超声无损检测技术在风电叶片上的应用

超声无损检测技术在风电叶片上的应用

陈一瑜

福建省福能新能源有限责任公司 福建省莆田市 351100

摘要：当前，我国环境污染问题比较严重，资源短缺情况明显，环境问题对人类健康产生严重不良影响，为更好的对环境进行改造和整治，我国投入了大量的精力和力量，但是所获得的效果并不明显。而我国工业化水平的不断提升，导致了我国对能源的需求量不断增加，加之石油、煤炭等资源面临枯竭风险，必须依靠新能源以缓解我国能源压力，风能应用过程中，采用超声无损技术对风电叶片进行检测，有利于确保风电叶片的质量和顺利应用。

关键词：超声无损；检测技术；风电叶片

在当前能源紧缺的环境下，风电叶片的市场竞争也日益激烈，为提升叶片的应用质量，不断提升企业的竞争力，就必须提升风电叶片的检测环节。叶片生产过程中，存在工装变形、部件形变及模具异常等多种情况，极易导致叶片缺胶、叶片杂质含量多及叶片分层等缺陷。在叶片生产过程，缺少专业的检测设备，依靠检测工具和经验进行检验，漏检情况和误检情况严重，所以本研究就超声无损检测技术在风电叶片上的应用展开论述分析。

一、风电叶片的应用缺陷

（一）缺陷种类及产生因素

在生产风电叶片的过程中，粘结工艺及制造工艺均会对风电叶片产生影响，导致其出现裂隙、裂纹、层次分离、脱黏等情况。缺陷可能单一，也可能多种缺陷共存，缺陷产生原因较多，包括环境因素、制作因素、操作因素和运输因素^[1]，此外，使用不当也极易导致风电叶片缺陷的发生，风电叶片在应用中，以外力干预、物体见摩擦刮除及碰撞相关。分析上述缺陷发生的因素，以合理采取措施进行干预，降低缺陷的发生概率，优化风电叶片结构及使用质量。叶片在灌注中，树脂体系中会引入气泡，灌注工艺水平不精，局部纤维渗透情况不足，气泡未能完全排挤。树脂与纤维存在不良浸润情况，缺少较好的芯材导流效果。外界冲击、疲劳、环境变化均会导致叶片裂纹的发生，叶片整体构成由层合板结构组成，一旦受到干扰，将发生分层，分层大都在纤维层合板之间，树脂用量不足、二次成型及真空泄压均属于导致叶片分层的原因。夹杂杂物的发生原因大都是由于叶片在生产过程中掺杂杂物，非结构材料的因素，在铺设布层时和树脂灌注中落入杂质。

（二）缺陷的不良影响

1、孔隙

风电叶片常见问题为孔隙问题，孔隙含量即便极小，也会对风电叶片整体性产生不良影响。其会对风电叶片的层间剪切强度、横向弯曲强度、纵向弯曲强度、拉伸程度、模量及压缩强度产生不良影响，孔隙还会降低风电叶片的疲劳使用寿命。风电叶片孔隙概率在5%以下时，一旦增加1%的孔隙率，将会降低层间剪切强度的7%，弯曲模量下降率比例为5%左右。一旦存在孔隙，将直接导致复合材料性能改变^[2]。

2、杂质

据我国临床实验人员研究表明，风电叶片制作中夹杂海水和蒸馏水情况下，在制造风电叶片时涂抹杂质，对所制作的材料进行力学测试，发现，夹杂蒸馏水的复合材料断裂韧性下降概率为40%，夹杂海水的复合材料下降概率在50%，其层间剪切强度也会呈现不同程度的下降趋势，弹性模量、拉伸强度均会呈现下降趋势。由此科室，夹杂杂质会极大程度影响复合材料的性能，所以必须强化生产环境的管理。

3、分层

风电叶片封层属于主要问题，纤维铺层的分层现象，将直接对风电叶片刚度和压缩强度产生影响，对风电叶片的结构整体性产生不良影响，在承受热合载和机械荷载的情况下，分层会产生传播作用，诱发风电叶片断裂。

