风电叶片前缘胶接结构的超声检测技术研究.pdf

２０１６年第４期玻璃钢／复合材料５５风电叶片前缘胶接结构的超声检测技术研究王昌盛，周克印，徐萍，孟令民（南京航空航天大学，南京２１１１００）摘要：风电叶片前缘为胶接结构，胶接质量的优劣直接影响到叶片的使用寿命。应用超声脉冲回波法对风电叶片前缘胶接结构进行检测，并通过ＣＩＶＡ仿真分析了探头频率对胶接结构超声检测结果的影响。试验采用设计的超声波双晶探头对风电叶片前缘试块进行了检测。分析结果表明，超声波双晶探头能够接收到明显的胶接区域缺陷回波，可以方便地实现风电叶片前缘胶接结构的检测。关键词：风电叶片；超声检测；仿真分析；无损检测；胶接结构—中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１６）０４００５５－０４风能作为一种快速发展的可再生清洁能源，其开发利用越来越受到世界各国的重视。截止２０１４年底，全球风电累计装机容量达到３７１ＧＷ＿ｌＪ。风电叶片是风力发电机的基础和关键部件之一，其价值约占装机总成本的２０％，其合理的设计、可靠的质量是决定风电机组性能好坏的关键因素Ｊ。风电叶片一般由纤维增强复合材料制造，来提高其比强度、比模量和抗疲劳陛能。受制造工艺、成型工艺及粘接工艺的影响，风电叶片难免会出现分层、裂纹、脱粘等结构缺陷。如果这些缺陷不能够在叶片出厂前及时检测及修复，在风电叶片服役过程中将会导致结构损伤的产生、累计及扩展，最终导致叶片的失效。因此，风电叶片结构质量的控制是保证叶片性能的关键Ｊ。１风电叶片结构及其常见缺陷风电叶片的制造一般采用半成型合模技术，即压力侧与吸力侧分别成型，并通过结构胶进行粘接Ｊ。如图１所示为风电叶片截面图，图中压力侧与吸力侧的前后缘、大梁与腹板均用粘接工艺进行连接。根据目前大部分风场运行风电叶片事故分析，叶片粘接开裂问题最多，因此粘接质量是影响叶片质量的重要因素。——’，，１７］＇膳离套域Ｉ一）图１风电叶片截面图Ｆｉｇ．１Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ风电叶片在生产制造过程中会产生脱粘、缺胶、分层和夹杂等典型缺陷。脱粘缺陷主要是指叶片前后缘、大梁与腹板未被粘上的区域。缺胶缺陷主要是由于粘接剂用量不足造成的；分层缺陷是层板中不同层之间存在的局部的明显分离；夹杂缺陷的产生主要是由于加工过程中的异物混入。风电叶片的前缘为胶接结构，并且胶接过程为盲粘，将会不可避免地出现脱粘或缺胶等缺陷。目前，风电叶片前缘的检测存在的主要困难有：多层结构；厚度范围变化大；由各向异性的复合材料构成；外形为弧面，一般的平面复合材料检测无法适用。实际中，叶片前缘粘接位置有脱粘、粘结力不足等问题。常规的例行检测一般是采用目视法和敲击法，这两种方法要求检测人员具有丰富的经验，准确性难以控制Ｊ。针对风电叶片前缘的结构特性，本文提出采用超声脉冲反射法来检测其胶接缺陷。—收稿日期：２０１５１０一ｏ８基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＡＯ１Ｂ０２）；江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介：王昌盛（１９８９一），男，研究生，主要研究方向是复合材料的检测。通讯作者：周克印（１９６６一），男，博士，教授，主要从事无损检测的研究。哪瓣２０１６年第４期玻璃钢／复合材料５７结果表明，不同频率的探头采用垂直线性扫查叶片前缘弧面都能检测到缺陷。图５对比了不同频率下双晶探头的回波幅值和回波宽度，可以看出，频率越高，衰减越严重，检测灵敏度下降，但频率太低，分辨力又较差。因此，本研究选用１ＭＨｚ的双晶纵波直探头。图５叶片前缘Ａ一扫查图—Ｆｉｇ．５Ａｓｃａｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅ４风电叶片前缘检测试验试验试块为风电叶片前缘截取的一部分，在需要检测的部位加工出一定尺寸的圆形平底盲孔来模拟脱粘缺陷。试块如图４（ｂ）所示。试块为三层结构，上下两层复合材料通过结构胶粘接成一体，三层厚度分别约为３．２ｍｍ、１０．０ｍｍ、５．０ｒａｍ。在试块上层玻璃纤维复合材料底部挖一个直径为１０ｍｍ的平底盲孔，在第二层胶层的底部加工同样尺寸的平底盲孔作为脱粘缺陷。采用超声波检测仪、示波器以及设计的双晶直探头在叶片前缘试块上进行试验。试验结果如图６所示，纵坐标表示回波幅值，用ｍＶ表示。横坐标为传播时间，用ｓ表示。图６中的三幅波形图都是在同一检测条件下测得的。图６（ａ）为无缺陷时的回波；图６（ｂ）为第一层与第二层层间脱粘缺陷回波；图６（ｅ）为第二层与第三层层间脱粘缺陷回波。