風(fēng)電葉片玻璃纖維復(fù)合材料相控陣超聲檢測(cè)

(奧林巴斯(北京)銷售服務(wù)有限公司，北京 100015)

隨著我國(guó)對(duì)電力需求的不斷增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度的提高，清潔電力機(jī)組的裝機(jī)量越來(lái)越大。其中，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)發(fā)展速度尤其迅猛，中國(guó)已經(jīng)成為全球風(fēng)力發(fā)電規(guī)模最大、增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要部件，其需要在高空全天候不間斷地運(yùn)作，承擔(dān)著主要的風(fēng)力載荷，這對(duì)葉片的制造質(zhì)量和服役中的質(zhì)量控制都是極大的挑戰(zhàn)[1-2]。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)興起的100多年歷史里，風(fēng)電葉片有木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等幾種類型。隨著近年來(lái)聯(lián)網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，傳統(tǒng)材料的葉片在日益大型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用時(shí)，某些性能已達(dá)不到當(dāng)下葉片的發(fā)展要求，于是具有高比強(qiáng)度的復(fù)合材料葉片得到了快速發(fā)展。現(xiàn)在，幾乎所有的商業(yè)級(jí)葉片主體均采用復(fù)合材料制造，風(fēng)電葉片已成為復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

超聲檢測(cè)技術(shù)包括相控陣超聲技術(shù)，是目前檢測(cè)和評(píng)估復(fù)合材料質(zhì)量的常用方法，不僅可以在風(fēng)電葉片制造過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，而且可以在風(fēng)電葉片服役過(guò)程中評(píng)估葉片的質(zhì)量[3-5]。

1 風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)及常見缺欠

風(fēng)力葉片是復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，一般由根部、外殼和加強(qiáng)梁等3部分組成，復(fù)合材料在整個(gè)風(fēng)電葉片中的重量一般占到90%以上。復(fù)合材料葉片最初采用的是廉價(jià)的玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂體系，直到現(xiàn)在其仍是大部分葉片的制造材料。隨著葉片長(zhǎng)度的不斷增大，自身重量的不斷增加，這種體系在某些場(chǎng)合已不能滿足要求，于是碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)逐漸得到應(yīng)用。

對(duì)于玻璃纖維復(fù)合材料葉片，一般采用開模工藝，尤其手糊黏接方式較多，其本身在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣孔、干纖、褶皺、纖維斷裂以及夾雜等缺欠，在與梁的合模過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生缺膠、脫黏等缺欠。風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)典型缺欠示意如圖1所示。

圖1 風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)典型缺欠示意

2 相控陣超聲檢測(cè)簡(jiǎn)介

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是近10年發(fā)展起來(lái)的新的超聲技術(shù)，可以彌補(bǔ)常規(guī)超聲技術(shù)的某些不足。相控陣超聲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)理想的聲束聚焦，采用同樣的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)每個(gè)陣列單元，聚焦區(qū)域的實(shí)際聲場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于常規(guī)的超聲波技術(shù)，從而可以對(duì)相同聲衰減特性的材料使用較高的檢測(cè)頻率；其無(wú)需聲透鏡便可使聲束聚焦，可以靈活而有效地控制聲束和聚焦點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件缺陷的精確檢測(cè)，并可通過(guò)優(yōu)化控制焦點(diǎn)尺寸和聲束方向，使分辨率、信噪比和缺陷檢出率等性能得到提高；在一定檢測(cè)范圍內(nèi)，該技術(shù)不需要移動(dòng)探頭，因而通常不需要復(fù)雜的掃查裝置，不需要更換探頭就可實(shí)現(xiàn)整個(gè)體積或所關(guān)心區(qū)域的多角度、多方向掃查。

對(duì)于風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)，可以使用相控陣超聲的0°線性掃查，實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的一次掃查，根據(jù)葉片厚度及檢測(cè)靈敏度的需要具體設(shè)置激發(fā)孔徑和聚焦深度。配合單線或者二維掃查器，可以得到被檢件的C掃描檢測(cè)圖。這種簡(jiǎn)便的掃查機(jī)構(gòu)，可以作為風(fēng)電葉片制造過(guò)程中的檢測(cè)手段，也可作為一種在役檢測(cè)方法。

筆者單位針對(duì)風(fēng)電葉片這一特殊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制了一款專用的低頻相控陣探頭，探頭外觀如圖2所示。其特點(diǎn)為：針對(duì)不同的厚度，可以選擇頻率(0.5 MHz和1 MHz)，具有64個(gè)晶片。整個(gè)探頭陣列的長(zhǎng)度為96 mm，寬度為22 mm。使用塑料外殼以減輕探頭重量。其可以通過(guò)楔塊安裝編碼器，使用該探頭配合OmniScan Mx2相控陣探傷儀就可以完成風(fēng)電葉片的檢測(cè)。

