風電風機葉片缺陷的無損檢測方法

    風能是綠色的可再生能源，有良好的發(fā)展前景。我國可開發(fā)的風能潛力巨大，資源豐富，總的風能可開發(fā)量約有1000～1500GW，可見，風電有潛力成為未來能源結(jié)構(gòu)中重要的組成部分。因此，風力發(fā)電的發(fā)展也備受關(guān)注，而風機葉片是風電機組的重要組成部分，一般由玻璃纖維復合材料制成，因其制造工藝的復雜性，在成型過程中難免會出現(xiàn)缺陷；另外，由于工作環(huán)境的惡劣性與工況的復雜多變性，在運行過程中也會出現(xiàn)不同程度的損傷。武漢科技大學材料與冶金學院的劉雙等研究人員通過對文獻的調(diào)研了解到，目前，對于風機葉片缺陷的無損檢測方法主要有X射線、超聲波、聲發(fā)射、光纖傳感器、紅外熱成像檢測技術(shù)等。但每種檢測方法都具有各自的優(yōu)點和使用局限性，而且并沒有完善的標準來規(guī)定檢測方法的適用階段。

風機葉片的缺陷和損傷分析

    風機葉片產(chǎn)生缺陷的原因是多方面的，在生產(chǎn)制造過程中，會出現(xiàn)孔隙、分層和夾雜等典型缺陷?？紫度毕葜饕怯捎跇渲c纖維浸潤不良，空氣排擠不*等因素造成；分層缺陷主要是因為樹脂用量不夠，二次成型等；夾雜缺陷的產(chǎn)生主要是由于加工過程中的異物混入。
    此外，葉片在運輸和安裝過程中，由于葉片本身尺寸和自重較大而且具有一定的彈性。因此，一定要做好保護葉片的工作，以防產(chǎn)生內(nèi)部損傷。值得注意的是，風機在運行過程中葉片也會出現(xiàn)不同程度的損傷，其主要形式有裂紋、斷裂和基體老化等，外界沖擊是產(chǎn)生裂紋的主要原因，斷裂通常是由缺陷損傷累積引起的，風機在正常運行情況下葉片不會發(fā)生突然斷裂，而基體老化是由于風機葉片長期工作在沙塵、雨水和鹽霧腐蝕的惡劣條件下。
無損檢測方法的比較與評價
X射線檢測技術(shù)
    對于風電葉片而言，何杰等研究人員通過實驗驗證了X射線技術(shù)是檢測風電葉片中孔隙和夾雜等體積型缺陷的良好方法，可以檢測垂直于葉片表面的裂紋，對樹脂、纖維聚集有一定的檢測能力，也可以測量小厚度風電葉片鋪層中的纖維彎曲等缺陷，但對風電葉片中常見的分層缺陷和平行于葉片表面的裂紋不敏感，文獻中對孔隙和夾雜等缺陷進行了檢測，從實驗結(jié)果中可以觀察到缺陷的存在，可滿足葉片出廠前的檢測，能夠進行定性分析。中北大學電子測試國防重點實驗室的研究人員將X射線與現(xiàn)代測試理論相結(jié)合，在數(shù)字圖像處理階段，通過小波變換與圖像分解理論，將一幅圖像分解為大小、位置和方向都不同的分量，改變小波變換域中的某些參數(shù)的大小，實時地識別出X射線圖像的內(nèi)部缺陷。朱省初等研究人員通過試驗驗證了不同工藝條件下的缺陷檢出情況，并表明進行射線探傷的工藝管理是非常必要的。綜上可知，在實驗條件下，X射線技術(shù)可實現(xiàn)對風機葉片的缺陷檢測。
    對于在役風機葉片，由于受現(xiàn)場因素的影響及高度的限制，使用X射線檢測方法很難實現(xiàn)現(xiàn)場檢測，但對于風機葉片的體積缺陷有一定的檢出能力，由于受葉片尺寸的限制，該方法還未廣泛的應(yīng)用于葉片的全尺寸檢測。

