風電葉片前緣膠接結構超聲檢測技術

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摘要:風電葉片前緣為膠接結構，膠接質量的優劣直接影響到葉片的使用壽命。應用超聲脈沖回波法對風電葉片前緣膠接結構進行檢測，并通過CIVA仿真分析了探頭頻率對膠接結構超聲檢測結果的影響。試驗采用設計的超聲波雙晶探頭對風電葉片前緣試塊進行了檢測。分析結果表明，超聲波雙晶探頭能夠接收到明顯的膠接區域缺陷回波，可以方便地實現風電葉片前緣膠接結構的檢測。

關鍵詞:風電葉片;超聲檢測;仿真分析;無損檢測;膠接結構

風能作為一種快速發展的可再生清潔能源，其開發利用越來越受到世界各國的重視。截止2014年底，全球風電累計裝機容量達到371GW［1］。風電葉片是風力發電機的基礎和關鍵部件之一，其價值約占裝機總成本的20%，其合理的設計、可靠的質量是決定風電機組性能好壞的關鍵因素［2］。風電葉片一般由纖維增強復合材料制造，來提高其比強度、比模量和抗疲勞性能。受制造工藝、成型工藝及粘接工藝的影響，風電葉片難免會出現分層、裂紋、脫粘等結構缺陷。如果這些缺陷不能夠在葉片出廠前及時檢測及修復，在風電葉片服役過程中將會導致結構損傷的產生、累計及擴展，最終導致葉片的失效。因此，風電葉片結構質量的控制是保證葉片性能的關鍵［3］。

1風電葉片結構及其常見缺陷

風電葉片的制造一般采用半成型合模技術，即壓力側與吸力側分別成型，并通過結構膠進行粘接［4］。如圖1所示為風電葉片截面圖，圖中壓力側與吸力側的前后緣、大梁與腹板均用粘接工藝進行連接。根據目前大部分風場運行風電葉片事故分析，葉片粘接開裂問題最多，因此粘接質量是影響葉片質量的重要因素。風電葉片在生產制造過程中會產生脫粘、缺膠、分層和夾雜等典型缺陷。脫粘缺陷主要是指葉片前后緣、大梁與腹板未被粘上的區域。缺膠缺陷主要是由于粘接劑用量不足造成的;分層缺陷是層板中不同層之間存在的局部的明顯分離;夾雜缺陷的產生主要是由于加工過程中的異物混入［6］。風電葉片的前緣為膠接結構，并且膠接過程為盲粘，將會不可避免地出現脫粘或缺膠等缺陷。目前，風電葉片前緣的檢測存在的主要困難有:多層結構;厚度范圍變化大;由各向異性的復合材料構成;外形為弧面，一般的平面復合材料檢測無法適用［7］。實際中，葉片前緣粘接位置有脫粘、粘結力不足等問題。常規的例行檢測一般是采用目視法和敲擊法，這兩種方法要求檢測人員具有豐富的經驗，準確性難以控制［8］。針對風電葉片前緣的結構特性，本文提出采用超聲脈沖反射法來檢測其膠接缺陷。

2超聲波檢測原理

超聲脈沖反射法是由超聲波探頭發射脈沖到工件內部，通過分析探頭接收的反射波信號對缺陷進行識別、定位的。圖2是超聲脈沖反射法的基本原理圖，超聲波換能器向工件發射脈沖，當脈沖遇到缺陷界面時會發生反射，在始脈沖與底波之間出現缺陷回波。然后通過完好位置與缺陷位置接收反射回波的時間與幅值對比，來進行缺陷的判斷與識別［9］。針對復合材料超聲散射造成的界面波及雜波較多、衰減嚴重的問題，本文擬采用雙晶縱波直探頭來進行風電葉片的檢測。雙晶探頭由兩個壓電晶片并排安裝在聲延遲塊上并用隔聲板隔開，從而發射脈沖未能進入放大器，克服了阻塞現象，使盲區大大減小。其一發一收的結構特點，消除了發射壓電晶片與延遲塊之間的反射雜波，提高了信噪比。雙晶探頭能較好地應用于像奧氏體不銹鋼和復合材料等強衰減材料的超聲檢測［10，11］。雙晶縱波直探頭結構如圖3所示。從圖3可以看出，雙晶探頭在工件中聲束交叉形成ABCD菱形區，其交叉覆蓋的區域即為雙晶探頭的探傷區，在菱形區域內雙晶探頭具有較高的檢 測靈敏度。根據不同探測深度的要求可選擇不同入射角α，工件中有效探測區域中心到檢測表面的距離F可用下面公式表示:F=L－HtanαtanarcsinCL2sinαCL1()[](1)式中，L為晶片中心到楔塊底面的高度;H為晶片中心到隔聲層的距離;α為入射角;CL1和CL2分別為有機玻璃聲速和被測工件縱波聲速［12］。

