劉 雙，胡 斌，賀 鑄，李運(yùn)濤

（1.武漢科技大學(xué)，材料與冶金學(xué)院，武漢 430081；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

風(fēng)能是綠色的可再生能源，有良好的發(fā)展前景。我國(guó)可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能潛力巨大，資源豐富，總的風(fēng)能可開(kāi)發(fā)量約有1000～1500GW?？梢?jiàn)，風(fēng)電有潛力成為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中重要的組成部分［1］。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，是關(guān)鍵部件之一，其成本占裝機(jī)成本的20%左右，也是捕獲風(fēng)能的裝置，其性能的好壞和使用壽命的長(zhǎng)短直接影響著風(fēng)電的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的效率。因此，葉片的可靠性和安全性顯得尤為重要，它是保障風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

風(fēng)機(jī)葉片一般由玻璃纖維復(fù)合材料制成，因其制造工藝的復(fù)雜性，在成型過(guò)程中難免會(huì)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(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的調(diào)研了解到，目前，對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片的無(wú)損檢測(cè)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(cè)技術(shù)等。但每種檢測(cè)方法都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，而且并沒(méi)有完善的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)定檢測(cè)方法的適用階段。

就以上問(wèn)題，筆者首先對(duì)葉片產(chǎn)生缺陷和損傷的原因進(jìn)行了分析，其次是對(duì)無(wú)損檢測(cè)方法的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了比較，最后對(duì)檢測(cè)方法的適用階段和存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。

1 風(fēng)機(jī)葉片的缺陷和損傷原因分析

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(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)孔隙、分層和夾雜等典型缺陷?？紫度毕葜饕怯捎跇?shù)脂與纖維浸潤(rùn)不良，空氣排擠不完全等因素造成；分層缺陷主要是因?yàn)闃?shù)脂用量不夠，二次成形等；夾雜缺陷的產(chǎn)生主要是由于加工過(guò)程中的異物混入。

此外，葉片在運(yùn)輸和安裝過(guò)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(guò)程中葉片也會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，其主要缺陷類型有裂紋、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(huì)發(fā)生突然斷裂，而基體老化是由于風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)期工作在沙塵、雨水和鹽霧腐蝕的惡劣條件下造成的。

在生產(chǎn)、安裝和運(yùn)行過(guò)程中對(duì)葉片進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，一方面可以促進(jìn)對(duì)損傷失效特征及失效模式方面的研究，另一方面可以避免運(yùn)行事故的發(fā)生。因此，針對(duì)缺陷和損傷產(chǎn)生的階段，制定出一套適用于風(fēng)機(jī)葉片的檢測(cè)方案，對(duì)保障風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行和提高葉片的使用壽命具有重要意義。

2 無(wú)損檢測(cè)方法的比較與評(píng)價(jià)

無(wú)損檢測(cè)是建立在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的一門(mén)應(yīng)用型技術(shù)學(xué)科，其特點(diǎn)是在不損壞被檢測(cè)物體結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)用物理方法檢測(cè)物體的物理性能、狀態(tài)特性以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，檢查其是否存在缺陷，從而判斷出被檢測(cè)物是否合格，進(jìn)而對(duì)其評(píng)價(jià)。

應(yīng)用在工業(yè)上的無(wú)損檢測(cè)方法有射線、超聲波、磁粉、滲透、渦流等五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。此外，還有非常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，主要包括聲發(fā)射、紅外熱成像、微波等。下面針對(duì)檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片的幾種方法進(jìn)行比較與評(píng)價(jià)。

2.1 X射線檢測(cè)技術(shù)

射線檢測(cè)技術(shù)是五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法之一，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。X 射線能夠穿透物體，如果物體某些區(qū)域存在缺陷，它將改變物體對(duì)射線的衰減，引起透射射線強(qiáng)度的變化，采用膠片感光成像方法，就可以判斷物體是否存在缺陷以及缺陷的位置和大小。

