تغییر از حالت بدون تنش (بدون فشار) تا کاملاً پرتنش (فشار ایجاد شده توسط نیروی به‌کار رفته در سمت آزاد) اندازه‌گیری و خرابی ایجاد شده، قابل مشاهده خواهد بود.
تجهیزات به‌کار رفته در این آزمایش که آن را «آزمایش ضربه چکش» می‌نامند، شامل یک فیکسچر با پایه عمودی برای حفظ پانل کامپوزیت و ابزاری چکش مانند برای ایجاد نیروی ضربه‌ای به پانل است. این ابزار، طوری طراحی شده است که بتواند به ارتفاع عمودی بالای نقطه تماس پانل رسیده و سپس با حرکتی نوسانی به پانل اصابت کند. برای اندازه‌گیری اندازه ضربه ایجاد شده قبل از برخورد در نوک ابزار، این وسیله به یک مکانیزم زمان‌سنج لیزری برای اندازه‌گیری نیرو، مجهز است. یک سیستم پشتیبانی فیبر نوری3 (Foss I) که یک نوسان سنج (اسیلسکوپ) را برای اندازه‌گیری کشش در یکی از حسگرها تغذیه می‌کند نیز در این آزمایش به‌کار می‌رود.
نحوه کاربرد این فیبرها در هنگام استفاده از وسیله نقلیه به‌عنوان شاخص کنترل عملیاتی مخزن، این گونه است که تعدادی فیبر با الگوی معین در مخزن جایگذاری شده که طول آنها در طول فرایند سوخت‌گیری قابل کنترل بوده و می‌توان تغییرات کلی در طول فیبر را کنترل کرد. یک اندازه‌گیری اولیه از فشار به طول فیبر قبل از به‌کار بردن مخزن باید انجام شود. در بلندمدت، در هر بار سوخت‌گیری و یا بروز تغییرات و همچنین خرابی ناشی از ضربه خارجی، می‌بایستی کنترل شود. آزمایشات انجام شده نشان می‌دهند که طول فیبر شاخص دقیقی از کشش (کرنش) در مخزن کامپوزیت است.
گفتنی است که در هر سیکل، شیب فشار دقیقاً ثابت می‌ماند. تغییرات در شیب، شاخص هر تغییری در شرایط مخزن کامپوزیتی است. از این رو به وسیله کنترل شیب فشار و طول فیبر همراه با آزمایشات ساختاری مخزن، می‌توان حدود تغییرات شیب مجاز برای حفظ شرایط عملکردی سیلندر را تعیین کرد.

تست آلتراسونیک (فراصوت)
از تست‌های آلتراسونیک اغلب در تشخیص عیوب داخل مواد و قطعات استفاده می‌شود. همچنین می‌توان این آزمایش را برای مشخص کردن ترک‌های سطحی کوچک ایجاد شده در قطعات و مواد به‌کار برد.
در روش تست غیرمخرب آلتراسونیک، از انرژی ارتعاشی مکانیکی با فرکانس بالا برای شناسایی و تعیین محل ناپیوستگی (انفصال) در ساختار و یا تفاوت در گونه‌های مواد استفاده می‌شود. این امواج، ماهیت الاستیک دارند. برای مثال، محدوده شنوایی انسان بین 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز است، اما امواج الاستیک می‌توانند فرکانسی تا 500 میلیون هرتز را نیز تولید کنند. نحوه تولید این امواج به‌وسیله برخی مواد بلوری است که دارای خاصیت پیزوالکتریک بوده و هنگامی که ولتاژی به سطوح آنها اعمال شود، تغییر بعد می‌دهند. ایجاد کرنش در این بلورها، باعث به‌وجود آمدن میدانی الکتریکی در آنها می‌شود که اندازه آن متناسب با مقدار تغییر بعد است. این مواد، مبنای کار مبدل‌های الکترومکانیکی هستند. کوارتز طبیعی، اولین ماده پیزو الکتریکی است که در این زمینه به‌کار گرفته شده است.
