譚永生

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，西安 710021)

0 引言

某風(fēng)電場(chǎng)一期的裝機(jī)容量為300 MW，由200臺(tái)單機(jī)容量為1.5 MW的某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組組成。該風(fēng)電場(chǎng)于2009年10月1日正式投入商業(yè)化運(yùn)行，但在2015～2018年期間共有4臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的主軸出現(xiàn)了斷裂事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員安全隱患。自2006年國(guó)內(nèi)建立首個(gè)兆瓦級(jí)風(fēng)電場(chǎng)以來(lái)，出現(xiàn)主軸斷裂事故的風(fēng)電機(jī)組機(jī)型的累計(jì)投入使用量為8543臺(tái)，數(shù)量較大。因此，分析主軸斷裂原因并及時(shí)排查主軸的安全狀態(tài)對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維而言尤為重要。基于此，本文提出了利用超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)上述型號(hào)在役風(fēng)電機(jī)組的主軸進(jìn)行檢測(cè)的方法。

1 本風(fēng)電機(jī)組主軸的介紹

本文研究的單機(jī)容量為1.5 MW的某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組(下文簡(jiǎn)稱為“本風(fēng)電機(jī)組”)的主軸采用34CrNiMo6材料，主軸是由該材料經(jīng)鍛造后再經(jīng)機(jī)械加工成型。該主軸的熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理。雖然主軸在風(fēng)電機(jī)組中有多種布置形式[1]，但在本風(fēng)電機(jī)組中，主軸裝配在齒輪箱內(nèi)部。本風(fēng)電機(jī)組中主軸的位置示意圖如圖1所示。

圖1 本風(fēng)電機(jī)組中主軸的位置示意圖Fig.1 Position schematic diagram of main shaft of wind turbine in this paper

在前文提到的發(fā)生主軸斷裂的4臺(tái)風(fēng)電機(jī)組中，主軸的斷裂位置均位于緊挨著軸肩的圓弧過(guò)渡區(qū)域，斷口從主軸外表面向內(nèi)部呈現(xiàn)多源疲勞斷裂形式。

2 主軸在制造階段的檢測(cè)

1) 根據(jù)GB/T 34524—2017《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸》中對(duì)主軸的無(wú)損檢測(cè)要求[2]：主軸在材料鍛造、熱處理后，按照GB/T 6402—2008《鋼鍛件超聲檢測(cè)方法》[3]進(jìn)行超聲探傷篩查。

2) 主軸在粗加工、熱處理后，按照GB/T 6402—2008對(duì)主軸進(jìn)行100%超聲探傷檢測(cè)，距主軸表面小于等于50 mm范圍內(nèi)按質(zhì)量等級(jí)4級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收；距主軸表面大于50 mm范圍內(nèi)按質(zhì)量等級(jí)3級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收。為保證主軸所有位置都被檢測(cè)到，必要時(shí)應(yīng)使用斜探頭進(jìn)行檢測(cè)。

3) 在主軸精加工完畢后，需根據(jù)JB/T 5000.15—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第15部分：鍛鋼件無(wú)損探傷》[4]對(duì)主軸進(jìn)行100%磁粉探傷檢測(cè)，并按照質(zhì)量等級(jí)1級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收。

通過(guò)上述檢測(cè)流程可以看出，主軸在制造階段已進(jìn)行了全方位的檢測(cè)。

3 在役的本風(fēng)電機(jī)組主軸的超聲檢測(cè)

3.1 主軸結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)

由于本風(fēng)電機(jī)組中主軸安裝位置的原因，導(dǎo)致主軸的變截面部位與齒輪箱之間的空間狹小，因此無(wú)法在法蘭與主軸軸肩之間開展超聲檢測(cè)。此外，由于主軸軸肩遠(yuǎn)離法蘭側(cè)過(guò)渡區(qū)域位于齒輪箱內(nèi)部，并且還裝配有主軸承前定位套圈，因此，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)主軸表面進(jìn)行超聲檢測(cè)或利用內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察，僅能從輪轂內(nèi)的主軸法蘭側(cè)端面開展超聲檢測(cè)工作，下文將此端面稱為“檢測(cè)端面”。

