無損檢測在風電葉片中的應用

院秀芝　齊帆

【摘 要】風電葉片在生產與運輸、安裝的過程中會因操作不當而產生缺陷，這些缺陷不但會影響葉片的強度和剛度，而且在很大程度上會影響葉片的使用壽命，但是當前大多數的現場監測系統不能對其進行有效檢測，使這些缺陷成為后期事故的隱患。文章從闡述缺陷產生的原因出發，對風電葉片的無損缺陷檢測的主要方法進行了介紹，重點介紹了超聲波檢測和熱成像檢測的原理、方法、過程與注意事項，并進一步比較了兩者在檢測風電葉片領域的應用與優缺點。對指導風電葉片的無損檢測、延長其使用壽命有一定的現實意義。

【關鍵詞】超聲波檢測；熱成像檢測；風電葉

【中圖分類號】TG115.285 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）04-0151-02

風電葉片是以樹脂為基體，玻璃纖維布為增強體，真空灌注而成的一種復合材料產品，殼體區域還會填充一些Balsa及PVC，同時接縫區域采用膠粘劑黏接而成。從宏觀角度看，風電葉片主要由2個部分組成，即殼體與腹板，其中腹板與殼體之間的黏接，以及殼體自身的前緣、后緣黏接對葉片的結構都起到了非常重要的作用。目前，風電行業對葉片黏接區域的檢測主要涉及腹板黏接區域檢測，受到多種因素的影響，以及葉片前、后緣結構的特殊性，目前葉片廠家利用超聲波對前緣、后緣黏接質量的檢測較少。

1 葉片易發生缺陷的類型

1.1 生產制造類缺陷

風電葉片目前自動化程度低，更多的是依靠手工作業，制作過程的操作細節決定了葉片質量的優劣。雖然當前風電葉片的制造工藝均從傳統的手糊袋壓更改為真空灌注，在很大程度上減少了人為因素的影響。但是，每一層纖維布的鋪設、樹脂的灌注過程與方法、黏接界面的處理及膠粘劑的刮涂等，都需要手工完成。如果操作人員操作不熟練，同時缺少過程控制，就會導致很多常見的缺陷產生，如纖維布褶皺、分層、干纖維、氣泡、黏接寬度不足及缺膠等。葉片缺陷很多屬于隱蔽工程，成型后較難發現，但都在一定程度上對葉片的強度和剛度造成了影響。

1.2 轉運損傷缺陷

風電葉片尺寸由早期的20 m以下逐漸發展到40 m左右、50 m以上，甚至達到目前的70～80 m，長度、寬度、高度“三超”，運輸、安裝的操作不當都會造成沖擊損傷。通常情況下，葉片受到鈍物撞擊，表面并不會出現明顯的傷痕，但葉片的結構部分可能已經受到損傷，如玻璃鋼的分層破壞。此類缺陷很難發現，如果帶病運行，則會埋下隱患，影響葉片的使用壽命。

1.3 運行出現缺陷

葉片運行是一個長期的過程，20年的壽命周期是一個很漫長的過程，在此過程中，葉片運行環境不斷變化，啟動、加速、勻速、減速、停機等動作不斷地重復，且存在外部自然條件的干擾，諸如雷電、風霜、冰雪等。在此環境條件下，葉片隨著承受載荷的不斷累加，微小的缺陷也會不斷地擴大，逐步影響葉片的使用。

2 超聲波檢測在風電葉片中的應用

2.1 檢測設備與原理

目前，風電葉片無損檢測中使用的超聲波檢測設備主要為常規超聲設備Epoch600或650，利用此設備做檢測，葉片用復合材料介質不像金屬般均勻，聲波傳播差異性大，這也為超聲波在風電葉片無損檢測方面的應用提供了可能。