對(duì)于風(fēng)電葉片而言，何杰等［2］表明X 射線技術(shù)是檢測(cè)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(cè)垂直于葉片表面的裂紋，對(duì)樹(shù)脂、纖維聚集有一定的檢測(cè)能力，也可以測(cè)量小厚度風(fēng)電葉片鋪層中的纖維彎曲等缺陷，但對(duì)風(fēng)電葉片中常見(jiàn)的分層缺陷和平行于葉片表面的裂紋不敏感，文獻(xiàn)中對(duì)孔隙和夾雜等缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，從結(jié)果中可以觀察到缺陷的存在，可滿足葉片出廠前的檢測(cè)，能夠進(jìn)行定性分析。中北大學(xué)電子測(cè)試國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員將X 射線與現(xiàn)代測(cè)試?yán)碚撓嘟Y(jié)合，在數(shù)字圖像處理階段，通過(guò)小波變換與圖像分解理論，將一幅圖像分解為大小、位置和方向等不同的分量，改變小波變換域中的某些參數(shù)的大小，實(shí)時(shí)地識(shí)別出X 射線圖像中的內(nèi)部缺陷［3］。朱省初等［4］通過(guò)試驗(yàn)的方法驗(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，在試驗(yàn)條件下，X 射線檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的缺陷檢測(cè)。

對(duì)于在役風(fēng)機(jī)葉片，由于受現(xiàn)場(chǎng)因素的影響及高度的限制，使用X 射線檢測(cè)方法很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，但對(duì)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，該方法還未廣泛地應(yīng)用于葉片的全尺寸檢測(cè)。

2.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)法的原理是利用復(fù)合材料本身和缺陷處的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播路徑的影響來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部或表面缺陷。在五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，由于其具有檢測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大，缺陷定位準(zhǔn)確、速度快以及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)，所以是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無(wú)損檢技術(shù)。

超聲波檢測(cè)技術(shù)比較適用于風(fēng)機(jī)葉片成型后的檢驗(yàn)。此時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片還未安裝，檢測(cè)的目的是為了保證風(fēng)機(jī)葉片的出廠品質(zhì)。利用超聲波檢測(cè)技術(shù)可以有效地檢測(cè)厚度的變化，能夠顯示出產(chǎn)品的內(nèi)在缺陷，如分層、夾雜、氣孔、缺少膠黏劑以及脫黏等缺陷，從而可大幅度降低葉片失效的風(fēng)險(xiǎn)。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性，會(huì)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(duì)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)方法主要有脈沖回波法［5］和空氣耦合超聲導(dǎo)波法［6］。文獻(xiàn)［2］和［5］中的研究都表明高頻的超聲波換能器可有效檢測(cè)風(fēng)電葉片表層附近的內(nèi)部分層缺陷，而低頻的超聲波換能器可用于檢測(cè)深層的分層缺陷和厚度變化。文獻(xiàn)［6］中的研究表明空氣耦合超聲波導(dǎo)波檢測(cè)方法可有效地檢測(cè)風(fēng)電葉片的分層、缺膠等內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，可以初步得到缺陷的幾何形狀和尺寸大小。凡麗梅等［7］通過(guò)仿真軟件，得到了檢測(cè)的最佳工藝條件，并模擬檢測(cè)了埋深分別為1，5，9mm 的內(nèi)部缺陷。文獻(xiàn)［8］中表明超聲波檢測(cè)手段很難檢測(cè)出復(fù)雜缺陷或微小缺陷，較難進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。以上的研究說(shuō)明了超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片缺陷檢測(cè)的可行性，但較難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

由于該方法檢測(cè)周期長(zhǎng)，對(duì)不同類型的缺陷需使用不同規(guī)格的探頭，在檢測(cè)過(guò)程中需使用耦合劑，也是局限性所在。所以，對(duì)于實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，超聲波檢測(cè)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，但可以進(jìn)行出廠前的靜態(tài)檢測(cè)。

