風電塔筒凹陷的磁記憶檢測

胡 斌,李運濤

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

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風電塔筒凹陷的磁記憶檢測

胡 斌,李運濤

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

通過用磁記憶方法檢測不同形變狀態的Q345鋼的試件，獲取了磁記憶信號曲線與形變狀態的對應關系，并確定了屈服評價臨界值。結合兩個磁記憶檢測案例，明確了磁記憶檢測技術可以用于風電塔筒凹陷部位的檢測及局部形變狀態的評價。

磁記憶；風電塔筒；凹陷；屈服

風力發電是一種重要的可再生能源，由于其具有可再生性和無污染等特點，其將成為未來能源結構的重要組成部分。至2014年底，全球風電累計裝機量達到了369.6 GW，截至目前，我國風電建設處于高速發展時期(見圖1)，裝機容量排名世界第一，達114 GW，累計裝機76 241臺，已占我國電源總裝機容量的6.2%，預計2020年將達到10%。

圖1 2008～2014年中國風電新增及累計裝機容量

風電塔筒是風機的主要承載結構件，由于所受載荷復雜多變，其失效具有突然性、毀滅性和不可修復等特點[1]。風電塔筒典型缺陷包括冶金缺陷、裝配缺陷、焊接缺陷和運行缺陷，其中冶金缺陷、裝配缺陷和焊接缺陷在制造、安裝過程中可采用磁粉和超聲等方法進行檢測。運行缺陷一部分源于上述缺陷在運行過程中的擴展；另一部分源于運行過程中載荷作用下新缺陷的萌生。這類萌生缺陷往往沒有任何預兆，會快速擴展導致塔筒的結構失效。國際上尚沒有成熟的在役風電塔筒檢測規范和標準，多采用以宏觀缺陷檢測為主的超聲、磁粉等方法[2]，無法提前預知風電塔筒的早期損傷部位。

磁記憶檢測方法是一種基于應力集中的鐵磁性材料早期診斷方法[3]，在我國多個行業得到了成功的應用[4-6]。

風電塔筒在運輸和安裝過程中偶爾發生碰撞導致構件局部屈服變形，雖然經修復后從外表難以發現這些變形，但在風載作用下易發生結構失穩等事故，如何有效檢出碰撞區域并評價其是否在塑性區是檢測人員非常關心的問題。筆者針對這一需求，采用磁記憶方法檢測并評價構件碰撞區域的損傷狀態。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

采用風電塔筒常見材料Q345鋼，并按照國際標準設計試件，先期獲取試件的拉伸曲線，然后拉伸至彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段，再停機卸載測量每個變形階段試件表面的磁記憶信號，以獲取屈服變形的臨界磁記憶特征值。

1.2 試驗設備與試件

試件的尺寸和外形如圖2所示；試驗前經過600 ℃退火處理。

圖2 試件外形及尺寸示意

試驗設備采用三思液壓萬能拉伸機和TSC-1M-4磁記憶檢測儀。

2 試驗結果與分析

根據試件拉伸曲線，選取了8個載荷點進行拉伸后卸載測量磁記憶信號，分別對應試件的彈性初期、中期、極限屈服、強化初期、強化后期、頸縮初期和后期階段；此外，還測量了試件開裂后的磁記憶信號。不同形變階段的磁記憶曲線如圖3所示。Hp-1～Hp-8對應8個載荷點的磁記憶信號，Hp-9為開裂后的磁記憶信號。

圖3 不同形變階段的試件磁記憶曲線

在拉伸過程中，磁記憶信號的幅值并未隨著變形的增加而發生顯著變化，只是在發生斷裂時出現了較大幅值的變化。圖4展示了不同形變階段的磁記憶曲線的斜率，根據磁記憶曲線斜率的變化可以將形變分成三個階段(斷裂處的斜率值遠大于這三個階段，圖4中未體現)。

圖4 不同形變階段的試件磁記憶曲線斜率

通過對多個試件的驗證試驗，得出單純形變的磁記憶曲線斜率與形變狀態具有一定的關聯性，且在屈服階段及其以后階段的磁記憶曲線斜率超過6，因此磁記憶信號的梯度值為6，并將其作為是否存在局部屈服的評價臨界值。

