在役風機主軸超聲合成孔徑成像檢測工藝

郭會軍 ，張國輝 ，竇 才 ，楊周斌 ，李 榮

（1.遼寧大唐國際新能源有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.武漢中科創新技術股份有限公司，湖北 武漢 430000；3.北京博比風電科技有限公司，北京 100176）

1 檢測對象描述

近年來，我國風力發電產業取得了快速發展，風力發電機組也逐步向大型化的方向發展。其中風機主軸是連接葉片和機艙的重要部件，其長期在各種復雜的應力、周期振動等惡劣環境下運行，主軸易產生表面向軸心延伸的裂紋，該類缺陷隨著主軸長時間運轉不斷由主軸表面向軸心擴展，最終導致主軸斷裂，直接危害風機運行安全。據不完全統計，近年來出現過數起由于主軸斷裂引起的倒塌事故，因此對風機主軸運行過程中的檢測極為重要[1]。

目前，超聲合成孔徑成像算法已先后在王源果[2]、馮全威[3]、李晨[4]等的論文中提到并應用，論文中提到該技術具有良好的聲束形成能力，提高了系統分辨率，具有較好的成像質量，可以用小孔徑的實際基元換能器和較低的工作頻率，對位于遠處目標物具有高方位分辨率的探測、觀察能力。劉冬青等[5]認為合成孔徑聚焦技術（SAFT）有兩大優勢：①合成孔徑能夠提高聚焦區域的橫向分辨率；②能夠在聚焦區域產生動態聚焦的效果。

本文利用超聲合成孔徑聚焦成像技術，通過軸外端面網格式的數據采集，軟件的數據處理、圖像重建、數據分析即可實現不拆卸主軸下無損檢測。

2 超聲合成孔徑聚焦成像原理

超聲合成孔徑是指傳感器以一定步長沿線性孔徑軌跡移動，在軌跡上的孔徑位置向成像區域發射脈沖信號，并接收和儲存檢測信號，然后下一孔徑位置進行相同的發射、接收和儲存，直到掃描完成。然后按照重建點對相應孔徑檢測號的回波做時延調整、信號疊加和平均等處理，實現逐點聚焦，最終重建整個成像區域的信號反射圖。

針對在役大軸的不拆卸超聲成像檢測，本文主要通過自發自收的方式，在大軸端面的規定位置進行超聲檢測，采集全部回波信息，通過合成孔徑SAFT 算法對大軸三維超聲成像，檢測大軸內部缺陷的檢測方式。同時基于在役風機主軸結構特殊性，按探頭本身的性能和計算所得的探頭間距，在主軸端面上劃分網格以確定每個探頭相應的位置并組成檢測陣列。然后將每一個區域中的A 掃信號使用合成孔徑技術疊加，即可得到超聲波在工件中不同深度下的斷面成像。

3 檢測工藝

3.1 檢測對象

通常要求對在役風機主軸進行整體檢測，特別是對表面及近表面向軸心延伸的周向裂紋。由于是在役風機主軸進行不拆卸檢測，因此通常只有主軸的一個端面能夠成為有效的檢測平面，這也是軸類檢測的難點之一。

3.2 檢測準備

3.2.1 表面要求

當主軸表面有銹蝕、凹凸不平，探頭與螺栓耦合不良會直接造成檢測靈敏度的下降，甚至會漏檢。因此，在主軸檢測前應清理影響探頭與檢測面耦合的銹蝕、鍍鋅層凸起和其他雜物等，一般要求檢測面粗糙度應不超過Ra6.3 μm。

3.2.2 耦合方式

超聲合成孔徑聚焦成像檢測風機主軸，探頭與主軸耦合和傳統的方式基本相同，采用直接接觸法，即探頭經耦合劑耦合后直接與試件表面接觸，探頭發射出的聲波通過耦合劑傳播到工件內部進行檢測，耦合的好壞決定了聲波能量傳入螺栓的聲強透射率高低，所以保證耦合良好很關鍵。

由于主軸長度達數米，表面有防腐涂層，宜采用透聲性好且不損傷檢測表面的水基耦合劑糨糊或潤滑脂，以保證良好耦合，注意一旦環境溫度低于0 ℃時，耦合劑中應添加防凍液。

3.3 探頭布局與掃查方式

3.3.1 探頭布局

（1）探頭網格的劃分。首先根據主軸的長度及材料選擇頻率及晶片尺寸。主要保證單個探頭激發的超聲能量足夠有效檢出整個主軸長度上的信號。其次根據晶片直徑劃分網格，選擇最小尺寸，即探頭為10 mm 晶片，網格劃分為10×10，由于聲束采集越多越密集，成像精度越高，因此不建議擴大網格大小。最后根據得到的相關參數設置探頭間距，確定軸端截面上畫格子數量，探頭采集數據的位置應和軟件中格子位置保持一致。

