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风机叶片缺陷的无损检测方法
发布:kittyll   时间:2015/9/8 11:29:24   阅读:637 
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风能是绿色的可再生能源,有良好的发展前景。我国可开发的风能潜力巨大,资源丰富,总的风能可开发量约有1000~1500GW,可见,风电有潜力成为未来能源结构中重要的组成部分。因此,风力发电的发展也备受关注,而风机叶片是风电机组的重要组成部分,一般由玻璃纤维复合材料制成,因其制造工艺的复杂性,在成型过程中难免会出现缺陷;另外,由于工作环境的恶劣性与工况的复杂多变性,在运行过程中也会出现不同程度的损伤。武汉科技大学材料与冶金学院的刘双等研究人员通过对文献的调研了解到,目前,对于风机叶片缺陷的无损检测方法主要有X射线、超声波、声发射、光纤传感器、红外热成像检测技术等。但每种检测方法都具有各自的优点和使用局限性,而且并没有完善的标准来规定检测方法的适用阶段。
 

1 风机叶片的缺陷和损伤分析

风机叶片产生缺陷的原因是多方面的,在生产制造过程中,会出现孔隙、分层和夹杂等典型缺陷。孔隙缺陷主要是由于树脂与纤维浸润不良,空气排挤不完全等因素造成;分层缺陷主要是因为树脂用量不够,二次成型等;夹杂缺陷的产生主要是由于加工过程中的异物混入。

此外,叶片在运输和安装过程中,由于叶片本身尺寸和自重较大而且具有一定的弹性。因此,一定要做好保护叶片的工作,以防产生内部损伤。值得注意的是,风机在运行过程中叶片也会出现不同程度的损伤,其主要形式有裂纹、断裂和基体老化等,外界冲击是产生裂纹的主要原因,断裂通常是由缺陷损伤累积引起的,风机在正常运行情况下叶片不会发生突然断裂,而基体老化是由于风机叶片长期工作在沙尘、雨水和盐雾腐蚀的恶劣条件下。
 

2 无损检测方法的比较与评价

2.1 X射线检测技术

对于风电叶片而言,何杰等研究人员通过实验验证了X射线技术是检测风电叶片中孔隙和夹杂等体积型缺陷的良好方法,可以检测垂直于叶片表面的裂纹,对树脂、纤维聚集有一定的检测能力,也可以测量小厚度风电叶片铺层中的纤维弯曲等缺陷,但对风电叶片中常见的分层缺陷和平行于叶片表面的裂纹不敏感,文献中对孔隙和夹杂等缺陷进行了检测,从实验结果中可以观察到缺陷的存在,可满足叶片出厂前的检测,能够进行定性分析。中北大学电子测试国防重点实验室的研究人员将X射线与现代测试理论相结合,在数字图像处理阶段,通过小波变换与图像分解理论,将一幅图像分解为大小、位置和方向都不同的分量,改变小波变换域中的某些参数的大小,实时地识别出X射线图像的内部缺陷。朱省初等研究人员通过试验验证了不同工艺条件下的缺陷检出情况,并表明进行射线探伤的工艺管理是非常必要的。综上可知,在实验条件下,X射线技术可实现对风机叶片的缺陷检测。

对于在役风机叶片,由于受现场因素的影响及高度的限制,使用X射线检测方法很难实现现场检测,但对于风机叶片的体积缺陷有一定的检出能力,由于受叶片尺寸的限制,该方法还未广泛的应用于叶片的全尺寸检测。
 

2.2 超声波检测技术

超声波检测技术比较适用于风机叶片成型后的检验,此时,风机叶片还未安装,检测的目的是为了保证风机叶片的出厂质量;利用超声波检测技术可以有效地检测厚度变化,能够显示出产品的隐藏故障,如分层、夹杂、气孔、缺少胶粘剂以及粘结处粘结不牢等缺陷,从而可大幅度降低叶片失效的风险。由于复合材料结构具有明显的各向异性,会产生反射、散射及衰减的影响,使得超声波在复合材料多层结构中的传播变得复杂,针对风机叶片结构的超声波检测方法主要有脉冲回波法和空气耦合超声导波法。

由于该方法检测周期长,对不同类型的缺陷需使用不同规格的探头,在检测过程中需使用耦合剂,也是局限性所在。所以,对于实时的动态监测,超声波检测技术很难实现,但可以进行出厂前的静态检测,对于缺陷存在的区域会形成反射脉冲,因此,可以判断出缺陷产生的位置。

2.3 声发射检测技术

声发射检测技术可对裂纹的萌生和扩展进行动态监测,进而,能够有效检测出风机叶片结构的整体质量水平,评价缺陷的实际危害程度,可预防意外事故的发生。在检测过程中,接收的信号是缺陷在应力作用下自发产生的,但在实际应用中,由于声发射对环境因素十分敏感,因此对监测系统会造成干扰,影响检测的准确性,所以很难对缺陷进行定量分析,但是能够提供缺陷在应力作用下的动态信息,对于寿命评估有一定的优势,可对叶片进行安全评价。

该方法与超声波法相比,在检测静态叶片质量方面没有优势;然而,由于该技术其对被检件的接近要求不高,因而比较适用于在役风机叶片的实时监测,采用多传感器长距离布置的方式,能够接收到叶片在运行过程中所产生的声发射信号,通过后处理,可以获得损伤部位的动态信息。采用该方法对叶片进行监测,主要是因为叶片在运行过程中,会受到外力作用,进而产生应力集中现象,缺陷处在外力作用下会自发的产生信号,这样就能够判断出缺陷产生的位置。
 

2.4 光纤传感器技术

在风机叶片的关键位置埋人光纤传感器阵列,探测其在加工、成型及服役的动态过程中内部应力、应变的变化,并对外力、疲劳等引起的变形、裂纹进行实时监测,可实现对风机叶片的状态监测与损伤评估。

光纤具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等特点,本身既是传感器,又能传输光信号,易于埋在构件中而不影响构件整体的强度,而且光纤可对内部结构参数的变化进行连续实时的安全检测,可探测出各种原因造成的材料与结构内部损伤,因此,该方法具有很好的发展前景,但由于光纤传感器存在性能稳定性及价格方面的问题,使其在应用中受到很大的限制。

2.5 红外无损检测技术

国内不少研究和文献的调研说明,红外热成像检测技术能够检测出玻璃纤维制叶片的几种典型缺陷。并且,缺陷尺寸越大、深度越浅,冷却过程中形成的最大表面温差越大,使用红外热成像仪越容易进行检测,对于制造风力机叶片的玻璃纤维增强复合材料,热成像技术是一种比较适用的无损检测方法,尤为适用于常见的分层和渗胶类型的缺陷。

该方法与其他检测方法相比,具有非接触、可大面积远距检测以及操作简单和易于实时观察等特点,更加适用于风机叶片的现场检测;但由于受到塔筒的高度限制,在现场检测中有一定的局限性,考虑到光线的照射以及叶片表面温差较小等因素,这都会对检测结果造成不利影响,对于缺陷的检出和定性分析有一定难度。所以,该方法在应用方面还有待进一步的开发研究,研究意义较大。
 
节选自《无损检测》2015年第3期
 
本文作者:刘双, 武汉科技大学材料与冶金学院硕士研究生,主要从事复合材料制叶片缺陷检测及评价技术研究。
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