风力发电叶片无损检测技术邢晓坡

风力发电叶片无损检测技术邢晓坡

邢晓坡

(中科国风科技有限公司天津市300000)

摘要：风力发电具有资源再生、容量巨大、无污染、度电成本低等优点，是未来电力的先进生产方向。在风力发电系统组成中，风力发电叶片是能量转化的关键部件且故障率相对较高。为确保风电叶片在野外复杂气候条件下长期可靠运行，风电产业发展较快的国家或大的叶片制造商都建立了自己的叶片检测中心，同时，许多风机叶片生产厂家均迫切提出了建立叶片无损检测能力的需求。

关键词：风电叶片；缺陷；无损检测

1.概述

近年来，随着风电行业快速发展，风电机组不断朝着大型化趋势发展，叶片的长度也不断增加，叶片的生产制造成本也越来越昂贵，其占整机总成本达到10%-15%。对于运行的机组，如果叶片出现质量问题，不仅修复和更换的成本昂贵，而且还会影响整个机组运行的稳定性和安全性，特别是对于大型海上风机叶片，其运输、吊装和维护的成本都很高。因而通过有效检测手段及早发现缺陷和损伤是非常重要的，同时可以及时对叶片进行维护以免造成更大的事故。

针对风电叶片不同的缺陷和损伤形式，可以将风电叶片无损检测方法大致分为静态无损检测和动态监测。对于叶片在生产、运输、安装过程中产生的缺陷损伤通常采用静态无损检测方法;对于叶片在运行过程中即将发生的缺陷损伤，通常采用动态监测方法进行监测和预判。目前，常用的静态无损检测方法有目视法、敲击法、超声波检测法、激光散斑检测法、红外热成像检测、射线检测和微波等方法;动态监测方法目前研究和关注相对较多的主要有声发射、光纤传感、加速度传感、振动监测等方法。

2.风电叶片的主要缺陷

2.1缺陷类型与产生原因

受制造工艺、黏结工艺等随机因素的影响，风电叶片难免会带有孔隙、裂纹、分层、脱黏等结构缺陷。风电叶片的缺陷可能只是一种类型，也可能是好几种类型的缺陷同时存在。缺陷产生的原因是多种多样的，可以归纳为以下几点：①工艺方面：叶片手糊成型过程中气泡排挤不完全；叶片灌注过程中树脂体系引入的气泡，导致局部纤维未浸透；玻纤布层铺时出现褶皱，在灌注前没有发现和处理。②原材料方面：树脂与纤维浸润不良、芯材导流效果不良，不同的材料在结合部位经固化后存在明显界面。③使用方面：叶片的裂纹主要发生在粘接区域，分为胶粘剂本体裂纹和胶粘剂与叶片壳体粘接裂纹。产生的主要原因是外界冲击、环境骤变、疲劳作用。裂纹在叶片运转一定时间后产生的频率较高。叶片整体是一种复杂的层合板结构，由于各种干扰因素会产生分层现象。叶片的分层主要指纤维层合板间的分层、芯材与纤维层合板间的分层。分层形成的原因有：树脂用量不够、布层污染、真空泄压、二次成型。夹杂指叶片生产过程中引入非结构材料。夹杂的产生主要是主观因素，如：布层铺设时不慎落入的异物、灌注树脂中的异物杂质。

2.2缺陷对材料性能的影响

2.2.1孔隙对性能的影响

孔隙问题是风电叶片成型工艺中普遍存在的问题，即使孔隙含量很小，对材料的许多性能都会产生有害的影响。复合材料中的空隙主要影响材料的层间剪切强度、纵向和横向弯曲强度与模量、纵向和横向拉伸强度与模量、压缩强度与模量等性能[1]。Almeida等人通过试验证明，空隙的存在对材料的静态强度只有中等程度的影响，但却可以使疲劳寿命显著下降。

2.2.2夹杂对性能的影响

M.Zhang和S.E.Mason曾经用蒸馏水和海水作为夹杂进行过试验研究，铺层时在每层间刷涂上述夹杂，然后对含有夹杂的复合材料进行力学性能测试，并将测试结果与不含夹杂的同种材料进行比较，结果发现，蒸馏水和海水导致材料断裂韧性分别下降40%和50%，层间剪切强度下降65.3%和71.4%，弹性模量下降22.8%和24.7%，最终拉伸强度的下降量分别为30.9%和31.2%。由此结果可以看出，复合材料中的夹杂对其性能影响较大，在材料加工过程中，应严格对生产环境进行有效控制。

2.2.3分层对性能的影响

尚未见文献报道过分层对风电叶片性能的定量影响，但纤维铺层间的分层是风电叶片中最为严重的缺陷类型，它通过降低材料的压缩强度和刚度影响结构的完整性。在承受机械或热载荷的条件下，结构中的分层会发生传播，情况严重时将可能导致材料发生断裂[2]。

