章學(xué)兵,駱國(guó)防

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司,上海 201799;2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院,上海 200437)

0 引言

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下,推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型,打造清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系,推進(jìn)清潔替代和電能替代,是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要路徑[1]。作為綠色能源的風(fēng)能是實(shí)現(xiàn)電能替代的主力,發(fā)展前景廣闊,開發(fā)潛力巨大,資源豐富,我國(guó)總的風(fēng)能可開發(fā)量有1 000～1 500 GW[2],由此可見,風(fēng)電是未來電力的先進(jìn)生產(chǎn)方向,有潛力成為未來能源結(jié)構(gòu)中重要的組成部分[3]。從20世紀(jì)70年代至今,國(guó)內(nèi)外風(fēng)電事業(yè)蓬勃發(fā)展,裝機(jī)容量呈倍數(shù)增長(zhǎng),發(fā)電效率_日益提高,技術(shù)難度越來越大[4]。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件,質(zhì)量可靠性是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。由于風(fēng)機(jī)葉片外型龐大、質(zhì)量重,一旦出現(xiàn)事故,后果嚴(yán)重[5]。此外,在運(yùn)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(chǎn)生內(nèi)部損傷[6]。風(fēng)機(jī)葉片在正常運(yùn)行過程中,也會(huì)出現(xiàn)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(fù)雜氣候條件下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行,研究環(huán)保、有效的檢測(cè)方案是風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)廠家、使用企業(yè)的共同目標(biāo),葉片現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)多采用外形檢測(cè)法、目視法和敲擊法[7]。這3種方法雖然簡(jiǎn)單,但是對(duì)檢測(cè)人員有極大的依賴性,對(duì)于葉片內(nèi)部缺陷損傷難以進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,因此風(fēng)機(jī)葉片無損檢測(cè)技術(shù)越來越受到關(guān)注[8]。目前,風(fēng)機(jī)葉片缺陷檢測(cè)主要依靠的無損檢測(cè)方法有超聲波檢測(cè)、紅外熱波檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)、X射線檢測(cè)技術(shù)[7]。紅外檢測(cè)技術(shù)可以有效檢測(cè)出玻璃纖維多層復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷,但是對(duì)于更深層結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)還有待進(jìn)一步研究[9];聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)主要適用于葉片疲勞損傷位置檢測(cè),但其受噪聲影響較大,不適用于葉片安裝前檢測(cè)[10];X射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)葉片空泡、夾雜等體積型缺陷有明顯優(yōu)勢(shì),對(duì)樹脂暴聚、纖維褶皺等缺陷也有一定的檢測(cè)能力,但是對(duì)葉片裂紋和分層等缺陷檢測(cè)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(cè)方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片缺陷檢測(cè)的可行性進(jìn)行了研究。

1 風(fēng)機(jī)葉片典型結(jié)構(gòu)及常見缺陷

1.1 風(fēng)機(jī)葉片典型結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)葉片基本采用玻璃纖維蒙皮與主梁組成中空薄壁結(jié)構(gòu),由葉根、外殼和主梁3部分組成,葉根一般為金屬卷筒結(jié)構(gòu),外殼及主梁采用玻璃鋼或碳纖維等具有比強(qiáng)度高、比模量高、輕質(zhì)、耐腐蝕的復(fù)合材料,其質(zhì)量占風(fēng)機(jī)質(zhì)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(fēng)機(jī)葉片常見缺陷

風(fēng)機(jī)葉片的常見缺陷可分為3類:制造缺陷、安裝運(yùn)輸缺陷和運(yùn)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(cè)基本原理

超聲波檢測(cè)是利用超聲波能透入被檢材料的深處,并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí),在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查零件缺陷的一種方法,當(dāng)超聲波束自試件表面由探頭通至材料內(nèi)部,遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波,于是就在熒光屏上形成脈沖波形,根據(jù)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(fù)合材料的傳播規(guī)律及聲波的特性,使得超聲波檢測(cè)成為葉片無損檢測(cè)非常重要和廣泛采用的檢測(cè)方法[12];與其他無損檢測(cè)方法相比,超聲波檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)有[13]:

(1)適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種制件的無損檢測(cè);

(2)穿透能力強(qiáng),可對(duì)較大厚度范圍內(nèi)的工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè),探測(cè)深度可達(dá)數(shù)米;

(3)對(duì)面積型缺陷檢出率較高;

(4)靈敏度高,可發(fā)現(xiàn)與直徑約十分之幾毫米的空氣隙反射能力相當(dāng)?shù)姆瓷潴w,可檢測(cè)缺陷的大小通?？梢哉J(rèn)為是波長(zhǎng)的1/2;

(5)在確定內(nèi)部反射體的位向、大小、形狀等方面較為準(zhǔn)確;

(6)僅須從一面接近被檢驗(yàn)的物體;

(7)可立即提供缺陷檢驗(yàn)結(jié)果;

