風電葉片拉擠主梁的超聲檢測

孫玉明,陸發青,彭超義,馮學斌,蘇世臣,陳 晨,劉明波

(株洲時代新材料科技股份有限公司，株洲 412000)

近年來，隨著風電行業相關產業技術的不斷升級，風電葉片的長度越來越長，許多國內葉片廠家涉足長度超100 m葉片的制造。在此背景下，迫切需要控制葉片的重量，進行輕量化設計。采用拉擠板材制作主梁來降低葉片重量，提高葉片強度，以獲得更優異的發電效率是行業的發展趨勢。風電葉片行業常用的拉擠板材按增強材料區分主要有玻纖(玻璃纖維)拉擠板和碳纖維拉擠板。兩種拉擠板材性能均較為優異，但玻纖拉擠板在成本方面更具有優勢，近年來應用越來越廣泛。

1 風電葉片拉擠主梁

1.1 拉擠板材的基本特性

玻纖拉擠板是(見圖1)一種連續纖維增強熱固性材料，采用傳統的拉擠成型工藝制備而成，包含基體樹脂和增強材料等成分(樹脂主要有環氧樹脂、聚氨酯等類型，增強材料主要為不同配方、不同拉伸模量的玻璃纖維)，主要應用于風電行業葉片主梁結構部件的制造。玻纖拉擠板可以根據實際的使用需求來切割長度，厚度多為5 mm，寬度有120，141 mm等規格，厚度和寬度均可定制化供應。玻纖拉擠板材主要有以下幾個特點：① 高強度、高模量；② 耐腐蝕；③ 高體積含量；④ 低孔隙率；⑤ 紗線排列直線度高。

1.2 拉擠板成型主梁特性

風電葉片主梁制作的傳統方式是先將玻纖絲編織成玻纖布，再鋪設保壓，最后灌注樹脂成型，但該編織工藝不能完全發揮纖維的材料性能，因此近年來行業內都在探索拉擠成型工藝，并以此來制作風電葉片主梁。常見方法為先采用拉擠工藝制作標準尺寸的拉擠板材，然后在主梁模具中鋪設拉擠板材(鋪設截面見圖2)，再通過真空灌注把拼裝堆垛的拉擠板材黏接起來形成主梁(主梁截面見圖3)，最后將主梁用于葉片殼體制作。但這種方法受拉擠板材鋪設作業、灌注工藝及生產環境等影響，極易在拉擠板材層間出現灌注質量問題(主梁層間灌注缺陷示例見圖4)。

圖2 拉擠板材鋪設截面示意

圖3 拉擠板材主梁截面示意

針對拉擠板成型后主梁層間灌注缺陷的檢測，目前已知的最有效，最快捷的檢測手段是超聲無損檢測。行業中常用的拉擠板材有玻纖拉擠板材和碳纖維拉擠板材，筆者以玻纖拉擠板成型主梁為對象進行研究，使用的技術和方法同樣適用于碳纖維拉擠板成型主梁。

圖4 主梁層間灌注缺陷示例

2 拉擠主梁的常規超聲檢測

采用常規超聲檢測對拉擠板主梁進行無損檢測，檢測設備為Olympus Epoch 650型檢測儀,配合Olympus V101(0.5 MHz)/V102(1 MHz)型直探頭，以水為耦合劑，采用直接接觸法檢測。檢測前需使用相同結構、工藝預制的階梯試塊完成檢測設備零點和聲速的校準。

2.1 拉擠板堆垛區域檢測

將探頭置于主梁拉擠板材堆垛區域時，儀器顯示界面可以清晰顯示出8層拉擠板材的界面回波(見圖5)。以拉擠板材堆垛區域無缺陷完好部位的底波來進行靈敏度調節，將底波調整到屏幕滿刻度的80%，并以此作為檢測靈敏度。使用半波高度法(6 dB法)進行缺陷定量，通過觀察各層拉擠板材界面回波的波幅變化來確定缺陷的深度。但該方法存在如下缺點：① 對檢測人員技能和經驗要求較高，檢測過程中操作人員需要時時關注各個界面回波波幅的變化；② 檢測所用探頭直徑為25.4 mm，待檢區域尺寸一般為90 m×0.6 m(長×寬)，檢測操作時還需要考慮區域搭接，檢測工作量過大，手動檢測效率低，不適用于現場產品的批量檢測。

