某型號在役風電機組主軸的超聲檢測技術研究

譚永生

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院，西安 710021)

0 引言

某風電場一期的裝機容量為300 MW，由200臺單機容量為1.5 MW的某型號風電機組組成。該風電場于2009年10月1日正式投入商業化運行，但在2015～2018年期間共有4臺風電機組的主軸出現了斷裂事故，造成了巨大的經濟損失和人員安全隱患。自2006年國內建立首個兆瓦級風電場以來，出現主軸斷裂事故的風電機組機型的累計投入使用量為8543臺，數量較大。因此，分析主軸斷裂原因并及時排查主軸的安全狀態對于風電場的運維而言尤為重要。基于此，本文提出了利用超聲檢測技術對上述型號在役風電機組的主軸進行檢測的方法。

1 本風電機組主軸的介紹

本文研究的單機容量為1.5 MW的某型號風電機組(下文簡稱為“本風電機組”)的主軸采用34CrNiMo6材料，主軸是由該材料經鍛造后再經機械加工成型。該主軸的熱處理方式為調質處理。雖然主軸在風電機組中有多種布置形式[1]，但在本風電機組中，主軸裝配在齒輪箱內部。本風電機組中主軸的位置示意圖如圖1所示。

圖1 本風電機組中主軸的位置示意圖Fig.1 Position schematic diagram of main shaft of wind turbine in this paper

在前文提到的發生主軸斷裂的4臺風電機組中，主軸的斷裂位置均位于緊挨著軸肩的圓弧過渡區域，斷口從主軸外表面向內部呈現多源疲勞斷裂形式。

2 主軸在制造階段的檢測

1) 根據GB/T 34524—2017《風力發電機組主軸》中對主軸的無損檢測要求[2]：主軸在材料鍛造、熱處理后，按照GB/T 6402—2008《鋼鍛件超聲檢測方法》[3]進行超聲探傷篩查。

2) 主軸在粗加工、熱處理后，按照GB/T 6402—2008對主軸進行100%超聲探傷檢測，距主軸表面小于等于50 mm范圍內按質量等級4級進行驗收；距主軸表面大于50 mm范圍內按質量等級3級進行驗收。為保證主軸所有位置都被檢測到，必要時應使用斜探頭進行檢測。

3) 在主軸精加工完畢后，需根據JB/T 5000.15—2007《重型機械通用技術條件 第15部分：鍛鋼件無損探傷》[4]對主軸進行100%磁粉探傷檢測，并按照質量等級1級進行驗收。

通過上述檢測流程可以看出，主軸在制造階段已進行了全方位的檢測。

3 在役的本風電機組主軸的超聲檢測

3.1 主軸結構的超聲檢測

由于本風電機組中主軸安裝位置的原因，導致主軸的變截面部位與齒輪箱之間的空間狹小，因此無法在法蘭與主軸軸肩之間開展超聲檢測。此外，由于主軸軸肩遠離法蘭側過渡區域位于齒輪箱內部，并且還裝配有主軸承前定位套圈，因此，無法在現場對主軸表面進行超聲檢測或利用內窺鏡進行觀察，僅能從輪轂內的主軸法蘭側端面開展超聲檢測工作，下文將此端面稱為“檢測端面”。

超聲檢測時探頭在檢測端面上的位置示意圖如圖2所示，上述發生主軸斷裂的4臺風電機組的主軸斷口位置均位于緊接著軸肩的圓弧過渡區域(該區域與檢測端面的距離在214～235 mm之間)內，即圖2中位置2的附近。因此，識別主軸上此過渡區域內是否存在由表面向內部發展的裂紋是超聲檢測的重點?；诖?，選取一根與本風電機組主軸型號一致且完好無缺陷的實物主軸，對其結構進行超聲檢測。在使用增益型超聲檢測儀(采用型號為2.5P20Z的縱波直探頭)對主軸結構進行檢測的過程中，在距離檢測端面500 mm的范圍內出現了3處結構回波。下文對回波波幅達到檢測儀屏幕80%時的回波深度及回波增益值進行分析。

圖2 超聲檢測時探頭在檢測端面上的位置示意圖(單位：mm)Fig.2 Position schematic diagram of probe on the detection end face during ultrasonic testing (Unit：mm)

1)第1處是由法蘭外沿與軸肩底部之間的過渡區域 (即圖2中的位置1)的回波。當探頭放在檢測端面外側邊緣處時，結構回波的回波深度為143.7 mm，回波增益值為51.1 dB，此時探頭中心與圖2中直徑為220 mm的中心孔(下文簡稱為“中心孔”)邊沿的距離為258 mm；當探頭向檢測端面內側移動至回波深度為170 mm時，回波增益值為45.6 dB，探頭中心與中心孔邊沿的距離為205 mm；而當探頭繼續向檢測端面內側移動時，此結構回波消失了。

2)當探頭中心與中心孔邊沿的距離為200 mm時會出現第2處結構回波的最高波，此處的回波是由軸肩位置(即圖2中的位置2)產生，回波深度為214.7 mm，回波增益值為49.5 dB。

