風電葉片模具主管道內殘余樹脂檢測方法的對比研究

張 瑞，江一杭，別春華，楊 忠，馬 騰

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

1 風電葉片模具管道用PP-R管材

風電葉片制作采用傳統的樹脂傳遞模壓工藝加上真空輔助灌注(Vacuum Assisted resin transfer moulding，簡稱 VARTM)[1]。如圖 1所示，在模具型面上鋪設流道，樹脂在真空作用下滲入并充滿模腔，流道一般為滲透性材料或者網格材料。VARTM 成型工藝把纖維增強體放置在單面模具上，纖維增強體上鋪放滲透材料，另一面用真空袋密封，整個真空系統依靠主管道進行持續抽氣保證系統真空度，直至玻璃鋼完全固化[2]。

圖1 VARTM灌注系統圖示Fig.1 Illustration of VARTM perfusion system

風電葉片制作模具主管道為無規聚丙烯管(polypropylene random，以下簡稱 PP-R)，葉片制作過程中，主管道需要一直進行抽氣直至葉片殼體固化，如果抽氣口位置保護不當，當灌注完成后就會有樹脂進入管道發生主管道堵塞，葉片將會因抽氣動力不足導致真空度不足，進而造成玻璃鋼制品的灌注缺陷，如圖2所示，導致了巨大的經濟損失。

圖2 主管道堵塞造成的灌注缺陷Fig.2 Perfusion defect due to blocked main line

目前風電葉片的主管道采用水管常用材料 PP-R管道，其原料粒子是無色透明的，添加色母后就有了顏色。因光照可以讓水中藻類生長造成堵塞和污染，故 PP-R塑料管道作為水管使用時對遮光性有要求，根據GB/T 21300—2007標準中提到的塑料管道不透光率按照國家標準的要求需要達到 0.2%。目前市面上可以買到的管道基本上為綠色、白色、灰色，也有廠家為了吸引眼球做成橘紅色、紅色等更具個性化的亮彩色，當管道內部存在少量到大量的樹脂時，如圖3、4所示，因其不透明故無法采用目視方法檢查管道內部樹脂情況。

圖3 少量樹脂進入管道導致管道半堵塞Fig.3 Semi-blockage of pipe caused by small amount of resin

圖4 大量樹脂進入管道導致管道全堵塞Fig.4 Complete blockage of pipe caused by large amount of resin

2 數字射線檢測方法與效果

2.1 數字射線檢測原理

射線檢測原理為：X射線在穿過待測物體時，能量會發生衰減導致有一部分 X射線穿過到達膠片或感光探測器。待測物體組成一致，厚度均勻，則在膠片或探測器上形成灰度一致，不會有灰度差；如果待測物體存在缺陷或不一致的夾雜，缺陷會導致射線穿過待測物體時衰減不一致，此時會在膠片或者探測器上形成灰度差。

DR(Digital radigraphy)數字放射成像系統，是利用FPD平板進行影像獲取，直接傳輸至電腦，在電腦上進行圖像處理及優化，圖像易于保存、檢索、傳輸。

2.2 數字射線檢測結果

截取長度為300mm無進膠和部分進膠的風電葉片模具主管道，如圖 5、圖 6所示，規格為直徑50mm、長 5.6mm，材質為聚丙烯(PPR)材質。使用DR設備型號為 ZX DR75PIXX4343。采取透照參數為電壓75kV，曝光時間5s。

圖5 無進膠管道實物照片Fig.5 Photo of pipe without resin

圖6 進膠管道實物照片Fig.6 Photo of pipe with resin

對截取的管道采取不同的透照方向進行透照，對無樹脂的管道進行射線透照，其透照方向如圖 7所示，得到 DR的測試圖像如圖 8所示；對有樹脂的管道自上而下進行射線透照，其透照方向如圖 9所示，得到 DR的測試圖像如圖 10所示；對有樹脂的管道水平方向進行透照，其透照方向如圖 11所示，得到DR的測試圖像如圖12所示。

圖7 無進膠管道透照示意圖Fig.7 Transillumination diagram of pipe without resin

圖8 無進膠管道DR測試結果Fig.8 DR test results of pipe without resin

圖9 部分進膠管道垂直透照示意圖Fig.9 Vertical transillumination diagram of pipe with some resin

圖10 部分進膠管道垂直透照DR測試結果Fig.10 DR test results of vertical transillumination of pipe with some resin

圖11 部分進膠管道水平透照示意圖Fig.11 Horizontal transillumination diagram of pipe with some resin

