風(fēng)力發(fā)電葉片無損檢測技術(shù) 邢曉坡

1、風(fēng)力發(fā)電葉片無損檢測技術(shù)邢曉坡摘要：風(fēng)力發(fā)電具有資源再生、容量巨大、無污染、度電成本低等優(yōu)點，是未 來電力的先進(jìn)生產(chǎn)方向。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成中，風(fēng)力發(fā)電葉片是能量轉(zhuǎn)化的關(guān) 鍵部件且故障率相對較高。為確保風(fēng)電葉片在野外復(fù)雜氣候條件下長期可靠運行， 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的國家或大的葉片制造商都建立了自己的葉片檢測中心，同時， 許多風(fēng)機葉片生產(chǎn)廠家均迫切提出了建立葉片無損檢測能力的需求。關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片；缺陷；無損檢測概述近年來，隨著風(fēng)電行業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)電機組不斷朝著大型化趨勢發(fā)展，葉片 的長度也不斷增加，葉片的生產(chǎn)制造成本也越來越昂貴，其占整機總成本達(dá)到 10%-15%。對于運行的機組，如果葉片出現(xiàn)質(zhì)

2、量問題，不僅修復(fù)和更換的成本昂 貴，而且還會影響整個機組運行的穩(wěn)定性和安全性，特別是對于大型海上風(fēng)機葉 片，其運輸、吊裝和維護的成本都很高。因而通過有效檢測手段及早發(fā)現(xiàn)缺陷和 損傷是非常重要的，同時可以及時對葉片進(jìn)行維護以免造成更大的事故。針對風(fēng)電葉片不同的缺陷和損傷形式，可以將風(fēng)電葉片無損檢測方法大致分 為靜態(tài)無損檢測和動態(tài)監(jiān)測。對于葉片在生產(chǎn)、運輸、安裝過程中產(chǎn)生的缺陷損 傷通常采用靜態(tài)無損檢測方法;對于葉片在運行過程中即將發(fā)生的缺陷損傷，通常 采用動態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)判。目前，常用的靜態(tài)無損檢測方法有目視法、 敲擊法、超聲波檢測法、激光散斑檢測法、紅外熱成像檢測、射線檢測和微波等 方

3、法;動態(tài)監(jiān)測方法目前研究和關(guān)注相對較多的主要有聲發(fā)射、光纖傳感、加速度 傳感、振動監(jiān)測等方法。風(fēng)電葉片的主要缺陷2.1缺陷類型與產(chǎn)生原因受制造工藝、黏結(jié)工藝等隨機因素的影響，風(fēng)電葉片難免會帶有孔隙、裂紋、 分層、脫黏等結(jié)構(gòu)缺陷。風(fēng)電葉片的缺陷可能只是一種類型，也可能是好幾種類 型的缺陷同時存在。缺陷產(chǎn)生的原因是多種多樣的，可以歸納為以下幾點：工 藝方面：葉片手糊成型過程中氣泡排擠不完全；葉片灌注過程中樹脂體系引入的 氣泡，導(dǎo)致局部纖維未浸透；玻纖布層鋪時出現(xiàn)褶皺，在灌注前沒有發(fā)現(xiàn)和處理。 原材料方面：樹脂與纖維浸潤不良、芯材導(dǎo)流效果不良，不同的材料在結(jié)合部 位經(jīng)固化后存在明顯界面。使用方面：葉

4、片的裂紋主要發(fā)生在粘接區(qū)域，分為 膠粘劑本體裂紋和膠粘劑與葉片殼體粘接裂紋。產(chǎn)生的主要原因是外界沖擊、環(huán) 境驟變、疲勞作用。裂紋在葉片運轉(zhuǎn)一定時間后產(chǎn)生的頻率較高。葉片整體是一 種復(fù)雜的層合板結(jié)構(gòu)，由于各種干擾因素會產(chǎn)生分層現(xiàn)象。葉片的分層主要指纖 維層合板間的分層、芯材與纖維層合板間的分層。分層形成的原因有：樹脂用量 不夠、布層污染、真空泄壓、二次成型。夾雜指葉片生產(chǎn)過程中引入非結(jié)構(gòu)材料。 夾雜的產(chǎn)生主要是主觀因素，如：布層鋪設(shè)時不慎落入的異物、灌注樹脂中的異 物雜質(zhì)。2.2缺陷對材料性能的影響2.2.1孔隙對性能的影響孔隙問題是風(fēng)電葉片成型工藝中普遍存在的問題，即使孔隙含量很小，對材 料的