超聲檢測(cè)時(shí)探頭在檢測(cè)端面上的位置示意圖如圖2所示，上述發(fā)生主軸斷裂的4臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的主軸斷口位置均位于緊接著軸肩的圓弧過(guò)渡區(qū)域(該區(qū)域與檢測(cè)端面的距離在214～235 mm之間)內(nèi)，即圖2中位置2的附近。因此，識(shí)別主軸上此過(guò)渡區(qū)域內(nèi)是否存在由表面向內(nèi)部發(fā)展的裂紋是超聲檢測(cè)的重點(diǎn)?；诖耍x取一根與本風(fēng)電機(jī)組主軸型號(hào)一致且完好無(wú)缺陷的實(shí)物主軸，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲檢測(cè)。在使用增益型超聲檢測(cè)儀(采用型號(hào)為2.5P20Z的縱波直探頭)對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，在距離檢測(cè)端面500 mm的范圍內(nèi)出現(xiàn)了3處結(jié)構(gòu)回波。下文對(duì)回波波幅達(dá)到檢測(cè)儀屏幕80%時(shí)的回波深度及回波增益值進(jìn)行分析。

圖2 超聲檢測(cè)時(shí)探頭在檢測(cè)端面上的位置示意圖(單位：mm)Fig.2 Position schematic diagram of probe on the detection end face during ultrasonic testing (Unit：mm)

1)第1處是由法蘭外沿與軸肩底部之間的過(guò)渡區(qū)域 (即圖2中的位置1)的回波。當(dāng)探頭放在檢測(cè)端面外側(cè)邊緣處時(shí)，結(jié)構(gòu)回波的回波深度為143.7 mm，回波增益值為51.1 dB，此時(shí)探頭中心與圖2中直徑為220 mm的中心孔(下文簡(jiǎn)稱為“中心孔”)邊沿的距離為258 mm；當(dāng)探頭向檢測(cè)端面內(nèi)側(cè)移動(dòng)至回波深度為170 mm時(shí)，回波增益值為45.6 dB，探頭中心與中心孔邊沿的距離為205 mm；而當(dāng)探頭繼續(xù)向檢測(cè)端面內(nèi)側(cè)移動(dòng)時(shí)，此結(jié)構(gòu)回波消失了。

2)當(dāng)探頭中心與中心孔邊沿的距離為200 mm時(shí)會(huì)出現(xiàn)第2處結(jié)構(gòu)回波的最高波，此處的回波是由軸肩位置(即圖2中的位置2)產(chǎn)生，回波深度為214.7 mm，回波增益值為49.5 dB。

3)第3處結(jié)構(gòu)回波是軸承與軸肩之間的定位套圈的過(guò)盈配合界面的回波(即圖1中的位置3)，通過(guò)移動(dòng)探頭使該回波波幅達(dá)到最高，此時(shí)探頭中心與中心孔邊沿的距離為205 mm，回波深度為235.7 mm，回波增益值為71.5 dB；而當(dāng)探頭繼續(xù)向中心孔方向移動(dòng)時(shí)，未發(fā)現(xiàn)其他結(jié)構(gòu)回波。

因此，在針對(duì)主軸缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè)的過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)除上述結(jié)構(gòu)回波以外的波形時(shí)，應(yīng)引起足夠重視。

3.2 模擬主軸裂紋的超聲檢測(cè)

為了探究主軸在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行期間是否存在從表面起裂的裂紋，依舊選擇上文中檢測(cè)過(guò)結(jié)構(gòu)的那根主軸進(jìn)行模擬主軸裂紋的超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

由于4臺(tái)發(fā)生主軸斷裂的風(fēng)電機(jī)組的主軸斷裂位置較為類似，因此在實(shí)物主軸表面分別選取與裂紋出現(xiàn)位置相同、靠近裂紋出現(xiàn)位置及稍遠(yuǎn)離裂紋位置這3個(gè)位置進(jìn)行刻槽，以擴(kuò)大檢測(cè)范圍。這3個(gè)位置之間的夾角各相差90°，然后在每個(gè)位置距離檢測(cè)端面222、234及480 mm處加工不同深度的線形切割槽，實(shí)驗(yàn)時(shí)當(dāng)某個(gè)位置的某一個(gè)深度的切割槽超聲檢測(cè)完成后，繼續(xù)在此位置上加工成另一個(gè)深度后再繼續(xù)檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)使用增益型超聲檢測(cè)儀進(jìn)行超聲檢測(cè)，該檢測(cè)儀采用型號(hào)為2.5P20Z的縱波直探頭。不同切割槽深度下各切割槽回波波幅達(dá)到檢測(cè)儀屏幕80%時(shí)的增益值(下文簡(jiǎn)稱為“回波增益值”)如圖3所示。

