風(fēng)電葉片拉擠主梁的超聲檢測

孫玉明,陸發(fā)青,彭超義,馮學(xué)斌,蘇世臣,陳 晨,劉明波

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，株洲 412000)

近年來，隨著風(fēng)電行業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷升級，風(fēng)電葉片的長度越來越長，許多國內(nèi)葉片廠家涉足長度超100 m葉片的制造。在此背景下，迫切需要控制葉片的重量，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。采用拉擠板材制作主梁來降低葉片重量，提高葉片強(qiáng)度，以獲得更優(yōu)異的發(fā)電效率是行業(yè)的發(fā)展趨勢。風(fēng)電葉片行業(yè)常用的拉擠板材按增強(qiáng)材料區(qū)分主要有玻纖(玻璃纖維)拉擠板和碳纖維拉擠板。兩種拉擠板材性能均較為優(yōu)異，但玻纖拉擠板在成本方面更具有優(yōu)勢，近年來應(yīng)用越來越廣泛。

1 風(fēng)電葉片拉擠主梁

1.1 拉擠板材的基本特性

玻纖拉擠板是(見圖1)一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性材料，采用傳統(tǒng)的拉擠成型工藝制備而成，包含基體樹脂和增強(qiáng)材料等成分(樹脂主要有環(huán)氧樹脂、聚氨酯等類型，增強(qiáng)材料主要為不同配方、不同拉伸模量的玻璃纖維)，主要應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)葉片主梁結(jié)構(gòu)部件的制造。玻纖拉擠板可以根據(jù)實(shí)際的使用需求來切割長度，厚度多為5 mm，寬度有120，141 mm等規(guī)格，厚度和寬度均可定制化供應(yīng)。玻纖拉擠板材主要有以下幾個特點(diǎn)：① 高強(qiáng)度、高模量；② 耐腐蝕；③ 高體積含量；④ 低孔隙率；⑤ 紗線排列直線度高。

1.2 拉擠板成型主梁特性

風(fēng)電葉片主梁制作的傳統(tǒng)方式是先將玻纖絲編織成玻纖布，再鋪設(shè)保壓，最后灌注樹脂成型，但該編織工藝不能完全發(fā)揮纖維的材料性能，因此近年來行業(yè)內(nèi)都在探索拉擠成型工藝，并以此來制作風(fēng)電葉片主梁。常見方法為先采用拉擠工藝制作標(biāo)準(zhǔn)尺寸的拉擠板材，然后在主梁模具中鋪設(shè)拉擠板材(鋪設(shè)截面見圖2)，再通過真空灌注把拼裝堆垛的拉擠板材黏接起來形成主梁(主梁截面見圖3)，最后將主梁用于葉片殼體制作。但這種方法受拉擠板材鋪設(shè)作業(yè)、灌注工藝及生產(chǎn)環(huán)境等影響，極易在拉擠板材層間出現(xiàn)灌注質(zhì)量問題(主梁層間灌注缺陷示例見圖4)。

圖2 拉擠板材鋪設(shè)截面示意

圖3 拉擠板材主梁截面示意

針對拉擠板成型后主梁層間灌注缺陷的檢測，目前已知的最有效，最快捷的檢測手段是超聲無損檢測。行業(yè)中常用的拉擠板材有玻纖拉擠板材和碳纖維拉擠板材，筆者以玻纖拉擠板成型主梁為對象進(jìn)行研究，使用的技術(shù)和方法同樣適用于碳纖維拉擠板成型主梁。

圖4 主梁層間灌注缺陷示例

2 拉擠主梁的常規(guī)超聲檢測

采用常規(guī)超聲檢測對拉擠板主梁進(jìn)行無損檢測，檢測設(shè)備為Olympus Epoch 650型檢測儀,配合Olympus V101(0.5 MHz)/V102(1 MHz)型直探頭，以水為耦合劑，采用直接接觸法檢測。檢測前需使用相同結(jié)構(gòu)、工藝預(yù)制的階梯試塊完成檢測設(shè)備零點(diǎn)和聲速的校準(zhǔn)。

2.1 拉擠板堆垛區(qū)域檢測

將探頭置于主梁拉擠板材堆垛區(qū)域時(shí)，儀器顯示界面可以清晰顯示出8層拉擠板材的界面回波(見圖5)。以拉擠板材堆垛區(qū)域無缺陷完好部位的底波來進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，將底波調(diào)整到屏幕滿刻度的80%，并以此作為檢測靈敏度。使用半波高度法(6 dB法)進(jìn)行缺陷定量，通過觀察各層拉擠板材界面回波的波幅變化來確定缺陷的深度。但該方法存在如下缺點(diǎn)：① 對檢測人員技能和經(jīng)驗(yàn)要求較高，檢測過程中操作人員需要時(shí)時(shí)關(guān)注各個界面回波波幅的變化；② 檢測所用探頭直徑為25.4 mm，待檢區(qū)域尺寸一般為90 m×0.6 m(長×寬)，檢測操作時(shí)還需要考慮區(qū)域搭接，檢測工作量過大，手動檢測效率低，不適用于現(xiàn)場產(chǎn)品的批量檢測。

