技术 | 风电机组延寿系列专题——塔架焊缝与螺栓无损检测

在风力发电机组整个运行生命周期内，塔架作为其主要的承重部件，长期受到机组交变载荷的作用。而连接机组各部件的螺栓和塔架焊缝是否具备优良的抗疲劳性能，是防止塔架或机组出现严重损伤，甚至倒塔事故的有力保障。

机组运行过程中，焊缝和螺栓所处的工作环境较为恶劣，受力复杂，随着使用年限的增加，极易出现松动及裂纹缺陷，当这些缺陷发展一定程度时,会严重影响机组的运行安全。考虑到焊缝和螺栓连接可靠性直接影响到整个机组的可靠性和使用寿命，因此有必要对焊缝和螺栓缺陷进行定期检测，提早发现裂纹缺陷,以便及时更换和维护,把隐患扼杀在摇篮中。

与此同时，我国早期安装的风力发电机组寿命陆续到期，需对其当前以及延寿期间的结构健康状态进行评估。作为重要的承载结构，塔架焊缝和机组螺栓的健康状态也是机组延寿评估过程的重要一环。对此，鉴衡认证中心在其发布的CGC/GF 149:2020《风力发电机组延寿技术规范》中，对塔架焊缝和机组连接螺栓的延寿检查提出了相关要求。

1 常见无损检测方法

目前风电行业针对在役机组塔架焊缝和机组螺栓的常用无损检测方法有：

1）磁粉探伤

通过磁粉在缺陷附近漏磁场中的堆积以检测铁磁性材料表面或近表面处缺陷的一种无损检测方法。将钢铁等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位的漏磁能吸附磁粉的特征，依磁粉分布显示被探测物件表面缺陷和近表面缺陷的探伤方法。

2）超声波探伤

声源产生超声波，采用一定方式进入工件。在工件中传播并与工件材质以及工件中缺陷相互作用，使传播方向或特征发生改变 。改变后的超声波通过检测设备被接收，对其进行处理和分析。根据接收超声波的特征，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征。

3）超声波相控阵

该方法和常规超声波检测的原理相似，都是基于脉冲反射的原理。相对于常规超声波探伤，其优势在于：

l 相控阵超声通过对探头依次激发使超声波发生偏转，按照一定角度进行扫查，扫查焊缝时，相控阵无需锯齿扫查，只要沿着焊缝挪动探头即可，扫查锻件时，扫查范围更广,检测效率比常规扫查效率更高。同时不易对工件造成漏检，提高检测准确性和可靠性。

l 相控阵超声通过探头依次激发可以产生超声聚焦，而常规超声波一般没有（除了聚焦探头外），因此能克服超声近场区对工件检测带来干扰，使相控阵探头可以对较薄工件进行有效检测。

相控阵检测同时拥有B扫、S扫和C扫描，使缺陷显示直观、清晰，根据B扫、S扫和C扫描颜色不同判断工件缺陷，易于对工件内部缺陷当量进行评定。而常规超声波只能通过波形高低来分辨缺陷当量。

2 塔架焊缝无损探伤

2.1磁粉探伤方案

2.1.1检验等级

塔架焊缝的质量分级按照表1进行：

表1 焊接接头的质量分级

其他部件的质量分级按表2进行：

表2 焊接接头的质量分级

2.1.2检测关键点

1）使用触头法局部磁化工件时，点击间距应控制在75mm～200mm之间，其检测有效宽度为触头中心线两侧各1/4极距。

2）检测时通电时间不应太长，电极与工件之间应保持良好的接触，以免烧伤工件。

3）两次磁化区域间应有不小于10%的磁化重叠。

4）工件被检区表面及其相邻至少25mm范围内应干燥，并不得有油脂、污垢、铁锈、氧化皮、纤维屑、焊剂、焊接飞溅或其他粘附磁粉的物质；表面的不规则状态不得影响检测结果的正确性和完整性，否则应做适当的修理，修理后的被检工件表面粗糙度Ra≤25μm。