3)第3處結構回波是軸承與軸肩之間的定位套圈的過盈配合界面的回波(即圖1中的位置3)，通過移動探頭使該回波波幅達到最高，此時探頭中心與中心孔邊沿的距離為205 mm，回波深度為235.7 mm，回波增益值為71.5 dB；而當探頭繼續向中心孔方向移動時，未發現其他結構回波。

因此，在針對主軸缺陷進行超聲檢測的過程中，若發現除上述結構回波以外的波形時，應引起足夠重視。

3.2 模擬主軸裂紋的超聲檢測

為了探究主軸在風電機組運行期間是否存在從表面起裂的裂紋，依舊選擇上文中檢測過結構的那根主軸進行模擬主軸裂紋的超聲檢測實驗。

由于4臺發生主軸斷裂的風電機組的主軸斷裂位置較為類似，因此在實物主軸表面分別選取與裂紋出現位置相同、靠近裂紋出現位置及稍遠離裂紋位置這3個位置進行刻槽，以擴大檢測范圍。這3個位置之間的夾角各相差90°，然后在每個位置距離檢測端面222、234及480 mm處加工不同深度的線形切割槽，實驗時當某個位置的某一個深度的切割槽超聲檢測完成后，繼續在此位置上加工成另一個深度后再繼續檢測。本實驗使用增益型超聲檢測儀進行超聲檢測，該檢測儀采用型號為2.5P20Z的縱波直探頭。不同切割槽深度下各切割槽回波波幅達到檢測儀屏幕80%時的增益值(下文簡稱為“回波增益值”)如圖3所示。

圖3 切割槽位置與檢測端面距離不同時各切割槽深度下的回波增益值情況Fig.3 When distances between cutting groove position and detection end surface is difference，echo gain value at each cutting groove depth

從圖3可以看出，相較于切割槽位置與檢測端面距離480 mm時各切割槽深度下的回波增益值情況，切割槽位置與檢測端面距離222和234 mm時各切割槽深度下的回波增益值相對較小，這說明此情況下檢測儀的靈敏度更高、余量更大。因此，隨著切割槽位置與檢測端面距離的增加，若要發現相同深度的裂紋，則需要不斷提高檢測儀的靈敏度。

3.3 小結

由于已發生斷裂的4根主軸的斷裂位置均處于與檢測端面距離214～235 mm之間的緊接著軸肩的圓弧過渡區域，因此，在超聲檢測時，分辨得到的回波是結構回波還是缺陷回波是進行主軸超聲檢測時的核心問題。

主軸結構超聲檢測與模擬主軸裂紋超聲檢測的實驗結果匯總如表1所示。需要說明的是，表中的回波深度與回波增益值均為回波波幅達到檢測儀屏幕80%時的值。

表1 主軸結構超聲檢測與模擬主軸裂紋超聲檢測的實驗結果Table 1 Experimental results of ultrasonic testing of main shaft structure and ultrasonic testing of simulated main shaft crack

從表1可以看出：

1)對主軸結構進行超聲檢測時，與檢測端面距離235 mm時的回波增益值為71.5 dB，比與檢測端面距離214 mm時的回波增益值49.5 dB高了22.0 dB，這說明與檢測端面距離235 mm時的結構回波比與檢測端面距離214 mm時的結構回波弱。

2)進行模擬主軸裂紋超聲檢測時，切割槽位置與檢測端面距離222 mm及234 mm時1.5 mm深度裂紋缺陷回波的回波增益值可分別達到50.3 dB和53.6 dB，這2個值分別僅比與檢測端面距離214 mm的結構回波的回波增益值49.5 dB高0.8 dB和4.1 dB，這說明切割槽位置與檢測端面距離222 mm及234 mm時1.5 mm深度的裂紋缺陷回波的回波增益值已同與檢測端面距離214 mm時的結構回波的回波增益值相當，但仍可根據回波增益值的大小來確定缺陷的大小。在切割槽位置與檢測端面距離一定的情況下，隨著切割槽深度的增加，模擬主軸裂紋回波的回波增益值越來越小，說明回波越來越明顯，可以發現1.5 mm深度以上的缺陷。相較于主軸結構超聲檢測，模擬主軸裂紋超聲檢測時，探頭中心與中心孔邊沿的距離較近。因此，可以結合回波增益值與探頭中心所在位置來判斷缺陷是否是由主軸表面產生。

對于非主軸表面產生的缺陷，則按照GB/T 6402—2008規定的評定標準對缺陷進行定量評級。

4 結論

本文針對某型號風電機組主軸發生斷裂的情況，采用超聲檢測技術，以某根實物主軸為例，對其自身結構和在主軸上模擬裂紋缺陷后分別進行了超聲檢測，并對主軸結構回波及模擬主軸裂紋缺陷回波進行了分析和研究，提出了判別缺陷回波與結構回波的方法，這對指導風電場現場排查缺陷主軸具有重要意義。此外，后續還應從設計、運行、維護等方面開展失效分析方面的工作，找出主軸斷裂的原因，確保主軸的安全運行。