搭載式風電塔筒缺陷診斷監測設備設計

摘 要：海上風電機組塔筒常年受到臺風、海水腐蝕等惡劣天氣影響，其內部存在缺陷，會對風電機組塔筒造成不可逆的損失。為解決海上風電機組塔筒內部存在缺陷問題，本文結合無人機和六足機器人技術創新地設計了一種搭載式超聲波探傷檢測設備，當風機正常工作時，可以對其內部缺陷進行實時監控。本設備利用超聲波探傷檢測風機主軸，計算缺陷寬度以及面積，利用遠端傳輸數據等功能來保證數據實時性和缺陷位置準確性，有效提高對風電機組塔筒的維護效率。

關鍵詞：機組塔筒；內部缺陷；創新性；搭載式；維護

中圖分類號：TM 315" " " " " " " 文獻標志碼：A

20世紀50年代，國內開始研制百瓦級小型風力發電機組。“十一五”期間，在國家相關政策的支持下，風電產業快速發展，裝機容量連續五年翻番增長[1]。可再生能源的開發利用是全球在能源發展方面的普遍選擇，風能是除水能以外最具經濟利用價值和產業化開發價值的干凈的可再生能源，因此發展海上風電是大勢所趨[2]。

由于海上風電機組塔筒常年受到臺風、海水腐蝕等惡劣天氣影響，導致風電機組塔筒內部、表面存在缺陷，因此風機塔筒存在倒塌風險。對海上風機塔筒內部進行監測主要使用常規無損檢測方法，例如超聲波檢測、磁粉檢測、渦流檢測和滲透檢測等。無損檢測技術是一項重要工具，其經過創新與發展不斷優化[3]。但是無損檢測技術對被檢測構件的檢測面光潔度要求較高，表面不能有污物以及附著層等。因此對海上風機塔筒定期進行健康監測十分重要，為解決海上風電機組塔筒在工作過程中其內部存在缺陷的問題，本文設計一款基于聲發射的搭載式海上風機塔筒缺陷監測設備。

1 搭載式海上風機塔筒內部監測設備的基本結構以及工作原理

1.1 基本結構

本設計是基于聲發射技術的海上風機塔筒內部監測設備（如圖1所示）。該系統是由連接器、電路控制器以及電磁波聲發送與傳感器接收3個部分組成的。連接器是由萬向軸和真空吸盤組成的，當正常工作時其具有靈活性、穩定性；電路控制器主要是由CPU、放大器、電路控制模塊、數據傳輸模塊、電源儲存器、圖像采集模塊和藍牙模塊等組成的，保證當工作時數據實時、準確；電磁波聲發送與傳感器接收部分可檢測塔筒缺陷。

1.2 工作原理

在實際運行過程中，設備須搭載在六足機器人或無人機等上面。其工作原理如下：設備采用圖像采集的紅外成像技術來判斷塔筒是否存在裂痕、生銹等現象，如果存在，那么載體自行對裂痕、生銹進行涂層，設備探頭發送聲發射，判斷是否存在內部缺陷，被監測物體中會產生彈性波，利用其內部介質傳達至物體表面，引起機械振動，機械振動傳感器接收其信號，轉化為電信號，經過電路處理器放大后，分析得到的數據，確定塔筒內部是否存在缺陷，監測原理如圖2所示，工作流程如圖3所示。

2 功能模塊設計

風機塔筒內部缺陷復雜，本文對其內部單個缺陷、連續缺陷進行分析。根據上文的工作流程，本節主要對聲發射監測風機主軸、缺陷寬度、時間以及傳輸模塊進行設計，并計算面積。

2.1 搭載式聲發射監測風機主軸結構設計

搭載式聲發射監測風機主軸是本設備的主要組成部分，其主要作用是利用聲發射來監測風機主軸是否存在缺陷，缺陷分為單個缺陷和連續缺陷。

2.1.1 單個缺陷

風機塔筒內部存在單個缺陷，記為L1，長度≤Dp；單個連續缺陷記為L2，長度≥Dp。當本設備的探頭移動時，單個缺陷顯示圖形在幅度軸呈單個尖銳信號，使用回波檢測得到的圖像顯示平滑上升至最大點，又平滑降至0，當探頭采用聲發射技術檢測內部缺陷時，缺陷導致聲發射波長不斷折射，使產生的波長增加，再使用機械振動傳感器將其變為電信號。由于只存在單個缺陷，因此其動態圖形與顯示圖形趨勢相同，單個缺陷如圖4所示。

