風電葉片無損檢測技術和標準現狀研究

陳露露

（國電聯合動力技術（連云港）有限公司，江蘇 連云港222200）

風電葉片是將風能轉化成機械能的核心部件之一，其質量的好壞直接影響整機的性能和發(fā)電效率，因此被稱為風機的“靈魂”。目前大型風電葉片的結構都是玻璃鋼蒙皮與主梁形式。在制造過程中，受工藝影響，葉片制作盲區(qū)難免會出現空泡、裂紋、缺膠、固化不良等結構缺陷。這些缺陷在長期交變載荷的作用下，會不斷擴展并發(fā)展成為疲勞損傷。隨著風機行業(yè)大型化趨勢愈發(fā)明顯，葉片長度在不斷加長，對葉片的質量提出更高的要求，因此，在葉片制造、測試及運輸過程中通過有效檢測手段及早發(fā)現缺陷和損傷顯得尤為重要。

目前，葉片現場檢測多采用目視法和敲擊法。兩種方法雖然簡單，但是對檢測人員有極大依耐性，對于葉片內部缺陷損傷難以進行準確判斷，因此風電葉片無損檢測技術逐漸受到關注，并且將成為葉片缺陷檢測的重要手段之一，但目前國內外提出的關于風電葉片的無損檢測技術和標準都很少，多處在試驗研究階段，本文主要針對在葉片制造、測試及運行過程中發(fā)展較快的幾種無損檢測技術進行研究，同時對未來無損檢測標準的發(fā)展進行了展望。

1 無損檢測技術

目前無損檢測技術已非常成熟，種類很多，但在風電葉片領域應用較多且發(fā)展較快的主要有：X射線檢測技術、超聲波檢測技術、紅外熱波檢測技術、聲發(fā)射檢測技術等。

1.1 X射線檢測技術

X射線檢測技術為射線數字成像檢測技術，它采用X射線源，該技術利用小焦點或微焦點X射線源透射工件，然后通過光學技術、電子技術和數字圖像處理技術將圖像傳輸在顯示設備上[1]，其檢測原理如圖1所示。

圖1 X射線檢測原理示意

X射線檢測技術在航天航空復合材料檢測領域得到了廣泛應用，該技術同樣也適用于風電葉片，特別對檢測葉片空泡、夾雜等體積型缺陷有明顯優(yōu)勢，對風電葉片中的樹脂暴聚、纖維褶皺等缺陷也有一定檢測能力，但是對于葉片裂紋和分層等缺陷的檢測存在一定局限性。Jasiuniene E等開發(fā)了一種X射線檢測系統，采用實時成像和360°旋轉相結合的方法對含有缺陷的葉片樣品進行檢測，提高檢測概率，檢測結果表明葉片內部缺膠和結構不規(guī)則等體積缺陷能夠被檢測出來[2]。李俊杰等研究并提出了基于經驗模式分解（簡稱EMD）和迭代閾值分割的缺陷檢測算法，實驗結果表明，該算法不僅從根本上改善復合材料X射線檢測圖像的質量，而且能顯著增強圖像缺陷特征，并能成功提取和分割缺陷區(qū)域，為今后復合材料的缺陷的自動檢測和識別，提供了重要的理論依據[3]。

1.2 超聲檢測技術

超聲檢測技術，是工業(yè)無損檢測中應用最廣泛、使用頻率最高、發(fā)展較快的一種無損檢測技術，主要通過超聲波在材料內部缺陷區(qū)域和正常區(qū)域發(fā)生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小，其檢測原理如圖2所示。該技術可有效地檢測出風電葉片內部的分層、粘接區(qū)域缺膠等缺陷，同時也可以測量粘接厚度等。超聲檢測方法按照超聲發(fā)射和接受方式可分為超聲脈沖回波法和穿透法，這兩種方法在風電葉片領域均已得到應用。Ye G等研制出一種二維超聲無損檢測系統，該系統通過自動掃描技術，對損傷區(qū)域用不同顏色進行識別，系統測試了玻璃鋼葉片試樣，結果顯示其內部缺陷可以通過顏色很快的被識別出來[4]。安靜等采用超聲波-回波無損探傷技術對風電葉片梁帽與腹板粘接處玻璃鋼進行掃查，研究表明，超聲波能穿透對聲音衰減強烈的玻璃鋼區(qū)域，接收到粘接區(qū)域的回波信息，進一步驗證了該技術的可行性[5]。

圖2 超聲波檢測原理示意

1.3 紅外檢測技術

紅外檢測技術采用的是一種非接觸式的檢測手段，主要運用光電技術將物體表面的溫度分布轉換成人眼可見的圖像，并以不同顏色顯示物體表面溫度分布的技術，其檢測原理如圖3所示。