超聲波檢測技術(shù)    超聲波檢測技術(shù)比較適用于風機葉片成型后的檢驗，此時，風機葉片還未安裝，檢測的目的是為了保證風機葉片的出廠質(zhì)量；利用超聲波檢測技術(shù)可以有效地檢測厚度變化，能夠顯示出產(chǎn)品的隱藏故障，如分層、夾雜、氣孔、缺少膠粘劑以及粘結(jié)處粘結(jié)不牢等缺陷，從而可大幅度降低葉片失效的風險。由于復合材料結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性，會產(chǎn)生反射、散射及衰減的影響，使得超聲波在復合材料多層結(jié)構(gòu)中的傳播變得復雜，針對風機葉片結(jié)構(gòu)的超聲波檢測方法主要有脈沖回波法和空氣耦合超聲導波法。
    由于該方法檢測周期長，對不同類型的缺陷需使用不同規(guī)格的探頭，在檢測過程中需使用耦合劑，也是局限性所在。所以，對于實時的動態(tài)監(jiān)測，超聲波檢測技術(shù)很難實現(xiàn)，但可以進行出廠前的靜態(tài)檢測，對于缺陷存在的區(qū)域會形成反射脈沖，因此，可以判斷出缺陷產(chǎn)生的位置。

聲發(fā)射檢測技術(shù)
    聲發(fā)射檢測技術(shù)可對裂紋的萌生和擴展進行動態(tài)監(jiān)測，進而，能夠有效檢測出風機葉片結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量水平，評價缺陷的實際危害程度，可預防意外事故的發(fā)生。在檢測過程中，接收的信號是缺陷在應(yīng)力作用下自發(fā)產(chǎn)生的，但在實際應(yīng)用中，由于聲發(fā)射對環(huán)境因素十分敏感，因此對監(jiān)測系統(tǒng)會造成干擾，影響檢測的準確性，所以很難對缺陷進行定量分析，但是能夠提供缺陷在應(yīng)力作用下的動態(tài)信息，對于壽命評估有一定的優(yōu)勢，可對葉片進行安全評價。
    該方法與超聲波法相比，在檢測靜態(tài)葉片質(zhì)量方面沒有優(yōu)勢；然而，由于該技術(shù)其對被檢件的接近要求不高，因而比較適用于在役風機葉片的實時監(jiān)測，采用多傳感器長距離布置的方式，能夠接收到葉片在運行過程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過后處理，可以獲得損傷部位的動態(tài)信息。采用該方法對葉片進行監(jiān)測，主要是因為葉片在運行過程中，會受到外力作用，進而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，缺陷處在外力作用下會自發(fā)的產(chǎn)生信號，這樣就能夠判斷出缺陷產(chǎn)生的位置。

光纖傳感器技術(shù)
    在風機葉片的關(guān)鍵位置埋人光纖傳感器陣列，探測其在加工、成型及服役的動態(tài)過程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的變化，并對外力、疲勞等引起的變形、裂紋進行實時監(jiān)測，可實現(xiàn)對風機葉片的狀態(tài)監(jiān)測與損傷評估。
    光纖具有體積小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾等特點，本身既是傳感器，又能傳輸光信號，易于埋在構(gòu)件中而不影響構(gòu)件整體的強度，而且光纖可對內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化進行連續(xù)實時的安全檢測，可探測出各種原因造成的材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷，因此，該方法具有很好的發(fā)展前景，但由于光纖傳感器存在性能穩(wěn)定性及價格方面的問題，使其在應(yīng)用中受到很大的限制。

紅外無損檢測技術(shù)
    國內(nèi)不少研究和文獻的調(diào)研說明，紅外熱成像檢測技術(shù)能夠檢測出玻璃纖維制葉片的幾種典型缺陷。并且，缺陷尺寸越大、深度越淺，冷卻過程中形成的98%大表面溫差越大，使用紅外熱成像儀越容易進行檢測，對于制造風力機葉片的玻璃纖維增強復合材料，熱成像技術(shù)是一種比較適用的無損檢測方法，尤為適用于常見的分層和滲膠類型的缺陷。
    該方法與其他檢測方法相比，具有非接觸、可大面積遠距檢測以及操作簡單和易于實時觀察等特點，更加適用于風機葉片的現(xiàn)場檢測；但由于受到塔筒的高度限制，在現(xiàn)場檢測中有一定的局限性，考慮到光線的照射以及葉片表面溫差較小等因素，這都會對檢測結(jié)果造成不利影響，對于缺陷的檢出和定性分析有一定難度。所以，該方法在應(yīng)用方面還有待進一步的開發(fā)研究，研究意義較大。