圖5 拉擠主梁堆垛區域檢測回波示意

2.2 拉擠板拼接縫區域檢測

將探頭置于拉擠板材拼接縫區域，儀器顯示界面出現了回波信號丟失的現象(見圖6),此現象可以用波的衍射現象解釋。拉擠板材主梁中聲速約為3 400 m·s-1，探頭頻率為1 MHz，根據波長公式計算得到其波長約為3.4 mm，而拼接縫的間隙基本為1～3 mm，滿足發生明顯衍射現象的條件。故此區域發生衍射現象后，底面反射回波減少，因此出現了底波信號丟失的現象。因為每層拉擠板材的拼接縫均會產生衍射現象，所以直探頭檢測時拼接縫區域的灌注缺陷很容易漏檢?？梢酝ㄟ^研制定制的帶角度探頭以及改變探頭頻率，對拼接縫區域的缺陷檢測進行深入研究。

圖6 拉擠主梁拼接縫區域檢測回波示意

3 拉擠主梁的相控陣超聲檢測

采用相控陣超聲對拉擠板主梁進行無損檢測，手動掃查時采用Olympus OmniScan SX/MX2/X3檢測儀,配合Olympus 0.5L64(0.5 MHz)/1L64(1 MHz)型復合材料相控陣探頭以及單軸迷你編碼器(見圖7)。批量檢測時可使用半自動掃查系統(見圖8)，以提高檢測效率。同樣以水作為耦合劑，使用直接接觸法(探頭表面需貼探頭膜減少磨損)進行檢測，檢測前需使用相同結構、工藝預制的階梯試塊完成檢測設備零點和聲速的校準。

圖7 相控陣超聲檢測設備實物

圖8 相控陣超聲半自動掃查系統

3.1 拉擠板堆垛區域檢測

將探頭置于拉擠板材堆垛區域，儀器可以清晰顯示出各層拉擠板材的界面回波，以堆垛區域無缺陷完好部位底波來進行靈敏度調節，將底波調整到屏幕滿刻度的80%，并以此作為檢測靈敏度。調用兩個閘門，分別套住底面回波和各界面回波。通過手動TCG(時間校正增益)設置，調節底波前各界面回波波幅(建議各界面回波不超過屏幕滿刻度的40%)，底波之后的雜波可使用手動TCG調節降至最低，拉擠板材主梁相控陣超聲檢測基礎圖像如圖9所示。

圖9 拉擠主梁相控陣超聲檢測基礎圖像

檢測過程中，底面回波以不超過滿屏刻度為宜(建議波幅控制在滿屏刻度的60%～80%)。若出現超出滿屏情況，可適當降低增益，或者后期在數據分析時使用軟件增益功能將底波增高至滿屏刻度80%。當遇到層間灌注缺陷時，可在相控陣檢測儀顯示器D掃圖中看到明顯的缺陷顯示(見圖10)，待完成整個檢測面的掃查后，將數據拷貝至計算機，使用數據分析軟件進行數據判讀。

圖10 拉擠主梁灌注缺陷顯示

為方便檢測數據的分析，推薦使用Olympus TomoView軟件進行數據分析，可在B掃圖中測量缺陷長度，在D掃圖中測量缺陷寬度，結合A掃圖，可使用半波高度法(6 dB法)進行缺陷定量。

3.2 拉擠板拼接縫區域檢測

當將探頭置于拉擠板材拼接縫區域時，同樣受到衍射現象的影響，可以從C掃圖以及D掃圖中清晰發現衍射現象的影響區(見圖11)。利用軟件的測量線和參考線可以讀取衍射現象影響區的寬度。因此，在使用相控陣檢測技術檢測拉擠板材主梁拼接縫區域時，灌注缺陷也很容易漏檢。