圖3 紅外檢測原理示意

按照引起溫差的方式可分為主動式和被動式，目前應用較多的為主動式加熱方法。紅外檢測技術由于其具有高安全性、高靈敏度和高檢測效率受到廣泛關注，它可以有效地檢測出玻纖多層復合材料的內部缺陷，包括粘接、白斑、褶皺、鼓包等，可以為葉片的質量控制提供新的參考依據。岳大皓等采用紅外熱波無損檢測技術對風電葉片中的白斑、褶皺及鼓包等缺陷進行檢測，結果表明通過觀察紅外熱像圖可以看到這些缺陷，但是對于更深層結構的缺陷檢測還待進一步研究[6]。

目前該技術在國內外的研究主要集中在理論和實驗室研究階段，為了適應在線在役檢測的要求，該技術已逐漸從實驗室發(fā)展到市場應用中。

1.4 聲發(fā)射檢測技術

材料中局域源能量快速釋放而產生瞬態(tài)彈性波的現象稱為聲發(fā)射，其檢測原理如圖4所示。在加載或苛刻環(huán)境下，材料內部發(fā)生像裂紋、變形等變化通常就會產生彈性波的發(fā)射，因此，聲發(fā)射檢測技術不同于常規(guī)無損檢測方法，它是一種動態(tài)非破壞性檢測技術，具有高效、長距離、可實現在線檢測等優(yōu)點，但也存在缺點，除損傷信號以外的噪聲會對其檢測產生一定影響。

圖4 聲發(fā)射檢測原理示意

Tang J等采用了聲發(fā)射檢測技術對風電葉片進行了疲勞損傷生長監(jiān)測，通過對45 dB的高檢測閾值進行抑制，從而抑制了疲勞載荷產生的噪聲，將運行時間和信號關聯，從噪聲中識別出損傷檢測信號，成功的檢測到疲勞損傷的增長[7]。Krause T等提出了一種用于在風電葉片中檢測裂紋聲音的算法。該算法采用了一種降噪方法，通過對兩個麥克風信號進行處理，大致定位了所檢測到的損傷信號[8]。因此，聲發(fā)射檢測技術能夠及時預測并定位葉片損傷位置，有利于提前采取補救措施，減少損失。

2 無損檢測標準現狀

目前國際上無損檢測的主要標準有國際標準（ISO）、歐洲標準（EN）、英國標準（BS）、德國標準（DIN）、法國標準（NF）、日本工業(yè)標準（JIS）、美國材料與試驗協會標準（ASTM）等標準體系。我國無損檢測技術發(fā)展相對較慢，在標準的規(guī)范統一和體系構建方面還很薄弱，雖然與國際上有很大差距，但是在許多方面已取得進展，并具有中國特色，無損檢測標準在檢測術語、檢測儀器、檢測探頭、壓力容器檢測方法、其他結構件檢測方法等均已頒布國家標準、國家軍用標準和行業(yè)標準，其余尚處于企業(yè)或者內部標準階段。

雖然國內外無損檢測標準已逐漸成熟，多個行業(yè)標準也相繼產生，例如船舶、電力、工程建設、航空工業(yè)、化工、機械等行業(yè)，但是風電葉片行業(yè)的無損檢測標準還幾乎沒有。隨著無損檢測技術在風電葉片中的應用越來越多，行業(yè)檢測標準的制定也是迫在眉睫，其標準對于選擇檢測方法、確定檢測方案、選擇檢測器材以及在新器材、新產品和新方法的開發(fā)上至關重要，其規(guī)范化對檢測技術質量有著重大意義。結合國內無損檢測標準，與風電葉片行業(yè)相關的復合材料無損檢測標準如表1所示。

表1 國內外復合材料相關的無損檢測標準

3 結束語

國內外無損檢測技術已初步成熟，形成了一套比較系統的無損檢測體系，但是風電葉片領域的無損檢測技術大部分還處在研究試驗階段，還有更多可應用的無損檢測方法待開發(fā)，而相應的檢測標準卻幾乎空白。風電市場迅猛發(fā)展，風電葉片的質量競爭愈發(fā)激烈，對葉片的檢測技術提出了更高、更新的要求。無損檢測技術逐漸被廣泛應用，在以往復合材料結構的無損檢測實踐中發(fā)現，必須根據不用的缺陷形式、是否在線檢測以及其他要求采用不同方法進行檢測，因此相應的檢測標準的制定對于風電行業(yè)的發(fā)展具有毋庸置疑的先導性和重要性。無損檢測方法是評估葉片質量的重要手段，只有選擇合適的無損檢測方法，建立合適的無損檢測標準，才能有效的控制產品質量。因此，在研究風電葉片無損檢測技術的同時，應該重視無損檢測標準的建立。

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