風(fēng)力機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)分析

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1、風(fēng)力機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)分析風(fēng)力機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)分析 2016/01/13 熱力發(fā)電雜志2015年第十一期摘要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多種類型缺陷.因此,對(duì)幾種常用的風(fēng)力機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明:各無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在一定條件下均可有效地對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè);采用多種無(wú)損檢測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片各環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控,可降低缺陷引起的質(zhì)量隱患;將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片缺陷檢測(cè)中,不僅可對(duì)缺陷進(jìn)行確定,而且可為全面提高葉片質(zhì)量以及對(duì)其動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)積累和支持.關(guān)鍵詞風(fēng)力發(fā)電;風(fēng)力機(jī);葉片;缺陷;無(wú)損檢測(cè);定位對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,葉

2、片作為風(fēng)力機(jī)獲取風(fēng)能的核心部件,其可靠性對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行起著重要的作用.隨著對(duì)大容量和低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā),風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不斷增加,對(duì)材料和工藝質(zhì)量的要求也越來(lái)越高.目前,我國(guó)風(fēng)力機(jī)葉片制造企業(yè)通過(guò)購(gòu)買設(shè)計(jì)專利和技術(shù)引進(jìn),已基本掌握了大型風(fēng)力機(jī)葉片的制造技術(shù).但在關(guān)鍵技術(shù)、原材料性能、質(zhì)量控制等方面仍與國(guó)外存在差距,加之葉型構(gòu)造、制作盲區(qū)及黏接部位的復(fù)雜性,導(dǎo)致多數(shù)葉片在安裝前或運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)各類不同程度的損壞,因此風(fēng)力機(jī)葉片的質(zhì)量仍存在較大隱患.目前,歐洲各國(guó)已制定了相應(yīng)的葉片檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證體系,在風(fēng)力機(jī)葉片檢測(cè)領(lǐng)域已進(jìn)行了多種實(shí)踐和探索,累積了豐富的經(jīng)驗(yàn).由于風(fēng)力機(jī)葉片的復(fù)合材料

3、性能及結(jié)構(gòu)具有特殊性,如果使用機(jī)械方法進(jìn)行檢測(cè),將導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部或外表面的微觀受損,因此采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行缺陷檢測(cè),可明顯降低風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過(guò)程中失效的可能性.本文針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片生產(chǎn)過(guò)程中的不同缺陷及損傷類型,對(duì)目視法、敲擊法、X射線檢測(cè)法、閃光燈激勵(lì)紅外熱波檢測(cè)技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)、激光散斑檢測(cè)技術(shù)及微磁檢測(cè)技術(shù)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析比較,并提出采用多種檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜合檢測(cè)的方法,以為最大程度地消除風(fēng)力機(jī)葉片質(zhì)量隱患提供參考.常見質(zhì)量缺陷及產(chǎn)生原因?qū)︼L(fēng)力機(jī)葉片缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行有效分析,可有針對(duì)性地制定預(yù)防方案及增加檢測(cè)方法,以減小缺陷產(chǎn)生的概率,使風(fēng)力機(jī)葉片質(zhì)量及性能滿足

4、運(yùn)行要求.風(fēng)力機(jī)葉片由復(fù)合材料制作而成,為薄殼型結(jié)構(gòu),其包括根部、外殼和加強(qiáng)筋或大梁個(gè)部分.葉片缺陷類型主要包括鋪層過(guò)程中纖維方向誤差、缺層、發(fā)白分層、玻纖搭接不足或過(guò)多、富脂或貧脂、孔隙、夾雜、黏接處缺膠、表面磨損或劃傷等,其中黏接處缺膠的缺陷最為常見.在風(fēng)力機(jī)葉片制作、安裝和運(yùn)行過(guò)程中各缺陷互相影響或誘發(fā)產(chǎn)生.風(fēng)力機(jī)葉片缺陷產(chǎn)生的主要原因有:制造、包裝、運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行等過(guò)程中對(duì)葉片的損傷;運(yùn)行過(guò)程中,葉片因長(zhǎng)期受交變載荷作用而產(chǎn)生微觀不可見缺陷,從而引發(fā)疲勞受損,出現(xiàn)玻璃鋼發(fā)白分層、黏接處開裂等;環(huán)境氣候多變,造成玻璃鋼老化,從而導(dǎo)致玻璃鋼材料斷裂.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用風(fēng)力機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)