تکنیک‌های بازرسی ماورای صوت، شامل دو دسته عمده ذیل هستند:
1. از طریق برخورد مستقیم موج با قطعه و اندازه‌گیری با تماس بین قطعه مورد آزمایش و تستر از طریق لایه واسطه نازکی از مایع و اندازه‌گیری زاویه انعکاس و درجه میرایی موج
2. از طریق غوطه‌ورسازی قطعه مورد آزمایش در آب، در این روش قطعه مورد آزمایش در یک مخزن آب غوطه‌ور شده و تستر در بالای قطعه درون آب قرار می‌گیرد.
نحوه کاربرد امواج فراصوتی در آزمایش مخازن به این صورت است که در تستر، یک پالس الکتریکی ایجاد شده و به مبدل منتقل می‌شود این مبدل پالس الکتریکی را تبدیل به ارتعاش مکانیکی می‌کند و ارتعاشات با انرژی پایین، از بین یک مایع که مخزن در آن غوطه‌ور است، عبور می‌کند. در اینجا، به تناسب انرژی ضعیف، پراکنده، منعکس و یا برای نشان دادن شرایط ماده، تشدید می‌شود. انرژی صوتی بازتابیده یا تشدید شده مجدداً به وسیله مبدل به انرژی الکتریکی تبدیل شده و به تستری که قبلاً در آن تقویت شده بود، بازمی‌گردد. محل و دامنه انعکاس موج، شرایط ماده مورد تست را نشان می‌دهد.
در دو سیلندر آرامید ـ آلومینیم که در یک آزمایش به وسیله تست آلتراسونیک عکسبرداری شده است، یکی از سیلندرها در فشار بالا و دمای پایین، تست شده و دیگری به‌عنوان سیلندر کنترل به‌کار رفته و مورد آزمایش قرار گرفته است. این سیلندرها با پالس بازتابی ماورای صوت، اسکن شده‌اند. داده‌های تست آلتراسونیک در قسمت استوانه‌ای هر سیلندر، با کاربرد یک پوب 1 اینچ، 1مگاهرتز جمع‌آوری شده است. شکل 2 چگونگی قرار دادن مبدل در سیلندر، نحوه به دست آوردن داده‌ها و ناحیه اسکن شده را نشان می‌دهد.
در نمای تست آلتراسونیک، قسمتی از قطعه نشان داده شده که نشان‌دهنده موقعیت افقی و عمودی ترک‌های موجود است. عمق ترک با سایه‌های خاکستری و رنگی نشان داده شده است. در روش غوطه‌ورسازی، آب به‌عنوان واسطه ارتباطی عمل کرده و پروب را می‌توان به سهولت برای اندازه‌گیری و به دست آوردن داده‌ها با هدف تجزیه و تحلیل آنها به‌کار برد.
بیشترین دامنه منعکس شده، نشان‌دهنده لایه‌لایه شدگی داخل کامپوزیت است که با رنگ سفید نشان داده شده است. کمترین دامنه منعکس شده، نشان‌دهنده ناحیه‌هایی با حدود مطلوب است که با رنگ سیاه در شکل نشان داده شده است.

منابع:
1. آزمون‌های غیرمخرب، بری‌هال، ورنون جان، مترجم: دکتر مجتبی ناصریان ریابی
2. Analysis And Experimental Testing of Insulated Pressureveessels For Automotive Hydrogen Storage, S. M. Aceves J. Martinez– Frias Lawrence Livermore National Laboratory Centro de Ingenieria y Desarrollo Industria.
3. Smart Onboard Inspection Of High Pressure Gas Fuelcylinders J. ichael Starbuck and Dave L. BeshearsOak Ridge National Laboratory*
4. A. J. Rogovsky, “Ultrasonic and Thermographic Methods for NDE of Composite Parts,” Materials Evaluation, 43 (5), 547 (1985)
5. K. L. Reifsnider, “Feasibility of Useful Real– Time In- Process Evaluation of Laminates,” Polymer NDE, Technomic Publishing Co., Lancaster, PA, 1986, pp. 104- 115