2.2.4其它缺陷对性能的影响

风电叶片中胶粘剂本体裂纹和胶粘剂与叶片壳体粘接裂纹的存在影响材料的疲劳特性，而且是风电叶片疲劳裂纹的萌生源。

3.无损检测技术

3.1X射线检测技术

X射线检测技术为射线数字成像检测技术，它采用X射线源，该技术利用小焦点或微焦点X射线源透射工件，然后通过光学技术、电子技术和数字图像处理技术将图像传输在显示设备上。X射线检测技术在航天航空复合材料检测领域得到了广泛应用，该技术同样也适用于风电叶片，特别对检测叶片空泡、夹杂等体积型缺陷有明显优势，对风电叶片中的树脂暴聚、纤维褶皱等缺陷也有一定检测能力，但是对于叶片裂纹和分层等缺陷的检测存在一定局限性。李俊杰等研究并提出了基于经验模式分解（简称EMD）和迭代阈值分割的缺陷检测算法，实验结果表明，该算法不仅从根本上改善复合材料X射线检测图像的质量，而且能显著增强图像缺陷特征，并能成功提取和分割缺陷区域[3]。

3.2超声检测技术

超声检测技术，是工业无损检测中应用最广泛、使用频率最高、发展较快的一种无损检测技术，主要通过超声波在材料内部缺陷区域和正常区域发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。该技术可有效地检测出风电叶片内部的分层、粘接区域缺胶等缺陷，同时也可以测量粘接厚度等。超声检测方法按照超声发射和接受方式可分为超声脉冲回波法和穿透法，这两种方法在风电叶片领域均已得到应用。YeG等研制出一种二维超声无损检测系统，该系统通过自动扫描技术，对损伤区域用不同颜色进行识别，系统测试了玻璃钢叶片试样，结果显示其内部缺陷可以通过颜色很快的被识别出来。安静等采用超声波-回波无损探伤技术对风电叶片梁帽与腹板粘接处玻璃钢进行扫查，研究表明，超声波能穿透对声音衰减强烈的玻璃钢区域，接收到粘接区域的回波信息，进一步验证了该技术的可行性。

3.3红外检测技术

红外检测技术采用的是一种非接触式的检测手段，主要运用光电技术将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并以不同颜色显示物体表面温度分布的技术。按照引起温差的方式可分为主动式和被动式，目前应用较多的为主动式加热方法。红外检测技术由于其具有高安全性、高灵敏度和高检测效率受到广泛关注，它可以有效地检测出玻纤多层复合材料的内部缺陷，包括粘接、白斑、褶皱、鼓包等，可以为叶片的质量控制提供新的参考依据。岳大皓等采用红外热波无损检测技术对风电叶片中的白斑、褶皱及鼓包等缺陷进行检测，结果表明通过观察红外热像图可以看到这些缺陷，但是对于更深层结构的缺陷检测还待进一步研究。目前该技术在国内外的研究主要集中在理论和实验室研究阶段，为了适应在线在役检测的要求，该技术已逐渐从实验室发展到市场应用中[4]。

3.4声发射检测技术

材料中局域源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象称为声发射。在加载或苛刻环境下，材料内部发生像裂纹、变形等变化通常就会产生弹性波的发射，因此，声发射检测技术不同于常规无损检测方法，它是一种动态非破坏性检测技术，具有高效、长距离、可实现在线检测等优点，但也存在缺点，除损伤信号以外的噪声会对其检测产生一定影响。KrauseT等提出了一种用于在风电叶片中检测裂纹声音的算法。该算法采用了一种降噪方法，通过对两个麦克风信号进行处理，大致定位了所检测到的损伤信号。因此，声发射检测技术能够及时预测并定位叶片损伤位置，有利于提前采取补救措施，减少损失。

结束语

风电叶片是一种复杂的多相体系，而且是材料与结构同时成形。在风电叶片结构的成型过程中，许多不确定的影响因素的存在，使得风电叶片结构中的缺陷不可避免。无损检测方法是评估叶片质量的重要手段，只有选择合适的无损检测方法，建立合适的无损检测标准，才能有效的控制产品质量。因此，在研究风电叶片无损检测技术的同时，应该重视无损检测标准的建立。

参考文献：

[1]陈露露.风电叶片无损检测技术和标准现状研究[J].装备制造技术,2017(12):44-46+50.

[2]唐荆,陈啸,杨科.风电叶片全寿命周期性能研究[J].风能,2017(01):58-61.

[3]邹平国,王鑫,周波,郑昌伟.风电叶片质量验收准则分析与研究[J].设备监理,2017(05):24-28.

[4]田松峰,韩强,王美俊,胥佳瑞.复合材料风电叶片静态无损检测方法研究进展[J].工程塑料应用,2016,44(06):137-141.