风机叶片检测有了新技术

据最新预测，到2030年全球风电总产能将达到2110吉瓦，占电力总供应量的20%。因此，需要效率更高、更可靠、寿命更长的风电机组。叶片是风电机组关键部件之一，其造价占整机造价的15%—20%左右，同时，叶片也是风电机组中最容易受到损伤的部件之一。一旦受损，常额外造成数百万元的运行维护费用。 据业内人士介绍，风电叶片的故障源头有三个：一是原材料问题，二是制造或者工艺缺陷，三是设计因素。而就故障种类来看，则是以结构脱落占主体。 “风电机组叶片运转5年左右，起到外固合保护作用的胶衣已被风沙抽磨至最低固合力点，原始叶片粘合缝从外观上已清晰可见，此时叶片完全依靠内粘合来运转。由于原始叶片弯曲、扭曲的内粘合受粘合面不均匀、受力点不均，风电机组的每一次弯曲、扭曲和自振，都可能造成叶片的内粘合缝处自然开裂。尤其是叶片的迎风面叶脊处，是叶片受损最严重的部位，自然开裂率最高。”一位风电场运维人员表示，“如果风场巡视未发现开裂现象，风电机组继续运转，叶片折断、摔落现象极有可能发生，造成严重事故。” 对于风电叶片故障来说，最好的运维方式就是提前预防。这不仅体现在风场后期的定检、巡检，更重要的是要在叶片的生产制造环节就要杜绝原材料的缺陷。 德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）日前开发了一个用于叶片材料质量控制的扫描检测装置，就可以更好地为叶片材料把关。 据介绍，该装置具有三方面特点：一是可以检测识别复合材料的缺陷。在叶片制造中，需将近百层玻璃纤维有序层叠，层间多用环氧树脂粘接。质控难点在于，在粘接之前，玻璃纤维层要保持平整光滑、没有起伏。采用红外热成像仪可进行大面积表面检测，而IAF研制的装置则可以更精确地进行深层检测，且可用于检测超声方法不适用的部位。 二是横截面检测精度达到毫米级。材料扫描器的核心是一个高频率的雷达，专用软件可将发送和接收信号处理为可视化结果，从而能够识别叶片横截面毫米范围内的缺陷，比传统方法更准确。这个雷达模块采用砷化铟镓半导体技术，重量轻、结构紧凑，体积只有香烟盒大小，可通过互联网输出测量情况。 三是通过缩短停机时间，降低维护成本。目前，主要通过专家敲击来判断叶片是否受损。用这种自动化的雷达技术辅助，可以显著减少停机时间，从而节约开支，尤其适用于人工        维护难度大的、耗时费力的海上风电机组。据称，这种雷达扫描装置同样可以用于采用轻型复合材料的波音787、空客A350等新型飞机制造的检测中。 据悉，该技术有望在2017年德国汉诺威工业博览会上展出。

