風(fēng)電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)超聲檢測技術(shù)

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摘要:風(fēng)電葉片前緣為膠接結(jié)構(gòu)，膠接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到葉片的使用壽命。應(yīng)用超聲脈沖回波法對風(fēng)電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，并通過CIVA仿真分析了探頭頻率對膠接結(jié)構(gòu)超聲檢測結(jié)果的影響。試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)的超聲波雙晶探頭對風(fēng)電葉片前緣試塊進(jìn)行了檢測。分析結(jié)果表明，超聲波雙晶探頭能夠接收到明顯的膠接區(qū)域缺陷回波，可以方便地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)的檢測。

關(guān)鍵詞:風(fēng)電葉片;超聲檢測;仿真分析;無損檢測;膠接結(jié)構(gòu)

風(fēng)能作為一種快速發(fā)展的可再生清潔能源，其開發(fā)利用越來越受到世界各國的重視。截止2014年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到371GW［1］。風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵部件之一，其價(jià)值約占裝機(jī)總成本的20%，其合理的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量是決定風(fēng)電機(jī)組性能好壞的關(guān)鍵因素［2］。風(fēng)電葉片一般由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造，來提高其比強(qiáng)度、比模量和抗疲勞性能。受制造工藝、成型工藝及粘接工藝的影響，風(fēng)電葉片難免會出現(xiàn)分層、裂紋、脫粘等結(jié)構(gòu)缺陷。如果這些缺陷不能夠在葉片出廠前及時(shí)檢測及修復(fù)，在風(fēng)電葉片服役過程中將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生、累計(jì)及擴(kuò)展，最終導(dǎo)致葉片的失效。因此，風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)質(zhì)量的控制是保證葉片性能的關(guān)鍵［3］。

1風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)及其常見缺陷

風(fēng)電葉片的制造一般采用半成型合模技術(shù)，即壓力側(cè)與吸力側(cè)分別成型，并通過結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行粘接［4］。如圖1所示為風(fēng)電葉片截面圖，圖中壓力側(cè)與吸力側(cè)的前后緣、大梁與腹板均用粘接工藝進(jìn)行連接。根據(jù)目前大部分風(fēng)場運(yùn)行風(fēng)電葉片事故分析，葉片粘接開裂問題最多，因此粘接質(zhì)量是影響葉片質(zhì)量的重要因素。風(fēng)電葉片在生產(chǎn)制造過程中會產(chǎn)生脫粘、缺膠、分層和夾雜等典型缺陷。脫粘缺陷主要是指葉片前后緣、大梁與腹板未被粘上的區(qū)域。缺膠缺陷主要是由于粘接劑用量不足造成的;分層缺陷是層板中不同層之間存在的局部的明顯分離;夾雜缺陷的產(chǎn)生主要是由于加工過程中的異物混入［6］。風(fēng)電葉片的前緣為膠接結(jié)構(gòu)，并且膠接過程為盲粘，將會不可避免地出現(xiàn)脫粘或缺膠等缺陷。目前，風(fēng)電葉片前緣的檢測存在的主要困難有:多層結(jié)構(gòu);厚度范圍變化大;由各向異性的復(fù)合材料構(gòu)成;外形為弧面，一般的平面復(fù)合材料檢測無法適用［7］。實(shí)際中，葉片前緣粘接位置有脫粘、粘結(jié)力不足等問題。常規(guī)的例行檢測一般是采用目視法和敲擊法，這兩種方法要求檢測人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性難以控制［8］。針對風(fēng)電葉片前緣的結(jié)構(gòu)特性，本文提出采用超聲脈沖反射法來檢測其膠接缺陷。

2超聲波檢測原理

超聲脈沖反射法是由超聲波探頭發(fā)射脈沖到工件內(nèi)部，通過分析探頭接收的反射波信號對缺陷進(jìn)行識別、定位的。圖2是超聲脈沖反射法的基本原理圖，超聲波換能器向工件發(fā)射脈沖，當(dāng)脈沖遇到缺陷界面時(shí)會發(fā)生反射，在始脈沖與底波之間出現(xiàn)缺陷回波。然后通過完好位置與缺陷位置接收反射回波的時(shí)間與幅值對比，來進(jìn)行缺陷的判斷與識別［9］。針對復(fù)合材料超聲散射造成的界面波及雜波較多、衰減嚴(yán)重的問題，本文擬采用雙晶縱波直探頭來進(jìn)行風(fēng)電葉片的檢測。雙晶探頭由兩個(gè)壓電晶片并排安裝在聲延遲塊上并用隔聲板隔開，從而發(fā)射脈沖未能進(jìn)入放大器，克服了阻塞現(xiàn)象，使盲區(qū)大大減小。其一發(fā)一收的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，消除了發(fā)射壓電晶片與延遲塊之間的反射雜波，提高了信噪比。雙晶探頭能較好地應(yīng)用于像奧氏體不銹鋼和復(fù)合材料等強(qiáng)衰減材料的超聲檢測［10，11］。雙晶縱波直探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3可以看出，雙晶探頭在工件中聲束交叉形成ABCD菱形區(qū)，其交叉覆蓋的區(qū)域即為雙晶探頭的探傷區(qū)，在菱形區(qū)域內(nèi)雙晶探頭具有較高的檢 測靈敏度。根據(jù)不同探測深度的要求可選擇不同入射角α，工件中有效探測區(qū)域中心到檢測表面的距離F可用下面公式表示:F=L－HtanαtanarcsinCL2sinαCL1()[](1)式中，L為晶片中心到楔塊底面的高度;H為晶片中心到隔聲層的距離;α為入射角;CL1和CL2分別為有機(jī)玻璃聲速和被測工件縱波聲速［12］。