圖2 OLympus風(fēng)電葉片相控陣探頭外觀

手動(dòng)掃查效率較低，穩(wěn)定性也相對(duì)不足，楔塊上也加工了夾持孔，可以將探頭安裝在掃查器或者機(jī)械臂上，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或者自動(dòng)檢測(cè)。

3 風(fēng)電葉片典型缺陷的相控陣檢測(cè)

如前所述，目前大部分葉片都是采用外殼加支撐梁的結(jié)構(gòu)，所以從相控陣檢測(cè)的C掃圖(見圖3)中可以清楚看出支撐梁的位置，圖中顏色反映的是閘門內(nèi)反射波的幅度大小，藍(lán)色區(qū)域是反射波波幅較低的區(qū)域，說(shuō)明在該區(qū)域大部分超聲能量都已透射，為支撐梁的膠接區(qū)域；橙色區(qū)域?yàn)榈撞ǚ瓷浜軓?qiáng)的區(qū)域，說(shuō)明底面聲阻抗變化較大，為殼體部分的底面回波。故通過(guò)相控陣的C掃圖可以清楚地判斷殼體和支撐梁的膠接區(qū)域的分布，也可以通過(guò)測(cè)量交接區(qū)域的寬度來(lái)判斷是否存在缺膠或者溢膠等問(wèn)題。

圖3 無(wú)缺陷風(fēng)電葉片相控陣C掃圖

圖4為支撐梁脫黏缺陷的典型相控陣圖像，從C掃圖下部可以看出，在膠接區(qū)域出現(xiàn)不規(guī)則的強(qiáng)底面反射，從A掃視圖和S掃視圖中明顯看出在殼體厚度位置有明顯的底波反射，說(shuō)明此處殼體界面的聲阻抗變化明顯大于正常膠接區(qū)域的，故可以判斷該處為脫黏缺陷。

圖4 風(fēng)電葉片脫粘缺陷C掃圖

風(fēng)電葉片鋪層面內(nèi)褶皺也是在葉片加工制造時(shí)常見的一類缺陷，會(huì)對(duì)葉片的強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。圖5所示為葉片殼體玻璃纖維復(fù)合材料相控陣圖像，由于褶皺缺陷出現(xiàn)的深度不確定，在C掃視圖中觀察不明顯，因此圖中給出了B掃和S掃視圖，通過(guò)B掃和S掃視圖可以清晰地看出褶皺缺陷出現(xiàn)的位置和深度，也可以方便地測(cè)量出褶皺的長(zhǎng)度，便于檢測(cè)人員判定缺陷。

圖5 風(fēng)電葉片褶皺缺陷C掃圖

從前面的分析可以看出，相控陣超聲檢測(cè)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是可以綜合利用多個(gè)視圖對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀察和測(cè)量，更易于對(duì)缺陷的定性和定量。圖6為葉片干纖缺陷的檢測(cè)結(jié)果，從C掃圖里可以看出內(nèi)部有明顯的回波，B掃和S掃中可以看到干纖區(qū)域的不規(guī)則回波。

圖6 風(fēng)電葉片干纖缺陷C掃圖

纖維斷裂在葉片制造和服役中都可能產(chǎn)生，風(fēng)電葉片玻纖斷裂缺陷C掃圖如圖7所示，B掃和S掃中有明顯的玻纖斷裂信號(hào)。

圖7 風(fēng)電葉片玻纖斷裂缺陷C掃圖

圖8為氣泡缺陷的C掃圖，可以從幾個(gè)視圖中都觀察到氣泡的回波信號(hào)。

圖8 風(fēng)電葉片氣泡缺陷C掃圖

從上面的檢測(cè)結(jié)果可以看出，對(duì)于相控陣超聲方法可以有效地檢測(cè)出常見的風(fēng)電葉片缺陷，配合多視圖的觀察測(cè)量，對(duì)于缺陷的性質(zhì)可以得到較全面的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

選擇合適的檢測(cè)方法有助于提高葉片的使用壽命，降低發(fā)電成本。介紹了相控陣超聲檢測(cè)葉片的方法和設(shè)備，并分析了常見缺陷的相控陣超聲圖像信號(hào)，從而可以看出相控陣超聲是檢測(cè)葉片殼體內(nèi)部和殼-梁膠接質(zhì)量的有效方法，配合合適的掃查機(jī)構(gòu)，可以有效地實(shí)現(xiàn)葉片制造過(guò)程和在役過(guò)程的無(wú)損檢測(cè)。