3風電葉片前緣超聲仿真

在進行實際檢測之前，先采用CIVA軟件進行仿真模擬驗證超聲檢測方法在該材料中的可行性。CIVA是法國原子能委員會開發的無損檢測NDT專業仿真軟件，主要包括超聲、渦流和射線三個模塊，對于超聲波探頭的設計和檢測工藝的制定具有很好的指導作用［13］。在超聲模塊中，通過鉛筆模型法來計算聲束的傳播，并通過基爾霍夫定律和幾何衍射理論來近似計算缺陷響應［14］。風電葉片前緣為三層結構:上下兩層復合材料通過中間結構膠粘接在一起。葉片前緣厚度約為18mm，其中膠層厚度約為10mm。在葉片前緣上設計平底孔來模擬脫粘缺陷。CIVA仿真超聲檢測葉片前緣3D仿真模型如圖4所示。超聲頻率高時，波長短，聲束指向性好，擴散角小，能量集中，發現缺陷能力強，分辨力高，定位準確。但高頻率超聲波在材料中衰減大，穿透能力差［15］。使用仿真軟件分別對探頭頻率為0.5MHz、1MHz、2.5MHz的雙晶探頭進行測試。采用不同頻率的探頭分別對同一缺陷進行掃查，掃查得到圖5，結果表明，不同頻率的探頭采用垂直線性掃查葉片前緣弧面都能檢測到缺陷。圖5對比了不同頻率下雙晶探頭的回波幅值和回波寬度，可以看出，頻率越高，衰減越嚴重，檢測靈敏度下降，但頻率太低，分辨力又較差。因此，本研究選用1MHz的雙晶縱波直探頭。

4風電葉片前緣檢測試驗

試驗試塊為風電葉片前緣截取的一部分，在需要檢測的部位加工出一定尺寸的圓形平底盲孔來模擬脫粘缺陷。試塊如圖4(b)所示。試塊為三層結構，上下兩層復合材料通過結構膠粘接成一體，三層厚度分別約為3.2mm、10.0mm、5.0mm。在試塊上層玻璃纖維復合材料底部挖一個直徑為10mm的平底盲孔，在第二層膠層的底部加工同樣尺寸的平底盲孔作為脫粘缺陷。采用超聲波檢測儀、示波器以及設計的雙晶直探頭在葉片前緣試塊上進行試驗。試驗結果如圖6所示，縱坐標表示回波幅值，用mV表示。橫坐標為傳播時間，用μs表示。圖6中的三幅波形圖都是在同一檢測條件下測得的。圖6(a)為無缺陷時的回波;圖6(b)為第一層與第二層層間脫粘缺陷回波;圖6(c)為第二層與第三層層間脫粘缺陷回波。由圖6可知，葉片一、二層間的脫粘，回波明顯，幅值達到139mV，是無缺陷回波時的2倍，見圖6(b);葉片二、三層間脫粘時，二、三層間回波較為明顯，幅值達到119mV，是無缺陷回波的2.05倍，見圖6(c)所示。通過對比完好界面與界面脫粘的超聲檢測圖像得到波高差，即可判斷復合材料是否存在脫粘缺陷。當葉片層間界面脫粘缺陷回波高于界面良好時的回波的2倍時，則可認為該層間存在脫粘缺陷.

5結束語

本文采用的超聲檢測方法能夠有效地檢測出風電葉片前緣膠接結構缺陷，同時制作了試塊方便檢測的校準和驗證。CIVA仿真軟件能夠預測葉片中的超聲響應及頻率特性，顯示了超聲仿真軟件在檢測幾何形狀復雜的工件時的重要性。頻率為1MHz的雙晶縱波直探頭在葉片檢測方面表現出較好的效果，在完好位置與缺陷位置上有明顯的區分信號。檢測結果表明，窄脈沖高分辨率的雙晶探頭獲得的缺陷回波明顯，可以完成葉片前緣膠接結構的檢測。

作者:王昌盛 周克印 徐萍 孟令民 單位:南京航空航天大學