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風(fēng)電風(fēng)機(jī)葉片缺陷的無損檢測方法

    風(fēng)能是綠色的可再生能源，有良好的發(fā)展前景。我國可開發(fā)的風(fēng)能潛力巨大，資源豐富，總的風(fēng)能可開發(fā)量約有1000～1500GW，可見，風(fēng)電有潛力成為未來能源結(jié)構(gòu)中重要的組成部分。因此，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展也備受關(guān)注，而風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，一般由玻璃纖維復(fù)合材料制成，因其制造工藝的復(fù)雜性，在成型過程中難免會出現(xiàn)缺陷；另外，由于工作環(huán)境的惡劣性與工況的復(fù)雜多變性，在運(yùn)行過程中也會出現(xiàn)不同程度的損傷。武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院的劉雙等研究人員通過對文獻(xiàn)的調(diào)研了解到，目前，對于風(fēng)機(jī)葉片缺陷的無損檢測方法主要有X射線、超聲波、聲發(fā)射、光纖傳感器、紅外熱成像檢測技術(shù)等。但每種檢測方法都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和使用局限性，而且并沒有完善的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定檢測方法的適用階段。

風(fēng)機(jī)葉片的缺陷和損傷分析

    風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生缺陷的原因是多方面的，在生產(chǎn)制造過程中，會出現(xiàn)孔隙、分層和夾雜等典型缺陷?？紫度毕葜饕怯捎跇渲c纖維浸潤不良，空氣排擠不*等因素造成；分層缺陷主要是因?yàn)闃渲昧坎粔?，二次成型等；夾雜缺陷的產(chǎn)生主要是由于加工過程中的異物混入。
    此外，葉片在運(yùn)輸和安裝過程中，由于葉片本身尺寸和自重較大而且具有一定的彈性。因此，一定要做好保護(hù)葉片的工作，以防產(chǎn)生內(nèi)部損傷。值得注意的是，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中葉片也會出現(xiàn)不同程度的損傷，其主要形式有裂紋、斷裂和基體老化等，外界沖擊是產(chǎn)生裂紋的主要原因，斷裂通常是由缺陷損傷累積引起的，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行情況下葉片不會發(fā)生突然斷裂，而基體老化是由于風(fēng)機(jī)葉片長期工作在沙塵、雨水和鹽霧腐蝕的惡劣條件下。
無損檢測方法的比較與評價
X射線檢測技術(shù)
    對于風(fēng)電葉片而言，何杰等研究人員通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了X射線技術(shù)是檢測風(fēng)電葉片中孔隙和夾雜等體積型缺陷的良好方法，可以檢測垂直于葉片表面的裂紋，對樹脂、纖維聚集有一定的檢測能力，也可以測量小厚度風(fēng)電葉片鋪層中的纖維彎曲等缺陷，但對風(fēng)電葉片中常見的分層缺陷和平行于葉片表面的裂紋不敏感，文獻(xiàn)中對孔隙和夾雜等缺陷進(jìn)行了檢測，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以觀察到缺陷的存在，可滿足葉片出廠前的檢測，能夠進(jìn)行定性分析。中北大學(xué)電子測試國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員將X射線與現(xiàn)代測試?yán)碚撓嘟Y(jié)合，在數(shù)字圖像處理階段，通過小波變換與圖像分解理論，將一幅圖像分解為大小、位置和方向都不同的分量，改變小波變換域中的某些參數(shù)的大小，實(shí)時地識別出X射線圖像的內(nèi)部缺陷。朱省初等研究人員通過試驗(yàn)驗(yàn)證了不同工藝條件下的缺陷檢出情況，并表明進(jìn)行射線探傷的工藝管理是非常必要的。綜上可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，X射線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)葉片的缺陷檢測。
    對于在役風(fēng)機(jī)葉片，由于受現(xiàn)場因素的影響及高度的限制，使用X射線檢測方法很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測，但對于風(fēng)機(jī)葉片的體積缺陷有一定的檢出能力，由于受葉片尺寸的限制，該方法還未廣泛的應(yīng)用于葉片的全尺寸檢測。

