風機葉片缺陷的無損檢測方法比較與評價

劉 雙，胡 斌，賀 鑄，李運濤

（1.武漢科技大學，材料與冶金學院，武漢 430081；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

風能是綠色的可再生能源，有良好的發展前景。我國可開發的風能潛力巨大，資源豐富，總的風能可開發量約有1000～1500GW。可見，風電有潛力成為未來能源結構中重要的組成部分［1］。因此風力發電的發展也備受關注，而風機葉片是風電機組的重要組成部分，是關鍵部件之一，其成本占裝機成本的20%左右，也是捕獲風能的裝置，其性能的好壞和使用壽命的長短直接影響著風電的正常運行和系統的效率。因此，葉片的可靠性和安全性顯得尤為重要，它是保障風機正常運行的關鍵所在。

風機葉片一般由玻璃纖維復合材料制成，因其制造工藝的復雜性，在成型過程中難免會出現缺陷。另外，由于工作環境的惡劣性與工況的復雜多變性，在運行過程中也會出現不同程度的損傷。通過對文獻的調研了解到，目前，對于風機葉片的無損檢測方法主要有X 射線、超聲波、聲發射、光纖傳感器、紅外熱成像檢測技術等。但每種檢測方法都具有各自的優點和局限性，而且并沒有完善的標準來規定檢測方法的適用階段。

就以上問題，筆者首先對葉片產生缺陷和損傷的原因進行了分析，其次是對無損檢測方法的特點和適用性進行了比較，最后對檢測方法的適用階段和存在的問題進行了總結。

1 風機葉片的缺陷和損傷原因分析

風機葉片產生缺陷的原因是多方面的，在生產制造過程中，會出現孔隙、分層和夾雜等典型缺陷。孔隙缺陷主要是由于樹脂與纖維浸潤不良，空氣排擠不完全等因素造成；分層缺陷主要是因為樹脂用量不夠，二次成形等；夾雜缺陷的產生主要是由于加工過程中的異物混入。

此外，葉片在運輸和安裝過程中，由于葉片本身尺寸和自重較大而且具有一定的彈性。因此，一定要做好保護葉片的工作，以防產生內部損傷。值得注意的是，風機在運行過程中葉片也會出現不同程度的損傷，其主要缺陷類型有裂紋、斷裂和基體老化等，外界沖擊是產生裂紋的主要原因，斷裂通常是由缺陷損傷累積引起的，風機在正常運行情況下葉片不會發生突然斷裂，而基體老化是由于風機葉片長期工作在沙塵、雨水和鹽霧腐蝕的惡劣條件下造成的。

在生產、安裝和運行過程中對葉片進行無損檢測，一方面可以促進對損傷失效特征及失效模式方面的研究，另一方面可以避免運行事故的發生。因此，針對缺陷和損傷產生的階段，制定出一套適用于風機葉片的檢測方案，對保障風機安全運行和提高葉片的使用壽命具有重要意義。

2 無損檢測方法的比較與評價

無損檢測是建立在現代科學技術基礎上的一門應用型技術學科，其特點是在不損壞被檢測物體結構的前提下，應用物理方法檢測物體的物理性能、狀態特性以及內部結構，檢查其是否存在缺陷，從而判斷出被檢測物是否合格，進而對其評價。

應用在工業上的無損檢測方法有射線、超聲波、磁粉、滲透、渦流等五大常規無損檢測技術。此外，還有非常規無損檢測技術，主要包括聲發射、紅外熱成像、微波等。下面針對檢測風機葉片的幾種方法進行比較與評價。

2.1 X射線檢測技術

射線檢測技術是五大常規無損檢測方法之一，在工業上有著廣泛的應用。X 射線能夠穿透物體，如果物體某些區域存在缺陷，它將改變物體對射線的衰減，引起透射射線強度的變化，采用膠片感光成像方法，就可以判斷物體是否存在缺陷以及缺陷的位置和大小。

對于風電葉片而言，何杰等［2］表明X 射線技術是檢測風電葉片中孔隙和夾雜等體積型缺陷的良好方法，可以檢測垂直于葉片表面的裂紋，對樹脂、纖維聚集有一定的檢測能力，也可以測量小厚度風電葉片鋪層中的纖維彎曲等缺陷，但對風電葉片中常見的分層缺陷和平行于葉片表面的裂紋不敏感，文獻中對孔隙和夾雜等缺陷進行了檢測，從結果中可以觀察到缺陷的存在，可滿足葉片出廠前的檢測，能夠進行定性分析。中北大學電子測試國防重點實驗室的研究人員將X 射線與現代測試理論相結合，在數字圖像處理階段，通過小波變換與圖像分解理論，將一幅圖像分解為大小、位置和方向等不同的分量，改變小波變換域中的某些參數的大小，實時地識別出X 射線圖像中的內部缺陷［3］。朱省初等［4］通過試驗的方法驗證了不同工藝條件下的缺陷檢出情況，并表明進行射線探傷的工藝管理是非常必要的。綜上可知，在試驗條件下，X 射線檢測技術可實現對風機葉片的缺陷檢測。