5、方法主要包括目視法、敲擊法、X射線檢測(cè)法、閃光燈激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、微波檢測(cè)法、激光散斑檢測(cè)法及微磁檢測(cè)法等.目視法通過(guò)肉眼或借助放大鏡等工具觀測(cè)風(fēng)力機(jī)葉片外表面及內(nèi)腔可達(dá)區(qū)域表面的缺陷,其被廣泛地應(yīng)用于葉片制造和運(yùn)行缺陷檢測(cè).在葉片樹脂灌注固化后以及合模前,通過(guò)目視可檢測(cè)到干纖維、鼓包、裂紋、氣泡、劃傷等較明顯的表面缺陷.但是,在葉片制作過(guò)程中,如合模及表面噴漆后,目視法僅限于內(nèi)腔可到達(dá)區(qū)域及葉片表面油漆缺陷檢測(cè),存在較多局限性.敲擊法常用于風(fēng)力機(jī)葉片制作過(guò)程的檢測(cè),其利用小錘、鋼尺等硬物敲擊葉片黏接區(qū)域,判斷是否存在黏接空洞.但是,當(dāng)聲音無(wú)明顯差別時(shí),會(huì)造成缺陷無(wú)法判定或漏

6、判.該檢測(cè)法僅對(duì)檢測(cè)較大的缺膠缺陷有效,由于在敲擊過(guò)程中有可能造成葉片表面微觀損傷,因此對(duì)環(huán)境及檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)要求較高.X射線檢測(cè)法為射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)(RTR)技術(shù),在復(fù)合材料檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,其檢測(cè)原理如圖所示.X射線檢測(cè)技術(shù)可用于檢測(cè)缺膠空洞、夾雜、垂直于玻璃鋼表面的裂紋、富脂、部分褶皺等風(fēng)力機(jī)葉片常見缺陷,在判斷葉片缺膠空洞及夾雜等體積型缺陷方面優(yōu)勢(shì)明顯.但是,對(duì)葉片分層和平行玻璃鋼表面的裂紋等缺陷檢測(cè)仍存在一定的局限性,且存在檢測(cè)設(shè)備龐大、檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、射線對(duì)人體有害等問(wèn)題.閃光燈激勵(lì)紅外熱檢測(cè)法為紅外熱波檢測(cè)技術(shù)的一種,其采用閃光燈脈沖方式對(duì)被測(cè)物體表面進(jìn)行加熱,再利用紅外熱像儀對(duì)受

7、激勵(lì)前后的被測(cè)物體表面溫度場(chǎng)變化及其分布進(jìn)行探測(cè)和記錄.由于被測(cè)物體內(nèi)部存在結(jié)構(gòu)變化或缺陷,因此物體各區(qū)域表面溫度在冷卻過(guò)程將產(chǎn)生響應(yīng)變化,通過(guò)對(duì)溫度變化過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、分析及處理,確認(rèn)被測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,從而確定被測(cè)物體是否存在缺陷.高能閃光燈熱波檢測(cè)原理如圖所示.王小永和錢華采用紅外熱波檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料分層、黏接缺膠等缺陷的研究結(jié)果顯示,該檢測(cè)技術(shù)對(duì)于檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部分層及黏接缺膠缺陷可行,具有檢測(cè)速度快、非接觸性、數(shù)據(jù)顯示直觀且可追溯、可以進(jìn)行表面定位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),其也可對(duì)正在運(yùn)行中的復(fù)合材料設(shè)備進(jìn)行在線檢測(cè).超聲波檢測(cè)法主要分為脈沖反射法、共振法、反射板法及阻抗法等,工程應(yīng)用領(lǐng)域多

8、采用脈沖反射式超聲波探傷儀.如果材料內(nèi)部存在缺陷,則會(huì)造成材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù),使得材料各部分聲阻抗不一致,脈沖反射法則利用超聲波在各種不同聲阻抗介質(zhì)交界面上產(chǎn)生的反射檢測(cè)材料內(nèi)部的缺陷.反射波能量與介質(zhì)的聲阻抗、交界面的大小及方向有關(guān),所以可通過(guò)檢測(cè)反射波能量,確定材料內(nèi)部缺陷.超聲波檢測(cè)原理如圖所示.由于超聲波檢測(cè)技術(shù)具有指向性好、能量大、穿透力較強(qiáng)等特性,一些國(guó)內(nèi)制造企業(yè)將其用于檢測(cè)葉片分層、腹板與殼體及前后緣黏接缺膠、裂紋及夾雜等缺陷,并可對(duì)黏接膠厚度進(jìn)行有效測(cè)量.但是,由于超聲波探傷儀以反射脈沖形式輸出,需要結(jié)合材料、部位、制造工藝以及生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷類型,才能初步預(yù)判缺陷,因此超聲波