超聲波檢測技術(shù)    超聲波檢測技術(shù)比較適用于風(fēng)機(jī)葉片成型后的檢驗(yàn)，此時，風(fēng)機(jī)葉片還未安裝，檢測的目的是為了保證風(fēng)機(jī)葉片的出廠質(zhì)量；利用超聲波檢測技術(shù)可以有效地檢測厚度變化，能夠顯示出產(chǎn)品的隱藏故障，如分層、夾雜、氣孔、缺少膠粘劑以及粘結(jié)處粘結(jié)不牢等缺陷，從而可大幅度降低葉片失效的風(fēng)險。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性，會產(chǎn)生反射、散射及衰減的影響，使得超聲波在復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)中的傳播變得復(fù)雜，針對風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的超聲波檢測方法主要有脈沖回波法和空氣耦合超聲導(dǎo)波法。
    由于該方法檢測周期長，對不同類型的缺陷需使用不同規(guī)格的探頭，在檢測過程中需使用耦合劑，也是局限性所在。所以，對于實(shí)時的動態(tài)監(jiān)測，超聲波檢測技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，但可以進(jìn)行出廠前的靜態(tài)檢測，對于缺陷存在的區(qū)域會形成反射脈沖，因此，可以判斷出缺陷產(chǎn)生的位置。

聲發(fā)射檢測技術(shù)
    聲發(fā)射檢測技術(shù)可對裂紋的萌生和擴(kuò)展進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，進(jìn)而，能夠有效檢測出風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量水平，評價缺陷的實(shí)際危害程度，可預(yù)防意外事故的發(fā)生。在檢測過程中，接收的信號是缺陷在應(yīng)力作用下自發(fā)產(chǎn)生的，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于聲發(fā)射對環(huán)境因素十分敏感，因此對監(jiān)測系統(tǒng)會造成干擾，影響檢測的準(zhǔn)確性，所以很難對缺陷進(jìn)行定量分析，但是能夠提供缺陷在應(yīng)力作用下的動態(tài)信息，對于壽命評估有一定的優(yōu)勢，可對葉片進(jìn)行安全評價。
    該方法與超聲波法相比，在檢測靜態(tài)葉片質(zhì)量方面沒有優(yōu)勢；然而，由于該技術(shù)其對被檢件的接近要求不高，因而比較適用于在役風(fēng)機(jī)葉片的實(shí)時監(jiān)測，采用多傳感器長距離布置的方式，能夠接收到葉片在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過后處理，可以獲得損傷部位的動態(tài)信息。采用該方法對葉片進(jìn)行監(jiān)測，主要是因?yàn)槿~片在運(yùn)行過程中，會受到外力作用，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，缺陷處在外力作用下會自發(fā)的產(chǎn)生信號，這樣就能夠判斷出缺陷產(chǎn)生的位置。

光纖傳感器技術(shù)
    在風(fēng)機(jī)葉片的關(guān)鍵位置埋人光纖傳感器陣列，探測其在加工、成型及服役的動態(tài)過程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的變化，并對外力、疲勞等引起的變形、裂紋進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)葉片的狀態(tài)監(jiān)測與損傷評估。
    光纖具有體積小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾等特點(diǎn)，本身既是傳感器，又能傳輸光信號，易于埋在構(gòu)件中而不影響構(gòu)件整體的強(qiáng)度，而且光纖可對內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化進(jìn)行連續(xù)實(shí)時的安全檢測，可探測出各種原因造成的材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷，因此，該方法具有很好的發(fā)展前景，但由于光纖傳感器存在性能穩(wěn)定性及價格方面的問題，使其在應(yīng)用中受到很大的限制。

紅外無損檢測技術(shù)
    國內(nèi)不少研究和文獻(xiàn)的調(diào)研說明，紅外熱成像檢測技術(shù)能夠檢測出玻璃纖維制葉片的幾種典型缺陷。并且，缺陷尺寸越大、深度越淺，冷卻過程中形成的98%大表面溫差越大，使用紅外熱成像儀越容易進(jìn)行檢測，對于制造風(fēng)力機(jī)葉片的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，熱成像技術(shù)是一種比較適用的無損檢測方法，尤為適用于常見的分層和滲膠類型的缺陷。
    該方法與其他檢測方法相比，具有非接觸、可大面積遠(yuǎn)距檢測以及操作簡單和易于實(shí)時觀察等特點(diǎn)，更加適用于風(fēng)機(jī)葉片的現(xiàn)場檢測；但由于受到塔筒的高度限制，在現(xiàn)場檢測中有一定的局限性，考慮到光線的照射以及葉片表面溫差較小等因素，這都會對檢測結(jié)果造成不利影響，對于缺陷的檢出和定性分析有一定難度。所以，該方法在應(yīng)用方面還有待進(jìn)一步的開發(fā)研究，研究意義較大。