3風(fēng)電葉片前緣超聲仿真

在進(jìn)行實(shí)際檢測之前，先采用CIVA軟件進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證超聲檢測方法在該材料中的可行性。CIVA是法國原子能委員會開發(fā)的無損檢測NDT專業(yè)仿真軟件，主要包括超聲、渦流和射線三個(gè)模塊，對于超聲波探頭的設(shè)計(jì)和檢測工藝的制定具有很好的指導(dǎo)作用［13］。在超聲模塊中，通過鉛筆模型法來計(jì)算聲束的傳播，并通過基爾霍夫定律和幾何衍射理論來近似計(jì)算缺陷響應(yīng)［14］。風(fēng)電葉片前緣為三層結(jié)構(gòu):上下兩層復(fù)合材料通過中間結(jié)構(gòu)膠粘接在一起。葉片前緣厚度約為18mm，其中膠層厚度約為10mm。在葉片前緣上設(shè)計(jì)平底孔來模擬脫粘缺陷。CIVA仿真超聲檢測葉片前緣3D仿真模型如圖4所示。超聲頻率高時(shí)，波長短，聲束指向性好，擴(kuò)散角小，能量集中，發(fā)現(xiàn)缺陷能力強(qiáng)，分辨力高，定位準(zhǔn)確。但高頻率超聲波在材料中衰減大，穿透能力差［15］。使用仿真軟件分別對探頭頻率為0.5MHz、1MHz、2.5MHz的雙晶探頭進(jìn)行測試。采用不同頻率的探頭分別對同一缺陷進(jìn)行掃查，掃查得到圖5，結(jié)果表明，不同頻率的探頭采用垂直線性掃查葉片前緣弧面都能檢測到缺陷。圖5對比了不同頻率下雙晶探頭的回波幅值和回波寬度，可以看出，頻率越高，衰減越嚴(yán)重，檢測靈敏度下降，但頻率太低，分辨力又較差。因此，本研究選用1MHz的雙晶縱波直探頭。

4風(fēng)電葉片前緣檢測試驗(yàn)

試驗(yàn)試塊為風(fēng)電葉片前緣截取的一部分，在需要檢測的部位加工出一定尺寸的圓形平底盲孔來模擬脫粘缺陷。試塊如圖4(b)所示。試塊為三層結(jié)構(gòu)，上下兩層復(fù)合材料通過結(jié)構(gòu)膠粘接成一體，三層厚度分別約為3.2mm、10.0mm、5.0mm。在試塊上層玻璃纖維復(fù)合材料底部挖一個(gè)直徑為10mm的平底盲孔，在第二層膠層的底部加工同樣尺寸的平底盲孔作為脫粘缺陷。采用超聲波檢測儀、示波器以及設(shè)計(jì)的雙晶直探頭在葉片前緣試塊上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，縱坐標(biāo)表示回波幅值，用mV表示。橫坐標(biāo)為傳播時(shí)間，用μs表示。圖6中的三幅波形圖都是在同一檢測條件下測得的。圖6(a)為無缺陷時(shí)的回波;圖6(b)為第一層與第二層層間脫粘缺陷回波;圖6(c)為第二層與第三層層間脫粘缺陷回波。由圖6可知，葉片一、二層間的脫粘，回波明顯，幅值達(dá)到139mV，是無缺陷回波時(shí)的2倍，見圖6(b);葉片二、三層間脫粘時(shí)，二、三層間回波較為明顯，幅值達(dá)到119mV，是無缺陷回波的2.05倍，見圖6(c)所示。通過對比完好界面與界面脫粘的超聲檢測圖像得到波高差，即可判斷復(fù)合材料是否存在脫粘缺陷。當(dāng)葉片層間界面脫粘缺陷回波高于界面良好時(shí)的回波的2倍時(shí)，則可認(rèn)為該層間存在脫粘缺陷.

5結(jié)束語

本文采用的超聲檢測方法能夠有效地檢測出風(fēng)電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)缺陷，同時(shí)制作了試塊方便檢測的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。CIVA仿真軟件能夠預(yù)測葉片中的超聲響應(yīng)及頻率特性，顯示了超聲仿真軟件在檢測幾何形狀復(fù)雜的工件時(shí)的重要性。頻率為1MHz的雙晶縱波直探頭在葉片檢測方面表現(xiàn)出較好的效果，在完好位置與缺陷位置上有明顯的區(qū)分信號。檢測結(jié)果表明，窄脈沖高分辨率的雙晶探頭獲得的缺陷回波明顯，可以完成葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)的檢測。

作者:王昌盛 周克印 徐萍 孟令民 單位:南京航空航天大學(xué)