對于在役風機葉片，由于受現場因素的影響及高度的限制，使用X 射線檢測方法很難實現現場檢測，但對于風機葉片的體積缺陷有一定的檢出能力，由于受葉片尺寸的限制，該方法還未廣泛地應用于葉片的全尺寸檢測。

2.2 超聲波檢測技術

超聲波檢測法的原理是利用復合材料本身和缺陷處的聲學性質對超聲波傳播路徑的影響來檢測材料內部或表面缺陷。在五大常規無損檢測技術中，由于其具有檢測對象范圍廣、檢測深度大，缺陷定位準確、速度快以及便于現場使用等特點，所以是國內外應用最廣泛、使用頻率最高且發展較快的一種無損檢技術。

超聲波檢測技術比較適用于風機葉片成型后的檢驗。此時，風機葉片還未安裝，檢測的目的是為了保證風機葉片的出廠品質。利用超聲波檢測技術可以有效地檢測厚度的變化，能夠顯示出產品的內在缺陷，如分層、夾雜、氣孔、缺少膠黏劑以及脫黏等缺陷，從而可大幅度降低葉片失效的風險。由于復合材料結構具有明顯的各向異性，會產生反射、散射及衰減的影響，使得超聲波在復合材料多層結構中的傳播變得復雜，針對風機葉片結構的超聲波檢測方法主要有脈沖回波法［5］和空氣耦合超聲導波法［6］。文獻［2］和［5］中的研究都表明高頻的超聲波換能器可有效檢測風電葉片表層附近的內部分層缺陷，而低頻的超聲波換能器可用于檢測深層的分層缺陷和厚度變化。文獻［6］中的研究表明空氣耦合超聲波導波檢測方法可有效地檢測風電葉片的分層、缺膠等內部結構缺陷，可以初步得到缺陷的幾何形狀和尺寸大小。凡麗梅等［7］通過仿真軟件，得到了檢測的最佳工藝條件，并模擬檢測了埋深分別為1，5，9mm 的內部缺陷。文獻［8］中表明超聲波檢測手段很難檢測出復雜缺陷或微小缺陷，較難進行實時動態監測。以上的研究說明了超聲波檢測技術對于風機葉片缺陷檢測的可行性，但較難實現動態監測。

由于該方法檢測周期長，對不同類型的缺陷需使用不同規格的探頭，在檢測過程中需使用耦合劑，也是局限性所在。所以，對于實時的動態監測，超聲波檢測技術很難實現，但可以進行出廠前的靜態檢測。

2.3 聲發射檢測技術

聲發射是指伴隨固體材料在斷裂時釋放儲存的能量產生彈性波的現象。聲發射檢測方法是通過接收和分析材料的聲發射信號來評定材料性能或結構完整性的無損檢測方法，探測到的能量來自被測物體本身，在許多方面不同于其它常規無損檢測方法，它是一種動態非破壞檢測技術。該方法具有高效率、長距離、可實現在線監測等優點。

韓敬宇等［9］首先對風機葉片的裂紋產生機理進行了分析，并認為裂紋的擴展主要是因為葉片在運行過程中的振動和停車以及環境因素的影響，都會造成裂紋的加深、加長、加寬，嚴重威脅著葉片的安全。所以，對于葉片裂紋的檢測是非常重要的。隨后，對可以測量裂紋萌生及擴展的四種方法進行了比較，綜合考慮了各方法的優勢和局限性，最終采用了聲發射技術對葉片裂紋故障進行監測，結果表明該方法可實現對風機葉片裂紋的監測。鄔冠華等［10］以施加載荷的方式對復合材料損傷過程中發出的信號特征進行了試驗研究，并表明隨著加載時間的持續，聲發射信號有明顯突增，各種表征信號量急劇增加。可見，聲發射檢測技術可對裂紋的萌生和擴展進行動態監測，進而能夠有效檢測出風機葉片結構的完整性，評價缺陷的實際危害程度，可預防意外事故的發生。在檢測過程中，接收的信號是缺陷在應力作用下自發產生的，但在實際應用中，由于聲發射對環境因素十分敏感，因此對監測系統會造成干擾，影響檢測的準確性，所以很難對缺陷進行定量分析，但是能夠提供缺陷在應力作用下的動態信息，對于壽命評估有一定的優勢，可對葉片進行安全評價。綜上所述，聲發射技術可有效的檢測出葉片裂紋等缺陷，對實時的獲取葉片動態信息有很好的幫助。

該方法與超聲波法相比，在檢測靜態葉片品質方面沒有優勢，然而，由于該技術對被檢件的接近要求不高，因而比較適用于在役風機葉片的實時監測，采用多傳感器長距離布置的方式，能夠接收到葉片在運行過程中所產生的聲發射信號，通過后處理，可以獲得損傷部位的動態信息。采用該方法對葉片進行監測，主要是因為葉片在運行過程中，會受到外力作用，進而產生應力集中現象，缺陷處在外力作用下會自發的產生信號，這樣就能夠判斷出缺陷產生的位置。

