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风电叶片前缘胶接结构超声检测技术

摘要:风电叶片前缘为胶接结构,胶接质量的优劣直接影响到叶片的使用寿命。应用超声脉冲回波法对风电叶片前缘胶接结构进行检测,并通过CIVA仿真分析了探头频率对胶接结构超声检测结果的影响。试验采用设计的超声波双晶探头对风电叶片前缘试块进行了检测。分析结果表明,超声波双晶探头能够接收到明显的胶接区域缺陷回波,可以方便地实现风电叶片前缘胶接结构的检测。

关键词:风电叶片;超声检测;仿真分析;无损检测;胶接结构

风能作为一种快速发展的可再生清洁能源,其开发利用越来越受到世界各国的重视。截止2014年底,全球风电累计装机容量达到371GW[1]。风电叶片是风力发电机的基础和关键部件之一,其价值约占装机总成本的20%,其合理的设计、可靠的质量是决定风电机组性能好坏的关键因素[2]。风电叶片一般由纤维增强复合材料制造,来提高其比强度、比模量和抗疲劳性能。受制造工艺、成型工艺及粘接工艺的影响,风电叶片难免会出现分层、裂纹、脱粘等结构缺陷。如果这些缺陷不能够在叶片出厂前及时检测及修复,在风电叶片服役过程中将会导致结构损伤的产生、累计及扩展,最终导致叶片的失效。因此,风电叶片结构质量的控制是保证叶片性能的关键[3]。

1风电叶片结构及其常见缺陷

风电叶片的制造一般采用半成型合模技术,即压力侧与吸力侧分别成型,并通过结构胶进行粘接[4]。如图1所示为风电叶片截面图,图中压力侧与吸力侧的前后缘、大梁与腹板均用粘接工艺进行连接。根据目前大部分风场运行风电叶片事故分析,叶片粘接开裂问题最多,因此粘接质量是影响叶片质量的重要因素。风电叶片在生产制造过程中会产生脱粘、缺胶、分层和夹杂等典型缺陷。脱粘缺陷主要是指叶片前后缘、大梁与腹板未被粘上的区域。缺胶缺陷主要是由于粘接剂用量不足造成的;分层缺陷是层板中不同层之间存在的局部的明显分离;夹杂缺陷的产生主要是由于加工过程中的异物混入[6]。风电叶片的前缘为胶接结构,并且胶接过程为盲粘,将会不可避免地出现脱粘或缺胶等缺陷。目前,风电叶片前缘的检测存在的主要困难有:多层结构;厚度范围变化大;由各向异性的复合材料构成;外形为弧面,一般的平面复合材料检测无法适用[7]。实际中,叶片前缘粘接位置有脱粘、粘结力不足等问题。常规的例行检测一般是采用目视法和敲击法,这两种方法要求检测人员具有丰富的经验,准确性难以控制[8]。针对风电叶片前缘的结构特性,本文提出采用超声脉冲反射法来检测其胶接缺陷。

2超声波检测原理

超声脉冲反射法是由超声波探头发射脉冲到工件内部,通过分析探头接收的反射波信号对缺陷进行识别、定位的。图2是超声脉冲反射法的基本原理图,超声波换能器向工件发射脉冲,当脉冲遇到缺陷界面时会发生反射,在始脉冲与底波之间出现缺陷回波。然后通过完好位置与缺陷位置接收反射回波的时间与幅值对比,来进行缺陷的判断与识别[9]。针对复合材料超声散射造成的界面波及杂波较多、衰减严重的问题,本文拟采用双晶纵波直探头来进行风电叶片的检测。双晶探头由两个压电晶片并排安装在声延迟块上并用隔声板隔开,从而发射脉冲未能进入放大器,克服了阻塞现象,使盲区大大减小。其一发一收的结构特点,消除了发射压电晶片与延迟块之间的反射杂波,提高了信噪比。双晶探头能较好地应用于像奥氏体不锈钢和复合材料等强衰减材料的超声检测[10,11]。双晶纵波直探头结构如图3所示。从图3可以看出,双晶探头在工件中声束交叉形成ABCD菱形区,其交叉覆盖的区域即为双晶探头的探伤区,在菱形区域内双晶探头具有较高的检 测灵敏度。根据不同探测深度的要求可选择不同入射角α,工件中有效探测区域中心到检测表面的距离F可用下面公式表示:F=L-HtanαtanarcsinCL2sinαCL1()[](1)式中,L为晶片中心到楔块底面的高度;H为晶片中心到隔声层的距离;α为入射角;CL1和CL2分别为有机玻璃声速和被测工件纵波声速[12]。