圖5 拉擠主梁堆垛區(qū)域檢測回波示意

2.2 拉擠板拼接縫區(qū)域檢測

將探頭置于拉擠板材拼接縫區(qū)域，儀器顯示界面出現(xiàn)了回波信號丟失的現(xiàn)象(見圖6),此現(xiàn)象可以用波的衍射現(xiàn)象解釋。拉擠板材主梁中聲速約為3 400 m·s-1，探頭頻率為1 MHz，根據(jù)波長公式計(jì)算得到其波長約為3.4 mm，而拼接縫的間隙基本為1～3 mm，滿足發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件。故此區(qū)域發(fā)生衍射現(xiàn)象后，底面反射回波減少，因此出現(xiàn)了底波信號丟失的現(xiàn)象。因?yàn)槊繉永瓟D板材的拼接縫均會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，所以直探頭檢測時(shí)拼接縫區(qū)域的灌注缺陷很容易漏檢。可以通過研制定制的帶角度探頭以及改變探頭頻率，對拼接縫區(qū)域的缺陷檢測進(jìn)行深入研究。

圖6 拉擠主梁拼接縫區(qū)域檢測回波示意

3 拉擠主梁的相控陣超聲檢測

采用相控陣超聲對拉擠板主梁進(jìn)行無損檢測，手動掃查時(shí)采用Olympus OmniScan SX/MX2/X3檢測儀,配合Olympus 0.5L64(0.5 MHz)/1L64(1 MHz)型復(fù)合材料相控陣探頭以及單軸迷你編碼器(見圖7)。批量檢測時(shí)可使用半自動掃查系統(tǒng)(見圖8)，以提高檢測效率。同樣以水作為耦合劑，使用直接接觸法(探頭表面需貼探頭膜減少磨損)進(jìn)行檢測，檢測前需使用相同結(jié)構(gòu)、工藝預(yù)制的階梯試塊完成檢測設(shè)備零點(diǎn)和聲速的校準(zhǔn)。

圖7 相控陣超聲檢測設(shè)備實(shí)物

圖8 相控陣超聲半自動掃查系統(tǒng)

3.1 拉擠板堆垛區(qū)域檢測

將探頭置于拉擠板材堆垛區(qū)域，儀器可以清晰顯示出各層拉擠板材的界面回波，以堆垛區(qū)域無缺陷完好部位底波來進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，將底波調(diào)整到屏幕滿刻度的80%，并以此作為檢測靈敏度。調(diào)用兩個閘門，分別套住底面回波和各界面回波。通過手動TCG(時(shí)間校正增益)設(shè)置，調(diào)節(jié)底波前各界面回波波幅(建議各界面回波不超過屏幕滿刻度的40%)，底波之后的雜波可使用手動TCG調(diào)節(jié)降至最低，拉擠板材主梁相控陣超聲檢測基礎(chǔ)圖像如圖9所示。

圖9 拉擠主梁相控陣超聲檢測基礎(chǔ)圖像

檢測過程中，底面回波以不超過滿屏刻度為宜(建議波幅控制在滿屏刻度的60%～80%)。若出現(xiàn)超出滿屏情況，可適當(dāng)降低增益，或者后期在數(shù)據(jù)分析時(shí)使用軟件增益功能將底波增高至滿屏刻度80%。當(dāng)遇到層間灌注缺陷時(shí)，可在相控陣檢測儀顯示器D掃圖中看到明顯的缺陷顯示(見圖10)，待完成整個檢測面的掃查后，將數(shù)據(jù)拷貝至計(jì)算機(jī)，使用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀。

圖10 拉擠主梁灌注缺陷顯示

為方便檢測數(shù)據(jù)的分析，推薦使用Olympus TomoView軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可在B掃圖中測量缺陷長度，在D掃圖中測量缺陷寬度，結(jié)合A掃圖，可使用半波高度法(6 dB法)進(jìn)行缺陷定量。

3.2 拉擠板拼接縫區(qū)域檢測

當(dāng)將探頭置于拉擠板材拼接縫區(qū)域時(shí)，同樣受到衍射現(xiàn)象的影響，可以從C掃圖以及D掃圖中清晰發(fā)現(xiàn)衍射現(xiàn)象的影響區(qū)(見圖11)。利用軟件的測量線和參考線可以讀取衍射現(xiàn)象影響區(qū)的寬度。因此，在使用相控陣檢測技術(shù)檢測拉擠板材主梁拼接縫區(qū)域時(shí)，灌注缺陷也很容易漏檢。