目前，通過超聲波檢測的方式能夠檢測發現的缺陷包括葉片復合材料中的分層，以及脫粘、缺膠、氣泡、褶皺等缺陷。

2.2 檢測設備標定

模擬筋板實際黏接情況制作樣塊，厚度為21 mm，設計3處黏接缺陷，第一處為5 cm×3 cm，第二處為4 cm×3 cm，第三處為φ2 cm的圓形缺陷。

（1）調節設備聲速，使得儀器檢測的工件厚度與實際厚度一致。

（2）在工件上掃查，能夠準確地將3處缺陷的位置及尺寸檢測出來。

設備在滿足以上2點之后，說明標定合格，方可到葉片上進行檢測。此外，設備每次使用前需要標定，標定記錄每周記錄一次。

2.3 檢測方法

先沿著葉片弦向掃查，確定La處前后緣筋板黏接寬度，再以此方法確定Lb處前后緣筋板黏接寬度，記錄在報告里，并標記在殼體表面，其中La與Lb相隔1 m，在La與Lb之間的區域做往復掃查，黏接寬度數據不計入報告里，掃查路線如圖1箭頭描述方向，其中每2條掃描路線之間的距離d小于15 cm，按照此方法掃描全部筋板黏接區域。若發現缺陷，需在缺陷周圍做密集掃查，將缺陷尺寸及位置描述出來，記錄在報告里。

2.4 超聲波檢測的應用

超聲波檢測除了可以檢測玻璃鋼工件厚度外，還可以進行膠粘劑黏接空洞檢測、膠粘劑黏接寬度不足檢測和其他結構檢測。

2.4.1 玻璃鋼工件厚度檢測

檢測玻璃鋼工件厚度是超聲波最基礎的功能之一，選取一個階梯樣塊，厚度分別為34 mm、31 mm，利用常規超聲波設備Epoch600測量其厚度，讀取波形顯示測量厚度分別為33.08 mm、30.48 mm，設備測量值與實際值基本一致，由于復合材料的特殊性，使得兩者之間存在一定的誤差。

2.4.2 膠粘劑黏接空洞檢測

超聲檢測葉片復合材料膠粘劑空洞：根據超聲檢測有膠粘劑黏接時與未黏接時波形變化，可檢測出黏接處的黏接空洞。

2.4.3 膠粘劑黏接寬度不足檢測

常規超聲波探頭放在純玻璃鋼區域時，波幅達到80%，到達黏接區域時波幅明顯降低，且會出現第二個界面波，此時在葉片殼體標出對應位置，當底波突然又回到80%波高時，說明黏接區域結束，在葉片殼體上標出對應位置，2個標記之間的距離即為腹板黏接的寬度，再與設計的黏接寬度做比較，判斷黏接寬度是否滿足要求。

2.4.4 其他結構檢測

當膠粘劑的厚度超厚或者超薄時，回波的情況均會發生變化；如何準確地區分擠出膠的寬度，不把擠出膠的寬度算在有效的黏接寬度范圍內；以上的結構均已經通過實驗驗證了回波的情況，在此不再描述。

3 熱成像檢測在風電葉片中的應用

3.1 檢測設備與原理

目前，在風電葉片無損檢測中使用的熱成像設備主要是FLIRi7型熱成像儀。

熱成像儀檢測原理是運用光電技術檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將該信號轉換成可供視覺分辨的圖像和圖形，并可以進一步計算出溫度值。

3.2 熱成像檢測過程

在某型號風電葉片試驗紅外熱成像檢測筋板SS面黏接效果，試驗工序筋板SS已經固化。在不同溫度下檢測均能夠有效、準確地檢測出缺陷。

3.3 檢測時間段選擇

在筋板SS面填膠時試驗檢測效果，由于此段時間膠粘劑與存在的氣泡溫差不明顯，檢測效果很差。筋板固化升溫后，檢測效果良好。

4 結論

超聲波檢測和熱成像檢測目前廣泛應用在風電葉片黏接檢測中，效果明顯，對于風電葉片質量監控、質量風險管控具有積極意義。兩者在使用過程中既有相同的功能，又有不同：對于筋板SS面黏接檢測，紅外熱成像比超聲波更具有適用性，風電葉片主梁厚度最大達到50 mm以上，熱成像無法實施，因此對于筋板PS面黏接檢測，超聲波更具有適用性；紅外熱成像檢測SS面全部黏接區域耗時約0.5 h，而超聲波耗時約4 h；紅外熱成像檢測發現空洞合模過程即可維修，打孔注膠消耗成本很少，超聲波發現空洞需開窗維修，維修成本高，且存在維修風險；紅外熱成像對于黏接空洞檢出效果良好，超聲波更適合檢測筋板黏接寬度。

參 考 文 獻

[1]鄭輝，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[2]張俊哲.無損檢測技術及其應用[M].北京：北京科學出版社，2010.

[3]岳大皓，李曉麗，張浩軍.風電葉片紅外熱波無損檢測的實驗研究[J].北京紅外技術，2011，33（10）.

[責任編輯：陳澤琦]