由图６可知，叶片一、二层间的脱粘，回波明显，幅值达到１３９ｍＶ，是无缺陷回波时的２倍，见图６（ｂ）；叶片二、三层间脱粘时，二、三层间回波较为明显，幅值达到１１９ｍＶ，是无缺陷回波的２．０５倍，见图６（ｃ）所示。通过对比完好界面与界面脱粘的超声检测图像得到波高差，即可判断复合材料是否存在脱粘缺陷。当叶片层间界面脱粘缺陷回波高于界面良好时的回波的２倍时，则可认为该层间存在脱粘缺陷。（ａ）无缺陷回波（ａ）Ｄｅ￣ｃｔｆｒｅｅｅｃｈｏ（ｂ）１，２层脱粘缺陷回波（ｂ）１，２ｌａｙｅｒｄｅｂｏｎｄｉｎｇｄｅｆｅｃｔｅｃｈｏ（Ｃ）２，３层脱粘缺陷回波（Ｃ）２，３ｌａｙｅｒｄｅｂｏｎｄｉｎｇｄｅｆｅｃｔｅｃｈｏ图６叶片前缘检测结果图Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｂｌａｄｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅ５结束语本文采用的超声检测方法能够有效地检测出风电叶片前缘胶接结构缺陷，同时制作了试块方便检测的校准和验证。ＣＩＶＡ仿真软件能够预测叶片中的超声响应及频率特性，显示了超声仿真软件在检测几何形状复杂的工件时的重要性。频率为１ＭＨｚ的双晶纵波直探头在叶片检测方面表现出较好的效果，在完好位置与缺陷位置上有明显的区分信号。靠％ｇ譬∞１碾ｌ＝２０１６誊Ｊ、叠４一＊ｔ５８风电叶片前缘胶接结构的超声检测技术研究２０１６年４月检测结果表明，窄脉冲高分辨率的双晶探头获得的缺陷回波明显，可以完成叶片前缘胶接结构的检测。参考文献—［１］ＷｏｒｌｄＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．ＷＷＥＡＰＵＢＬＩＳＨＥＳＨＡＬＦ—ＹＥＡＲＲＥＰＯＲＴ２０１４［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｗｉｎｄｅａ．ｏｒｇｃ／ｗｗｅａ—ｐｕｂｌｉｓｈｅｓ－ｈａｌｆ－ｙｅａｒｒｅｐｏｒｔ一２０１４／，ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ，１７，２０１４．［２］ＪｏｓｅｌｉｎＨｅｒｂｅｒｔＧＭ，ＩｎｉｙａｎＳ，ＳｒｅｅｖａｌｓａｎＥ，ｅｔａ１．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅａｎｄＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ—Ｒｅｖｉｅｗｓ，２００７，１１（６）：１１１７１１４５．［３］周伟，张洪波，马力辉，等．风电叶片复合材料结构缺陷无损检—测研究进展［Ｊ］．塑料科技，２０１０，３８（１２）：８４８６．—［４］ＳｕｎｉｌＫｉｓｈｏｒｅＣｈａｋｒａｐａｎｉ，ＶｉｎａｙＤａｙａｌ，ＲｙａｎＫｒａｆｋａ，ｅｔａ１．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇｏｆａｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｓｏｆｔｈｉｃｋｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ［Ｊ］．ＲｅｖｉｅｗｏｆＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＮｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，２０１２（１４３０）：１２８４．１２９０．［５］羊森林，赵萍，王峰，等．大型风电叶片缺陷及其无损检测技术研究［Ｒ］．四川：东方汽轮机，２０１２：２７．３４．［６］何杰，杜玲，王冬生风电叶片的主要缺陷与无损检测技术评价［Ｊ］．玻璃钢，２０１３（１）：１－７．『７］Ｒ．Ｒａｉ￣ｕｔｉｓ，Ｅ．Ｊａｓｉ￣ｎｉｅｎ６，Ｅ．Ｚｕｋａｕｓｋａｓ．ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＮＤＴｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｕｓｉｎｇｇｕｉｄｅｄｗａｖｅｓ［Ｊ］．Ｕｈｒａｇａｒｓａｓ（Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ），２００８，６３（１）：７－１１．［８］孙久亮．复合材料风机叶片无损检测技术应用综述［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４（４）：８１．８４．［９］ＡｎｎｅＪｕｅｎｇｅｒｔ，ＣｈｒｉｓｔｉａｎＵ．Ｇｒｏｓｓｅ．Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｕｓｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｕｎｄａｎｄｓｏｕｎｄｗａｖｅｓ［Ｃ］．Ｆｒａｎｃｅ：Ｎｏｎ－ＤｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇｉｎＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮａｎｔｅｓ，２００９．［１０］袁英民，孙金立，陈新波．飞机复合材料层压缺陷原位超声波检测的探头研制及试验［Ｊ］．无损检测，２０１３（７）：１９．２０，５３．［１１］王朝辉，刘峰，周丽．超声检测中双晶纵波探头的选择机理—［Ｊ］．无损检测，２０１１（１）：２３２４，５７．［１２］王敬钊，林莉，李喜孟．双晶纵波斜探头设计参数对聚焦区声场特性定量影响分析［Ｊ］．无损探伤，２０１２（４）：５－８．［１３］白小宝，江运喜，梁菁．ＣＩＶＡ仿真软件的实际应用［Ｊ］．无损—检测，２０１１（１０）：３６３９．［１４］ＰｒｉｓｃｉｌａＤｕａ￣ｅｄｅＡｌｍｅｉｄａ，Ｊｏ§—０ＭａｒｃｏｓＡｌｃｏｆｏｒａｄｏＲｅｂｅｌｌｏ．ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆＡｄｈｅｓｉｖｅＪｏｉｎｔｓｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＰｉｐｅｌｉｎｅｓ［Ｃ］．４０ｔｈＡｎｎｕａｌＲｅｖｉｅｗｏｆＰｒｏｇ—ｒｅｓｓｉｎＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，２０１４：１０６９・１０７６．［１５］徐阳，刘卫生，乔光辉．兆瓦级大型风力发电机叶片的无损检测［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３（３）：７６－７９．ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＯＦＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＬＥＡＤｌＮＧＥＤＧＳＢｏＤＩＮＧＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤＥＴＥＣＴＩＮＧＵＳＩＮＧＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＥＣＨＮＩＱＵＥ———ＷＡＮＧＣｈａｎｇｓｈｅｎｇ，ＺＨＯＵＫｅｙｉｎ，ＸＵＰｉｎｇ，ＭＥＮＧＬｉｎｇｍｉｎ（ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｉｓａｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉｒｅｃｔｌｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂｌａｄｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｏｆｔｈｅｂｌａｄｅ，ａｎｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｒｅｓｕｈｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙＣＩＶＡｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．—Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｏｕｂｌｅｃｒｙｓｔａｌｐｒｏｂｅｓｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｂｌｏｃｋｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅ．Ａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｏｕｂｌｅｃｒｙｓｔａｌｐｒｏｂｅｃａｎｏｂｔａｉｎｏｂｖｉｏｕｓｆｌａｗｅｃｈｏｏｆｂｏｎｄｉｎｇｒｅｇｉｏｎ，ａｎｄｃａｎｅａｓｉｌｙｄｅｔｅｃｔｔｈｅｄｅｂｏｎｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＮＤＴ；ｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅＦＲＰ］ＥＭ；：６．ｏ．４