2.3 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

聲發(fā)射是指伴隨固體材料在斷裂時(shí)釋放儲(chǔ)存的能量產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測(cè)方法是通過(guò)接收和分析材料的聲發(fā)射信號(hào)來(lái)評(píng)定材料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無(wú)損檢測(cè)方法，探測(cè)到的能量來(lái)自被測(cè)物體本身，在許多方面不同于其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法，它是一種動(dòng)態(tài)非破壞檢測(cè)技術(shù)。該方法具有高效率、長(zhǎng)距離、可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

韓敬宇等［9］首先對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的裂紋產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，并認(rèn)為裂紋的擴(kuò)展主要是因?yàn)槿~片在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和停車以及環(huán)境因素的影響，都會(huì)造成裂紋的加深、加長(zhǎng)、加寬，嚴(yán)重威脅著葉片的安全。所以，對(duì)于葉片裂紋的檢測(cè)是非常重要的。隨后，對(duì)可以測(cè)量裂紋萌生及擴(kuò)展的四種方法進(jìn)行了比較，綜合考慮了各方法的優(yōu)勢(shì)和局限性，最終采用了聲發(fā)射技術(shù)對(duì)葉片裂紋故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片裂紋的監(jiān)測(cè)。鄔冠華等［10］以施加載荷的方式對(duì)復(fù)合材料損傷過(guò)程中發(fā)出的信號(hào)特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并表明隨著加載時(shí)間的持續(xù)，聲發(fā)射信號(hào)有明顯突增，各種表征信號(hào)量急劇增加?？梢?jiàn)，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而能夠有效檢測(cè)出風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的完整性，評(píng)價(jià)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(cè)過(guò)程中，接收的信號(hào)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(duì)環(huán)境因素十分敏感，因此對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)造成干擾，影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，所以很難對(duì)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(dòng)態(tài)信息，對(duì)于壽命評(píng)估有一定的優(yōu)勢(shì)，可對(duì)葉片進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。綜上所述，聲發(fā)射技術(shù)可有效的檢測(cè)出葉片裂紋等缺陷，對(duì)實(shí)時(shí)的獲取葉片動(dòng)態(tài)信息有很好的幫助。

該方法與超聲波法相比，在檢測(cè)靜態(tài)葉片品質(zhì)方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，然而，由于該技術(shù)對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)，采用多傳感器長(zhǎng)距離布置的方式，能夠接收到葉片在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)后處理，可以獲得損傷部位的動(dòng)態(tài)信息。采用該方法對(duì)葉片進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要是因?yàn)槿~片在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)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(huì)自發(fā)的產(chǎn)生信號(hào)，這樣就能夠判斷出缺陷產(chǎn)生的位置。

2.4 光纖傳感器檢測(cè)技術(shù)

光纖傳感器的基本原理是當(dāng)葉片內(nèi)部產(chǎn)生纖維斷裂、基體開(kāi)裂和脫膠等損傷時(shí)，埋入構(gòu)件內(nèi)的光纖將隨之?dāng)嗔?，光纖輸出端將探測(cè)不到光，以此便可以判斷出損傷的位置、大小及趨勢(shì)等。

在風(fēng)機(jī)葉片的關(guān)鍵位置埋入光纖傳感器陣列，探測(cè)其在加工、成型及服役的動(dòng)態(tài)過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的變化，并對(duì)外力、疲勞等引起的變形、裂紋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與損傷評(píng)估［11］。南京航空航天大學(xué)飛行器系的研究人員基于復(fù)合材料層板中的多方位多模光纖網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，針對(duì)檢測(cè)層板內(nèi)部發(fā)生的多處橫向沖擊損傷提出了重構(gòu)算法；通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)獲得的圖像信號(hào)，可實(shí)時(shí)、定量、直觀重構(gòu)并顯示出層板內(nèi)部的損傷位置和程度，以上的研究說(shuō)明了通過(guò)光纖傳感器技術(shù)可以對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行內(nèi)部損傷的監(jiān)測(cè)。

光纖具有體積小、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(hào)，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(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的安全檢測(cè)，可探測(cè)出各種原因造成的材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷［12］，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(jià)格方面的問(wèn)題，其在應(yīng)用中受到很大的限制。

