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超聲相控陣檢查風力渦輪機葉片中的翼梁罩和抗剪腹板粘合方案
超聲相控陣檢查風力渦輪機葉片中的翼梁罩和抗剪腹板粘合方案
王宏寶 李鵬
北京新興日祥科技發(fā)展有限公司 北京 100023
摘 要：介紹了超聲相控陣技術(shù)在風力發(fā)電機葉片檢測中的應用，包括葉片預防檢測的重要性、檢測方式、檢測部位、檢測結(jié)果分析等；
關(guān)鍵詞：超聲相控陣 風電發(fā)電葉片粘合 預防檢測；
Ultrasonic Phased Array Solution for The Inspection of Spar Cap and Shear Web Bonding in Wind Turbine Blades
LiJianGuo Wang Hong Bao Wang Yu Song
BEIJIN XIN XING RI XIANG SCIENCE＆TECHNOLOGY TRADE CO.,LTD，
BEIJING, 100023, CHIAN
Abstract: Application of ultrasonic phased array technology in wind turbine blade detection, including the importance of blade preventive detection, detection methods, detection location, detection results analysis, etc.
Key Words: PAUT, Bonding in Wind Turbine Blades, Prevention inspection;
一、風力發(fā)電機的發(fā)展
1.1 據(jù)保守預測，到2030年風電總產(chǎn)能將達到2110吉瓦，占電力總供應量的20%。因此，需要效率更高、更可靠、壽命更長的風電機組。
1.2 葉片關(guān)鍵粘結(jié)部位檢測的必要性：
葉片是風電機組關(guān)鍵部件之一，其造價占整機造價的15%—20%左右，同時，葉片也是風電機組中容易受到損傷的部件之一。一旦受損，常額外造成數(shù)百萬元的運行維護費用。
風電葉片的故障源頭有三個：一是原材料問題，二是制造或者工藝缺陷，三是設(shè)計因素。而就故障種類來看，則是以結(jié)構(gòu)脫落占主體。
對于風電葉片故障來說，較好的運維方式就是提前預防。這不僅體現(xiàn)在風場后期的定檢、巡檢，更體現(xiàn)在葉片制造過程中的控制。
本文通過超聲相控陣檢測風力渦輪機葉片中的翼梁罩和抗剪腹板粘合情況來進行說明。如圖1
圖1
二、實驗與說明
2.1 本文通用監(jiān)控翼梁罩材料的完整性來進行說明。在生產(chǎn)中一旦發(fā)現(xiàn)了缺陷，就需要快速調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，以確保所使用的玻璃纖維或碳纖維材料具有合格的質(zhì)量。直觀的成像功能可以為分層、起皺、多孔性和脫粘缺陷（如圖2）生成顯示在相控陣探傷儀屏幕圖像中的信號指示，操作人員通過這些信號指示，可以非常容易地探測到這些缺陷，并進行測量。
圖2
2.2、抗剪腹板粘接情況的檢測
為了確保葉片具有長期可靠的操作性能，對其抗剪腹板粘接情況的檢測非常關(guān)鍵（如圖3）。使用超聲相控陣技術(shù)的可使探頭在葉片的長度或?qū)挾葍蓚€方向上完成掃查：使用Mini-Wheel（袖珍輪）編碼器，可以進行手動單線編碼掃查；使用雙軸掃查器，可以進行雙軸半自動/全自動編碼掃查。掃查完成后，會為被檢區(qū)域生成C掃描圖像。在C掃描圖像中，被檢區(qū)域的不同信號波幅由不同的顏色表示。如果粘接質(zhì)量良好，在粘接區(qū)域中傳播的超聲波就會穿過膠粘劑，并散射到抗剪腹板中，這樣在粘接界面處就不會出現(xiàn)回波，或者只會出現(xiàn)較弱的回波（C掃描中的藍色或黃色區(qū)域）。這個直觀的成像功能既可以方便地辨別粘接的質(zhì)量，又可以測量粘接區(qū)域的寬度。可以有效的控制粘結(jié)質(zhì)量。
圖3
2.3 試驗過程
本文使用超聲相控陣探傷儀驗證了葉片的翼梁罩與抗剪腹板的粘接情況。這些部件由較厚的、衰減性較強的材料制成，如：碳纖維增強塑料（CFRP）和玻璃纖維增強塑料（GFRP）。這種相控陣探頭解決方案，與常規(guī)超聲檢測（UT）技術(shù)相比，可以覆蓋更寬的掃查范圍，而且具有掃查速度更快，數(shù)據(jù)點采集密度更高，可靠性能更強，以及完備的成像功能等優(yōu)勢特性，因此可以更輕松地完成這類具有挑戰(zhàn)性的檢測。
2.4.3.1 現(xiàn)場試驗圖
2.3.2解剖葉片驗證過程
2.4 試驗設(shè)備情況
2.4.1 使用0.5MHZ或1MHZ低頻超聲相控陣探頭
2.4.2 使用市場主流相控陣設(shè)備
2.5 試驗結(jié)果分析
2.5.1 采用1MHZ相控陣探頭橫向確定結(jié)合的部位和寬度，如下圖4：
圖4
2.5.2 解剖試驗結(jié)果檢測與實物對比情況
圖5-6
圖5
圖6
C掃描圖像可以清晰看到脫粘缺陷
（紅黃色區(qū)域）
2.5.4 采用1MHZ相控陣探頭沿膠粘方向掃查確定是否膠粘良好 如圖7-9
圖7
圖8 C掃描可見掃查區(qū)域玻纖外殼內(nèi)部無明顯缺陷
圖9 C掃描可見掃查區(qū)域玻纖外殼內(nèi)部存在明顯缺陷（紅黃區(qū)域）
三 結(jié)束語
風電機組葉片的每一次彎曲、扭曲和自振，都可能造成葉片的粘合縫處自然開裂。 如果未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象或者未監(jiān)控葉片膠粘生產(chǎn)，葉片折斷、摔落現(xiàn)象極有可能發(fā)生，造成嚴重事故，所以，不管是在生產(chǎn)葉片過程中，還是后期運維，巡檢過程中，都必須嚴格關(guān)注葉片膠粘粘合情況。
超聲相控陣技術(shù)在風電葉片生產(chǎn)和運維中的應用，具有很大前景。
參考文獻
[1] 奧林巴斯風電檢測相控陣基本原