复合材料风机叶片无损检测技术应用综述.pdf

２０１４年第４期玻璃钢／复合材料８１复合材料风机叶片无损检测技术应用综述孙久亮（国电联合动力技术有限公司，北京１０００３９）摘要：随着国内风电装机容量越来越大，在运行的叶片不断增多，加强对叶片的维护变得日益重要。本文对主要的几种复合材料无损检测方法进行了综述，重点对超声波检测方法进行了论述。经过综合对比，超声波无损检测方法比较适合工厂内半成品缺陷检测和运行现场的破坏预测。关键词：复合材料；风机；叶片；无损检测———中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＧ１１５．２８文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０４００８１０４１引言自２００６年至今，中国的风电行业经历了快速发展、迅猛扩张的阶段，每年累计装机容量以近万台的速度增长。随着国家产业政策、金融政策的调整，整个行业进入调整期，发展渐趋平衡，设备制造商的竞争日益加剧。随着装机容量的不断增加，降低风机故障率、提高可利用率成为实现风电场年度发电量目标的关键。叶片作为影响风机可利用率的关键部件，其运行环境包括沙尘、雷电、雨水、冰雪，以及盐雾腐蚀等，同时受多种载荷影响，一旦发生损坏，涉及到的运输费用、吊装费用、发电量损失都会非常高¨Ｊ。因此，加强对风机叶片的运行维护，以便及早发现缺陷和损伤是非常重要的。叶片本身的结构及外形特征多变、结构复杂、外形尺寸大、检测周期长；低速运行时，易造成不可见的内部损伤；处于离地几十米的高空，须采用大型爬升设备；检测频率受风电场风资源优劣影响，出于保证发电量的考虑，大风季往往疏于维护。基于以上原因，本文通过对几种复合材料无损检测方法的研究，探讨出一种适合风机叶片缺陷的现场检测方案。２叶片缺陷的主要类型叶片制造工艺主要分为手糊和树脂真空灌注，兆瓦级以下的叶片多以手糊工艺为主，兆瓦级以上的叶片以树脂真空灌注工艺为主。以树脂真空灌注工艺为例，在胶衣涂覆、增强材料层铺、真空灌注辅助材料铺放、导流管进胶量控制、合模胶涂覆、打磨、前后缘补强等工艺过程中均采用人工操作，在很大程度上增加了缺陷发生的机率。叶片生产过程中易发生的缺陷见表１。表１叶片主要制造缺陷缺陷名称原因分析贫胶、干斑、干纤维起鼓包／褶皱胶粘剂开裂粘接角分层或气泡胶粘剂缺失大粱／腹板位置偏移前后缘错位后缘边缘树脂含量高异物树脂粘度较高，未充分浸润织物铺覆性差胶粘剂韧性差糊制质量不稳定胶粘剂用量不足定位不准确模具钢架变形灌注问题质量控制不严此外，叶片在运输、吊装过程中，由于尺寸大，对于运输车辆、吊装过程的安全监督显得尤为重要。鉴于整个叶片全部是由复合材料构成，具备一定的弹性，在发生轻微撞击后，通常表面不会出现明显的破坏痕迹，但叶片自重较大，撞击瞬间冲量大，内部结构可能发生了严重损伤，如蒙皮之间或蒙皮与芯材之间可能发生分层破坏，而且难于发现。对于此类缺陷，如果不能够及时处理，极易在运行过程中，在短期内发生致命破坏。合模胶开裂见图１和图２收稿日期：２Ｏｌ３－１０．１６作者简介：孙久亮（１９７４一），男，硕士，工程师，主要从事复合材料工艺研究。蕾＇】㈠２０１４年第４期玻璃钢／复合材料８３等缺陷可通过超声脉冲穿透法来检测。脉冲回波法是通过分析传感器接收的反射回波信号进行缺陷识别，如果叶片壳体中存在分层、气泡等缺陷，会引起声波衰减。应用最多的超声ｃ扫描检测技术，显示直观、检测速度快，普遍应用于检测大型复合材料构件。但是，由于大型超声ｃ扫描系统需要喷水耦合，且多数为超声穿透法检测，只能在大的检测实验室或室内进行。而叶片合模后为中空结构，超声穿透法无法准确判断缺陷位置和类型，因而类似风机叶片结构复合材料制品多采用传统的人工超声Ａ扫描检测。人工超声Ａ扫描检测可以逐点覆盖检测结构件的所有检测面，设备简单，实施方便；缺点是检测可靠性低，主要依赖于检测工程师的技术水平和经验。超声波无损检测技术不仅能有效检测出叶片壳体中的分层、脱粘、孔隙、裂纹以及异物等缺陷，在判断铺层的疏密、密度、屈曲、弹性模量、厚度特性和几何形状等方面也有一定作用，可直接用来最优化叶片设计和产品参数ｌ８］。叶片壳体超声波无损检测过程见图４所示。图４叶片壳体超声波无损检测过程３．４声发射检测技术声发射检测技术通常对构件在动态过程中产生的缺陷比较敏感，能够做到提前发现和处理，同时还可以对复合材料整体结构的质量水平进行评价。在叶片进行静载测试和疲劳载荷测试情况下，可使用声发射检测系统实时在线监测叶片的声发射特征信号，能够避免在达到极限载荷之前观察到叶片在不同载荷级别的损伤程度。鉴于纤维断裂、树脂开裂、分层、脱粘等都是重要的发声源，通过适当的波形能够反映出层合板损伤的发展趋势和破坏模式，实时监测叶片的声发射信号，预测整个叶片的极限载荷和薄弱区域ｊ。声发射检测过程中，发射波来自缺陷本身，可以获得较为全面的缺陷信息，检测灵敏度和分辨率相对较高¨。声发射对缺陷的起始和扩展具有特殊的敏感性，在动态检测强度和寿命评估方面具备特…殊优势Ｊ。国外研究表明，通过采用声发射传感器对叶片疲劳测试过程进行监控，在可见的破坏发生前，经过验证，能够准确预测可能发生破坏的薄弱区的位置。但由于叶片结构复杂，包含蒙皮、芯材等多层结构，受声波衰减和散射等因素的影响，必须在叶片表面布置复杂的传感器＿１。３．５其他检测方法红外热波成像是利用热像仪以热图的方式非接触地测定被检工件表面的温度分布及等温线轮廓的技术。可以用于检测复合材料层合板结构中存在的分层、冲击损伤、脱粘和夹芯结构中的板芯脱粘、进水等缺陷。由于其非接触、成片快速的特性，可应用于叶片工作现场，近年来受到广泛关注。根据热激励方式的不同，分为脉冲加热法、调制加热法和超声波激励加热法。