超声相控阵检查风力涡轮机叶片中的翼梁罩和抗剪腹板粘合方案

　　 王宏宝 李鹏

　　北京新兴日祥科技发展有限公司 北京 100023

　　摘

　　要：介绍了超声相控阵技术在风力发电机叶片检测中的应用，包括叶片预防检测的重要性、检测方式、检测部位、检测结果分析等；

　　关键词：超声相控阵 风电发电叶片粘合 预防检测；

　　 Ultrasonic Phased Array Solution for The Inspection of Spar Cap and Shear Web Bonding in Wind Turbine Blades

　　LiJianGuo Wang Hong Bao Wang Yu Song

　　BEIJIN XIN XING RI XIANG SCIENCE＆TECHNOLOGY TRADE CO.,LTD，

　　BEIJING, 100023, CHIAN

　　Abstract: Application of ultrasonic phased array technology in wind turbine blade detection, including the importance of blade preventive detection, detection methods, detection location, detection results analysis, etc.

　　Key Words: PAUT, Bonding in Wind Turbine Blades, Prevention inspection；

　　一、风力发电机的发展

　　1.1 据保守预测，到2030年全球风电总产能将达到2110吉瓦，占电力总供应量的20%。因此，需要效率更高、更可靠、寿命更长的风电机组。

　　1.2 叶片关键粘结部位检测的必要性：

　　叶片是风电机组关键部件之一，其造价占整机造价的15%—20%左右，同时，叶片也是风电机组中最容易受到损伤的部件之一。一旦受损，常额外造成数百万元的运行维护费用。

　　风电叶片的故障源头有三个：一是原材料问题，二是制造或者工艺缺陷，三是设计因素。而就故障种类来看，则是以结构脱落占主体。

　　对于风电叶片故障来说，较好的运维方式就是提前预防。这不仅体现在风场后期的定检、巡检，更体现在叶片制造过程中的控制。

　　本文通过超声相控阵检测风力涡轮机叶片中的翼梁罩和抗剪腹板粘合情况来进行说明。如图1

　　图1

　　二、实验与说明

　　2.1 本文通用监控翼梁罩材料的完整性来进行说明。在生产中一旦发现了缺陷，就需要快速调整生产参数，以确保所使用的玻璃纤维或碳纤维材料具有合格的质量。直观的成像功能可以为分层、起皱、多孔性和脱粘缺陷（如图2）生成显示在相控阵探伤仪屏幕图像中的信号指示，操作人员通过这些信号指示，可以非常容易地探测到这些缺陷，并进行测量。

　　图2

　　2.2、抗剪腹板粘接情况的检测

　　为了确保叶片具有长期可靠的操作性能，对其抗剪腹板粘接情况的检测非常关键（如图3）。使用超声相控阵技术的可使探头在叶片的长度或宽度两个方向上完成扫查：使用Mini-Wheel（袖珍轮）编码器，可以进行手动单线编码扫查；使用双轴扫查器，可以进行双轴半自动/全自动编码扫查。扫查完成后，会为被检区域生成C扫描图像。在C扫描图像中，被检区域的不同信号波幅由不同的颜色表示。如果粘接质量良好，在粘接区域中传播的超声波就会穿过胶粘剂，并散射到抗剪腹板中，这样在粘接界面处就不会出现回波，或者只会出现较弱的回波（C扫描中的蓝色或黄色区域）。这个直观的成像功能既可以方便地辨别粘接的质量，又可以测量粘接区域的宽度。可以有效的控制粘结质量。

　　图3

　　2.3 试验过程

　　本文使用超声相控阵探伤仪验证了叶片的翼梁罩与抗剪腹板的粘接情况。这些部件由较厚的、衰减性较强的材料制成，如：碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维增强塑料（GFRP）。这种相控阵探头解决方案，与常规超声检测（UT）技术相比，可以覆盖更宽的扫查范围，而且具有扫查速度更快，数据点采集密度更高，可靠性能更强，以及完备的成像功能等优势特性，因此可以更轻松地完成这类具有挑战性的检测。

　　2.4.3.1 现场试验图

　　2.3.2解剖叶片验证过程

　　2.4 试验设备情况

　　2.4.1 使用0.5MHZ或1MHZ低频超声相控阵探头

　　2.4.2 使用市场主流相控阵设备

　　2.5 试验结果分析

　　2.5.1 采用1MHZ相控阵探头横向确定结合的部位和宽度，如下图4：

　　图4

　　2.5.2 解剖试验结果检测与实物对比情况

　　图5-6

　　图5

　　图6

　　C扫描图像可以清晰看到脱粘缺陷

　　（红黄色区域）

　　2.5.4 采用1MHZ相控阵探头沿胶粘方向扫查确定是否胶粘良好 如图7-9

　　图7

　　图8 C扫描可见扫查区域玻纤外壳内部无明显缺陷

　　图9 C扫描可见扫查区域玻纤外壳内部存在明显缺陷（红黄区域）

　　三 结束语

　　 风电机组叶片的每一次弯曲、扭曲和自振，都可能造成叶片的粘合缝处自然开裂。 如果未发现开裂现象或者未监控叶片胶粘生产，叶片折断、摔落现象极有可能发生，造成严重事故，所以，不管是在生产叶片过程中，还是后期运维，巡检过程中，都必须严格关注叶片胶粘粘合情况。

　　超声相控阵技术在风电叶片生产和运维中的应用，具有很大前景。