基于風機葉片缺陷的超聲波檢測方法分析

章學兵,駱國防

(1.國網上海市電力公司青浦供電公司,上海 201799;2.國網上海市電力公司電力科學研究院,上海 200437)

0 引言

在“碳達峰、碳中和”背景下,推動能源轉型,打造清潔低碳、安全高效的現代能源體系,推進清潔替代和電能替代,是實現“碳中和”的重要路徑[1]。作為綠色能源的風能是實現電能替代的主力,發展前景廣闊,開發潛力巨大,資源豐富,我國總的風能可開發量有1 000～1 500 GW[2],由此可見,風電是未來電力的先進生產方向,有潛力成為未來能源結構中重要的組成部分[3]。從20世紀70年代至今,國內外風電事業蓬勃發展,裝機容量呈倍數增長,發電效率_日益提高,技術難度越來越大[4]。風機葉片是風力發電機的關鍵部件,質量可靠性是保證機組正常穩定運行的決定因素。由于風機葉片外型龐大、質量重,一旦出現事故,后果嚴重[5]。此外,在運輸和安裝過程中,由于葉片本身尺寸和重量較大且具有一定的彈性,也可能產生內部損傷[6]。風機葉片在正常運行過程中,也會出現不同程度的損傷,其主要形式有裂紋、斷裂和基體老化等[6]。

為確保葉片在野外復雜氣候條件下長期可靠運行,研究環保、有效的檢測方案是風機葉片生產廠家、使用企業的共同目標,葉片現場檢測多采用外形檢測法、目視法和敲擊法[7]。這3種方法雖然簡單,但是對檢測人員有極大的依賴性,對于葉片內部缺陷損傷難以進行準確判斷,因此風機葉片無損檢測技術越來越受到關注[8]。目前,風機葉片缺陷檢測主要依靠的無損檢測方法有超聲波檢測、紅外熱波檢測、聲發射檢測技術、X射線檢測技術[7]。紅外檢測技術可以有效檢測出玻璃纖維多層復合材料的內部缺陷,但是對于更深層結構的缺陷檢測還有待進一步研究[9];聲發射檢測技術主要適用于葉片疲勞損傷位置檢測,但其受噪聲影響較大,不適用于葉片安裝前檢測[10];X射線檢測技術對葉片空泡、夾雜等體積型缺陷有明顯優勢,對樹脂暴聚、纖維褶皺等缺陷也有一定的檢測能力,但是對葉片裂紋和分層等缺陷檢測存在一定的局限性[8]。基于上述3種方法的不足,本文采用超聲波檢測方法對風機葉片缺陷檢測的可行性進行了研究。

1 風機葉片典型結構及常見缺陷

1.1 風機葉片典型結構

風機葉片基本采用玻璃纖維蒙皮與主梁組成中空薄壁結構,由葉根、外殼和主梁3部分組成,葉根一般為金屬卷筒結構,外殼及主梁采用玻璃鋼或碳纖維等具有比強度高、比模量高、輕質、耐腐蝕的復合材料,其質量占風機質量的90%以上[11];葉片的制造一般是先在各專用模具上分別成型葉片的上下外殼、抗剪切腹板,然后再將上下外殼和主梁粘接形成一體[11],其典型截面如圖1所示。

圖1 葉片典型截面

1.2 風機葉片常見缺陷

風機葉片的常見缺陷可分為3類:制造缺陷、安裝運輸缺陷和運行缺陷[11],缺陷典型型式及其影響見表1。

表1 葉片典型型式及其影響

2 超聲波檢測基本原理

超聲波檢測是利用超聲波能透入被檢材料的深處,并由一截面進入另一截面時,在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法,當超聲波束自試件表面由探頭通至材料內部,遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波,于是就在熒光屏上形成脈沖波形,根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。正是由于聲波在葉片復合材料的傳播規律及聲波的特性,使得超聲波檢測成為葉片無損檢測非常重要和廣泛采用的檢測方法[12];與其他無損檢測方法相比,超聲波檢測方法的優點有[13]:

(1)適用于金屬、非金屬和復合材料等多種制件的無損檢測;

(2)穿透能力強,可對較大厚度范圍內的工件內部缺陷進行檢測,探測深度可達數米;

(3)對面積型缺陷檢出率較高;

(4)靈敏度高,可發現與直徑約十分之幾毫米的空氣隙反射能力相當的反射體,可檢測缺陷的大小通常可以認為是波長的1/2;

(5)在確定內部反射體的位向、大小、形狀等方面較為準確;

(6)僅須從一面接近被檢驗的物體;

(7)可立即提供缺陷檢驗結果;

(8)操作安全,設備輕便。

3 葉片缺陷超聲波檢測實驗

為驗證超聲波在風機葉片缺陷檢測中的可行性,本文采用2種耦合方式分別對2種人工缺陷試件進行檢測;在此次實驗中,超聲波檢測設備采用武漢中科創新公司生產的HS 620型數字式超聲波檢測儀,探頭采用0.5 MHzφ20直探頭,2種耦合方式為水柱法、水膜法。