ｘ射线非胶片成像技术也是近年来无损检测技术发展最快的技术之一＿】，超小型、电池供电的ｘ射线机、射线计算机照相（ＣｏｍｐｕｔｅｒＲａｄｉｏｇｒａｐｈｙ，简称ＣＲ）成像技术、数字式辐射成像技术（ＤｉｇｉｔａｌＲａ．ｄｉａｔｉｏｎ，简称ＤＲ）等逐渐应用于工程实践。缺点是速度慢，成本高，设备体积大，容易对人体造成伤害。４结语叶片在生产、运输、吊装、运行过程中，每个环节都有可能产生缺陷，尤其是在生产过程中，产生的缺陷复杂多样。有些可以预防，有些只能通过事后检测才能识别。只有通过静态检测和动态监测相结合的方式，才能够系统地预防严重损伤和破坏的发生。目前，国内开展风机叶片无损检测研究的生产厂家还相对较少，随着风场运行叶片事故的不断增翩夥掣辱０矗复合材料风机叶片无损检测技术应用综述２０１４年４月多，加强质量事故预防管理，加大质量管理投入，势在必行。超声波检测技术设备投资少，效率高，应用广泛，积累的数据充分，对结果的判据更加客观。虽然检测时要求叶片必须处于静止状态，但对于工厂内的叶片缺陷仍能够做到及时发现，尽早处理。针对风场在运行的叶片，需要结合整个风机运行的在线监测程序，专门针对叶片的工况，开发特定的动态监测系统，在叶片开裂或断裂前，能够远程获取运行数据，才能有效增加运行维护系统的风险识别能力，不断减少叶片损坏事故的发生。参考文献［１］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．［２］王小永，钱华．先进复合材料中的主要缺陷与无损检测技术评价［Ｊ］．无损探伤，２００６，３０（４）：１－６．［３］李成良，陈淳．风机叶片的结构分析与铺层优化设计［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（６）：５０－５３．［４］李志君．先进复合材料的无损检测［Ｊ］．宇航材料工艺，２００５，（５）：２８－３０．［５］刘怀喜，张恒，马润香．复合材料无损检测方法［Ｊ］．无损检测，２００３，２５（１２）：６３１－６３４．［６］邬冠华，林俊明，任吉林，周昌智．声振检测方法的发展［Ｊ］．无损检测，２０１１，３３（２）：３５－４１．［７］郁青，何春霞．无损检测技术在复合材料检测中的应用［Ｊ］．工程与实验，２００９，４９（２）：２４－２９．［８］李怀富，李业书，吕贵平，郑立军．超声无损检测技术在风电叶片上的应用［Ａ］．第十八届玻璃钢／复合材料学术年会论文集［ｃ］．北京：玻璃钢／复合材料杂志社，２０１０．１１．１３．［９］周伟，张宏波，马力辉，张万岭．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）：８４．８６．［１０］杨明纬．声发射检测［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５．［１１］胡昌洋，杨钢峰，黄振峰，毛汉领．声发射技术及其在检测中的应用［Ｊ］．计量与测试技术，２００８，３５（６）：１－３．［１２］Ａ．Ｇ．ＢｅａＲｉｅ．ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎＰｒｉｎｃｉｐａｌｓａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ，１９８３，（２）：９５．１２８．［１３］李思辉，张慧萍，晏雄．声发射技术在防弹用复合材料检测上—的应用［Ｊ］．纺织科技进展，２００７，（２）：１１１２．［１４］王迅等．红外热波无损检测技术及其进展［Ｊ］．无损检测，２００４，２６（２）：４９７６０１．［１５］徐丽，张幸红，韩杰才．射线检测在复合材料无损检测中的应用［Ｊ］．无损检测，２００４，２６（９）：４５０－４５６．［１６］倪培君，李旭东，彭建中．工业ＣＴ技术［Ｊ］．无损检测，１９９６，１８（６）：１７３．ＴＨＥＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＮＯＮＤＥＳＴＲＵＣＴＩＶＥＴＥＳＴＩＮＧＴＥＣｌＩＮＩＱＵＥＳＦｏＲＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＳＵＮｊｉｕ．１ｉａｎｇ（ＧｕｏｄｉａｎＵｎｉｔｅｄＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｎｓｔａｌｌｅｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｂｌａｄｅｓａｌｅｏｐｅｒａｔｉｎｇ，ａｎｄｂｌａｄｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｂｅｃｏｍｅｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｓｅｖｅｒａｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ（ＮＤＴ）ｆｏｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ＴｈｅＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｓｐｒｏｐ－——ｅｒｆｏｒｓｅｍｉｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓｏｎｗｏｒｋｓｈｏｐａｎｄｏｎｓｉｔｅｄａｍａｇｅｆｏｒｅｃａｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｂｌａｄｅ；ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ毒／Ｃｇ２罐・