3风电叶片前缘超声仿真

在进行实际检测之前,先采用CIVA软件进行仿真模拟验证超声检测方法在该材料中的可行性。CIVA是法国原子能委员会开发的无损检测NDT专业仿真软件,主要包括超声、涡流和射线三个模块,对于超声波探头的设计和检测工艺的制定具有很好的指导作用[13]。在超声模块中,通过铅笔模型法来计算声束的传播,并通过基尔霍夫定律和几何衍射理论来近似计算缺陷响应[14]。风电叶片前缘为三层结构:上下两层复合材料通过中间结构胶粘接在一起。叶片前缘厚度约为18mm,其中胶层厚度约为10mm。在叶片前缘上设计平底孔来模拟脱粘缺陷。CIVA仿真超声检测叶片前缘3D仿真模型如图4所示。超声频率高时,波长短,声束指向性好,扩散角小,能量集中,发现缺陷能力强,分辨力高,定位准确。但高频率超声波在材料中衰减大,穿透能力差[15]。使用仿真软件分别对探头频率为0.5MHz、1MHz、2.5MHz的双晶探头进行测试。采用不同频率的探头分别对同一缺陷进行扫查,扫查得到图5,结果表明,不同频率的探头采用垂直线性扫查叶片前缘弧面都能检测到缺陷。图5对比了不同频率下双晶探头的回波幅值和回波宽度,可以看出,频率越高,衰减越严重,检测灵敏度下降,但频率太低,分辨力又较差。因此,本研究选用1MHz的双晶纵波直探头。

4风电叶片前缘检测试验

试验试块为风电叶片前缘截取的一部分,在需要检测的部位加工出一定尺寸的圆形平底盲孔来模拟脱粘缺陷。试块如图4(b)所示。试块为三层结构,上下两层复合材料通过结构胶粘接成一体,三层厚度分别约为3.2mm、10.0mm、5.0mm。在试块上层玻璃纤维复合材料底部挖一个直径为10mm的平底盲孔,在第二层胶层的底部加工同样尺寸的平底盲孔作为脱粘缺陷。采用超声波检测仪、示波器以及设计的双晶直探头在叶片前缘试块上进行试验。试验结果如图6所示,纵坐标表示回波幅值,用mV表示。横坐标为传播时间,用μs表示。图6中的三幅波形图都是在同一检测条件下测得的。图6(a)为无缺陷时的回波;图6(b)为第一层与第二层层间脱粘缺陷回波;图6(c)为第二层与第三层层间脱粘缺陷回波。由图6可知,叶片一、二层间的脱粘,回波明显,幅值达到139mV,是无缺陷回波时的2倍,见图6(b);叶片二、三层间脱粘时,二、三层间回波较为明显,幅值达到119mV,是无缺陷回波的2.05倍,见图6(c)所示。通过对比完好界面与界面脱粘的超声检测图像得到波高差,即可判断复合材料是否存在脱粘缺陷。当叶片层间界面脱粘缺陷回波高于界面良好时的回波的2倍时,则可认为该层间存在脱粘缺陷.

5结束语

本文采用的超声检测方法能够有效地检测出风电叶片前缘胶接结构缺陷,同时制作了试块方便检测的校准和验证。CIVA仿真软件能够预测叶片中的超声响应及频率特性,显示了超声仿真软件在检测几何形状复杂的工件时的重要性。频率为1MHz的双晶纵波直探头在叶片检测方面表现出较好的效果,在完好位置与缺陷位置上有明显的区分信号。检测结果表明,窄脉冲高分辨率的双晶探头获得的缺陷回波明显,可以完成叶片前缘胶接结构的检测。

作者:王昌盛 周克印 徐萍 孟令民 单位:南京航空航天大学

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