无损检测在风电叶片中的应用.docx

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无损检测在风电叶片中的应用

无损检测在风电叶片中的应用

院秀芝

（连云港中复连众复合材料集团有限公司，连云港222006）

摘要：

本文主要介绍无损检测在风电叶片中的应用。

首先对叶片结构进行介绍，并对阐述生产过程容易发生的缺陷，分别介绍超声波检测和热成像检测在风电叶片中的应用。

超声波检测包括超声波检测的定义、分类、优缺点等，以及超声波检测在风电叶片领域的应用。

接下来本文介绍了风电叶片的结构，可能存在的缺陷，以及需要做超声波检测的迫切性。

无损检测包括设备介绍，检测过程介绍以及检测时间选择。

最后本文总结了超声波检测和热成像检测在风电叶片领域应用的必要性。

关键词：

超声波检测，热成像检测，风电叶片

第一章风电叶片结构介绍

风电叶片结构介绍

风电叶片是以树脂为基体，玻璃纤维布为增强体，真空灌注而成的一种复合材料产品，壳体区域还会填充一些Balsa及PVC，同时接缝区域采用胶粘剂粘接而成。

从宏观角度看风电叶片主要由两部分组成，即壳体与腹板，其中腹板与壳体之间的粘接，以及壳体自身的前缘、后缘粘接对叶片的结构都起到了非常重要的作用，截面如图所示：

图

目前来说风电行业对叶片粘接区域的检测主要涉及腹板粘接区域检测，受到多种因素的影响，以及叶片前、后缘结构的特殊性，目前叶片厂家利用超声波对前缘、后缘粘接质量的检测较少。

风电叶片的主要缺陷种类

生产制作缺陷

风电叶片的生产是一个细节控制的过程，细节控制直接决定了叶片的好坏。

目前国内外风电叶片的生产，基本由传统的手糊制作改为了真空灌注，这在很大程度上减少了因人为操作失误引起的缺陷。

但是，诸如纤维布的铺放，树脂的灌注固化叶片粘接面的处理以及粘接剂的刮涂等操作，仍需要手工完成，因而常会有操作不当和质量监督不严，导致叶片出现纤维布褶皱，分层，干纤维，气泡，粘接宽度不足以及缺胶等缺陷。

对于叶片在生产制造过程中残余的缺陷，当前大多数的现场监测系统不能有效检测，而这些缺陷在叶片成型后较难发现，但都在一定程度上影响叶片的强度和刚度。

因而该问题应在叶片出厂前，通过有效的无损检测方法及早发现和处理。

风电叶片常见的缺陷如图所示：

图

转运损伤缺陷

风电叶片由于其庞大的尺寸，在运输、安装的过程中，可能会出现因操作不当造成冲击损伤。

通常叶片被钝物撞击厚，在表面并不会出现明显的伤痕，也不会引起操作者的注意，但叶片的内部结构可能已经受到损伤，如玻璃钢的分层破坏，对于缺陷如果没有及时发现和修复，将会很大程度的影响叶片的寿命，并成为后期事故的隐患。

安装损伤缺陷

叶片设计寿命为20年，在运行过程中长期受到变载荷作用，微观缺陷会不断扩展并发展为疲劳损伤，如出现玻璃钢分层，应力发白，粘接区域脱胶开裂等。

如果不能在开裂的早期发现和及时维修，开裂区域将在叶片的运行过程中快速扩展，并最终导致叶片结构的失稳破坏。

第二章超声波检测在风电叶片中的应用

超声波检测介绍

检测设备

目前超声波检测设备主要为常规超声设备Epoch600或650，利用此设备做检测，各叶片厂商均提出了自己的要求，中复连众的要求如下：

设备标定

模拟筋板实际粘接情况制作样块，厚度21mm，设计3处粘接缺陷，第一处5cm*3cm，第二处4cm*3cm，第三处直径2cm的圆形缺陷。

（1）调节设备声速，使得仪器检测的工件厚度与实际厚度一致；

（2）在工件上扫查，能够准确的将三处缺陷的位置及尺寸检测出来。

设备在满足以上两点之后，说明标定合格，方可到叶片上进行检测。

备注：

设备每次使用前需要标定，标定记录每周记录一次。

检测资质

（1）熟悉腹板粘接结构，可以看懂操作数据，熟悉叶片铺层及粘接结构、熟悉大梁定位、腹板定位方式。

（2）阅读设备操作指导书，掌握仪器操作方法，了解操作原理。

（3）能够检测出标准样块的设计缺陷，并能独立完成整个叶片的检测。

（4）具备常用办公软件使用能力，对于检测发现的缺陷，能够绘制图形；

（5）检测团队至少有一人参加国家认证机构培训班，并获得UT2级证书。

其余无损探伤检验员由获证检验员培训，合格者颁发公司内部培训证书。

检测方法

先沿着叶片弦向扫查，确定La米处前后缘筋板粘接宽度，再以此方法确定Lb米处前后缘筋板粘接宽度，记录在报告里，并标记在壳体表面，其中La与Lb相隔一米，在La与Lb之间的区域做往复扫查，粘接宽度数据不计入报告里，扫查路线如下图箭头描述方向，其中每两条扫描路线之间的距离d小于15cm，