2.1.2 連續缺陷

風機塔筒內部也存在連續缺陷，本文記多個單個缺陷連續分布在一起的缺陷為連續缺陷（如圖5所示），本設備探頭移動，連續缺陷回波動態圖產生尖銳的信號后呈平緩下降趨勢，再突降至0，其內部多個單個缺陷疊加，當通過1個單個缺陷時，聲發射波長會折射，當存在2個以及2個以上的單個缺陷時，其波長經過折射后會疊加。其連續缺陷和回波動態圖形如圖6所示。

綜上所述，本設備對風機塔筒存在的單個缺陷、連續缺陷問題進行監測。由于都存在缺陷，因此缺陷顯示圖形呈現一樣的趨勢；由于連續缺陷有多個聲發射波不斷折射，因此疊加動態圖形呈現先產生尖銳的信號，再平緩下降，最后突降至0的趨勢。下文將計算得到以上趨勢。

3 理論計算、監測分析與誤差分析

3.1 聲發射在介質中傳播速度分析

根據介質中質點振動方向與波的傳播方向，可將機械波劃分為若干類，例如縱波、橫波和表面波等。在自然界中，機械波還有多種復雜形式，例如扭轉波、蘭姆波等。根據運動學疊加原理，任何復雜波動都可以看作縱波和橫波的疊加，因此，縱波和橫波是基本機械波[4]。

分析固體中應力、應變和彈性模量之間的關系，得到波在彈性固體介質中的傳播速度公式。根據胡克定律和牛頓第二定律可以進行推導，并得出結論，波速與固體的彈性模量成正比，與密度成反比。波在固體中傳播的基本特性為波速取決于介質，利用試驗計算波在彈性固體介質中的傳播速度Vα，如公式（1）所示。

（1）

式中：W為介質楊氏彈性模量；ε為介質泊松比；ρ為介質密度。

以細長桿（橫向尺寸遠小于波長）為例，ε趨近0，由公式（1）可推算縱波聲速Vξ，如公式（2）所示。

（2）

計算橫波波Vβ，如公式（3）所示。

（3）

表面波聲速在無限大固體介質中傳播，受到多個物理參數和介質特性綜合影響。影響包括介質的楊氏彈性模量、剪切模量、密度以及泊松比。為確定表面波聲速，須采用更復雜的理論分析和數值計算方法。利用試驗計算在無限大固體介質中傳播的表面波聲速Vη，如公式（4）所示。

（4）

由公式（1）～公式（4）可知，介質的彈性特征越強，聲發射速度越快。其傳播速度和固體介質的橫向尺寸與波長的比值有統計學意義，比值越大，傳播速度越快。風機葉柄結構如圖7所示，當a＞b＞c時，其內部缺陷與探頭位置不同，可得到其動態圖形電信號先上升的趨勢，過一段時間后其他內部缺陷干擾導致呈現下降的趨勢，直至為 0。

3.2 風機塔筒掃查部位

風機塔筒是大型構件，由于風機葉柄是由多個鍛件焊接而成，因此缺陷大概率會與軸線相平行，經過測試，該類缺陷采用縱波直探頭效果較好。考慮缺陷周圍存在其他分布，因此該探頭應在圖7中的位置一、位置二和位置三。

當風電塔筒正常工作時，受復雜載荷影響，塔筒的局部區域存在發生變形的情況，局部區域產生體積、剪切等變形，導致出現壓縮波、切變波。在塔筒中，2種波傳播速度、塔筒厚度不同，當介質、厚板不同時會出現波的反射和折射等物理現象，當反射時任意一種波會出現波型轉換，聲發射能量轉變如圖8所示。