圖11 主梁拼接縫區(qū)域的相控陣超聲檢測圖像

4 拉擠主梁相控陣超聲檢測現(xiàn)場應(yīng)用

通過以上研究可知，針對拉擠板成型主梁的超聲檢測，推薦使用相控陣超聲檢測技術(shù)。該方法可以快速、有效地檢測出拉擠板材層間缺陷，結(jié)合相控陣數(shù)據(jù)分析軟件，可以較準(zhǔn)確地對缺陷進(jìn)行定量和定位。但對于拼接縫區(qū)域的黏接情況，受衍射現(xiàn)象影響，超聲檢測暫時(shí)沒有很好的辦法解決這個問題，但可以在生產(chǎn)過程中對拼接縫區(qū)域每層拉擠板材對接間隙加以控制，通過制程管控，降低拼接縫區(qū)域產(chǎn)生缺陷的幾率。

目前，國內(nèi)葉片廠商主要采用以下兩種方式將拉擠板成型主梁制成葉片殼休。第一種是在主梁模具中先制作主梁，再將拉擠板成型主梁隨殼體材料一同鋪層、灌注，最終制成葉片殼體。第二種是直接將拉擠板材鋪放在葉片殼體模具中，將拉擠板材隨殼體材料一同鋪層、灌注，最終制成葉片殼體?？紤]到葉片整體成型周期的要求，未來可能主要使用第二種方式進(jìn)行成型。但隨之而來的檢測難點(diǎn)是，拉擠板材直接鋪層在殼體模具內(nèi)，缺少了主梁模具擋邊的約束，拉擠板材拼接縫的間隙會放大，使得整體的拼接縫影響區(qū)域變寬，“檢測盲區(qū)”增大。第一種成型方式拼接縫影響區(qū)域?yàn)?0 mm左右，而第二種成型方式拼接縫影響區(qū)域會增大到20～30 mm。此時(shí)需要技術(shù)人員重新評估檢測盲區(qū)內(nèi)存在缺陷的概率，并在制程中對拼接縫間隙進(jìn)行管控。

風(fēng)電葉片的殼體是由結(jié)構(gòu)膠將腹板與PS殼體和SS面殼體黏接而成的，結(jié)合部位是腹板和殼體上主梁區(qū)域的黏接結(jié)構(gòu)，葉片截面如圖12所示。腹板與拉擠板成型主梁的黏接結(jié)構(gòu)如圖13所示，該結(jié)構(gòu)同樣可以使用相控陣超聲檢測技術(shù)進(jìn)行檢測。

圖12 葉片截面示意

當(dāng)使用相控陣超聲檢測技術(shù)檢測腹板和主梁黏接情況時(shí)，以黏接完好無缺陷的腹板底波來進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，將底波調(diào)整到屏幕滿刻度的80%，并以此作為檢測靈敏度。調(diào)用兩個閘門，分別套住腹板回波和各主梁界面回波。通過手動TCG調(diào)節(jié)，可以提高或降低各界面回波波幅(建議各主梁界面回波不超過屏幕滿刻度的30%，腹板回波在屏幕滿刻度的60%左右，數(shù)據(jù)分析時(shí)使用軟件增益功能將腹板底波增高至滿屏刻度80%)，腹板底波之后的雜波可使用手動TCG降至最低，腹板與拉擠板材主梁黏接拼接縫區(qū)域相控陣超聲信號如圖14所示。

圖13 腹板與拉擠板成型主梁的黏接結(jié)構(gòu)示意

圖14 腹板與拉擠主梁黏接拼接縫區(qū)域相控陣超聲信號

需要注意的是,該結(jié)構(gòu)同樣會受到拉擠板材拼接縫衍射現(xiàn)象的影響，無法顯示出拼接縫影響區(qū)域的腹板底波(拼接縫區(qū)域無回波信號)，腹板與主梁黏接的拼接縫區(qū)域同樣存在檢測盲區(qū)問題[腹板與拉擠板材主梁黏接拼接縫區(qū)域信號丟失圖像見圖14(b)]，故還需要開發(fā)其他檢測方法對其實(shí)施有效檢測。

5 結(jié)語

對風(fēng)電葉片行業(yè)中拉擠板成型主梁的超聲檢測進(jìn)行了研究，對比了常規(guī)超聲檢測和相控陣超聲檢測結(jié)果，總結(jié)了一套適合現(xiàn)場應(yīng)用的超聲檢測方法。該方法可為風(fēng)電葉片產(chǎn)品的可靠性提供支撐，為拉擠板成型主梁的推廣應(yīng)用提供一定保障。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測技術(shù)優(yōu)秀論文評選”活動優(yōu)勝獎。