风电叶片的常见缺陷及其传统无损检测

风能是一种可再生能源，近年来随着风能稳定性的提高和风电叶片成本的进一步降低，这种绿色能源得到了快速的发展。风电叶片是风电系统的核心部分，它的转动可以将风的动能转化为可用能源。风电叶片一般都是由碳纤维或玻璃纤维增强复合材料制备，在生产和使用过程中不可避免地会出现缺陷和损伤，因此无论是生产过程中的质量检测，还是使用过程中的跟踪检测都显得十分重要。无损检测技术和风电质量检测技术也成为了风电叶片生产和使用过程中非常重要的技术。 1.风电叶片的常见缺陷 风电叶片在生产过程中产生的缺陷可能会在后续风力系统正常运作过程中发生变化，从而造成质量问题，其中最为常见的缺陷就是叶片上的微小裂纹（通常产生在叶片的边缘、顶部或者尖端处）。而造成裂纹的原因主要来源于生产过程中的缺陷，如脱层等，通常发生在树脂填充不完善区域。其他缺陷还有表面脱胶、主梁区域脱层和材料内部的一些孔隙结构等，见图1。 图1.风电叶片存在的缺陷种类 2.传统无损检测技术 2.1目视检测 目测法被广泛用于航天飞机或桥梁上的大尺寸结构材料的检测。由于这些结构材料的尺寸都非常大，所以目视检测所需的时间会比较长，此外检测的准确度也依赖于检测人员的经验。由于一些材料属于“高空作业”领域，因此检测人员工作的危险性较高。在检测过程中检测人员一般会配备一个长镜头的数码相机，但是长时间的检测过程会造成眼睛疲劳。目测法可以直观的检测到材料表面的缺陷，但是内部结构的缺陷却无法检测到，因此还需要其他有效的手段来评价材料内部的结构。 2.2超声及声学检测技术 超声波和声波无损检测技术是最常用的风电叶片检测技术，可细分为超声回波、空气耦合超声波、激光超声波、实时共振光谱技术以及声发射技术等。迄今为止，这些技术都已经被用于风电叶片的检测。 （1）超声回波技术 超声回波技术是一种常用的无损检测技术，检测的原理也十分简单，短脉冲的超声信号施加到目标区域，然后信号经过散射和反射之后被检测到，通过信号处理获取图像数据。而检测区域的深度则由信号结构的时间来确定，因此该技术可以有效地检测碳纤维和玻璃纤维增强复合材料的厚度。Juengert A等利用超声回波技术检测玻纤增强复合材料的结合区域。超声波经过材料后会形成回波，如果树脂和纤维结合不是很好的，信号会很明显也很快被检测到；反之，信号则会出现延迟或者消失。对于高阻尼材料需要施加高电压脉冲，高频波相比低频波更加容易衰减，因此对于高阻尼材料低频波更加有利于检测，不同的声波匹配不同的尺寸的缺陷，因此选取合适频率的波长取决于材料的阻尼性能和测试的分辨率两方面的因素。 此外还可以将风电叶片浸没在水中进行声波检测，利用不同的声波转换器（聚焦2.2 MHz和平面00KHz），可以有效地检测材料内部存在的缺陷尺寸。 在现有研究的基础上人们还开发出二维超声无损检测系统，可随身携带，通过信号处理对数据进行图像化，从而精确的检出缺陷区域，并对风电叶片进行维护，这样可以节约大量的时间。 （2）导波检测 导波检测也属于无损检测范畴，是通过机械力沿内部结构传播，传播距离长，衰减较小。导波传递过程中遇到缺陷区域会产生散射和反射信号，一般对回波进行测试或者对间歇脉冲进行测试，而收集的信号主要包括信号收集时间和振幅等，根据这些获取的信号就可以获得缺陷的信息。长程超声测试主要采用低频率的导波来检测玻纤增强风电叶片。测试设备主要由低频信号发生器、单轴信号扫描器和信号接收转化器构成。信号转化器为PZT类型，需要使用耦合剂。该技术应用于风电叶片监测过程中也存在着不足之处，主要是因为材料内部的各向异性和生产过程造成的不均一性增加了测试过程中波的衰减和散射。 （3）超声相控阵/超声线阵列 相比传统的超声转换装置，相阵列超声检测装置由16～256个小的脉冲发生装置组成。一个相控阵超声检测系统通过高端的计算机设备来控制和运行不同的元件，然后进行检测和收集回波信号。相比传统的缺陷检测，相控阵检测系统可以通过不同的路径来完成信号收集，因此增加了检测的灵活性和有效性。 （4）空气耦合超声检测 空气耦合超声检测和普通超声波的传递过程一样，唯一的区别在于耦合介质的不同，空气耦合超声检测过程中，空气取代了水和凝胶介质。该检测技术是一种无接触的测试技术，可以有效地消除水和凝胶在测试过程中带来的微小变动，因此该技术的测试校准和检测过程都较快。 （5）激光超声检测 激光超声技术出现于1960年，此后被用于材料的无损检测。激光超声检测技术的图像可以在单一点进行激发产生超声波，从而造成超声波在材料内部传递，反映出不同区域的内聚结构。此外还可以通过对多点进行激发扫描获取测试图像。超声波可以在高能脉冲激光的激发下获取。Park B等利用该技术实现了对风电叶片脱层和脱胶现象的可视化检测，该检测技术在脱层区域存在信号衰减现象，相应的测试数据见图2。 图2. 激光超声检测风电叶片获取的数据;左图为累积信号模式，右图为标准模式 该技术存在着明显的优点： （1）不需要额外安装传感器； （2）可以在恶劣环境下快速完成检测； （3）可视化的图像数据且可以完成自动检测。

风电机组叶片缺陷的无损检测方法

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。 【风机叶片的损伤和缺陷分析】 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。 【无损检测方法的比较与分析】 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。 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。 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。 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。 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。