二、超声无损检测技术

（一）检验原理及特征

随着科技水平的发展，超声波探伤仪的种类不断增加，其在实际探伤应用中，以脉冲反射形式的超声波探伤仪应用范围最为广阔，其在均匀材料的检验过程中，一旦存在缺陷，将对风电叶片的连续性产生不良影响，而风电叶片的不连续性将直接导致声阻抗水平的不一致性。根据反射定理内容可以得知，在不同声阻抗介质交接面中，超声波的反射作用尤为明显，反射的超声波能量数据将与交界面位置的介质声阻抗存在极大不同，还关联到交界面的大小和取向问题，所以在对风电叶片进行检测中，所应用的脉冲反射式超声波探伤仪就依据这一内容进行仪器设计，其对风电叶片进行检验过程中，以A扫描方式为主，能够将超声波被检测材料中所显示的传播距离和传播时间于横坐标在显示器上进行显示，超声波反射波的变化情况为纵坐标内容^[3]，例如，若是一个风电叶片中存在一个缺陷，则其会导致该风电叶片的材料与缺陷之间存在不同介质的情况，交界面介质不同，声阻抗也就各不相同。超声波放射后，一旦遇到这一界面，将出现反射情况，所反射的能量会被超声波探头所接收，显示屏幕中心横坐标位置会以反射波波形方式进行展示，此时显示器所显示的横坐标就代表这一曲线在被检测材料中所显示的深度。缺陷不同，反射波所反射的形状和高度也各有不同，其对缺陷的性质进行了彰显。

（二）超声无损检测技术的应用

在风电叶片运行过程中，叶片生命周期中存在着力学性能，其彰显了承受动态荷载的结构。以此能够对风电叶片蒙皮、各零部件与蒙皮之间的粘结情况机芯分析，对风电叶片整体质量进行评估。由于超声波检测技术能够由超声波在材料内部缺陷位置及正常位置的光波反射情况、光波共振情况及衰减情况的不同对风电叶片缺陷所处部位和体积进行确定，由材料特征及探伤经验对缺陷类型进行判定就显得十分重要。超声波检测技术能够对风电叶片中隐藏部位的分层缺陷、缺胶缺陷、外壳部位及外壳前后缘部位存在的黏结缺陷进行有效判定，能够对粘接厚度进行测量分析，能够降低叶片可能发生的失效风险。由于复合材料结构存在显著的各向异性，具备离散性极大的性能，所以缺陷产生的原理复杂程度较高，声衰程度较大，在采用超声波无损检验方式对风电叶片的玻璃钢结构进行检验中，大都采用水喷脉冲回拨方式开展。超声脉冲回波方式对风电叶片复合材料进行检验中，依靠的传感器为2.2MHz和400KHz两种类型，将移动的水箱与换能器相连接，能够降低超声换能器自身的因素影响可能性，尽可能的对风电叶片内部缺陷反射情况进行严惩，便于对材料内部层次结构及缺陷情况进行观察。通过应用超声换能器（高频），有利于对风电叶片表面的内部分层情况进行观察，而利用超声换能器（低频）能够对深层分层情况及厚度是否存在变化进行鉴别。超声波检测方式针对缺陷较小或者缺陷复杂程度较高的问题进行检验，却很难达到预期检验标准，比如其在针对纤维脱黏、基体微裂纹、单束纤维断裂等情况检验的难度就比较大。应用超声波判断方式对叶片缺损体积进行判定过程中，可以应用缺陷长度定量测评方式开展，以此对缺陷边界进行明确测定，对风电叶片的缺损长度和体积进行测定，在测定过程中，当缺陷面与波束正交过程中，其超声回波达到最高水平，移动超声波探头，则波束会出现偏离，此时超声回拨的高度也会降低。若是波束未检测到缺陷时，无回波出现，根据回波高度与缺陷正面移动距离的关系，能够对缺陷体积进行有效判定。

三、结束语

我国风能资源丰富，所以风电开发条件良好，应用风力发电机过程中，主要依靠制动器、调向装置、调速装置、塔架、发电机、风轮等部分组成，对风电叶片缺损情况的检验是确保风能发电的主要内容，所以必须合理借助超声无损检测技术，以优化风电叶片质量。

参考文献：

[1] 顾兴旺, 李婷, 龙士国,等. 风电叶片智能高效便携式C扫描超声检测系统开发[J]. 测控技术, 2018, v.37；No.318(08):125-129.

[2] 赵亚峰. 复合材料风机叶片无损检测技术应用综述[J]. 百科论坛电子杂志, 2018, 000(001):312.

[3] 张喜福. 无损检测新技术及其在焊接质量检测中的应用[J]. 科学技术创新, 2018(19):182-183.