5、許多性能都會產(chǎn)生有害的影響。復(fù)合材料中的空隙主要影響材料的層間剪切 強度、縱向和橫向彎曲強度與模量、縱向和橫向拉伸強度與模量、壓縮強度與模 量等性能1。Almeida等人通過試驗證明，空隙的存在對材料的靜態(tài)強度只有中等程度的影響，但卻可以使疲勞壽命顯著下降。2.2.2夾雜對性能的影響M.Zhang和S.E.Mason曾經(jīng)用蒸餾水和海水作為夾雜進(jìn)行過試驗研究，鋪層時 在每層間刷涂上述夾雜，然后對含有夾雜的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測試，并將測 試結(jié)果與不含夾雜的同種材料進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蒸餾水和海水導(dǎo)致材料斷裂 韌性分別下降40%和50%，層間剪切強度下降65.3%和71.4%，彈性模量下降 22.

6、8%和24.7%，最終拉伸強度的下降量分別為30.9%和31.2%。由此結(jié)果可以看 出，復(fù)合材料中的夾雜對其性能影響較大，在材料加工過程中，應(yīng)嚴(yán)格對生產(chǎn)環(huán) 境進(jìn)行有效控制。2.2.3分層對性能的影響尚未見文獻(xiàn)報道過分層對風(fēng)電葉片性能的定量影響，但纖維鋪層間的分層是 風(fēng)電葉片中最為嚴(yán)重的缺陷類型，它通過降低材料的壓縮強度和剛度影響結(jié)構(gòu)的 完整性。在承受機械或熱載荷的條件下，結(jié)構(gòu)中的分層會發(fā)生傳播，情況嚴(yán)重時 將可能導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂2。2.2.4其它缺陷對性能的影響風(fēng)電葉片中膠粘劑本體裂紋和膠粘劑與葉片殼體粘接裂紋的存在影響材料的 疲勞特性，而且是風(fēng)電葉片疲勞裂紋的萌生源。無損檢測技術(shù)3.1X射線

7、檢測技術(shù)X射線檢測技術(shù)為射線數(shù)字成像檢測技術(shù)，它采用X射線源，該技術(shù)利用小 焦點或微焦點X射線源透射工件，然后通過光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)和數(shù)字圖像處理 技術(shù)將圖像傳輸在顯示設(shè)備上。X射線檢測技術(shù)在航天航空復(fù)合材料檢測領(lǐng)域得 到了廣泛應(yīng)用，該技術(shù)同樣也適用于風(fēng)電葉片，特別對檢測葉片空泡、夾雜等體 積型缺陷有明顯優(yōu)勢，對風(fēng)電葉片中的樹脂暴聚、纖維褶皺等缺陷也有一定檢測 能力，但是對于葉片裂紋和分層等缺陷的檢測存在一定局限性。李俊杰等研究并 提出了基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓ê喎QEMD）和迭代閾值分割的缺陷檢測算法，實驗結(jié) 果表明，該算法不僅從根本上改善復(fù)合材料X射線檢測圖像的質(zhì)量，而且能顯著 增強圖像缺陷特征，