3 應用案例

3.1 低溫下的塔筒凹陷評價

某內蒙古風場在12月進行現場安裝時，由于起吊失誤，塔筒從運輸車上滾落導致多處出現凹陷，安裝現場最低溫度為-20 ℃，采用超聲、渦流檢測均未發現宏觀缺陷。

在凹陷部位進行回擠使得凹陷處沒有明顯的幾何變形后，采用磁記憶方法盲掃，在對凹陷處進行磁記憶檢測的同時，還采集了其他完好部位的磁記憶信號，并進行了比較，凹陷處與完好處的磁記憶信號比對如圖5所示。發現可以通過磁記憶曲線的變化，判斷出凹陷處的位置和邊緣位置，而且凹陷區的最大磁記憶梯度超過6，可以判斷該凹陷存在超過彈性形變的變形。雖然在該部位未發現宏觀缺陷，但應該在今后運行過程中重點關注。

圖5 凹陷處與完好處的磁記憶信號比對

圖6 常溫下塔筒檢測現場

圖7 山東某風場塔筒凹陷處與一凹坑處的磁記憶信號

3.2 常溫下的塔筒凹陷評價 山東某地風場的塔筒與內蒙古風場同型號發生了類似事故，塔筒出現多處凹陷。但施工方迅速采取措施將凹陷處修復并進行了噴漆處理，單從外觀也無法發現凹陷部位，常溫下塔筒檢測現場如圖6所示。

圖7為該塔筒凹陷處與凹坑處的磁記憶信號，此兩缺陷處的磁記憶信號均存在明顯的畸變，有典型的應力損傷特征，且磁記憶信號的梯度均超過9。經過施工方的確定，發現異常部位為經修復過的凹陷處。

此外，還發現一凹陷處的磁記憶異常信號，但其梯度均小于5，故不做處理。圖8為未發現屈服的凹坑磁記憶信號。

圖8 未發現屈服的凹坑磁記憶信號

4 結語

鐵磁性材料在不同拉伸階段的金屬磁記憶曲線有明顯變化，彈性區域的磁記憶信號梯度整體呈單調上升趨勢，但在屈服階段存在明顯的跳變，試驗數據顯示屈服階段的磁記憶信號梯度大于6，可以作為工件是否存在屈服變形的評價方法。

在風電塔筒的實際應用中，發現磁記憶檢測方法可以用于塔筒凹陷區域的檢出，并對凹陷處的局部形變狀態進行評價。

均勻形變的磁記憶信號特征可以通過試驗獲得，但非均勻形變的磁記憶信號影響因素眾多，僅僅通過磁記憶信號的梯度只能初步判斷是否存在屈服，尚不能評價材料變形的具體階段和狀態，還需要大量試驗和理論分析加以補充完善。

[1] 李龍，曹曉亮，徐帆，等.風電塔筒鋼板表面缺陷分類及表面質量控制[J].中國機械,2015(17):6-7.

[2] 趙麗新, 朱博文. 風力發電塔筒的無損檢測[J].科學與財富,2016,8(5):72-73.

[3] DUBOV A A. Study of metal properties using magnetic memory technique[J]. Metallovedenie I Termicheskaya Obrabotka Metallov, 1997, 9:35-39.

[4] 耿榮生,鄭勇. 航空無損檢測技術發展動態及面臨的挑戰[J]. 無損檢測, 2002, 24(1):1-5.

[5] 胡斌, 沈功田. 磁記憶檢測技術在壓力容器上的應用[J]. 無損檢測, 2015, 37(12): 75-81.

[6] 劉紅文, 鐘萬里, 何衛忠, 等. 金屬磁記憶在末級再熱器爆管分析中的應用[J]. 江西電力, 2003, 27(4): 15-17.

Magnetic Memory Testing of Hollow of Wind Power Tower

HU Bin, LI Yun-tao

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

The hollow always appears on the wind power tower during transporting and installing. The local yield deformation presented in the hollows is the main cause of the final failure of the tower. The relationship between the Magnetic memory testing (MMT) signal and the deformation state is obtained by experiment. The critical value of MMT signal to confirm the yield defamation is 6. Two case studies proved that the magnetic memory testing technology could be used for the detection of the hollow part of wind power tower and the evaluation of local deformation state.

Magnetic memory; Wind power tower; Hollow; Yield

2016-08-31

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2015BAK40B04)

胡 斌(1977-)，男，高級工程師，主要從事電磁檢測技術的研究工作。

胡 斌，E-mail:hubin@csei.org.cn。

10.11973/wsjc201611007

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0034-03