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風電葉片的常見缺陷及其傳統無損檢測技術

2017-02-16 02:46    admin    閱讀 755

風能是一種可再生能源,近年來隨著風能穩定性的提高和風電葉片成本的進一步降低,這種綠色能源得到了快速的發展。風電葉片是風電系統的核心部分,它的轉動可以將風的動能轉化為可用能源。風電葉片一般都是由碳纖維或玻璃纖維增強復合材料制備,在生產和使用過程中不可避免地會出現缺陷和損傷,因此無論是生產過程中的質量檢測,還是使用過程中的跟蹤檢測都顯得十分重要。無損檢測技術和風電質量檢測技術也成為了風電葉片生產和使用過程中非常重要的技術。

1.風電葉片的常見缺陷

風電葉片在生產過程中產生的缺陷可能會在后續風力系統正常運作過程中發生變化,從而造成質量問題,其中最為常見的缺陷就是葉片上的微小裂紋(通常產生在葉片的邊緣、頂部或者尖端處)。而造成裂紋的原因主要來源于生產過程中的缺陷,如脫層等,通常發生在樹脂填充不完善區域。其他缺陷還有表面脫膠、主梁區域脫層和材料內部的一些孔隙結構等,見圖1。

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圖1.風電葉片存在的缺陷種類

2.傳統無損檢測技術

2.1目視檢測

目測法被廣泛用于航天飛機或橋梁上的大尺寸結構材料的檢測。由于這些結構材料的尺寸都非常大,所以目視檢測所需的時間會比較長,此外檢測的準確度也依賴于檢測人員的經驗。由于一些材料屬于“高空作業”領域,因此檢測人員工作的危險性較高。在檢測過程中檢測人員一般會配備一個長鏡頭的數碼相機,但是長時間的檢測過程會造成眼睛疲勞。目測法可以直觀的檢測到材料表面的缺陷,但是內部結構的缺陷卻無法檢測到,因此還需要其他有效的手段來評價材料內部的結構。

2.2超聲及聲學檢測技術

超聲波和聲波無損檢測技術是最常用的風電葉片檢測技術,可細分為超聲回波、空氣耦合超聲波、激光超聲波、實時共振光譜技術以及聲發射技術等。迄今為止,這些技術都已經被用于風電葉片的檢測。

(1)超聲回波技術

超聲回波技術是一種常用的無損檢測技術,檢測的原理也十分簡單,短脈沖的超聲信號施加到目標區域,然后信號經過散射和反射之后被檢測到,通過信號處理獲取圖像數據。而檢測區域的深度則由信號結構的時間來確定,因此該技術可以有效地檢測碳纖維和玻璃纖維增強復合材料的厚度。Juengert A等利用超聲回波技術檢測玻纖增強復合材料的結合區域。超聲波經過材料后會形成回波,如果樹脂和纖維結合不是很好的,信號會很明顯也很快被檢測到;反之,信號則會出現延遲或者消失。對于高阻尼材料需要施加高電壓脈沖,高頻波相比低頻波更加容易衰減,因此對于高阻尼材料低頻波更加有利于檢測,不同的聲波匹配不同的尺寸的缺陷,因此選取合適頻率的波長取決于材料的阻尼性能和測試的分辨率兩方面的因素。

此外還可以將風電葉片浸沒在水中進行聲波檢測,利用不同的聲波轉換器(聚焦2.2 MHz和平面00KHz),可以有效地檢測材料內部存在的缺陷尺寸。

在現有研究的基礎上人們還開發出二維超聲無損檢測系統,可隨身攜帶,通過信號處理對數據進行圖像化,從而精確的檢出缺陷區域,并對風電葉片進行維護,這樣可以節約大量的時間。

(2)導波檢測

導波檢測也屬于無損檢測范疇,是通過機械力沿內部結構傳播,傳播距離長,衰減較小。導波傳遞過程中遇到缺陷區域會產生散射和反射信號,一般對回波進行測試或者對間歇脈沖進行測試,而收集的信號主要包括信號收集時間和振幅等,根據這些獲取的信號就可以獲得缺陷的信息。長程超聲測試主要采用低頻率的導波來檢測玻纖增強風電葉片。測試設備主要由低頻信號發生器、單軸信號掃描器和信號接收轉化器構成。信號轉化器為PZT類型,需要使用耦合劑。該技術應用于風電葉片監測過程中也存在著不足之處,主要是因為材料內部的各向異性和生產過程造成的不均一性增加了測試過程中波的衰減和散射。

(3)超聲相控陣/超聲線陣列

相比傳統的超聲轉換裝置,相陣列超聲檢測裝置由16~256個小的脈沖發生裝置組成。一個相控陣超聲檢測系統通過高端的計算機設備來控制和運行不同的元件,然后進行檢測和收集回波信號。相比傳統的缺陷檢測,相控陣檢測系統可以通過不同的路徑來完成信號收集,因此增加了檢測的靈活性和有效性。

(4)空氣耦合超聲檢測

空氣耦合超聲檢測和普通超聲波的傳遞過程一樣,唯一的區別在于耦合介質的不同,空氣耦合超聲檢測過程中,空氣取代了水和凝膠介質。該檢測技術是一種無接觸的測試技術,可以有效地消除水和凝膠在測試過程中帶來的微小變動,因此該技術的測試校準和檢測過程都較快。

(5)激光超聲檢測

激光超聲技術出現于1960年,此后被用于材料的無損檢測。激光超聲檢測技術的圖像可以在單一點進行激發產生超聲波,從而造成超聲波在材料內部傳遞,反映出不同區域的內聚結構。此外還可以通過對多點進行激發掃描獲取測試圖像。超聲波可以在高能脈沖激光的激發下獲取。Park B等利用該技術實現了對風電葉片脫層和脫膠現象的可視化檢測,該檢測技術在脫層區域存在信號衰減現象,相應的測試數據見圖2。

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圖2. 激光超聲檢測風電葉片獲取的數據;左圖為累積信號模式,右圖為標準模式

該技術存在著明顯的優點:

(1)不需要額外安裝傳感器;

(2)可以在惡劣環境下快速完成檢測;

(3)可視化的圖像數據且可以完成自動檢測。


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