2.5 紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

紅外檢測(cè)的原理是基于物體輻射特性的不同，當(dāng)外部熱源對(duì)被檢物體進(jìn)行熱激勵(lì)，缺陷處的表面溫度會(huì)發(fā)生變化，紅外熱像儀可實(shí)時(shí)記錄物體表面的溫度場(chǎng)變化，通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的缺陷分析［13］。此方法屬于非常規(guī)檢測(cè)方法，但由于其具有操作安全、靈敏度高、檢測(cè)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，近幾年受到廣泛關(guān)注。

嚴(yán)天鵬［14］針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片常見(jiàn)的幾種缺陷，采用傳統(tǒng)的手糊成型法，使用風(fēng)力機(jī)葉片特有的單向型纖維增強(qiáng)體和環(huán)氧樹(shù)脂基體，制作了內(nèi)部含有裂縫、滲膠、分層、氣孔等四種典型缺陷的樣品。使用紅外熱成像儀，運(yùn)用主動(dòng)式熱成像方法，在室內(nèi)環(huán)境下，對(duì)這幾種缺陷進(jìn)行了檢測(cè)并作了分析。分析結(jié)果表明缺陷尺寸越大、深度越淺，冷卻過(guò)程中形成的最大表面溫差越大，越容易檢測(cè)，對(duì)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(wú)損檢測(cè)方法，尤為適用于常見(jiàn)的分層和滲膠類型的缺陷；并說(shuō)明了熱載荷的均勻程度是該檢測(cè)方法的一個(gè)基本要素，這主要是由于纖維材料為各向異性材料，熱擴(kuò)散率較大，內(nèi)部缺陷在熱像圖上的形狀會(huì)有變形。岳大皓等［15］在對(duì)風(fēng)機(jī)葉片紅外無(wú)損檢測(cè)的試驗(yàn)研究中，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的砂眼缺陷，灌注過(guò)程中的白斑缺陷，鋪層過(guò)程中的褶皺缺陷以及固化過(guò)程中的鼓包缺陷，采用閃光燈激勵(lì)方法進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)觀察紅外熱像圖可以觀察到這些缺陷，但對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片較深層結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)還有待進(jìn)一步研究。DATTOMA 等［16］利用紅外熱成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的膠滲透、浸水和脫膠等典型缺陷的識(shí)別，試驗(yàn)結(jié)果表明紅外熱成像技術(shù)可用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)缺陷檢測(cè)。郭天太［17］在文獻(xiàn)中給出了用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的例子，表明采用熱像儀檢測(cè)能顯示缺陷的大小、形狀和缺陷深度。李托雅等［18］通過(guò)試驗(yàn)和仿真計(jì)算兩方面證明了感應(yīng)激勵(lì)紅外熱像方法在裂紋檢測(cè)中具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)以上的研究和對(duì)文獻(xiàn)的調(diào)研可知，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)出玻璃纖維制葉片的幾種典型缺陷。

該方法與其他檢測(cè)方法相比，具有非接觸、可大面積遠(yuǎn)距檢測(cè)以及操作簡(jiǎn)單和易于實(shí)時(shí)觀察等特點(diǎn)，更加適用于風(fēng)機(jī)葉片的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。但由于受到塔筒的高度限制，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成不利影響，對(duì)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(kāi)發(fā)研究，研究意義較大。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相對(duì)完善的方案針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的缺陷及損傷檢測(cè)，隨著風(fēng)電的快速發(fā)展以及國(guó)家的高度重視，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，減少葉片破損事件的發(fā)生是首要任務(wù)，這樣不僅可以有效提高經(jīng)濟(jì)效益，而且可以提高風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

結(jié)合風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和對(duì)無(wú)損檢測(cè)方法的比較與評(píng)價(jià)，得出超聲波檢測(cè)技術(shù)適用于葉片安裝前的靜態(tài)檢測(cè)，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)比較適用于葉片的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)比較適用于葉片服役過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

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