2.4 光纖傳感器檢測技術

光纖傳感器的基本原理是當葉片內部產生纖維斷裂、基體開裂和脫膠等損傷時，埋入構件內的光纖將隨之斷裂，光纖輸出端將探測不到光，以此便可以判斷出損傷的位置、大小及趨勢等。

在風機葉片的關鍵位置埋入光纖傳感器陣列，探測其在加工、成型及服役的動態過程中內部應力、應變的變化，并對外力、疲勞等引起的變形、裂紋進行實時監測，可實現對風機葉片的狀態監測與損傷評估［11］。南京航空航天大學飛行器系的研究人員基于復合材料層板中的多方位多模光纖網絡的特點，針對檢測層板內部發生的多處橫向沖擊損傷提出了重構算法；通過檢測系統獲得的圖像信號，可實時、定量、直觀重構并顯示出層板內部的損傷位置和程度，以上的研究說明了通過光纖傳感器技術可以對風機葉片進行內部損傷的監測。

光纖具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾等特點，本身既是傳感器，又能傳輸光信號，易于埋在構件中而不影響構件整體的強度，而且光纖可對內部結構參數的變化進行連續實時的安全檢測，可探測出各種原因造成的材料與結構內部損傷［12］，因此，該方法具有很好的發展前景，但由于光纖傳感器存在性能穩定性及價格方面的問題，其在應用中受到很大的限制。

2.5 紅外無損檢測技術

紅外檢測的原理是基于物體輻射特性的不同，當外部熱源對被檢物體進行熱激勵，缺陷處的表面溫度會發生變化，紅外熱像儀可實時記錄物體表面的溫度場變化，通過數據處理系統可實現對物體的缺陷分析［13］。此方法屬于非常規檢測方法，但由于其具有操作安全、靈敏度高、檢測效率高等諸多優點，近幾年受到廣泛關注。

嚴天鵬［14］針對風力機葉片常見的幾種缺陷，采用傳統的手糊成型法，使用風力機葉片特有的單向型纖維增強體和環氧樹脂基體，制作了內部含有裂縫、滲膠、分層、氣孔等四種典型缺陷的樣品。使用紅外熱成像儀，運用主動式熱成像方法，在室內環境下，對這幾種缺陷進行了檢測并作了分析。分析結果表明缺陷尺寸越大、深度越淺，冷卻過程中形成的最大表面溫差越大，越容易檢測，對于制造風力機葉片的玻璃纖維增強復合材料，熱成像技術是一種比較適用的無損檢測方法，尤為適用于常見的分層和滲膠類型的缺陷；并說明了熱載荷的均勻程度是該檢測方法的一個基本要素，這主要是由于纖維材料為各向異性材料，熱擴散率較大，內部缺陷在熱像圖上的形狀會有變形。岳大皓等［15］在對風機葉片紅外無損檢測的試驗研究中，針對生產過程中的砂眼缺陷，灌注過程中的白斑缺陷，鋪層過程中的褶皺缺陷以及固化過程中的鼓包缺陷，采用閃光燈激勵方法進行檢測。通過觀察紅外熱像圖可以觀察到這些缺陷，但對于風機葉片較深層結構的缺陷檢測還有待進一步研究。DATTOMA 等［16］利用紅外熱成像技術實現了對風機葉片結構的膠滲透、浸水和脫膠等典型缺陷的識別，試驗結果表明紅外熱成像技術可用于實驗室和現場缺陷檢測。郭天太［17］在文獻中給出了用紅外熱成像技術進行無損檢測的例子，表明采用熱像儀檢測能顯示缺陷的大小、形狀和缺陷深度。李托雅等［18］通過試驗和仿真計算兩方面證明了感應激勵紅外熱像方法在裂紋檢測中具有優勢。通過以上的研究和對文獻的調研可知，紅外熱成像檢測技術能夠檢測出玻璃纖維制葉片的幾種典型缺陷。

該方法與其他檢測方法相比，具有非接觸、可大面積遠距檢測以及操作簡單和易于實時觀察等特點，更加適用于風機葉片的現場檢測。但由于受到塔筒的高度限制，在現場檢測中有一定的局限性，考慮到光線的照射以及葉片表面溫差較小等因素，這都會對檢測結果造成不利影響，對于缺陷的檢出和定性分析有一定難度。所以，該方法在應用方面還有待進一步的開發研究，研究意義較大。

3 結語

目前，國內還沒有相對完善的方案針對風機葉片的缺陷及損傷檢測，隨著風電的快速發展以及國家的高度重視，保證風機正常運行，減少葉片破損事件的發生是首要任務，這樣不僅可以有效提高經濟效益，而且可以提高風電產業的競爭力。

結合風電產業的發展和對無損檢測方法的比較與評價，得出超聲波檢測技術適用于葉片安裝前的靜態檢測，紅外熱成像檢測技術比較適用于葉片的現場檢測，聲發射檢測技術比較適用于葉片服役過程的動態監測。

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