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为风电叶片保驾护航:激光超声无损检测

北极星风力发电网  来源:风电新材料  作者:风电新材料  2020/5/18 9:40:31  我要投稿  

北极星风力发电网讯:风电叶片是风力发电机组的核心部件之一,一般由碳纤维或玻璃纤维增强复合材料制备而成。在生产过程中,由于工装模具变形、部件变形、制造工艺的随机因素和人为因素的影响,叶片难免出现孔隙、裂纹、分层、缺胶等缺陷。另外,在叶片的运输、吊装、运行过程中,也会由于遭到意外撞击、防护层脱落等原因,造成叶片结构损伤的产生、扩展与积累,最终导致风电叶片的破坏。因此无论是生产过程中的质量检测,还是使用过程中的跟踪检测都显得十分重要。

叶片无损检测技术是指在不损害或不影响被检测叶片使用性能的前提下,采用射线、超声、红外、电磁等原理技术,并结合仪器,对叶片材料内部结构异常或缺陷存进行检测的技术,该技术是除了采用严格的工艺要求尽量避免出现缺陷外,保证叶片材料可靠应用,及时发现叶片缺陷的重要手段。

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图1 主梁区域的常见缺陷

从以往接触式无损检测研究来看,声波对材料中的缺陷非常敏感。超声无损检测一直是使用频率较高的检测手段,所以超声回波检测、相控阵检测、空气耦合超声检测、电磁超声检测以及激光超声检测等为代表的非接触式超声无损检测技术则是研究的热点。

超声回波技术是一种常用的无损检测技术,检测的原理也十分简单,短脉冲的超声信号施加到目标区域,然后信号经过散射和反射之后被检测到,通过信号处理获取图像数据。而检测区域的深度则由信号结构的时间来确定,因此该技术可以有效地检测碳纤维和玻璃纤维增强复合材料的厚度。相比传统的超声转换装置,相阵列超声检测装置由16~256个小的脉冲发生装置组成。一个相控阵超声检测系统通过高端的计算机设备来控制和运行不同的元件,然后进行检测和收集回波信号。相比传统的缺陷检测,相控阵检测系统可以通过不同的路径来完成信号收集,因此增加了检测的灵活性和有效性。空气耦合超声检测和普通超声波的传递过程一样,唯一的区别在于耦合介质的不同,空气耦合超声检测过程中,空气取代了水和凝胶介质。该检测技术是一种无接触的测试技术,可以有效地消除水和凝胶在测试过程中带来的微小变动,因此该技术的测试校准和检测过程都较快。电磁超声检测技术是利用电磁耦合方法激励和接收超声波,与传统的超声检测技术相比,它具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适于高温检测以及容易激发各种超声波形等优点。

激光超声无损检测技术是近年来国内外研究的重要方向。这是一种利用激光来产生和探测超声波进而检测材料和结构中缺陷的非接触无损检测方法,与常规压电超声检测技术相比,激光超声检测技术具有非接触和高分辨力的特点,并可与光学扫描技术结合起来实现高效率的检测;另外,激光超声可以高精度定位,定量表征材料缺陷及损伤,检测结果准确、可靠,更易于实现复杂结构与大壁厚构件的跟踪扫查,以及检测封闭区域,在大型复杂结构快速检测中具有显著的技术优势。激光超声检测技术对检测风电叶片内部缺陷是一种综合性能更佳方法,因此国内风电叶片生产厂和检测机构也多选用此种方法。

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图2 复杂型面复合材料结构的激光超声检测

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图3 窝结构的激光超声C扫描检测结果

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图4 碳纤维树脂复合材料分层的激光超声C扫描检测结果

如图2所示,激光超声检测技术与机器人相结合,应用于大曲率复杂型面复合材料结构的缺陷/损伤检测。如图3所示,蜂窝结构为14mm厚,缺陷的尺寸为25mm和50mm,测结果看出,位于上中下3层的缺陷均可检测出来,检出了位于蜂窝结构不同深度的脱黏损伤,这显示出激光超声技术的优越检测能。如图4所示,扫描试样得到的C型图,是碳纤维增强环氧树脂基复合材料,试样中有无分层缺陷位置的激光超声信号,其中分层型缺陷的形状、尺寸和分布与试样中预置聚四氟乙烯薄片的特征相符,采用激光超声无损检测方法可以有效检出碳纤维树脂基复合材料内部直径2mm以上的分层型缺陷。

对于激光超声无损检测技术,目前取得的成果已经很可观,并有诸多应用于复合材料无损检测的案例。现阶段,可以看出激光超声无损检测方法拥有非接触测量,时间空间分辨率高,灵敏度高,高效准确,能在线实时检测,适用叶片复合材料各种复杂结构和各种恶劣环境,相对于其他无损检测方式有大量独特的优势。虽然目前还存在这一些技术难题,包括成本、激光器改进、光声转换效率、以及智能化等问题,但技术人员对激光超声技术的探索从未停止,相信经过努力,这些难题终究会得到解决。



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