9、檢測(cè)技術(shù)仍難以對(duì)缺陷性質(zhì)做出判斷,該方法在葉片缺陷檢測(cè)的應(yīng)用仍未普及.激光全息檢測(cè)技術(shù)利用激光干涉原理,在外部載荷作用下使物體發(fā)生變形,通過(guò)激光呈現(xiàn)內(nèi)部變形位移判斷物體內(nèi)部的缺陷.該檢測(cè)方法是將被測(cè)物體加載后,在外載荷作用下,使物體表面發(fā)生位移,表面輪廓隨之發(fā)生變化,從而獲取的物體全息圖條紋發(fā)生變化,通過(guò)條紋間距計(jì)算出表面位移量.由于物體形狀各異,在相同外載荷作用下,各處位移量不同,因此造成干涉條紋形狀及間距不同.當(dāng)物體內(nèi)部無(wú)缺陷時(shí),全息圖上的干涉條紋呈現(xiàn)宏觀、連續(xù)條紋且與物體表面輪廓變化相同.當(dāng)被測(cè)物體內(nèi)部存在缺陷時(shí),在外載荷作用下,缺陷對(duì)應(yīng)位置的干涉條紋位移量及間距與加載前不一致.激光全息

10、檢測(cè)技術(shù)通過(guò)激光照射成像可觀測(cè)到缺陷形狀及間距變化,對(duì)缺陷程度及位置進(jìn)行判斷.其檢測(cè)原理如圖所示.激光全息檢測(cè)技術(shù)降低了對(duì)材料機(jī)械穩(wěn)定性及相干性的要求,便于調(diào)整靈敏度,易于測(cè)量材料面內(nèi)位移,可用于檢測(cè)材料多種類缺陷,如裂紋、氣泡、沖擊或撞擊損傷、分層等.但是,由于該技術(shù)為非接觸檢測(cè),對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部黏接缺膠缺陷的檢測(cè),取決于缺膠面積與內(nèi)部深度的比值,一般可以檢測(cè)出淺層近表面缺膠和微小面積的缺陷,以及缺膠面積足夠大且隱藏的深層缺陷,而對(duì)于物件內(nèi)部過(guò)深及較小缺陷則難以檢測(cè).此外,該技術(shù)的檢測(cè)多在有防隔振措施的暗光室內(nèi)進(jìn)行,無(wú)法對(duì)葉片進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè).微磁檢測(cè)法是建立在穩(wěn)定“地磁場(chǎng)”理論基礎(chǔ)上的一種

11、新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù).在穩(wěn)定“地磁場(chǎng)”狀態(tài)下,材料缺陷會(huì)引起穩(wěn)定磁場(chǎng)的變化.當(dāng)材料內(nèi)部不存在缺陷時(shí),磁感應(yīng)線在材料內(nèi)部均勻分布,且方向與材料表面平行,無(wú)磁感應(yīng)線彎曲泄漏到材料外部的情況,即材料表面磁場(chǎng)穩(wěn)定.當(dāng)材料內(nèi)部存在不連續(xù)缺陷時(shí),其磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化,平行的磁感線發(fā)生突變,在材料外部泄漏,通過(guò)磁敏傳感器可以檢測(cè)到磁異常信號(hào),并且根據(jù)材料內(nèi)部缺陷特征及性質(zhì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和判定.根據(jù)檢測(cè)原理(圖),該技術(shù)可以對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部的裂紋、氣孔、疏松等缺陷信號(hào)進(jìn)行判定,對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析.對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究結(jié)果表明,微磁檢測(cè)技術(shù)不但可以對(duì)材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行定性分析,而且還可以通過(guò)分析信號(hào)數(shù)據(jù)范