(8)操作安全,設(shè)備輕便。

3 葉片缺陷超聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證超聲波在風(fēng)機(jī)葉片缺陷檢測(cè)中的可行性,本文采用2種耦合方式分別對(duì)2種人工缺陷試件進(jìn)行檢測(cè);在此次實(shí)驗(yàn)中,超聲波檢測(cè)設(shè)備采用武漢中科創(chuàng)新公司生產(chǎn)的HS 620型數(shù)字式超聲波檢測(cè)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(cè)時(shí),若探頭波束軸線無偏離,則數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀器顯示最高波峰對(duì)應(yīng)的深度值即為缺陷的實(shí)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(jù)相關(guān)研究[14],本實(shí)驗(yàn)中超聲波在玻璃纖維中的傳播速度設(shè)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(guī)的探頭無法對(duì)其表面進(jìn)行完全耦合,為此本實(shí)驗(yàn)采用水柱法和水膜法分別對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)。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(biāo)準(zhǔn)試樣

本實(shí)驗(yàn)選用2塊典型試塊進(jìn)行缺陷模擬,Ⅲ號(hào)試件為玻璃纖維材質(zhì)的外殼;Ⅳ號(hào)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(jié)構(gòu),Ⅲ號(hào)試件目的是驗(yàn)證外殼內(nèi)部缺陷的檢出能力;Ⅳ號(hào)試件目的是驗(yàn)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(shè)置

(1)Ⅲ號(hào)試塊缺陷設(shè)置:φ6 mm平底孔,深度6 mm,試件厚度9 mm。

(2)Ⅳ號(hào)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(gè)分割層,模擬分層缺陷,如圖4所示。

圖2 Ⅳ號(hào)試件缺陷1、2

圖3 Ⅳ號(hào)試件缺陷3

圖4 Ⅳ號(hào)試件缺陷4

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4.1 Ⅲ號(hào)試塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用水柱法(水層20 mm)Ⅲ號(hào)試塊缺陷的超聲波實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖5所示,檢測(cè)結(jié)果顯示最高波峰對(duì)應(yīng)的深度值為27.3 mm,由于水層20 mm,缺陷實(shí)際深度值為27.3-20=7.3 mm。

3.4.2 Ⅳ號(hào)試塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用水膜法耦合方式的Ⅳ試塊缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖6所示,檢測(cè)結(jié)果顯示最高波峰對(duì)應(yīng)的深度值為12.2 mm,由于是直探頭,該缺陷實(shí)際深度值為12.2 mm。

圖6 Ⅳ試塊缺陷1檢測(cè)結(jié)果

采用水柱法(水層20 mm)耦合方式的Ⅳ試塊缺陷2檢測(cè)結(jié)果如圖7所示,檢測(cè)結(jié)果顯示最高波峰對(duì)應(yīng)的深度值為24.6 mm;由于水層20 mm,實(shí)際缺陷深度值為24.6-20=4.6 mm。

圖7 Ⅳ試塊缺陷2檢測(cè)結(jié)果

采用水膜法耦合方式的Ⅳ試塊粘接部位檢測(cè)結(jié)果如圖8所示,圖8(a)的檢測(cè)結(jié)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(shí)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(cè)結(jié)果。

圖8 Ⅳ試塊粘接部位檢測(cè)結(jié)果

采用水柱法(水層20 mm)耦合方式的Ⅳ試塊缺陷4檢測(cè)結(jié)果如圖9所示,檢測(cè)結(jié)果顯示最高波峰對(duì)應(yīng)的深度值為24.2 mm,由于水層厚度為20 mm,實(shí)際深度值為24.2-20=4.2 mm。

圖9 Ⅳ試塊缺陷4檢測(cè)結(jié)果

3.5 結(jié)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(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片的內(nèi)部孔隙缺陷、分層缺陷、粘接缺陷的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際位置基本一致;葉片內(nèi)部缺陷檢測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了超聲波檢測(cè)葉片缺陷的可行性。

4 結(jié)束語

本文分析了當(dāng)前風(fēng)機(jī)葉片的無損檢測(cè)現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對(duì)于葉片缺陷的無損檢測(cè)方法都存在一定的不足,通過相關(guān)文獻(xiàn)的查閱發(fā)現(xiàn),超聲波技術(shù)對(duì)于葉片缺陷檢測(cè)展現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景,通過設(shè)置人工缺陷來驗(yàn)證超聲波技術(shù)對(duì)葉片缺陷檢測(cè)的能力,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論。

(1)在正常檢測(cè)工藝情況下,超聲波檢測(cè)技術(shù)能有效發(fā)現(xiàn)不同厚度風(fēng)機(jī)葉片中不同位置的人工缺陷;對(duì)于粘接缺陷的檢測(cè)能力也得到了驗(yàn)證;利用超聲波檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片缺陷的方法可行。

(2)風(fēng)機(jī)葉片尺寸較大,超聲波檢測(cè)的面積大,勞動(dòng)強(qiáng)度大,現(xiàn)場(chǎng)配備自動(dòng)掃查裝置,會(huì)大大提高檢測(cè)效率,節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力。

(3)超聲波檢測(cè)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)積累對(duì)于葉片缺陷檢測(cè)至關(guān)重要,提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員的技能水平能有效保障葉片質(zhì)量。