3.3 風機塔筒聲發射波誤差分析

本設備存在一定誤差，包括塔筒介質間能量轉變誤差、聲發射波幾何路徑誤差等。

3.3.1 塔筒介質間能量轉變誤差

當機械波在介質中傳播時，介質會逐漸吸收其能量，轉化為熱能。機械波與介質分子相互作用，使介質分子振動加劇，將機械波的能量轉化為熱能。為了進一步研究其誤差，可以先測定塔筒內外部環境溫度，塔筒可分為圓柱體、二維、常物性、穩態和無內熱源情況，由導熱微分方程、能量守恒定律公式得到熱量與第三類邊界條件，如公式（5）、公式（6）所示。

（5）

式中：r為塔筒半徑；λ為塔筒導熱系數，查熱物性表可得；t為溫度；ω為塔筒中任意1個點至原點與X軸的夾角。

（6）

式中：h 為塔筒表面傳熱系數；ti為塔筒外壁溫度；to為塔筒內壁溫度。

根據公式（5）、公式（6），結合傅里葉定律計算熱流量ψ，如公式（7）所示。

（7）

計算2次不同的熱量ψ再相減，得到機械波轉化為熱能的大小。

3.3.2 聲發射波幾何路徑誤差

當聲發射進行波源發射時，中心波源向四周擴展，隨著傳播速度、傳播距離增加，路徑面積增大，單位面積中的能量逐漸減少，導致誤差。

4 傳輸模塊設計

使用EKF算法計算已知數據、分析內部環境進行模擬，來預測塔架內部會產生的缺陷部位。該算法速度快，占用內存少，適用于變化的系統，可改正海上風電機組處理內部缺陷問題實時性差的缺點。與一般的BP算法相比，BP神經網絡比LM算法訓練速度快、精度高，訓練結果和整體收斂性更理想。采用梯度計算可精確定位卡爾曼濾波算法預估的銹蝕部位。采用基于Aqua-Fi的嵌入式Linux系統平臺對本設備進行遠程監控與操作，該遠程監控系統由監控終端與監控網絡平臺組成。硬件采用Samsung公司的32位ARM9TDMI微處理器，該處理器速度快，主頻高；軟件采用嵌入式Linux操作系統。當工作時，采用攝像頭對現場視頻圖像進行采集，使用Vide041inux的編程接口，防止圖像視頻過大，使用以預測技術為基礎的無損壓縮算法對文件進行壓縮，使用Aqua-Fi水下無線系統，利用激光將數據傳輸至岸上，對水下工作進行遠程實時監控。

5 結論

綜上所述，本設備采用聲發射技術對風機塔筒缺陷進行分析，根據探頭位置移動分析該部分的顯示圖與回波動態圖，判斷其內部是否存在缺陷。

風機塔筒是一個大型構件，不同部位發生缺陷的概率不同，內部缺陷常常發生在鍛件焊接位置，因此本文主要利用該位置進行分析，說明掃查位置，再使用EKF算法與ARM9TDMI微處理器保證本設備的數據實時性。

搭載式風電塔筒缺陷診斷監測設備在性能、實用性和準確性等方面均表現出色，為風電行業的安全運營提供了有力保障。隨著技術不斷進步，應用需求不斷變化，未來需要對該設備進行持續優化和升級，以適應新的挑戰。

參考文獻

[1]張越穎.風力發電機主軸的失效分析與有限元數值模擬[D].北京：北京有色金屬研究總院，2023.

[2]楊萍.風力發電機主軸鍛件的化學成份設計及熱處理工藝研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[3]于威.鋼軌超聲波探傷信號的處理及分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014.

[4]徐馳.超聲波在風機基礎內部損傷檢測中的應用研究[D].湘潭：湖南科技大學，2017.

通信作者：卿曉梅（1983-），女，漢族，四川簡陽人，碩士，高級實驗師。研究方向為新能源產品設計和新材料計算。

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