5)被检工件表并面有非磁性涂层时，如果够保证涂层厚度不超过0.05mm，并经检测单位（或机构）技术负责人同意和标准试片验证不影响磁痕显示后可带涂层进行磁粉检测，并归档保存验证资料。

2.2超声探伤方案

2.2.2检验等级

根据质量要求焊缝超声检验等级分为A、B、C三级，检验的完善程度A级最低，B级一般，C级最高，检验工作的难度系数按A、B、C顺序逐级增高。应按照工件的材质、结构、焊接方法，使用条件及承受载荷的不同，合理地选用检验级别。检验等级应按产品技术规范和有关规定选择或经合同双方协商选定。

A、B、C三种检验等级之间有所区别，现将其探头种类数、面数、侧数、板厚等方面的区别简单列于表3中：

表3 检验等级区别

2.2.3检测关键点

a) 探头移动区应清除油垢及其它外部杂质，探伤表面应平整光滑，便于探头的自由扫查，其表面粗糙度不应超过6.3μm，必要时应进行打磨，超声波探伤检验应在焊缝及探伤表面经外观检查合格且满足以上要求后进行；

b) 检验前，探伤工程师应了解被检工件的材质、结构、厚度、焊接方法、焊缝种类、坡口形式及焊缝余高等情况；

c) 探伤灵敏度应不低于评定线灵敏度；

d) 扫查速度不应大于150mm/s，相邻两次探头移动间隔保证至少有探头宽度10%的重叠；

3 螺栓无损探伤

高强螺栓是一种不带孔的刚性螺栓，裂纹波形特点是波形清晰、陡直、尖锐，部位一般在结合面附近1~2道螺纹处；对于较大的裂纹，底波明显减弱甚至消失，紧靠裂纹波之后的螺纹将由于裂纹的遮挡而消失或减弱。

3.1常规超声探伤方案检测关键点

a) 需清除高强螺栓两侧端面的油垢及其它外部杂质。检验表面应打磨，其表面粗糙度应不大于6.3μm。

b) 检验前，探伤工程师应了解被检工件的材质、高度等情况，先进行宏观检查合格。

c) 螺栓的检验区域应覆盖螺栓的全体积，并关注应力集中部位，例如接合面附近一至三道螺纹根部（如图4 a区）、退刀槽附近（b区）及两区之间受力较大区域（c区）。

图4 螺栓检验重点受力区

3.2相控阵超声探伤方案

超声相控阵常用的有线性扫查和扇形扫查，有效克服了材料内部缺陷取向对检测结果的影响。图5和图6分别为相控阵超声探伤作业示意与检测结果。

图5 刚性无中心孔螺栓纵波探伤

图6 从左到右分别为螺栓无裂纹，有裂纹和2mm深裂纹

4检测周期及比例

依据通用标准，焊缝和螺栓抽检比例可参考GB/T2828-2012《计数抽样检验程序》中的一般Ⅱ类。同时GBT 20319-2017《风力发电机组 验收规范》中的规定了螺栓预紧力抽检比例为10%，可供参考使用。

建议检测周期为每年检测，如发现损伤螺栓，宜对其周边螺栓提高检测频次。

5总结

随着风电机组运行年限的增长，作为承载结构的螺栓和塔筒焊缝疲劳损伤风险日益提高。同时我国早期安装运行的机组即将进入设计寿命晚期，需要进行延寿评估以确定其是否可以继续使用，因此对螺栓和塔筒焊缝进行无损检测便显得尤为重要。

本文介绍了目前业内常见的无损检测方法，并对检测中的关键问题进行了讨论。由于目前风电行业的无损检测多借用其它行业的检测标准和规范，因此通过广泛的检测实践，提出一套适合于风电行业的无损检测要求和标准势在必行。

在《风力发电机组延寿技术规范》发布之后，鉴衡对风力发电机组基础运行疲劳损伤与检测、叶片检查等模块讨论了专题技术要求，后续我们还将针对：延寿的检查、外部条件的分析、运行状态的分析、模型建立方法、寿命计算方法、延寿与技改等展开讨论。

本文作者：张宇鹏、程人杰（CGC）