图

按照此方法扫描全部筋板粘接区域。

若发现缺陷，需在缺陷周围做密集扫查，将缺陷尺寸及位置描述出来，记录在报告里。

异常处置

无损探伤检测过程中，如发现粘接缺陷的存在，处置方式如下：

1、确认粘接缺陷属实后，立即上报至检测小组负责人或指定人员；

2、检测发现粘接缺陷后，立即依据无损探伤检测设备检测结果，在叶片表面准确标记粘接缺陷实际位置图形：

（1）若芯材侧缺胶，可将图形描绘成下图情况，阴影部分为未粘接区域，示意图如下：

（2）若内侧缺胶，可将图形描绘成下图情况，阴影部分为未粘接区域，示意图如下：

（3）若两侧都缺胶，可将图形描绘成下图情况，阴影部分为未粘接区域，示意图如下：

3、完成检测报告的编制；

4、将检测出的缺陷信息，反馈至过程QC、PQI、生产班组，粘接缺陷依据技术方案维修完成后，对该产品再次进行检测，判定维修结果；再次提供检测报告，并做好相关记录。

5、粘接缺陷处置流程如下：

缺胶尺寸与设计最小粘接宽度比较，若满足设计最小粘接宽度不做维修，如果该叶型没有设计最小粘接宽度需评审是否维修。

此外，会议中分析原因按照5W2H1R原则进行，格式如下：

会议内容形成会议纪要存档。

超声波检测风电叶片波形介绍

由于叶片复合材料的各向异性和层状介质特点，几乎各种可能的声波模式都有可能产生，正是由于声波在复合材料这一特殊介质中的传播规律，使得超声检测成为叶片无损检测非常重要和普遍采用的检测方法。

通过超声检测可以检测出叶片复合材料中的分层，脱粘，缺胶，气泡，褶皱等缺陷。

玻璃钢工件厚度检测

检测玻璃钢工件厚度是超声波最基础的功能之一，选取一个阶梯样块，厚度分别为34mm、31mm，利用常规超声波设备Epoch600测量其厚度，读取波形显示测量厚度分别为、，设备测量值与实际值基本一致，由于复合材料的特殊性，使得两者之间存在一定的误差，样块及波形图如下：

图

图图

图图

胶粘剂粘接空洞检测

超声检测叶片复合材料胶粘剂空洞：

根据超声检测有胶粘剂粘接时与未粘接时波形变化，可检测出粘接处的粘接空洞。

图模拟胶粘剂空洞。

图

图图

胶粘剂粘接宽度不足检测

常规超声波探头放在纯玻璃钢区域时，波幅达到80%，到达粘接区域时波幅明显降低，且会出现第二个界面波，此时在叶片壳体标出对应位置，当底波突然又回到80%波高时，说明粘接区域结束，在叶片壳体上标出对应位置，两个标记之间的距离即为腹板粘接的宽度，再与设计的粘接宽度做比较，判断粘接宽度是否满足要求。

其他结构检测

当胶粘剂的厚度超厚或者超薄时，回波的情况均会发生变化；如何准确的区分挤出胶的宽度，不把挤出胶的宽度算在有效的粘接宽度范围内；以上的结构均已经通过实验验证了回波的情况，在此不再描述。

第三章热成像在风电叶片中的应用

热成像设备介绍

设备型号：

FLIRi7

检测工序：

合模工序（筋板固化）

检测原理：

红外热成像运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供视觉分辨的图像和图形，并可以进一步计算出温度值。

设备图片如下图：

图设备正面照片图设备侧面照片

热成像检测过程

在某型号风电叶片试验红外热成像检测筋板SS面粘接效果，试验工序筋板SS已经固化，过程如下：

图空洞检出照片图空洞实际照片

上图中，红、白色表示正常的筋板粘接区域，黄色表示粘接空洞，因为空洞的温度较低，显示不同的颜色。

手敲击验证确实为空洞。

图空洞检出照片图空洞实际照片

在检测空洞区域用电钻验证，确实为空洞。

图空洞检出照片图空洞实际照片

上述空洞目视均无法识别，红外热成像均能检测出，且用电钻验证均为空洞。

检测时间段选择

在筋板SS面填胶时试验检测效果，由于此段时间胶粘剂与存在的气泡温差不明显，检测效果很差。

筋板固化升温后，检测效果良好。

第四章结论

超声波检测和热成像检测目前广泛应用在风电叶片粘接检测中，效果明显，对于风电叶片质量监控、质量风险管控具有积极意义

腹板SS面检测

对于筋板SS面粘接检测，红外热成像比超声波更具有适用性。

检测耗时比较：

红外热成像检测SS面全部粘接区域耗时约半小时，而超声波耗时约4小时；

维修成本比较：

红外热成像检测发现空洞合模过程即可维修，打孔注胶消耗成本很少，超声波发现空洞需开窗维修，维修成本高，且存在维修风险；

检测效果对比：

红外热成像对于粘接空洞检出效果良好，超声波更适合检测筋板粘接宽度。

腹板PS面检测

风电叶片主梁厚度最大达到50mm以上，热成像无法实施，因此对于筋板PS面粘接检测，超声波更具有适用性。

参考文献

[1]郑辉，林树青．超声检测[M]．中国劳动社会保障出版社，2008.

[2]张俊哲．无损检测技术及其应用[M]．北京科学出版社，2010.

[3]岳大郜．风电叶片红外热波无损检测的实验研究[M]．红外技术，2011.