12、圍,對(duì)缺陷位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位.風(fēng)力機(jī)葉片的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為非磁性材料,常規(guī)的漏磁檢測(cè)方法不能使用.幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析上述幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用均與材料類型、產(chǎn)品制造工藝、各區(qū)域壁厚、使用環(huán)境等因素密切相關(guān).由于風(fēng)力機(jī)葉片特殊的結(jié)構(gòu)及工藝制作方式,單一的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已無(wú)法滿足對(duì)葉片各類缺陷檢測(cè)的要求.根據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)及缺陷類別,可選擇多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜合檢測(cè).另外,無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的選取還應(yīng)考慮成本、工作效率、儀器的適用性等因素.對(duì)幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特征對(duì)比見表.由于風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過(guò)程中,工作載荷存在多樣性,材料基體性能呈分散性,因此難以判斷葉片出現(xiàn)缺陷或損傷的部位.在其服役過(guò)程中,如果缺陷

13、可被目視檢測(cè)出,則損傷程度非常大,修復(fù)難度較大,甚至無(wú)法修復(fù).如對(duì)于海上風(fēng)力機(jī),其葉片價(jià)格、檢測(cè)及維護(hù)成本均比較高,所以對(duì)運(yùn)行中的葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷,對(duì)缺陷修復(fù)及運(yùn)行壽命都非常重要.通過(guò)對(duì)比可知,對(duì)各種無(wú)損檢測(cè)方法的應(yīng)用有助于全面收集并積累缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析及整理,我們能夠更深入了解缺陷成像原理,建立缺陷判定數(shù)據(jù)庫(kù).在風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行過(guò)程中,可通過(guò)數(shù)據(jù)及圖像全面準(zhǔn)確檢測(cè)缺陷.通過(guò)聲發(fā)射等檢測(cè)設(shè)備收集缺陷信息后,比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù),可及時(shí)定位缺陷葉片及其缺陷位置,并及時(shí)修復(fù)缺陷,以保證運(yùn)行葉片的質(zhì)量.對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的探索和研究將對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)葉片狀態(tài)、保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行具

14、有重要意義.結(jié)語(yǔ)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多種類型缺陷.對(duì)此,本文對(duì)幾種常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明:各無(wú)損檢測(cè)技術(shù)均可有效地對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè);采用多種無(wú)損檢測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片各環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控,可降低缺陷引起的質(zhì)量隱患;將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片缺陷檢測(cè),不僅可對(duì)缺陷進(jìn)行確定,而且可為全面提高葉片質(zhì)量以及對(duì)其動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)積累和支持.因風(fēng)場(chǎng)環(huán)境氣候多變,隨著風(fēng)力機(jī)葉片材料的老化和固有質(zhì)量缺陷的顯現(xiàn),運(yùn)行質(zhì)量事故造成停機(jī)檢測(cè)將會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電量,導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失.雖然動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段,推廣應(yīng)用還需要很

15、長(zhǎng)時(shí)間,但隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和深入研究,動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將被更廣泛地關(guān)注,必將成為大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片質(zhì)量監(jiān)控的重要手段.參考文獻(xiàn)SCHUBELPJ,CROSSLEYRJWindturbinebladedesignJEnergies,():AlKHUDAIRIO,GHASEMNEJJADHToimprovefailureresistanceinjointdesignofcompositewindturbinebladematerialsJRenewableEnergy,():JENSENFM,FALZONBG,ANKERSENJ,etalStructuraltestingandnume

16、ricalsimulationofamcompositewindturbinebladeJCompositeStructures,(/):CAPUZZIM,PIRRERAA,WEAVERPMStructuraldesignofanovelaeroelasticallytailoredwindturbinebladeJThinWalledStructures,():郭興旺,許文浩蜂窩結(jié)構(gòu)積水的脈沖紅外熱像無(wú)損檢測(cè)的傳熱分析J紅外技術(shù),():GUOXingwang,XUWenhaoHeattransferanalysisofpulsedyhermographyforwaterdetectionin

17、honeycombstructuresJInfraredTechnology,():。王小永,錢華先進(jìn)復(fù)合材料中的主要缺陷與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)J無(wú)損探傷,():WANGXiaoyong,QIANHuaAnalysisofsefectsinadrancedcompositesandprocessofnondestructivetestingJNondestructiveTesting,():蔣志峰,吳瑞明,吳作倫,等復(fù)合材料孔隙含量超聲檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究J玻璃鋼/復(fù)合材料,():JIANGZhifeng,WURuiming,WUZuolun,etalDesingandstudyofultrason

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