8、并能成功提取和分割缺陷區(qū)域3。3.2超聲檢測技術(shù)超聲檢測技術(shù)，是工業(yè)無損檢測中應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高、發(fā)展較快的 一種無損檢測技術(shù)，主要通過超聲波在材料內(nèi)部缺陷區(qū)域和正常區(qū)域發(fā)生反射波， 在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。該技術(shù)可 有效地檢測出風(fēng)電葉片內(nèi)部的分層、粘接區(qū)域缺膠等缺陷，同時也可以測量粘接 厚度等。超聲檢測方法按照超聲發(fā)射和接受方式可分為超聲脈沖回波法和穿透法， 這兩種方法在風(fēng)電葉片領(lǐng)域均已得到應(yīng)用。YeG等研制出一種二維超聲無損檢測 系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過自動掃描技術(shù)，對損傷區(qū)域用不同顏色進(jìn)行識別，系統(tǒng)測試了 玻璃鋼葉片試樣，結(jié)果顯示其內(nèi)部缺陷可以通過顏色

9、很快的被識別出來。安靜等 采用超聲波-回波無損探傷技術(shù)對風(fēng)電葉片梁帽與腹板粘接處玻璃鋼進(jìn)行掃查，研 究表明，超聲波能穿透對聲音衰減強烈的玻璃鋼區(qū)域，接收到粘接區(qū)域的回波信 息，進(jìn)一步驗證了該技術(shù)的可行性。3.3紅外檢測技術(shù)紅外檢測技術(shù)采用的是一種非接觸式的檢測手段，主要運用光電技術(shù)將物體 表面的溫度分布轉(zhuǎn)換成人眼可見的圖像，并以不同顏色顯示物體表面溫度分布的 技術(shù)。按照引起溫差的方式可分為主動式和被動式，目前應(yīng)用較多的為主動式加 熱方法。紅外檢測技術(shù)由于其具有高安全性、高靈敏度和高檢測效率受到廣泛關(guān) 注，它可以有效地檢測出玻纖多層復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷，包括粘接、白斑、褶皺、 鼓包等，可以為葉片的

10、質(zhì)量控制提供新的參考依據(jù)。岳大皓等采用紅外熱波無損 檢測技術(shù)對風(fēng)電葉片中的白斑、褶皺及鼓包等缺陷進(jìn)行檢測，結(jié)果表明通過觀察 紅外熱像圖可以看到這些缺陷，但是對于更深層結(jié)構(gòu)的缺陷檢測還待進(jìn)一步研究。 目前該技術(shù)在國內(nèi)外的研究主要集中在理論和實驗室研究階段，為了適應(yīng)在線在 役檢測的要求，該技術(shù)已逐漸從實驗室發(fā)展到市場應(yīng)用中4。3.4聲發(fā)射檢測技術(shù)材料中局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。在加載或 苛刻環(huán)境下，材料內(nèi)部發(fā)生像裂紋、變形等變化通常就會產(chǎn)生彈性波的發(fā)射，因 此，聲發(fā)射檢測技術(shù)不同于常規(guī)無損檢測方法，它是一種動態(tài)非破壞性檢測技術(shù)， 具有高效、長距離、可實現(xiàn)在線檢測等優(yōu)點，但

11、也存在缺點，除損傷信號以外的 噪聲會對其檢測產(chǎn)生一定影響。KrauseT等提出了一種用于在風(fēng)電葉片中檢測裂 紋聲音的算法。該算法采用了一種降噪方法，通過對兩個麥克風(fēng)信號進(jìn)行處理， 大致定位了所檢測到的損傷信號。因此，聲發(fā)射檢測技術(shù)能夠及時預(yù)測并定位葉 片損傷位置，有利于提前采取補救措施，減少損失。結(jié)束語風(fēng)電葉片是一種復(fù)雜的多相體系，而且是材料與結(jié)構(gòu)同時成形。在風(fēng)電葉片 結(jié)構(gòu)的成型過程中，許多不確定的影響因素的存在，使得風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)中的缺陷 不可避免。無損檢測方法是評估葉片質(zhì)量的重要手段，只有選擇合適的無損檢測 方法，建立合適的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，才能有效的控制產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在研究風(fēng)電 葉片無損檢測技術(shù)的同時，應(yīng)該重視無損檢測標(biāo)準(zhǔn)的建立。參考文獻(xiàn)：陳露露.風(fēng)電葉片無損檢測技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀研究J.裝備制造技術(shù),