圖12 部分進膠管道水平透照DR測試結果Fig.12 DR test results of horizontal transillumination of pipe with some resin

通過 DR測試結果可以得出以下結論：DR測試對射線方向要求高，在進膠管道垂直透照的情況下，由于透照方向樹脂厚度變化屬于平緩變化，射線衰減屬于平緩衰減，與無進膠管道 DR測試結果對比，雖然灰度有所變化，但是灰度界限不明顯，測試效果不好，只有水平透照 DR測試效果最佳。為了改善上述透照方法效果差的情況，可以采取相同規格無樹脂管道作為對比樣塊，并通過相同測試參數下兩者的測試圖像進行甄別內部有無樹脂。

DR水平透照測試方法可以作為管道內部有無樹脂的檢測方法，因為X射線檢測具有輻射性，所以在車間使用時需要做好輻射防護。

3 超聲波檢測方法與效果

3.1 超聲波檢測原理

超聲波從 PPR管外壁到達內壁時，在內壁界面發生聲波反射和透射，由于內部是空氣或者樹脂，只有該界面反射聲壓差別較大時才能根據反射波強度判斷內部是空氣還是樹脂。

測試過程中涉及的聚丙烯管道，環氧樹脂和空氣相關參數如表 1所示。聲波反射率與兩種物質的聲阻抗有關，聲阻抗公式為[3]：Z＝ρv

表1 3種物質的聲速，密度和聲阻抗Tab.1 Sound velocity，density and acoustic impedance of three substances

其中，Z為界面的阻抗 Pa·s/m3；ρ為該介質密度，kg/m3；v為該介質中超聲波速，m/s。

其中，r為反射率，%；Pr為反射聲壓，Pa；Pi為入射聲壓，Pa；Z1為第一介質聲阻抗，Pa·s/m3；Z2為第 2 介質聲阻抗，Pa·s/m3。

如果入射聲波相同，則兩者的當量值相差為：

r1、r2為反射率(%)，所以采取超聲波檢測方法可以分辨內部有無環氧樹脂。

3.2 超聲波檢測結果

選用奧林巴斯 EPOCH650型超聲波探傷儀以及頻率 5MHz、直徑 6mm 的奧林巴斯超聲波探頭，該主管道的規格為直徑50mm、長5.6mm，通過計算探頭與管壁間最大間距為 0.18mm，探頭與管道接觸時間隙示意圖如圖13所示，滿足超聲波耦合要求。

圖13 超聲探頭邊緣與管道外壁的間隙示意圖Fig.13 Schematic diagram of gap between edge of ultrasonic probe and outer wall of pipe

儀器調試在無進膠的主管道進行儀器零點及聲速的調校，將無進膠管一次底波調至 80%波高，對現場制作的進膠管道試樣進行測試，發現底波降至25%左右，兩者當量值相差為：

圖16 無環氧樹脂位置的超聲測試結果Fig.16 Ultrasonic test results of inner wall without epoxy resin

h1、h2為在相同增益下的底波高度(%)，與理論計算基本吻合，在測試內部無樹脂位置的測試圖和波形顯示如圖 14、16所示，測試內部有樹脂位置的測試圖和波形顯示如圖 15、17所示。超聲波檢測方法進而可以確定內部有樹脂位置和無樹脂分界線，可以估算內部樹脂數量。若主管道內部固化的樹脂在外力作用下發生分離，這種情況下采用超聲波檢測方法無法完成有效的檢測。

圖14 內壁無環氧樹脂位置測試照片Fig.14 Test photo of inner wall without epoxy resin

圖15 內壁有環氧樹脂位置測試照片Fig.15 Test photo of inner wall with epoxy resin

圖17 有環氧樹脂位置的超聲測試結果Fig.17 Ultrasonic test results of inner wall with epoxy resin

4 結 論

①采取數字射線技術檢測管道內部有無樹脂情況：測試時垂直檢測，由于內部樹脂厚度為漸變變化，檢測效果不明顯；水平方向射線的測試可以獲取最佳的圖像。

②采取超聲波檢測技術檢測管道內部有無樹脂情況：內部樹脂與管道結合緊密，超聲波檢測方法可以有效檢出內部是否存在樹脂；內部固化的樹脂與管道內壁發生分離時，超聲檢測方法無法有效檢出。

綜上所述：采取DR檢測管道時需要考慮輻射問題，無法與現場生產同步作業，所以不便于普及和應用；超聲波檢測方法操作簡單，效果良好，可以方便地用于風電葉片模具主管道內部殘膠檢測。