圖11 主梁拼接縫區域的相控陣超聲檢測圖像

4 拉擠主梁相控陣超聲檢測現場應用

通過以上研究可知，針對拉擠板成型主梁的超聲檢測，推薦使用相控陣超聲檢測技術。該方法可以快速、有效地檢測出拉擠板材層間缺陷，結合相控陣數據分析軟件，可以較準確地對缺陷進行定量和定位。但對于拼接縫區域的黏接情況，受衍射現象影響，超聲檢測暫時沒有很好的辦法解決這個問題，但可以在生產過程中對拼接縫區域每層拉擠板材對接間隙加以控制，通過制程管控，降低拼接縫區域產生缺陷的幾率。

目前，國內葉片廠商主要采用以下兩種方式將拉擠板成型主梁制成葉片殼休。第一種是在主梁模具中先制作主梁，再將拉擠板成型主梁隨殼體材料一同鋪層、灌注，最終制成葉片殼體。第二種是直接將拉擠板材鋪放在葉片殼體模具中，將拉擠板材隨殼體材料一同鋪層、灌注，最終制成葉片殼體。考慮到葉片整體成型周期的要求，未來可能主要使用第二種方式進行成型。但隨之而來的檢測難點是，拉擠板材直接鋪層在殼體模具內，缺少了主梁模具擋邊的約束，拉擠板材拼接縫的間隙會放大，使得整體的拼接縫影響區域變寬，“檢測盲區”增大。第一種成型方式拼接縫影響區域為10 mm左右，而第二種成型方式拼接縫影響區域會增大到20～30 mm。此時需要技術人員重新評估檢測盲區內存在缺陷的概率，并在制程中對拼接縫間隙進行管控。

風電葉片的殼體是由結構膠將腹板與PS殼體和SS面殼體黏接而成的，結合部位是腹板和殼體上主梁區域的黏接結構，葉片截面如圖12所示。腹板與拉擠板成型主梁的黏接結構如圖13所示，該結構同樣可以使用相控陣超聲檢測技術進行檢測。

圖12 葉片截面示意

當使用相控陣超聲檢測技術檢測腹板和主梁黏接情況時，以黏接完好無缺陷的腹板底波來進行靈敏度調節，將底波調整到屏幕滿刻度的80%，并以此作為檢測靈敏度。調用兩個閘門，分別套住腹板回波和各主梁界面回波。通過手動TCG調節，可以提高或降低各界面回波波幅(建議各主梁界面回波不超過屏幕滿刻度的30%，腹板回波在屏幕滿刻度的60%左右，數據分析時使用軟件增益功能將腹板底波增高至滿屏刻度80%)，腹板底波之后的雜波可使用手動TCG降至最低，腹板與拉擠板材主梁黏接拼接縫區域相控陣超聲信號如圖14所示。

圖13 腹板與拉擠板成型主梁的黏接結構示意

圖14 腹板與拉擠主梁黏接拼接縫區域相控陣超聲信號

需要注意的是,該結構同樣會受到拉擠板材拼接縫衍射現象的影響，無法顯示出拼接縫影響區域的腹板底波(拼接縫區域無回波信號)，腹板與主梁黏接的拼接縫區域同樣存在檢測盲區問題[腹板與拉擠板材主梁黏接拼接縫區域信號丟失圖像見圖14(b)]，故還需要開發其他檢測方法對其實施有效檢測。

5 結語

對風電葉片行業中拉擠板成型主梁的超聲檢測進行了研究，對比了常規超聲檢測和相控陣超聲檢測結果，總結了一套適合現場應用的超聲檢測方法。該方法可為風電葉片產品的可靠性提供支撐，為拉擠板成型主梁的推廣應用提供一定保障。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測技術優秀論文評選”活動優勝獎。