（2）成像單元的劃分。成像單元的劃分應至少是探頭網格的10 倍，即20×20 的探頭網格，成像單元應至少劃分為200×200，劃分越密集，成像精度越高。對于一個變徑的風機主軸，當直徑超過探頭端面時，多出的部分將不能檢測成像。當直徑小于探頭端面時，減少部分對應的成像單元數值。賦值為0 時，只對剩余部分的成像單元進行合成孔徑成像。

3.3.2 掃查方式

由于主軸端面較為平整，適合超聲波入射，使探頭與主軸端面保持良好耦合，根據探頭在網格中心位置對應軟件網格所在的格子中完成信號采集。

3.3.3 檢測靈敏度

眾所周知，超聲檢測靈敏度表示檢測能力的強弱程度，在超聲檢測儀器上能識別最小超聲信號，或檢出最小缺陷。在實施風機主軸超聲合成孔徑聚焦成像檢測時，將探頭放置在主軸端面，探頭中心應盡量保持與網格中心重合，手持探頭耦合穩定時，調整儀器掃描范圍使底波出現在80%時基范圍處，此時增益為基本檢測靈敏度。信號采集完畢后保存信號，同時將增益dB 數增加20 dB 后再次對主軸進行信號采集并保存數據。

3.4 檢測流程

針對風機主軸檢測由3 個部分組成：①在役主軸建模-畫網格；②現場對應網格在線采集數據；③離線數據分析。

3.4.1 主軸建模

首先在計算機上根據軸的圖紙建立二維模型，其次根據探頭布局確定檢測間距或格子尺寸，最后根據儀器設定的參數在主軸端面用記號筆畫出相應大小的格子。

3.4.2 采集數據

首先準備機油或潤滑脂作為耦合劑，均勻點涂在格子中心位置，其次將探頭放置軟件對應格子中心保持良好耦合，最后保持底波信號在80%左右，點擊儀器軟件采樣，其他網格如上操作依次采集，完成網格采樣后保存數據。

3.4.3 數據分析

根據模型視圖移動深度分析線，結合A 掃信號、深度截面圖像，通過軟件整合形成整體平面信號分布圖示。按照一定的分層距離來顯示信號強度變化，從而評判是否存在缺陷以及缺陷的大小，還可對同一根軸不同時間段的檢測結果進行對比。

4 檢測配置

檢測使用的探頭為常規超聲波單晶直探頭。針對不同材質的主軸選擇適合的頻率以及直徑尺寸來滿足信號采集的要求。一般晶粒細密的材質宜采用頻率較高的探頭，如4 MHz、5 MHz。材質衰減較大或者粗晶材質的主軸宜采用低頻探頭，如0.5 MHz～2 MHz。主軸端面直徑大的宜采用大直徑探頭，端面尺寸小的宜采用小直徑探頭。設備采用武漢中科生產的HS-SF-I 型超聲合成孔徑聚焦檢測儀。

5 實驗驗證

由于風機主軸實物難以獲取，目前未發現存在裂紋缺陷，因此現階段采用圓柱體作為驗證對象，圓柱體材質為碳鋼，直徑180 mm，長500 mm。圓柱體樣件缺陷信息如表1 所示。

表1 圓柱體樣件缺陷信息

按上文所述工藝進行檢測，通過軸外端面網格式的數據采集等工藝流程檢測圓柱體不同類型、不同深度、不同距離的缺陷，檢測結果如圖1 所示。

如圖1a 所示，在深度為151.4 mm 截面處發現缺陷1 信號，距離誤差為1.4 mm。

如圖1b 所示，在深度為253.5 mm 截面處發現缺陷2/3/5 信號，距離誤差為3.5 mm。在同一深度截面上通過選擇不同位置的采樣探頭可以得到缺陷2/3/5 的最佳成像效果（方框），同時觀察相應A 掃信號，其缺陷信號幅值基本高于滿屏的40%，具有很好的信噪比。

圖1 圓柱體檢測結果

如圖1c 所示，在深度為355.1 mm 截面處發現缺陷4 信號，距離誤差為5.1 mm。

6 結語

采用超聲合成孔徑聚焦成像檢測技術的設備和專用探頭組合檢測系統，與傳統單一超聲縱波探頭網格式掃查檢測方法相比，克服了風電主軸在役檢測的操作空間狹窄、不拆卸的狀態下長距離檢測靈敏度低、單一波形結構信號難以分析等問題。通過以上實驗結果表明，超聲合成孔徑聚焦成像檢測方法具有良好檢出率和直觀檢測效果，因此有利于對役風機主軸質量健康狀態進行評估，確保風機長期穩定運行。