圖3 切割槽位置與檢測(cè)端面距離不同時(shí)各切割槽深度下的回波增益值情況Fig.3 When distances between cutting groove position and detection end surface is difference，echo gain value at each cutting groove depth

從圖3可以看出，相較于切割槽位置與檢測(cè)端面距離480 mm時(shí)各切割槽深度下的回波增益值情況，切割槽位置與檢測(cè)端面距離222和234 mm時(shí)各切割槽深度下的回波增益值相對(duì)較小，這說(shuō)明此情況下檢測(cè)儀的靈敏度更高、余量更大。因此，隨著切割槽位置與檢測(cè)端面距離的增加，若要發(fā)現(xiàn)相同深度的裂紋，則需要不斷提高檢測(cè)儀的靈敏度。

3.3 小結(jié)

由于已發(fā)生斷裂的4根主軸的斷裂位置均處于與檢測(cè)端面距離214～235 mm之間的緊接著軸肩的圓弧過(guò)渡區(qū)域，因此，在超聲檢測(cè)時(shí)，分辨得到的回波是結(jié)構(gòu)回波還是缺陷回波是進(jìn)行主軸超聲檢測(cè)時(shí)的核心問(wèn)題。

主軸結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)與模擬主軸裂紋超聲檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。需要說(shuō)明的是，表中的回波深度與回波增益值均為回波波幅達(dá)到檢測(cè)儀屏幕80%時(shí)的值。

表1 主軸結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)與模擬主軸裂紋超聲檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of ultrasonic testing of main shaft structure and ultrasonic testing of simulated main shaft crack

從表1可以看出：

1)對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，與檢測(cè)端面距離235 mm時(shí)的回波增益值為71.5 dB，比與檢測(cè)端面距離214 mm時(shí)的回波增益值49.5 dB高了22.0 dB，這說(shuō)明與檢測(cè)端面距離235 mm時(shí)的結(jié)構(gòu)回波比與檢測(cè)端面距離214 mm時(shí)的結(jié)構(gòu)回波弱。

2)進(jìn)行模擬主軸裂紋超聲檢測(cè)時(shí)，切割槽位置與檢測(cè)端面距離222 mm及234 mm時(shí)1.5 mm深度裂紋缺陷回波的回波增益值可分別達(dá)到50.3 dB和53.6 dB，這2個(gè)值分別僅比與檢測(cè)端面距離214 mm的結(jié)構(gòu)回波的回波增益值49.5 dB高0.8 dB和4.1 dB，這說(shuō)明切割槽位置與檢測(cè)端面距離222 mm及234 mm時(shí)1.5 mm深度的裂紋缺陷回波的回波增益值已同與檢測(cè)端面距離214 mm時(shí)的結(jié)構(gòu)回波的回波增益值相當(dāng)，但仍可根據(jù)回波增益值的大小來(lái)確定缺陷的大小。在切割槽位置與檢測(cè)端面距離一定的情況下，隨著切割槽深度的增加，模擬主軸裂紋回波的回波增益值越來(lái)越小，說(shuō)明回波越來(lái)越明顯，可以發(fā)現(xiàn)1.5 mm深度以上的缺陷。相較于主軸結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)，模擬主軸裂紋超聲檢測(cè)時(shí)，探頭中心與中心孔邊沿的距離較近。因此，可以結(jié)合回波增益值與探頭中心所在位置來(lái)判斷缺陷是否是由主軸表面產(chǎn)生。

對(duì)于非主軸表面產(chǎn)生的缺陷，則按照GB/T 6402—2008規(guī)定的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)級(jí)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組主軸發(fā)生斷裂的情況，采用超聲檢測(cè)技術(shù)，以某根實(shí)物主軸為例，對(duì)其自身結(jié)構(gòu)和在主軸上模擬裂紋缺陷后分別進(jìn)行了超聲檢測(cè)，并對(duì)主軸結(jié)構(gòu)回波及模擬主軸裂紋缺陷回波進(jìn)行了分析和研究，提出了判別缺陷回波與結(jié)構(gòu)回波的方法，這對(duì)指導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)排查缺陷主軸具有重要意義。此外，后續(xù)還應(yīng)從設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)等方面開展失效分析方面的工作，找出主軸斷裂的原因，確保主軸的安全運(yùn)行。