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構中重要的組成部分。因此，風力發(fā)電的發(fā)展也備受關注，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。孔隙缺陷主要是由于樹脂與纖維浸潤不良，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
    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用于葉片的全尺寸檢測。

超聲波檢測技術    超聲波檢測技術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處粘結不牢等缺陷，從而可大幅度降低葉片失效的風險。由于復合材料結構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構中的傳播變得復雜，針對風機葉片結構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
    聲發(fā)射檢測技術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構的整體質(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力作用下自發(fā)產(chǎn)生的，但在實際應用中，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
    在風機葉片的關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)部應力、應變的變化，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，易于埋在構件中而不影響構件整體的強度，而且光纖可對內(nèi)部結構參數(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構內(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，使其在應用中受到很大的限制。

紅外無損檢測技術
    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，該方法在應用方面還有待進一步的開發(fā)研究，研究意義較大。