采用直探頭檢測時,若探頭波束軸線無偏離,則數字式超聲波檢測儀器顯示最高波峰對應的深度值即為缺陷的實際深度值。由超聲理論可知,不同材料中超聲波的傳播速度是不同的,根據相關研究[14],本實驗中超聲波在玻璃纖維中的傳播速度設置為2 820 m/s。

3.1 耦合方式

由于葉片尺寸及表面的特殊性,常規的探頭無法對其表面進行完全耦合,為此本實驗采用水柱法和水膜法分別對試件進行檢測。水柱法耦合方式是指在探頭周圍注水,形成水層;水膜法耦合方式是指探頭和試件間有一層水,即試件在水中。

3.2 標準試樣

本實驗選用2塊典型試塊進行缺陷模擬,Ⅲ號試件為玻璃纖維材質的外殼;Ⅳ號試件為主梁和抗剪切腹板粘接位置,是玻璃纖維、膠水、玻璃纖維三層結構,Ⅲ號試件目的是驗證外殼內部缺陷的檢出能力;Ⅳ號試件目的是驗證主梁和抗剪切腹板粘接位置缺陷檢出能力。

3.3 人工缺陷設置

(1)Ⅲ號試塊缺陷設置:φ6 mm平底孔,深度6 mm,試件厚度9 mm。

(2)Ⅳ號試塊缺陷情況。缺陷1:試件底面φ6 mm平底孔,深度12 mm,試件厚度19 mm。缺陷2:試件底面φ6 mm平底孔,深度5 mm,試件厚度9 mm,如圖2所示。缺陷3:自然未粘合缺陷。該部位由3部分粘接而成,1部分的厚度1 mm,2部分的厚度9 mm,3部分厚度9 mm,如圖3所示。缺陷4:試件厚度9 mm,在深度4.5 mm位置切割了1個分割層,模擬分層缺陷,如圖4所示。

圖2 Ⅳ號試件缺陷1、2

圖3 Ⅳ號試件缺陷3

圖4 Ⅳ號試件缺陷4

3.4 實驗結果

3.4.1 Ⅲ號試塊實驗結果

采用水柱法(水層20 mm)Ⅲ號試塊缺陷的超聲波實驗檢測結果如圖5所示,檢測結果顯示最高波峰對應的深度值為27.3 mm,由于水層20 mm,缺陷實際深度值為27.3-20=7.3 mm。

3.4.2 Ⅳ號試塊實驗結果

采用水膜法耦合方式的Ⅳ試塊缺陷檢測結果如圖6所示,檢測結果顯示最高波峰對應的深度值為12.2 mm,由于是直探頭,該缺陷實際深度值為12.2 mm。

圖6 Ⅳ試塊缺陷1檢測結果

采用水柱法(水層20 mm)耦合方式的Ⅳ試塊缺陷2檢測結果如圖7所示,檢測結果顯示最高波峰對應的深度值為24.6 mm;由于水層20 mm,實際缺陷深度值為24.6-20=4.6 mm。

圖7 Ⅳ試塊缺陷2檢測結果

采用水膜法耦合方式的Ⅳ試塊粘接部位檢測結果如圖8所示,圖8(a)的檢測結果顯示深度值為9.1 mm,由于是直探頭,儀器顯示深度值就是缺陷的實際深度值;即3部分與2部分粘接部位存在未粘合;圖8(b)為深度值9.9 mm處粘接良好部位的超聲波檢測結果。

圖8 Ⅳ試塊粘接部位檢測結果

采用水柱法(水層20 mm)耦合方式的Ⅳ試塊缺陷4檢測結果如圖9所示,檢測結果顯示最高波峰對應的深度值為24.2 mm,由于水層厚度為20 mm,實際深度值為24.2-20=4.2 mm。

圖9 Ⅳ試塊缺陷4檢測結果

3.5 結果分析

通過2種試塊不同深度、不同型式的典型缺陷超聲波檢測結果發現,超聲波檢測技術進行風機葉片的內部孔隙缺陷、分層缺陷、粘接缺陷的檢測結果與實際位置基本一致;葉片內部缺陷檢測需采用水柱法耦合方式;粘接缺陷需采用水膜法耦合方式。實驗結果驗證了超聲波檢測葉片缺陷的可行性。

4 結束語

本文分析了當前風機葉片的無損檢測現狀,發現當前對于葉片缺陷的無損檢測方法都存在一定的不足,通過相關文獻的查閱發現,超聲波技術對于葉片缺陷檢測展現出一定的應用前景,通過設置人工缺陷來驗證超聲波技術對葉片缺陷檢測的能力,由實驗結果得出以下結論。

(1)在正常檢測工藝情況下,超聲波檢測技術能有效發現不同厚度風機葉片中不同位置的人工缺陷;對于粘接缺陷的檢測能力也得到了驗證;利用超聲波檢測風機葉片缺陷的方法可行。

(2)風機葉片尺寸較大,超聲波檢測的面積大,勞動強度大,現場配備自動掃查裝置,會大大提高檢測效率,節約大量的人力、物力和財力。

(3)超聲波檢測人員的技術水平和經驗積累對于葉片缺陷檢測至關重要,提高現場檢測人員的技能水平能有效保障葉片質量。